DE102022120709A1

DE102022120709A1 - Schutzschichten zur trennung von elektroaktiven materialien und bindemitteln in elektroden und verfahren zur bildung dieser schichten

Info

Publication number: DE102022120709A1
Application number: DE102022120709.9A
Authority: DE
Inventors: Dewen Kong; Qili Su; Meiyuan Wu; Haijing Liu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-07-20
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2024-01-25
Also published as: US20240030552A1; CN117476861A

Abstract

Es ist eine Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, vorgesehen. Die Elektrodenanordnung umfasst eine oder mehrere elektroaktive Materialschichten mit einer Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und einer Vielzahl von Bindemittelfasern, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind. Mindestens ein elektroaktives Materialteilchen aus der Vielzahl kann mit einer ersten Schutzschicht überzogen sein, und mindestens eine Bindemittelfaser aus der Vielzahl kann mit einer zweiten Schutzschicht überzogen sein. Die erste und die zweite Schutzschicht können identisch oder unterschiedlich sein. Die Bindemittelfasern können Polytetrafluorethylen (PTFE) umfassen.

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 Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systemen (z. B. 12-V-Start-Stopp-Systemen), batteriegestützten Systemen, Hybridelektrofahrzeugen („HEVs“) und Elektrofahrzeugen („EVs“). Typische Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode und die andere Elektrode als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein mit flüssigem oder festem Elektrolyt gefüllter Separator angeordnet sein. Der Elektrolyt ist geeignet, Lithiumionen zwischen den Elektroden zu leiten, und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. Im Fall von Festkörperakkumulatoren, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten (oder Festkörperseparator) umfassen, kann der Festkörperelektrolyt (oder Festkörperseparator) die Elektroden physikalisch trennen, so dass ein eigener Separator nicht erforderlich ist.
Zur Herstellung von Komponenten für einen Lithium-Ionen-Akkumulator können viele verschiedene Materialien verwendet werden. Beispielsweise ist die Verwendung von Polytetrafluorethylen (PTFE) als Elektrodenbindemittel oft wünschenswert, da das Bindemittel zusätzliche aktive Materialien hält, die dickere Elektroden ermöglichen, und gleichzeitig eine höhere Temperatur (z. B. größer oder gleich ungefähr 327 °C) und chemische Beständigkeit aufweist. Allerdings kommt es häufig zu unerwünschten Nebenreaktionen zwischen dem Bindemittel und bestimmten Anodenmaterialien, z. B. beim Einbringen von Lithiumionen, was zu einem verminderten anodisch coulombschen Wirkungsgrad und einer Verschlechterung bestimmter mechanischer Eigenschaften führt. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte Elektrodenmaterialien sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben zu entwickeln, die diese Probleme lösen können.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung betrifft Elektroden mit ersten Schutzschichten, die über elektroaktiven Materialteilchen angeordnet sind, und auch mit zweiten Schutzschichten, die über Bindemittelfasern angeordnet sind, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind, um die Elektroden zu definieren, sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung eine Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle vor, die Lithiumionen zyklisiert. Die Elektrode kann einen Stromkollektor und eine elektroaktive Materialschicht umfassen, die auf einer oder mehreren Seiten des Stromkollektors angeordnet ist. Die elektroaktive Materialschicht kann eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und eine Vielzahl von Bindemittelfasern umfassen, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind. Mindestens ein elektroaktives Materialteilchen aus der Vielzahl kann mit einer ersten Schutzschicht überzogen sein. Mindestens eine Bindemittelfaser aus der Vielzahl kann mit einer zweiten Schutzschicht überzogen sein.
Bei einem Aspekt können die erste und die zweite Schutzschicht polymere Schichten sein, die beispielsweise ein oder mehrere Monomere umfassen, die jeweils aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ethylenoxid (EO), Vinylidenfluorid (VDF), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (VDF-HFP), Propylenoxid (PO), Acrylnitril (AN), Methacrylnitril (MAN), Ethylenglycol (EG), Trimethylencarbonat (TMC), Methylmethacrylat (MMA), Oligomeren derselben und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann die erste Schutzschicht eine durchgehende Beschichtung über jedem elektroaktiven Materialteilchen aus der Vielzahl sein und eine erste durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 Nanometer bis kleiner oder gleich ungefähr 300 Nanometer aufweisen. In ähnlicher Weise kann die zweite Schutzschicht eine durchgehende Beschichtung über jeder Bindemittelfaser aus der Vielzahl sein und eine zweite durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 Nanometer bis kleiner oder gleich ungefähr 300 Nanometer aufweisen.
Bei einem Aspekt kann die elektroaktive Materialschicht größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99 Gew.-% der elektroaktiven Materialteilchen und größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% der Bindemittelfasern umfassen.
Bei einem Aspekt kann die elektroaktive Materialschicht größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% der ersten Schutzschicht und größer oder gleich ungefähr 0,0001 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% der zweiten Schutzschicht umfassen.
Bei einem Aspekt kann die elektroaktive Materialschicht ferner größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% eines leitenden Additivs umfassen.
Bei einem Aspekt kann mindestens eine der Bindemittelfasern aus der Vielzahl Polytetrafluorethylen (PTFE) umfassen.
Bei einem Aspekt kann die elektroaktive Materialschicht eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 20 Mikrometer bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Millimeter aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Bildung von Schutzschichten in einer Elektrode bereit. Das Verfahren kann das In-Kontakt-Bringen einer Elektrode, die eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und eine Vielzahl von Bindemittelteilchen umfasst, mit einer Polymervorläuferlösung umfassen. Die Polymervorläuferlösung kann einen Polymervorläufer umfassen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ethylenoxid (EO), Vinylidenfluorid (VDF), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (VDF-HFP), Propylenoxid (PO), Acrylnitril (AN), Methacrylnitril (MAN), Ethylenglycol (EG), Trimethylencarbonat (TMC), Methylmethacrylat (MMA), Oligomeren derselben und Kombinationen davon besteht. Das Verfahren kann ferner das Erhitzen der Elektrode und der Polymervorläuferlösung auf eine Temperatur von größer oder gleich ungefähr 60 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 300 °C für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 1 Minute bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden umfassen, um eine Schutzschicht über jedem der elektroaktiven Materialteilchen aus der Vielzahl und ebenfalls über jeder Bindemittelfaser aus einer Vielzahl von Bindemittelfasern zu bilden, die aus der Vielzahl von Bindemittelteilchen gebildet sind.
Bei einem Aspekt kann die Schutzschicht eine durchgehende Beschichtung über jedem elektroaktiven Materialteilchen aus der Vielzahl und jeder Bindemittelfaser aus der Vielzahl sein. Die Schutzschicht über den elektroaktiven Materialteilchen kann eine erste durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 Nanometer bis kleiner oder gleich ungefähr 300 Nanometer aufweisen, und die Schutzschicht über den Bindemittelfasern kann eine zweite durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 Nanometer bis kleiner oder gleich ungefähr 300 Nanometer aufweisen.
Bei einem Aspekt kann die Polymervorläuferlösung ferner einen Initiator umfassen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Peroxid, Benzoylperoxid (BPO), Azoverbindungen, Peroxid mit einem Reduktionsmittel und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann die Polymervorläuferlösung größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% des Polymervorläufers und größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des Initiators umfassen.
Bei einem Aspekt kann die Polymervorläuferlösung ferner ein Lösungsmittel umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wasser, Alkohol, Glycol, Isopropanol, Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Diethylcarbonat (DEC), Propylencarbonat (PC), Acetonitril (CAN), Methylalkohol (MA), Gamma-Butyrolacton (GBL) und Kombinationen davon besteht.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Bildung von Schutzschichten in einer Elektrode bereit. Das Verfahren kann das In-Kontakt-Bringen eines elektroaktiven Materialgemischs und einer Polymervorläuferlösung umfassen. Das elektroaktive Materialgemisch kann eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und eine Vielzahl von Bindemittelteilchen umfassen. Die Polymervorläuferlösung kann einen Polymervorläufer umfassen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ethylenoxid (EO), Vinylidenfluorid (VDF), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (VDF-HFP), Propylenoxid (PO), Acrylnitril (AN), Methacrylnitril (MAN), Ethylenglycol (EG), Trimethylencarbonat (TMC), Methylmethacrylat (MMA), Oligomeren derselben und Kombinationen davon besteht.
Das Verfahren kann ferner das Pressen des elektroaktiven Materialgemischs und der Polymervorläuferlösung umfassen, um eine erste Schutzschicht über jedem der elektroaktiven Materialteilchen aus der Vielzahl und eine zweite Schutzschicht über jeder Bindemittelfaser aus einer Vielzahl von Bindemittelfasern, die aus der Vielzahl von Bindemittelteilchen gebildet sind, zu bilden.
Bei einem Aspekt kann das Pressen das Erhitzen des elektroaktiven Materialgemischs und der Polymervorläuferlösung auf eine Temperatur von größer oder gleich ungefähr 60 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 300 °C umfassen.
Bei einem Aspekt kann das Pressen während des Erhitzens des elektroaktiven Materialgemischs und der Polymervorläuferlösung das Beaufschlagen eines Drucks von größer oder gleich ungefähr 1 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 500 psi für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 10 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Stunden umfassen.
Bei einem Aspekt kann das Verfahren ferner das Trocknen der Elektrode und der Polymervorläuferlösung umfassen, um das Lösungsmittel vor dem Pressen des elektroaktiven Materialgemischs zu entfernen.
Bei einem Aspekt kann das Trocknen das Erhitzen der Elektrode und der Polymervorläuferlösung auf eine Temperatur von größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 200 °C für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 1 Minute bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden umfassen.
Bei einem Aspekt kann die erste Schutzschicht eine durchgehende Beschichtung über jedem elektroaktiven Materialteilchen aus der Vielzahl sein, die eine erste durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 Nanometer bis kleiner oder gleich ungefähr 300 Nanometer aufweist, und die zweite Schutzschicht kann eine durchgehende Beschichtung über jeder Bindemittelfaser aus der Vielzahl sein, die eine zweite durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 Nanometer bis kleiner oder gleich ungefähr 300 Nanometer aufweist.
Bei einem Aspekt kann die Polymervorläuferlösung größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% des Polymervorläufers umfassen und kann ferner größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% eines Initiators umfassen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Peroxid, Benzoylperoxid (BPO), Azoverbindungen, Peroxid mit einem Reduktionsmittel und Kombinationen davon besteht.
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 Ausführungsformen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.

1 zeigt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Akkumulatorzelle mit einer Elektrode, die eine erste Schutzschicht, die über mindestens einem elektroaktiven Materialteilchen aus einer Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen angeordnet ist, sowie eine zweite Schutzschicht aufweist, die über mindestens einer Bindemittelfaser aus einer Vielzahl von Bindemittelfasern angeordnet ist, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind, um die Elektrode zu definieren.
2 zeigt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung eine schematische Darstellung einer beispielhaften Elektrode, die eine erste Schutzschicht, die über mindestens einem elektroaktiven Materialteilchen aus einer Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen angeordnet ist, sowie eine zweite Schutzschicht aufweist, die über mindestens einer Bindemittelfaser aus einer Vielzahl von Bindemittelfasern angeordnet ist, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind, um die Elektrode zu definieren.
3 zeigt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahren zum Bilden einer Elektrode, die eine erste Schutzschicht, die über mindestens einem elektroaktiven Materialteilchen aus einer Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen angeordnet ist, sowie eine zweite Schutzschicht aufweist, die über mindestens einer Bindemittelfaser aus einer Vielzahl von Bindemittelfasern angeordnet ist, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind, um die Elektrode zu definieren.
4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein weiteres beispielhaftes Verfahren zum Bilden einer Elektrode, die eine erste Schutzschicht, die über mindestens einem elektroaktiven Materialteilchen aus einer Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen angeordnet ist, sowie eine zweite Schutzschicht aufweist, die über mindestens einer Bindemittelfaser aus einer Vielzahl von Bindemittelfasern angeordnet ist, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind, um die Elektrode zu definieren, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein weiteres beispielhaftes Verfahren zum Bilden einer Elektrode, die eine erste Schutzschicht, die über mindestens einem elektroaktiven Materialteilchen aus einer Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen angeordnet ist, sowie eine zweite Schutzschicht aufweist, die über mindestens einer Bindemittelfaser aus einer Vielzahl von Bindemittelfasern angeordnet ist, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind, um die Elektrode zu definieren, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
6 zeigt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung eine grafische Veranschaulichung, die den coulombschen Wirkungsgrad der beispielhaften Zelle verdeutlicht, die eine umfasst, die eine erste Schutzschicht, die über mindestens einem elektroaktiven Materialteilchen aus einer Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen angeordnet ist, sowie eine zweite Schutzschicht aufweist, die über mindestens einer Bindemittelfaser aus einer Vielzahl von Bindemittelfasern angeordnet ist, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind, um die Elektrode zu definieren.

Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Da beispielhafte Ausführungsformen 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 Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Wie der Fachmann feststellen wird, müssen spezifische Details nicht verwendet werden, können beispielhafte Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein und sollten keine davon so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen 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 Ausführungsformen 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 Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, 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 Ausführungsform 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 Ausführungsform 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 Ausführungsform 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 Ausführungsformen, 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 Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Technologie betrifft elektrochemische Zellen, die Elektroden umfassen, die erste Schutzschichten, die über elektroaktiven Materialteilchen angeordnet sind, sowie zweite Schutzschichten aufweisen, die über Bindemittelfasern angeordnet sind, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind, um die Elektroden zu definieren, sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben. 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 Kathode 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 Kathoden und einer oder mehreren Anoden sowie verschiedenen Stromkollektoren 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. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den beiden Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 stellt eine elektrische Trennung zwischen den Elektroden 22, 24 bereit, d.h. er verhindert den physischen Kontakt. Der Separator 26 stellt außerdem einen minimalen Widerstandspfad 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 negativen Elektrode 22 und/oder der positiven Elektrode 24 vorliegen kann, um ein kontinuierliches Elektrolytnetz zu bilden. Bei bestimmten Abwandlungen kann der Separator 26 aus einem Festkörperelektrolyten oder einem Semifestkörperelektrolyten (z. B. einem Gelelektrolyten) gebildet sein. Zum Beispiel kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen definiert sein. Bei Festkörperakkumulatoren und/oder Semifestkörperakkumulatoren können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen. Die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen, die im Separator 26 enthalten sind oder diesen definieren, kann identisch mit der Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen oder davon verschieden sein, die in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 enthalten sind.
Ein erster Stromkollektor 32 (z. B. ein negativer Stromkollektor) kann an oder im Bereich der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der erste Stromkollektor 32 kann zusammen mit der negativen Elektrode 22 als negative Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, wird der Fachmann feststellen, dass bei bestimmten Abwandlungen negative Elektroden 22 (auch als negative elektroaktive Materialschichten bezeichnet) auf einer oder mehreren parallelen Seiten des ersten Stromkollektors 32 angeordnet sein können. In ähnlicher Weise wird der Fachmann feststellen, dass bei anderen Abwandlungen eine negative elektroaktive Materialschicht auf einer ersten Seite des ersten Stromkollektors 32 und eine positive elektroaktive Materialschicht auf einer zweiten Seite des ersten Stromkollektors 32 angeordnet sein können. In jedem Fall kann der erste Stromkollektor 32 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 Stromkollektor 34 (z. B. ein positiver Stromkollektor) kann an oder im Bereich der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der zweite Stromkollektor 34 kann zusammen mit der positiven Elektrode 24 als positive Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, wird der Fachmann feststellen, dass bei bestimmten Abwandlungen positive Elektroden 24 (auch als positive elektroaktive Materialschichten bezeichnet) auf einer oder mehreren parallelen Seiten des zweiten Stromkollektors 34 angeordnet sein können. In ähnlicher Weise wird der Fachmann feststellen, dass bei anderen Abwandlungen eine positive elektroaktive Materialschicht auf einer ersten Seite des zweiten Stromkollektors 34 und eine negative elektroaktive Materialschicht auf einer zweiten Seite des zweiten Stromkollektors 34 angeordnet sein können. In jedem Fall kann der der zweiten Elektrode zugeordnete Stromkollektor 34 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Aluminium oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material umfasst, das dem Fachmann bekannt ist.
Der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 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 Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Stromkollektor 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 Kfz-Wechselstromlichtmaschine an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist.
In vielen Lithium-Ionen-Akkumulator-Anordnungen werden jeweils der erste Stromkollektor 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der zweite Stromkollektor 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 parallel geschalteten 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 können. Der in 1 gezeigte Akkumulator 20 umfasst einen flüssigen Elektrolyten 30 und zeigt repräsentative Konzepte für den Akkumulatorbetrieb. Die vorliegende Technologie gilt jedoch auch für Festkörperakkumulatoren und/oder Semifestkörperakkumulatoren, die Festkörperelektrolyte und/oder Festkörperelektrolytteilchen und/oder Semifestkörperelektrolyte und/oder elektroaktive Festkörperteilchen umfassen, die, wie dem Fachmann bekannt ist, andere Ausführungen aufweisen können.
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 parallel geschaltet 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 in ihren Poren umfassen, , die bzw. das in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, ob in fester, flüssiger oder gelierter Form, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten, kann in dem Lithium-Ionen-Akkumulator 20 verwendet werden. Bei bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 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 beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄), Lithium-bis(oxalato)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF₂(C₂O₄)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumbis(fluoro-sulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI) 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), Vinylencarbonat (VC) und dergleichen), lineare Carbonate (z. B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und dergleichen), aliphatische Carbonsäureester (z. B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat und dergleichen), γ-Lactone (z. B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton und dergleichen), Kettenstruktur-Ether (z. B. 1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan und dergleichen), cyclische Ether (z. B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan und dergleichen), Schwefelverbindungen (z. B. Sulfolan) und Kombinationen davon umfassen.
Der poröse Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin enthält. Das Polyolefin kann 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 Aspekten kann es sich bei dem Polyolefin um Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder ein Gemisch aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Filme aus PE und/oder PP handeln. Im Handel erhältliche Membranen 26 für poröse Polyolefin-Separatoren umfassen CELGARD^® 2500 (einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (dreischichtiger Polypropylen-/Polyethylen-/Polypropylen-Separator), die von Celgard LLC angeboten werden.
Ist der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator, kann es sich um ein einschichtiges oder ein mehrschichtiges Laminat handeln, das entweder im Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. Bei anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken, und beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus gleichartigen oder verschiedenen Polyolefinen zusammengesetzt sein, um den mikroporösen polymeren Separator 26 zu bilden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie zum Beispiel u. a. Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyamid, Polyimid, Polyamid-Polyimid-Copolymer, Polyetherimid und/oder Cellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können ferner als Faserschicht in den Separator 26 aufgenommen sein, um dazu beizutragen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
Bei bestimmten Aspekten kann der Separator 26 ferner 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 eine oder mehrere Oberflächen des Separators 26 können mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beschichtet sein. Bei bestimmten Abwandlungen können 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 aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon besteht. Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Nomex, Aramid und Kombinationen davon besteht.
Es sind verschiedene herkömmlich erhältliche Polymere und handelsübliche Produkte zur Bildung des Separators 26 sowie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen polymeren Separators 26 eingesetzt werden können, denkbar. In jedem Fall kann der Separator 26 eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 Mikrometer (µm) bis kleiner oder gleich ungefähr 50 µm und in bestimmten Fällen optional größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der Elektrolyt 30, der in dem porösen Separator 26, wie er in 1 veranschaulicht ist, angeordnet ist, durch eine Festkörperelektrolytschicht („SSE“-Schicht) und/oder eine Semifestkörperelektrolytschicht (z. B. Gelschicht) ersetzt sein, die sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Die Festkörperelektrolytschicht und/oder die Semifestkörperelektrolytschicht kann zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht und/oder die Semifestkörperelektrolytschicht ermöglicht den Transfer von Lithium-ionen und sorgt gleichzeitig für eine mechanische Trennung und elektrische Isolierung zwischen der negativen und der positiven Elektrode 22, 24. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Festkörperelektrolytschicht und/oder die Semifestkörperelektrolytschicht eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, wie z. B. LiTi₂(PO₄)₃, LiGe₂(PO₄)₃, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li₃xLa_2/3-xTiO₃, Li₃PO₄, Li₃N, Li₄GeS₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₂S-P₂S₅, Li₆PS₅Cl, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅I, Li₃OCl, Li_2,99Ba_0,005ClO oder Kombinationen davon. Die Semifestkörperelektrolytschicht kann einen Polymerwirt und einen flüssigen Elektrolyten umfassen. Der Polymerwirt kann zum Beispiel Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethacrylnitril (PMAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Kombinationen davon umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann sich der halbfeste oder gelförmige Elektrolyt auch in der positiven Elektrode 24 und/oder den negativen Elektroden 22 befinden.
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. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 20 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 2.000 µm, optional größer oder gleich ungefähr 20 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 1.000 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 20 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 300 µm aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten kann das positive elektroaktive Material beispielsweise 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 beispielsweise 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 wieder anderen Abwandlungen kann das positive elektroaktive Material beispielsweise 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 wieder anderen Abwandlungen kann das positive elektroaktive Material beispielsweise ein Oxid vom Spinell-Typ umfassen, 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 wieder anderen Abwandlungen kann das positive elektroaktive Material beispielsweise Tavorit umfassen, das 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 wieder weiteren Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 beispielsweise eine Kombination aus positiven elektroaktiven Materialien umfassen. 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 elektronisch leitenden 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 elektronisch leitenden 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.
Beispielhafte polymere Bindemittel umfassen Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen-Copolymere (PTFE-Copolymere), Polyacrylsäure (PAA), Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat und/oder Lithiumalginat. Elektronisch leitende Materialien können beispielsweise kohlenstoffbasierte Materialien, pulverförmiges Nickel oder andere Metallteilchen (einschließlich Metalldrähte und Metalloxide) und/oder leitende Polymere 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 umfassen Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
Die negative Elektrode 22 ist aus einem Lithiumwirtsmaterial gebildet, 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 und einer Vielzahl von Bindemittelfasern definiert sein. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% der negativen elektroaktiven Materialteilchen und größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% der Bindemittelfasern umfassen.
Die negativen elektroaktiven Materialteilchen können zusammen mit den Bindemittelfasern 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 in Poren der negativen Elektrode 22 enthalten sein. Die negative Elektrode 22 kann beispielsweise eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 20 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 60 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 25 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 45 Vol.-% aufweisen. Bei anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (einschließlich der einen oder der mehreren Schichten) eine Flächenkapazität von größer oder gleich ungefähr 2,5 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 50 mAh/cm² und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 4,5 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 10 mAh/cm² aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode bei der Flächenkapazität eine Abweichung von ± 5 % aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten kann das negative elektroaktive Material beispielsweise kohlenstoffhaltige Materialien wie Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff und dergleichen umfassen. Bei anderen Abwandlungen kann das negative elektroaktive Material ein siliciumhaltiges elektroaktives Material sein, z. B. Silicium, Siliciumlegierungen und/oder Silicium-Graphit-Verbundwerkstoffe. In jedem Fall kann das siliciumhaltige elektroaktive Material vorlithiiert sein. Bei wieder anderen Abwandlungen kann das negative elektroaktive Material beispielsweise Metalloxide wie V₂O₅, SnO, Co₃O₄ und dergleichen umfassen. Bei wieder anderen Abwandlungen kann das negative elektroaktive Material beispielsweise Metallsulfide wie FeS umfassen. Bei weiteren Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise eine Kombination aus negativen elektroaktiven Materialien umfassen. Die negative Elektrode 22 kann beispielsweise ein oder mehrere kohlenstoffhaltige Materialien, ein oder mehrere siliciumhaltige Materialien, ein oder mehrere vorlithiierte siliciumhaltige Materialien, ein oder mehrere Metalloxide, ein oder mehrere Metallsulfide oder Kombinationen davon umfassen.
In jedem Fall kann, wie zum Beispiel in 2 veranschaulicht, mindestens eines der negativen elektroaktiven Materialteilchen 23 aus der Vielzahl mit einer ersten Schutzschicht 25 überzogen sein. Die negativen elektroaktiven Materialteilchen 23 können eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 50 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 4 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 25 µm aufweisen. Bei der ersten Schutzschicht 25 kann es sich um eine im Wesentlichen durchgehende und gleichmäßige Teilchenbeschichtung handeln, die größer oder gleich ungefähr 85 %, optional größer oder gleich ungefähr 90 %, optional größer oder gleich ungefähr 95 %, optional größer oder gleich ungefähr 98 %, optional größer oder gleich ungefähr 99 % und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 99,5 % der gesamten freiliegenden Oberfläche des negativen elektroaktiven Materialteilchens 23 bedeckt. Auf diese Weise kann die erste Schutzschicht 25 das negative elektroaktive Materialteilchen 23 isolieren und so dazu beitragen, Nebenreaktionen zwischen dem negativen elektroaktiven Materialteilchen 23 und anderen Zellmaterialien, wie den Bindemittelfasern 27, zu verringern oder zu vermeiden.
Bei der ersten Schutzschicht 25 kann es sich um ionisch leitende Polymerschichten handeln, die unter Verwendung eines In-situ-Polymerisationsverfahrens, eines Komponentenmischverfahrens oder eines Pulverbehandlungsverfahrens hergestellt werden, wie unten weiter detailliert beschrieben. In jedem Fall werden ein oder mehrere Monomere polymerisiert. Die Monomere können beispielsweise Ethylenoxid (EO), Vinylidenfluorid (VDF), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (VDF-HFP), Propylenoxid (PO), Acrylnitril (AN), Methacrylnitril (MAN), Ethylenglycol (EG), Trimethylencarbonat (TMC), Methylmethacrylat (MMA) und/oder Oligomere derselben umfassen. Die erste Schutzschicht 25 kann eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 Nanometer (nm) bis kleiner oder gleich ungefähr 300 nm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 5 nm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 nm und lonenleitfähigkeiten von größer oder gleich ungefähr 1 × 10^-7 S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 1 × 10^-1 S/cm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1 × 10^-5 S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 1 × 10^-3 S/cm aufweisen. Die negative Elektrode 22 kann größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 1,5 Gew.-% der ersten Schutzschicht 25 umfassen.
Die Bindemittelfasern 27 können jeweils einen durchschnittlichen Durchmesser von größer oder gleich ungefähr 50 nm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 nm aufweisen und beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), fluoriertes Ethylenpropylen (FEP), Perfluoralkoxyalkane (PFA), Ethylentetrafluorethylen (ETFE) oder Kombinationen davon umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann, wie veranschaulicht, mindestens eine der Bindemittelfasern 27 aus der Vielzahl mit einer zweiten Schutzschicht 29 überzogen sein. Wie bei der ersten Schutzschicht 25 kann es sich bei der zweiten Schutzschicht 27 um eine im Wesentlichen durchgehende und gleichmäßige Teilchenbeschichtung handeln, die größer oder gleich ungefähr 85 %, optional größer oder gleich ungefähr 90 %, optional größer oder gleich ungefähr 95 %, optional größer oder gleich ungefähr 98 %, optional größer oder gleich ungefähr 99 % und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 99,5 % der gesamten freiliegenden Oberfläche der Bindemittelfaser bedeckt. Auf diese Weise kann die zweite Schutzschicht 29 die Bindemittelfaser 27 isolieren und dazu beitragen, Nebenreaktionen zwischen der Bindemittelfaser 27 und anderen Zellmaterialien, wie den negativen elektroaktiven Materialteilchen 23, zu verringern oder zu vermeiden.
Wie unten weiter detailliert beschrieben, kann die zweite Schutzschicht 29 gleichzeitig mit der ersten Schutzschicht 25 hergestellt werden. Wie die erste Schutzschicht 25 kann die zweite Schutzschicht 29 durch Polymerisation eines oder mehrerer Monomere hergestellt werden, die aus Ethylenoxid (EO), Vinylidenfluorid (VDF), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (VDF-HFP), Propylenoxid (PO), Acrylnitril (AN), Methacrylnitril (MAN), Ethylenglycol (EG), Trimethylencarbonat (TMC), Methylmethacrylat (MMA) und/oder deren Oligomeren ausgewählt sind. Die zweite Schutzschicht 29 kann eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 nm bis kleiner oder gleich ungefähr 300 nm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 5 nm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 nm und lonenleitfähigkeiten von größer oder gleich ungefähr 1 × 10^-7 S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 1 × 10^-1 S/cm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1 × 10^-5 S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 1 × 10^-3 S/cm aufweisen. Die negative Elektrode 22 kann größer oder gleich ungefähr 0,0001 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% der zweiten Schutzschicht 29 umfassen.
Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, ist anzumerken, dass bei bestimmten Abwandlungen das negative elektroaktive Material und die Bindemittelfasern optional mit einem elektronisch leitenden Material (d.h. einem leitenden Additiv) vermischt (z. B. aufgeschlämmt) sein können, das die elektronische Leitfähigkeit der negativen Elektrode verbessert. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials umfassen. Das in der negativen Elektrode 22 enthaltene elektronisch leitende Material kann mit dem in der positiven Elektrode 24 enthaltenen elektronisch leitenden Material identisch oder davon verschieden sein.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann die negative Elektrode 22 in jedem Fall eine Flächenkapazität von größer oder gleich ungefähr 5 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 50 mAh/cm² und bei bestimmten Aspekten optional 5 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 10 mAh/cm² aufweisen. Die negative Elektrode 22 kann bei der Flächenkapazität eine Abweichung von ungefähr ± 5 % aufweisen. Die negative Elektrode 22 kann eine Pressdichte von größer oder gleich ungefähr 1,0 g/cc bis kleiner oder gleich ungefähr 3,0 g/cc und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1,4 g/cc bis kleiner oder gleich ungefähr 2,0 g/cc aufweisen. Die negative Elektrode 22 kann bei der Pressdichte eine Abweichung von ungefähr ± 3 % aufweisen. Die negative Elektrode 22 kann eine einzelne Oberflächenladung von größer oder gleich ungefähr 5 mAh/cm² aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung von Materialteilchenbeschichtungen in einer Elektrode, wie der in 2 veranschaulichten ersten und zweiten Schutzschicht 25, 29, bereit. Bei bestimmten Abwandlungen können die Materialbeschichtungen durch ein In-situ-Polymerisationsverfahren hergestellt werden. Wie in 3 veranschaulicht, kann ein In-situ-Polymerisationsverfahren 300 das In-Kontakt-Bringen 350 einer oder mehrerer Seiten einer Elektrodenanordnung mit einer Polymervorläuferlösung umfassen. Das In-Kontakt-Bringen 350 kann das Eintauchen der Elektrodenanordnung in ein Bad mit der Polymervorläuferlösung umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Verfahren 300 das Herstellen 305 der Elektrodenanordnung umfassen. Das Herstellen 305 der Elektrodenanordnung kann das Herstellen 310 einer Elektrodenaufschlämmung durch das In-Kontakt-Bringen eines elektroaktiven Materials und eines Bindemittels (und bei bestimmten Aspekten optional eines leitenden Additivs) in einem Lösungsmittel umfassen. Das Herstellen 305 der Elektrodenanordnung kann außerdem das Aufbringen 320 der Aufschlämmung im Bereich einer oder mehrerer Oberflächen eines Stromkollektors oder auf denselben und das Entfernen 330 des Lösungsmittels zur Bildung der Elektrodenanordnung umfassen.
Bei jeder Abwandlung kann die Polymervorläuferlösung einen Polymervorläufer, einen Initiator und ein Lösungsmittel umfassen. Beispielsweise kann die Polymervorläuferlösung größer oder gleich ungefähr 0,05 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 5 Gew.-% des Polymervorläufers, größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich 1 Gew.-% des Initiators und größer oder gleich ungefähr 70 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99,5 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99,4 Gew.-% eines Lösungsmittels umfassen.
Der Polymervorläufer kann beispielsweise Ethylenoxid (EO), Vinylidenfluorid (VDF), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (VDF-HFP), Propylenoxid (PO), Acrylnitril (AN), Methacrylnitril (MAN), Ethylenglycol (EG), Trimethylencarbonat (TMC), Methylmethacrylat (MMA) und/oder Oligomere derselben umfassen. Der Initiator kann beispielsweise Peroxide (z. B. Di(4-tert-butylcyclohexyl)peroxydicarbonat), Benzoylperoxid (BPO), Azoverbindungen (z. B. Azodicyandiamid (ANBI), Peroxid mit einem Reduktionsmittel (z. B. niederwertige Metallsalze wie S₂O₄ ^2- + Fe²⁺, Cr³⁺, Cu⁺ und dergleichen) sowie Kombinationen davon umfassen. Das Lösungsmittel kann beispielsweise wässrige und organische Alkohole, Ester, Ether, wie Wasser, Alkohol, Glycol, Isopropanol, Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Diethylcarbonat (DEC), Propylencarbonat (PC), Acetonitril (CAN), Methylalkohol (MA), Gamma-Butyrolacton (GBL) und dergleichen umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Verfahren 300 das Herstellen 340 der Vorläuferlösung durch das In-Kontakt-Bringen des Polymervorläufers, des Initiators und des Lösungsmittels umfassen.
Das Verfahren 300 umfasst ferner das Erhitzen der Elektrodenanordnung, die die Polymervorläuferlösung umfasst, um die thermische Polymerisation des Polymervorläufers (d. h. der Monomere) auszulösen und das Lösungsmittel zu entfernen. Die Elektrodenanordnung, die die Polymervorläuferlösung umfasst, kann auf eine Temperatur von größer oder gleich ungefähr 60 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 300 °C und bei bestimmten Aspekten optional auf größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 180 °C für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 1 Minute bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Stunden erhitzt werden.
Bei anderen Abwandlungen können die Materialbeschichtungen durch ein Komponentenmischverfahren hergestellt werden. Wie in 4 veranschaulicht, kann ein Komponentenmischverfahren 400 das In-Kontakt-Bringen 410 eines elektroaktiven Materials und eines Bindemittels und bei bestimmten Aspekten optional eines leitenden Additivs umfassen, um ein erstes Gemisch zu bilden. Bei bestimmten Abwandlungen kann das In-Kontakt-Bringen das Vermischen des elektroaktiven Materials, des Bindemittels und optional des leitenden Additivs umfassen, um das erste Gemisch zu bilden. Das Verfahren 400 kann ferner das In-Kontakt-Bringen 420 eines Polymervorläufers, eines Initiators und eines Lösungsmittels mit dem ersten Gemisch umfassen, um ein zweites Gemisch zu bilden. Der Polymervorläufer, der Initiator und das Lösungsmittel können gleichzeitig oder nacheinander mit dem ersten Gemisch in Kontakt gebracht werden 420. Bei bestimmten Abwandlungen können beispielsweise der Polymervorläufer, der Initiator und das Lösungsmittel miteinander in Kontakt gebracht werden, um eine Vorläuferlösung zu bilden, und die Vorläuferlösung kann mit dem ersten Gemisch in Kontakt gebracht werden 420, um das zweite Gemisch zu bilden.
In jedem Fall kann der Polymervorläufer beispielsweise Ethylenoxid (EO), Vinylidenfluorid (VDF), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (VDF-HFP), Propylenoxid (PO), Acrylnitril (AN), Methacrylnitril (MAN), Ethylenglycol (EG), Trimethylencarbonat (TMC), Methylmethacrylat (MMA) und/oder Oligomere derselben umfassen. Der Initiator kann beispielsweise Peroxide (z. B. Di(4-tert-butylcyclohexyl)peroxy-dicarbonat), Benzoylperoxid (BPO), Azoverbindungen (z. B. Azodicyandiamid (ANBI), Peroxid mit einem Reduktionsmittel (z. B. niederwertige Metallsalze wie S₂O₄ ^2- + Fe²⁺, Cr³⁺, Cu⁺ und dergleichen) sowie Kombinationen davon umfassen. Das Lösungsmittel kann beispielsweise wässrige und organische Alkohole, Ester, Ether, wie Wasser, Alkohol, Glycol, Isopropanol, Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Diethylcarbonat (DEC), Propylencarbonat (PC), Acetonitril (CAN), Methylalkohol (MA), Gamma-Butyrolacton (GBL) und dergleichen umfassen.
Das zweite Gemisch kann größer oder gleich ungefähr 0,05 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 5 Gew.-% des Polymervorläufers, größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich 1 Gew.-% des Initiators und größer oder gleich ungefähr 70 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99,5 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99,4 Gew.-% eines Lösungsmittels umfassen.
Das Verfahren 400 umfasst ferner, dass das zweite Gemisch einem Elektrodenfilmherstellungsverfahren unterzogen wird 430, wie z. B. Heißpressen, bei dem die Polymerisation ausgelöst wird. Beispielsweise kann bei bestimmten Abwandlungen das zweite Gemisch mit einem Druck von größer oder gleich ungefähr 1 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 500 psi und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 50 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 200 psi bei einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 60 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 300 °C und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 200 °C für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 10 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 4 Stunden beaufschlagt werden.
Bei anderen Abwandlungen können die Materialbeschichtungen durch ein Pulverbehandlungsverfahren hergestellt werden. Wie in 5 veranschaulicht, kann ein Pulverbehandlungsverfahren 500 das In-Kontakt-Bringen 510 eines elektroaktiven Materials und eines Bindemittels und bei bestimmten Aspekten optional eines leitenden Additivs umfassen, um ein erstes Gemisch zu bilden. Bei bestimmten Abwandlungen kann das In-Kontakt-Bringen das Vermischen des elektroaktiven Materials, des Bindemittels und optional des leitenden Additivs umfassen, um das erste Gemisch zu bilden. Das Verfahren 500 kann ferner das In-Kontakt-Bringen 520 eines Polymervorläufers, eines Initiators und eines Lösungsmittels mit dem ersten Gemisch umfassen, um ein zweites Gemisch zu bilden. Der Polymervorläufer, der Initiator und das Lösungsmittel können gleichzeitig oder nacheinander mit dem ersten Gemisch in Kontakt gebracht werden 520. Bei bestimmten Abwandlungen können beispielsweise der Polymervorläufer, der Initiator und das Lösungsmittel miteinander in Kontakt gebracht werden, um eine Vorläuferlösung zu bilden, und die Vorläuferlösung kann mit dem ersten Gemisch in Kontakt gebracht werden 520, um das zweite Gemisch zu bilden.
In jedem Fall kann der Polymervorläufer beispielsweise Ethylenoxid (EO), Vinylidenfluorid (VDF), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (VDF-HFP), Propylenoxid (PO), Acrylnitril (AN), Methacrylnitril (MAN), Ethylenglycol (EG), Trimethylencarbonat (TMC), Methylmethacrylat (MMA) und/oder Oligomere derselben umfassen.
Der Initiator kann beispielsweise Peroxide (z. B. Di(4-tert-butylcyclohexyl)peroxy-dicarbonat), Benzoylperoxid (BPO), Azoverbindungen (z. B. Azodicyandiamid (ANBI), Peroxid mit einem Reduktionsmittel (z. B. niederwertige Metallsalze wie S₂O₄ ^2- + Fe²⁺, Cr³⁺, Cu⁺ und dergleichen) sowie Kombinationen davon umfassen. Die Lösungsmittel umfassen beispielsweise wässrige und organische vom Alkoholtyp, Ester, Ether, wie Wasser, vom Ethanoltyp und vom Estertyp, Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Diethylcarbonat (DEC), Propylencarbonat (PC), Acetonitril (CAN), Methylalkohol (MA), Gamma-Butyrolacton (GBL) und dergleichen.
Das zweite Gemisch kann größer oder gleich ungefähr 0,05 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 5 Gew.-% des Polymervorläufers, größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-% des Initiators und größer oder gleich ungefähr 70 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99,5 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99,4 Gew.-% eines Lösungsmittels umfassen.
Das Verfahren 500 umfasst ferner das Trocknen 530 des zweiten Gemischs, um das Lösungsmittel zu entfernen. Das Trocknen 530 kann beispielsweise das Erhitzen des zweiten Gemischs auf eine Temperatur von größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 200 °C und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 150 °C für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 1 Minute bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 4 Stunden umfassen.
Das Verfahren 500 umfasst ferner, dass das zweite Gemisch einem Elektrodenfilmherstellungsverfahren, wie z. B. Heißpressen, oder einem lösungsmittelfreien Verfahren unterzogen wird 430, bei dem die Polymerisation ausgelöst wird. Beispielsweise kann bei bestimmten Abwandlungen das zweite Gemisch mit einem Druck von größer oder gleich ungefähr 1 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 500 psi und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 50 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 200 psi bei einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 60 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 300 °C und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 200 °C für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 10 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 4 Stunden beaufschlagt werden.
Bestimmte Merkmale der derzeitigen Technologie werden in den folgenden, nicht einschränkenden Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Beispielhafte Akkumulatoren und Akkumulatorzellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Eine beispielhafte Zelle 610 kann eine negative Elektrode umfassen, die erste Schutzschichten, die über elektroaktiven Materialteilchen angeordnet sind, sowie zweite Schutzschichten aufweist, die über Bindemittelfasern angeordnet sind, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind, um die negative Elektrode zu definieren. Eine Vergleichszelle 420 kann ähnliche elektroaktive Materialteilchen und Bindemittelfasern umfassen, die die negative Elektrode definieren, jedoch fehlen bei der Vergleichszelle 420 die erste und zweite Schutzschicht. In jedem Fall können die elektroaktiven Materialteilchen Graphit umfassen.
6 zeigt eine grafische Veranschaulichung, die den coulombschen Wirkungsgrad der beispielhaften Zelle 610 im Vergleich zur Vergleichszelle 620 verdeutlicht, wobei die x-Achse 600 den Ladezustand (%) und die y-Achse 602 die Spannung (V) darstellen. Wie veranschaulicht, weist die beispielhafte Zelle 610 eine bessere Leistung als die Vergleichszelle 620 auf. Zum Beispiel weist die beispielhafte Zelle 610 einen coulombschen Wirkungsgrad von ungefähr 84,9 % auf, während die Vergleichszelle 620 einen coulombschen Wirkungsgrad von ungefähr 69,5 % aufweist.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. 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 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

Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die Elektrode umfasst: einen Stromkollektor und eine elektroaktive Materialschicht, die auf einer oder mehreren Seiten des Stromkollektors angeordnet ist, wobei die elektroaktive Materialschicht umfasst: eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen, wobei jedes elektroaktive Materialteilchen aus der Vielzahl mit einer ersten Schutzschicht überzogen ist, und eine Vielzahl von Bindemittelfasern, die mit den elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind, wobei jede Bindemittelfaser aus der Vielzahl mit einer zweiten Schutzschicht überzogen ist.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Schutzschicht polymere Schichten sind, die jeweils ein oder mehrere Monomere umfassen, die jeweils aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ethylenoxid (EO), Vinylidenfluorid (VDF), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (VDF-HFP), Propylenoxid (PO), Acrylnitril (AN), Methacrylnitril (MAN), Ethylenglycol (EG), Trimethylencarbonat (TMC), Methylmethacrylat (MMA), Oligomeren derselben und Kombinationen davon besteht.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Schutzschicht eine durchgehende Beschichtung über jedem elektroaktiven Materialteilchen aus der Vielzahl ist, die eine erste durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 Nanometer bis kleiner oder gleich ungefähr 300 Nanometer aufweist.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die zweite Schutzschicht eine durchgehende Beschichtung über jeder Bindemittelfaser aus der Vielzahl ist, die eine zweite durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 Nanometer bis kleiner oder gleich ungefähr 300 Nanometer aufweist.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die elektroaktive Materialschicht umfasst: größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99 Gew.-% der elektroaktiven Materialteilchen und größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% der Bindemittelfasern.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 5, wobei die elektroaktive Materialschicht umfasst: größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% der ersten Schutzschicht.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 5, wobei die elektroaktive Materialschicht umfasst: größer oder gleich ungefähr 0,0001 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% der zweiten Schutzschicht.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 5, wobei die elektroaktive Materialschicht ferner umfasst: größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% eines leitenden Additivs.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Bindemittelfasern aus der Vielzahl Polytetrafluorethylen (PTFE) umfasst.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die elektroaktive Materialschicht eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 20 Mikrometer bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Millimeter aufweist.