DE102022126690A1 - Zusätze für hochnickelhaltige elektroden und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Elektrode bereitgestellt, die ein hochnickelhaltiges elektroaktives Material mit einem Stoffmengenanteil von Nickel von mehr als oder gleich etwa 0,6 und zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz beinhaltet. Die Elektrode wird durch Inkontaktbringen einer Aufschlämmung aus elektroaktivem Material mit einer oder mehreren Oberflächen eines Stromkollektors hergestellt, wobei ein Feststoffanteil der Aufschlämmung zu mehr als oder gleich etwa 45 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% ein hochnickelhaltiges elektroaktives Material und zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz beinhaltet.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Es besteht 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-Batterien beinhalten 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 Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist geeignet, um Lithiumionen zwischen den Elektroden zu leiten, und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder einer Mischform davon vorliegen. Im Fall von Feststoffbatterien, die Feststoffelektroden und einen Feststoffelektrolyten beinhalten, kann der Feststoffelektrolyt die Elektroden physisch trennen, sodass kein gesonderter Separator erforderlich ist.
  • Zur Herstellung von Komponenten für eine Lithium-Ionen-Batterie können viele verschiedene Materialien verwendet werden. In verschiedenen Aspekten beinhalten positive Elektroden beispielsweise nickelreiche elektroaktive Materialien (z. B. mit einem Stoffmengenanteil von mehr als oder gleich etwa 0,6 auf dem Übergangsmetallgitter), wie etwa NMC (LiNi1-x-yCoxMnyO2) (wobei 0,10 ≤ x ≤ 0,33, 0,10 ≤ y ≤ 0,33) oder NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,08), die eine verbesserte Kapazität (z. B. mehr als 200 mAh/g) bereitstellen können und gleichzeitig eine zusätzliche Lithiumextraktion ermöglichen, ohne die strukturelle Stabilität der positiven Elektrode zu beeinträchtigen. Solche Materialien weisen jedoch eine hohe Oberflächenreaktivität auf und sind daher oft anfällig für Materialverluste, zum Beispiel durch Reaktionen mit CO2 und/oder H2O aus der Umgebung während der Bildung der positiven Elektrode und/oder durch chemische Oxidation des Elektrolyten während des Batteriebetriebs. Diese Reaktionen sind häufig exotherm und wirken sich häufig auf die Thermostabilität und Langlebigkeit von Batteriezellen aus. So kann beispielsweise ein zusätzlicher Transportwiderstand durch Li2CO3/LiOH-Filme verursacht werden, die sich auf den Oberflächen des nickelreichen elektroaktiven Materials bilden, wenn sie während der Bildung mit CO2 und/oder H2O aus der Umgebung reagieren. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte Elektroden und elektroaktive Materialien sowie Verfahren zu deren Verwendung zu entwickeln, die diese Herausforderungen bewältigen können.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Übersicht über die Offenbarung und stellt keine umfassende Offenbarung des vollen Umfangs oder aller Merkmale dar.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft positive Elektroden- oder Kathodenmaterialien, insbesondere Zusätze für positive Elektroden, sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Elektrode zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit, die Lithium-Ionen zyklisiert. Die Elektrode kann ein hochnickelhaltiges elektroaktives Material mit einem Stoffmengenanteil von Nickel von mehr als oder gleich etwa 0,6 und zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz beinhalten.
  • In einem Aspekt kann das hochnickelhaltige elektroaktive Material dargestellt werden durch: LiM1 xm2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2 wobei mindestens eines von M1, M2, M3 und M4 Nickel (Ni) ist und die übrigen Teile von M1, M2, M3 und M4 Übergangsmetalle sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, und wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1.
  • In einem Aspekt kann das hochnickelhaltige elektroaktive Material ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus NMC (LiNii1-x-yCoxMnyO2) (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1), NCA (LiNi1-x-yCoxAlyO2, wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LNMO (LiNixMn1-xO2, wobei 0 ≤ x ≤ 1) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode ferner ein zweites elektroaktives Material beinhalten. Das zweite elektroaktive Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO), Lithium-Nickel-Manganoxid (LiNi0,5Mn1,5O4), Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2) (LCO), Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4), Lithium-Vanadium-Phosphat (LiVPO4), Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LiMn1-xFexPO4, wobei 0 ≤ x ≤ 1) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode zu mehr als oder gleich etwa 45 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% das hochnickelhaltige elektroaktive Material und zu mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 49,5 Gew.-% das zweite elektroaktive Material beinhalten.
  • In einem Aspekt kann der sulfonierte aromatische lonomerzusatz ein sulfoniertes Derivat von Poly(arylenether) (SPAE), Poly(arylenethersulfon) (SPAES), Poly(arylensulfid) (SPAS), sulfoniertem Polyimid (SPI), sulfoniertem Polyphenylen (SPP) und Kombinationen davon sowie ein oder mehrere Kationen, ausgewählt aus H+, Li+, Na+, K+ und NH4 +, beinhalten.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode ferner zu mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% ein Bindemittel beinhalten.
  • In einem Aspekt kann das Bindemittel ein Molekulargewicht von größer als oder gleich etwa 200 Kilodalton (kD) bis kleiner als oder gleich etwa 2000 Kilodalton (kD) haben.
  • In einem Aspekt kann das Bindemittel ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethylcellulose (CMC), einem Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode ferner zu mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% ein elektronisch leitfähiges Material beinhalten.
  • In einem Aspekt kann das elektronisch leitfähige Material zu mehr als oder gleich etwa 0,25 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Ruß oder Acetylenschwarz, zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Graphennanoplättchen und zu mehr als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% Kohlenstoff-Nanoröhren beinhalten.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit, die Lithium-Ionen zyklisiert. Das Verfahren kann Inkontaktbringen einer Aufschlämmung aus elektroaktivem Material mit einer oder mehreren Oberflächen eines Stromkollektors beinhalten, wobei ein Feststoffanteil der Aufschlämmung zu mehr als oder gleich etwa 45 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% ein hochnickelhaltiges elektroaktives Materials und zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz beinhaltet. Das hochnickelhaltige elektroaktive Material kann Nickel in einem Stoffmengenanteil von mehr als oder gleich etwa 0,6 beinhalten.
  • In einem Aspekt kann der Feststoffanteil der Aufschlämmung ferner zu mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% ein Bindemittel beinhalten. Das Bindemittel kann ein Molekulargewicht von größer als oder gleich etwa 200 Kilodalton (kD) bis kleiner als oder gleich etwa 2000 Kilodalton (kD) aufweisen.
  • In einem Aspekt kann der Feststoffanteil der Aufschlämmung ferner zu mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% ein elektronisch leitfähiges Material beinhalten.
  • In einem Aspekt kann das elektronisch leitfähige Material zu mehr als oder gleich etwa 0,25 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Ruß oder Acetylenschwarz, zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Graphennanoplättchen und zu mehr als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% Kohlenstoffnanoröhren beinhalten.
  • In einem Aspekt kann das hochnickelhaltige elektroaktive Material ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus NMC (LiNii1-x-yCoxMnyO2) (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1), NCA (LiNi1-x-yCoxAlyO2, wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LNMO (LiNixMn1-xO2, wobei 0 ≤ x ≤ 1) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode ferner zu mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 49,5 Gew.-% ein zweites elektroaktives Material beinhalten. Das zweite elektroaktive Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO), Lithiumnickelmanganoxid (LiNi0,5Mn1,5O4), Lithiumkobaltoxid (LiCoO2, LCO), Lithiumeisenphosphat (LiFePO4), Lithiumvanadiumphosphat (LiVPO4), Lithiummanganeisenphosphat (LiMn1-xFexPO4, wobei 0 ≤ x ≤ 1) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann der sulfonierte aromatische lonomerzusatz ein sulfoniertes Derivat von Poly(arylenether) (SPAE), Poly(arylenethersulfon) (SPAES), Poly(arylensulfid) (SPAS), sulfoniertem Polyimid (SPI), sulfoniertem Polyphenylen (SPP) und Kombinationen davon sowie ein oder mehrere Kationen, ausgewählt aus H+, Li+, Na+, K+ und NH4 +, beinhalten.
  • In einem Aspekt kann die Aufschlämmung ferner ein Lösungsmittel beinhalten. Das Lösungsmittel kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: N-Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylacetamid (DMAc), Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO) und Kombinationen davon. Das Lösungsmittel kann mehr als oder gleich etwa 20 % bis weniger als oder gleich etwa 50 % eines Gewichts der Aufschlämmung beinhalten.
  • In einem Aspekt kann das Verfahren ferner Herstellen der Aufschlämmung des elektroaktiven Materials durch Inkontaktbringen des hochnickelhaltigen elektroaktiven Materials und des sulfonierten aromatischen lonomerzusatzes mit einem Lösungsmittel beinhalten.
  • Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der in dieser Schrift gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
  • Figurenliste
  • Die in dieser Schrift beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Umsetzungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
    • 1 ist eine Darstellung einer beispielhaften elektrochemische Batteriezelle, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde;
    • 2 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Beispielverfahrens zum Herstellen einer positiven Elektrode, beispielsweise einer positiven Elektrode zur Verwendung in der beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle aus 1, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 3A ist eine grafische Darstellung, die die Kapazitätserhaltung einer beispielhaften Batteriezelle demonstriert, die einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz beinhaltet, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 3B ist eine grafische Darstellung, die den internen Widerstand einer beispielhaften Batteriezelle demonstriert, die einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz beinhaltet, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 4A ist eine grafische Darstellung, die die Scherratenhysterese einer ersten Teilchendispersion demonstriert, die ein hochnickelhaltiges elektroaktives Material, ein elektronisch leitfähiges Material und ein Bindemittel beinhaltet;
    • 4B ist eine grafische Darstellung, die die Scherratenhysterese einer zweiten Teilchendispersion demonstriert, die ein hochnickelhaltiges elektroaktives Material, ein elektronisch leitfähiges Material, ein Bindemittel und einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz beinhaltet;
    • 5A ist eine grafische Darstellung, die die Scherratenhysterese einer ersten Teilchendispersion demonstriert, die ein elektronisch leitfähiges Material und ein Bindemittel beinhaltet;
    • 5B ist eine grafische Darstellung, die die Scherratenhysterese einer zweiten Teilchendispersion demonstriert, die ein elektronisch leitfähiges Material, ein Bindemittel und einen Polyvinyl-4-pyridin(PVPy)-Zusatz beinhaltet; und
    • 5C ist eine grafische Darstellung, die die Scherratenhysterese einer dritten Teilchendispersion demonstriert, die ein elektronisch leitfähiges Material, ein Bindemittel und einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz beinhaltet.
  • Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Für eine gründliche Offenbarung, die dem Fachmann den Umfang in voller Breite verdeutlicht, werden beispielhafte Ausführungsformen bereitgestellt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Der Fachmann wird feststellen, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Techniken nicht im Detail beschrieben.
  • Die in dieser Schrift verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Im hier verwendeten Sinne 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“, „beinhalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und geben daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten an, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem bzw. einer 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 in dieser Schrift dargelegte Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff in 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 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 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 in dieser Schrift 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 daran „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 daran „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.). Im hier verwendeten Sinne schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
  • Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. in dieser Schrift verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe können lediglich 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 in dieser Schrift verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So kann ein erster Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, die im Folgenden erörtert werden, als zweiter Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiter Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen 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 der Vorrichtung oder des Systems im Gebrauch oder Betrieb 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. Außer in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Schrift einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „etwa“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „etwa“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Etwa“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, im Stand Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „etwa“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner als oder gleich 4 %, optional kleiner als oder gleich 3 %, optional kleiner als oder gleich 2 %, optional kleiner als oder gleich 1 %, optional kleiner als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional kleiner als oder gleich 0,1 % umfassen.
  • Darüber hinaus beinhaltet 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.
  • Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden nun beispielhaften Ausführungsformen ausführlicher beschrieben.
  • Eine typische Lithium-Ionen-Batterie umfasst eine erste Elektrode (z. B. eine positive Elektrode oder Kathode) gegenüber einer zweiten Elektrode (z. B. einer negativen Elektrode oder Anode) und einen dazwischen angeordneten Separator und/oder Elektrolyt. In einem Lithium-Ionen-Batteriepack können die Batterien oder Zellen oft in einer Stapel- oder Wicklungskonfiguration elektrisch verbunden sein, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithium-Ionen-Batterien funktionieren durch den umkehrbaren Durchgang von Lithiumionen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. Beispielsweise können Lithiumionen während des Aufladens der Batterie von einer positiven Elektrode zu einer negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung wandern. Der Elektrolyt ist geeignet, um Lithiumionen zu leiten, und kann in flüssiger, gelierter oder fester Form vorliegen. Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle (auch als die Batterie bezeichnet) 20 ist zum Beispiel in 1 gezeigt.
  • Derartige Zellen werden in Fahrzeug- oder Autoverkehrsanwendungen (z. B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) eingesetzt. Die vorliegende Technik kann jedoch in einer Vielzahl anderer Industriezweige und Anwendungen eingesetzt werden, darunter als nicht einschränkende Beispiele in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Geräten, Gebäuden (z. B. Häusern, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Büroausstattung und -möbeln sowie in Industriemaschinen, in landwirtschaftlichen Geräten, Landmaschinen oder Schwermaschinen. Obwohl die veranschaulichten Beispiele eine einzelne Kathode mit positiver Elektrode und eine einzelne Anode umfassen, wird der Fachmann erkennen, dass sich die vorliegenden Lehren auf verschiedene andere Konfigurationen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden sowie verschiedenen Stromkollektoren mit elektroaktiven Schichten, die auf einer oder mehreren Oberflächen davon oder angrenzend an dieselben angeordnet sind.
  • Die Batterie 20 beinhaltet eine negative Elektrode 22 (z. B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z. B. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den zwei Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 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. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann. In bestimmten Abwandlungen kann der Separator 26 aus einem Feststoffelektrolyten oder einem halbfesten Elektrolyten (z. B. einem Gelelektrolyten) gebildet sein. Zum Beispiel kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Teilchen des Feststoffelektrolyten (nicht gezeigt) definiert sein. Bei Feststoffbatterien und/oder halbfesten Batterien kann die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Feststoffelektrolytteilchen (nicht gezeigt) beinhalten. Die Vielzahl von Feststoffelektrolytteilchen, die im Separator 26 enthalten sind oder diesen definieren, kann gleich oder verschieden von der Vielzahl von Feststoffelektrolytteilchen 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 in der Nähe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der erste Stromkollektor 32 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Kupfer oder ein anderes geeignetes elektronisch leitendes Material umfasst, das dem Fachmann bekannt ist. Ein zweiter Stromkollektor 34 (z. B. ein positiver Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der Stromkollektor 34 der zweiten Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Aluminium oder ein anderes geeignetes elektronisch leitendes Material umfasst, das den Fachleuten bekannt ist. Der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 können jeweils freie Elektronen sammeln und zu und von einem externen Stromkreis 40 transportieren. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den ersten Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Stromkollektor 34) verbinden.
  • Die Batterie 20 kann während der Entladung durch reversible 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, zum Beispiel die Oxidation von interkaliertem Lithium, an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Gleichzeitig werden Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, 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, ist der Elektrolyt 30 in der Regel auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorhanden. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 sich verringert hat.
  • Die Batterie 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle an die Lithium-Ionen-Batterie 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die bei der Entladung der Batterie stattfinden. Das Anschließen einer externen elektrischen Stromquelle an die Batterie 20 bewirkt eine Reaktion, beispielsweise eine nichtspontane Oxidation von interkaliertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, sodass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 und über den Separator 26 zur negativen Elektrode 22 zurück, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z. B. interkaliertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Batterieentladevorgangs aufzufüllen. Somit wird ein vollständiger Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Ladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisiert werden. Die externe Stromquelle, die zum Aufladen der Batterie 20 verwendet werden kann, hängt von der Größe, der Bauweise und dem jeweiligen Verwendungszweck der Batterie 20 ab. Zu erwähnenswerten und beispielhaften externen Stromquellen gehören unter anderem ein AC-DC-Wandler, der über eine Steckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, und eine Lichtmaschine für Kraftfahrzeuge.
  • In vielen Lithium-Ionen-Batteriekonfigurationen sind der erste Stromkollektor 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der zweite Stromkollektor 34 als relativ dünne Schichten (beispielsweise mit einer Dicke von mehreren Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger) hergestellt und in elektrisch parallel geschalteten Schichten zusammengesetzt, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket bereitzustellen. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 auch verschiedene andere Komponenten beinhalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, aber dennoch dem Fachmann bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen, Laschen, Batterieklemmen und andere übliche Komponenten oder Materialien beinhalten, die sich innerhalb der Batterie 20, einschließlich zwischen der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und/oder dem Separator 26 oder um dieselben herum, befinden. Die in 1 dargestellte Batterie 20 beinhaltet einen flüssigen Elektrolyten 30 und zeigt repräsentative Konzepte des Batteriebetriebs. Die vorliegende Technik gilt jedoch auch für Feststoffbatterien und/oder halbfeste Batterien, die Feststoffelektrolyten und/oder Feststoffelektrolytteilchen und/oder halbfeste Elektrolyten und/oder elektroaktive Feststoffteilchen beinhalten, die, wie dem Fachmann bekannt ist, unterschiedlich gestaltet sein können.
  • Wie bereits erwähnt, können die Größe und Form der Batterie 20 je nach der speziellen Anwendung, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 sehr wahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallel geschaltet sein, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann die Batterie 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 die Batterie 20 entlädt. Obwohl es sich bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Vorrichtungen handeln kann, beinhalten einige spezifische 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 die Batterie 20 zum Zweck der Speicherung elektrischer Energie auflädt.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils in ihren Poren eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 beinhalten, die bzw. das in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder beliebige 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 der Lithium-Ionen-Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 beispielsweise eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z. B. > 1 M) sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einer Mischung organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz beinhaltet. In der Batterie 20 können zahlreiche übliche 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, beinhaltet Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl4), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4), Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C2O4)2) (LiBOB), Lithiumdifluor(oxa-lato)borat (LiBF2(C2O4)), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiN(CF3SO2)2), Lithi-umbis(fluorsulfonyl)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 etwa 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 beinhalten.
  • In verschiedenen Aspekten kann der Separator 26 ein mikroporöser Polymerseparator sein. Der mikroporöse Polymerseparator kann beispielsweise ein Polyolefin beinhalten. 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. In bestimmten Aspekten kann es sich bei dem Polyolefin um Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Filme aus Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP) handeln. Handelsübliche poröse Polyolefinmembran-Separatoren 26 beinhalten CELGARD® 2500 (einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2320 (dreischichtiger Polypropylen-/Polyethylen-/Polypropylen-Separator), die von der Celgard LLC erhältlich sind.
  • Ist der Separator 26 ein mikroporöser Polymerseparator, kann es sich um ein einschichtiges oder ein mehrschichtiges Laminat handeln, das entweder im Trocken- oder im Nassverfahren hergestellt sein kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26 eine Fasermembran sein, die eine Fülle von Poren aufweist, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken, und kann beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als anderes Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus gleichartigen oder verschiedenen Polyolefinen zusammengesetzt sein, um den mikroporösen Polymerseparator 26 zu bilden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, zu denen unter anderem Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), ein Polyamid, Polyimid, Polyamid-Polyimid-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder ein beliebiges anderes Material gehören, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und etwaige andere optionale Polymerschichten können ferner als Faserschicht in den Separator 26 aufgenommen sein, um dazu beizutragen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
  • Es sind verschiedene übliche Polymere und handelsübliche Produkte zur Herstellung des Separators 26 vorgesehen, ebenso wie die zahlreichen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können. In jedem Fall kann der Separator 26 eine durchschnittliche Dicke von größer als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm aufweisen, und in bestimmten Fällen optional größer als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 20 µm. Der Separator 26 kann eine durchschnittliche Dicke von größer als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 50 µm und in bestimmten Fällen optional größer als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 20 µm aufweisen.
  • In jeder Abwandlung kann der Separator 26 ferner ein oder mehrere keramische Materialien und/oder ein oder mehrere wärmebeständige Materialien beinhalten. Beispielsweise kann der Separator 26 auch dem einen oder den mehreren keramischen Materialien und/oder dem einem oder den mehreren wärmebeständigen Materialien beigemischt sein, oder eine oder mehrere Oberflächen des Separators 26 können mit dem einem oder den mehreren keramischen Materialien und/oder dem einem oder den mehreren wärmebeständigen Materialien beschichtet sein. Das eine oder die mehreren keramischen Materialien können beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumdioxid (SiO2) und dergleichen beinhalten. Das wärmebeständige Material kann beispielsweise Nomex, Aramid und dergleichen beinhalten.
  • In verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der Elektrolyt 30, der in dem porösen Separator 26 angeordnet ist, wie in 1 veranschaulicht, durch eine Feststoffelektrolyt(„SSE“, solid-state electrolyte)-Schicht (nicht gezeigt) und/oder eine halbfeste Elektrolytschicht (z. B. Gel) ersetzt werden, die sowohl als Elektrolyt als auch als Separator dient. Die Feststoffelektrolytschicht und/oder halbfeste Elektrolytschicht kann zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Die Feststoffelektrolytschicht und/oder halbfeste Elektrolytschicht ermöglicht den Transfer von Lithiumionen, während sie die negative und die positive Elektrode 22, 24 mechanisch trennt und elektrisch isoliert. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Feststoffelektrolytschicht und/oder halbfeste Elektrolytschicht eine Vielzahl von Feststoffelektrolytteilchen beinhalten, wie z. B. LiTi2(PO4)3, LiGe2(PO4)3, Li7La3Zr2O12, Li3xLa2/3-xTiO3, Li3PO4, Li3N, Li4GeS4, Li10GeP2Si2, Li2S-P2S5, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li6PS5I, Li3OCl, Li2,99 Ba0,005ClO oder Kombinationen davon.
  • Die negative Elektrode 22 kann aus einem Lithiumwirtsmaterial gebildet sein, das in der Lage ist, als negativer Pol der Batterie 20 zu dienen. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl von negativen elektroaktiven Materialteilchen (nicht gezeigt) definiert sein. Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann beispielsweise nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren (nicht gezeigt) der negativen Elektrode 22 enthalten sein. In bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Feststoffelektrolytteilchen (nicht gezeigt) beinhalten. Die negative Elektrode 22 kann eine durchschnittliche Dicke von größer als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm aufweisen und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm. Die negative Elektrode 22 kann eine durchschnittliche Dicke von größer als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 500 µm und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 10 µm bis weniger als oder gleich 200 µm aufweisen.
  • Die negative Elektrode 22 kann ein negatives elektroaktives Material beinhalten, das Lithium umfasst, wie beispielsweise Lithium-Metall. In bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode aus einem Film oder einer Schicht aus Lithium-Metall bestehen. Zum Bilden der negativen Elektrode 22 können auch andere Materialien verwendet werden, darunter beispielsweise kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff) und/oder Lithium-Silizium, siliziumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinnhaltige Legierungen (wie Si, Li-Si, SiOx (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Si-Sn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, SnO2 und dergleichen) und/oder andere volumenvergrößernde Materialien (z. B. Aluminium (Al), Germanium (Ge)). In bestimmten Abwandlungen kann das negative elektroaktive Material beispielsweise einen auf kohlenstoffhaltigem Silicium basierenden Verbundwerkstoff umfassen, der z.B. ungefähr 10 Gew.-% SiOx (wobei 0 ≤ x ≤ 2) und ungefähr 90 Gew.-% Graphit umfasst.
  • In bestimmten Abwandlungen kann das oder die negativen elektroaktiven Materialien der negativen Elektrode 22 optional mit einem oder mehreren elektronisch leitenden Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem Polymerbindemittelmaterial, das die strukturelle Unversehrtheit der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt sein. Zum Beispiel kann das oder die negativen elektroaktiven Materialien in der negativen Elektrode 22 optional mit Bindemitteln wie Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM) oder Carboxymethylcellulose (CMC), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat (z. B. als gegossene Aufschlämmung) vermischt sein. Elektronisch leitende Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, pulverförmiges Nickel oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer beinhalten. Materialien auf Kohlenstoffbasis können beispielsweise Graphitteilchen, Acetylenschwarz (wie DENKA™-Schwarz), Ruß (wie KETJEN™-Schwarz und/oder Super C45 oder C65), Kohlenstofffasern und -nanoröhren, Graphen und dergleichen beinhalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer beinhalten Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
  • Die negative Elektrode 22 kann zu mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Abwandlungen zu mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger oder gleich etwa 95 Gew.-% das oder die negativen elektroaktiven Materialien; zu mehr als oder gleich etwa 0 Gew% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% das elektronisch leitende Material; und zu mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% mindestens ein Polymerbindemittel beinhalten.
  • Die negative Elektrode 22 kann zu mehr als oder gleich 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-% und in bestimmten Abwandlungen zu mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% das oder die negativen elektroaktiven Materialien; zu mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% das elektronisch leitende Material; und zu mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% das mindestens eine Polymerbindemittel beinhalten.
  • Die positive Elektrode 24 kann aus einem aktiven Material auf Basis von Lithium gebildet sein, das in der Lage ist, Lithiuminterkalation und -deinterkalation, Legierung und Entlegierung oder Beschichtung und Ablösung unterzogen zu werden, während es als positiver Pol der Batterie 20 dient. 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 beispielsweise nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren (nicht gezeigt) der positiven Elektrode 24 enthalten sein. In bestimmten Abwandlungen beispielsweise kann die positive Elektrode 24 eine Vielzahl von Feststoffelektrolytteilchen (nicht gezeigt) beinhalten. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine Dicke von größer als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm aufweisen, und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm. Die positive Elektrode 24 kann eine Dicke von größer als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 500 µm und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 10 µm bis weniger als oder gleich 200 µm aufweisen.
  • Eine beispielhafte gemeinsame Klasse von bekannten Materialien, die zur Bildung der positiven Elektrode 24 verwendet werden können, sind geschichtete Lithiumübergangsmetalloxide. In bestimmten Aspekten kann die positive Elektrode 24 beispielsweise ein oder mehrere Materialien mit einer Spinellstruktur umfassen, wie etwa Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO), Lithiummangannickeloxid (LiMn(2-x)NixO4, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5) (LNMO) (z. B. LiMn1,5Ni0,5O4), ein oder mehrere Materialien mit einer Schichtstruktur, wie Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO2), Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (Li(NixMnyCoz)O2, wobei 0 ≤ x ≤ 0,9, 0 ≤ y ≤ 0,33, 0 ≤ z ≤ 0,33 und x + y + z = 1) (z. B. LiMn0,33Ni0,33Co0,33O2) (NMC), oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Metalloxid (LiNi(1-x-y)CoxMyO2, wobei 0 < x < 0,2, y < 0,2, und M Al, Mg, Ti oder dergleichen sein kann), oder ein Lithium-Eisen-Polyanion-Oxid mit Olivinstruktur, wie Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) (LFP), Lithiummanganeisenphosphat (LiMn2-xFexPO4, wobei 0 < x < 0,3) (LFMP) oder Lithiumeisenfluorphosphat (Li2FePO4F).
  • In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 eine nickelhaltige Kathode sein, die dargestellt wird durch: LiM1 xm2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2 wobei mindestens eines von M1, M2, M3 und M4 Nickel (Ni) ist und die übrigen Teile von M1, M2, M3 und M4 Übergangsmetalle sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, und wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1. Die positive Elektrode 24 kann zum Beispiel NMC (LiNii1-x-yCoxMnyO2) (wobei 0 ≤ x ≤ 0,33 und 0 ≤ y ≤ 0,33) und/oder NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0 ≤ x ≤ 0,9, 0 ≤ y ≤ 0,2 und 0 ≤ z ≤ 0,2) und/oder NCA (LiNi1-x-yCoxAlyO2, wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LNMO (LiNixMn1-xO2, wobei 0 ≤ x ≤ 1) beinhalten. Insbesondere kann die positive Elektrode 24 in bestimmten Abwandlungen ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien beinhalten, die aus NCM 111, NCM 532, NCM 622, NCM 712, NCM 811, NCA, LNMO und Kombinationen davon ausgewählt sind. In solchen Fällen (d. h. bei positiven Elektroden mit hohem Nickelgehalt (z. B. einem Stoffmengenanteil von mehr als oder gleich etwa 0,6 auf dem Übergangsmetallgitter)) kann die positive Elektrode 24 ferner einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz beinhalten. So kann die positive Elektrode 24 den sulfonierten aromatischen lonomerzusatz beispielsweise zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% beinhalten.
  • Die positive Elektrode 24 kann ferner ein elektronisch leitendes Material, das einen Elektronenleitpfad bereitstellt, und/oder ein polymeres Bindemittelmaterial beinhalten, das die strukturelle Festigkeit der Elektrode 24 verbessert. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 zu mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-%, optional zu mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Abwandlungen zu mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% das oder die positiven elektroaktiven Materialien; zu mehr als oder gleich etwa 0 Gew% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% das elektronisch leitende Material; und zu mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% mindestens ein Polymerbindemittel beinhalten. Die positive Elektrode 24 kann zu mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-%, optional zu mehr als oder gleich 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-% und in bestimmten Abwandlungen zu mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 98 Gew.-% das oder die positiven elektroaktiven Materialien; zu mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% das elektronisch leitende Material; und zu mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% das mindestens eine Polymerbindemittel beinhalten.
  • Das oder die positiven elektroaktiven Materialien in der positiven Elektrode 24 können optional mit Bindemitteln wie Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM) oder Carboxymethylcellulose (CMC), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithium (z. B. als gegossene Aufschlämmung) vermischt sein. In bestimmten Abwandlungen kann das Bindemittel ein Bindemittel mit hohem Molekulargewicht sein. Das Bindemittel kann beispielsweise ein Molekulargewicht von größer als oder gleich etwa 200 Kilodalton (kD) bis kleiner als oder gleich etwa 2000 Kilodalton (kD) aufweisen.
  • Das oder die positiven elektroaktiven Materialien in der positiven Elektrode 24 können optional mit elektronisch leitenden Materialien wie Materialien auf Kohlenstoffbasis, pulverförmigem Nickel oder anderen Metallteilchen oder einem leitfähigen Polymer vermischt (z. B. aufgeschlämmt) sein. Materialien auf Kohlenstoffbasis können beispielsweise Graphitteilchen, Acetylenschwarz (wie DENKA™-Schwarz), Ruß (wie KETJEN ™-Schwarz und/oder Super C45 oder C65), Kohlenstofffasern und -nanoröhren, Graphen und dergleichen beinhalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer beinhalten Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
  • In bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 eine Kombination von elektronisch leitenden Materialien beinhalten. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 zu mehr als oder gleich etwa 0,25 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% ein erstes elektronisch leitendes Material; zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten zu mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% ein zweites elektronisch leitendes Material; und zu mehr als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% ein drittes elektronisch leitendes Material beinhalten. Die positive Elektrode 24 kann zu mehr als oder gleich etwa 0,25 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% ein erstes elektronisch leitendes Material; zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten zu mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% ein zweites elektronisch leitendes Material; und zu mehr als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% ein drittes elektronisch leitendes Material beinhalten. In einer Abwandlung kann das erste elektronisch leitende Material Ruß oder Acetylenschwarz, das zweite elektronisch leitende Material Graphennanoplättchen und das dritte elektronisch leitende Material Kohlenstoffnanoröhren sein.
  • In jeder Abwandlung kann der sulfonierte aromatische lonomerzusatz sulfonierte Derivate von Poly(arylenether) (SPAE), Poly(arylenethersulfon) (SPAES), Poly(arylensulfid) (SPAS), sulfoniertes Polyimid (SPI), sulfoniertes Polyphenylen (SPP) und Kombinationen davon beinhalten. In bestimmten Abwandlungen kann das sulfonierte Derivat beispielsweise ein sulfoniertes phenyliertes Polyphenylen (sPPP) sein. Das sulfonierte Derivat kann mit einem oder mehreren Kationen, wie etwa H+, Li+, Na+, K+, NH4 +, verwendet werden. In bestimmten Abwandlungen kann beispielsweise eine Sulfonsäureform sPPP-H, wie unten dargestellt, verwendet werden.
    Figure DE102022126690A1_0001
  • In jeder Abwandlung kann der sulfonierte aromatische lonomerzusatz (z. B. über seine Säurekomponente) an der Oberfläche des nickelreichen elektroaktiven Materials adsorbieren, wodurch die Bildung von Li2CO3/LiOH-Filmen während der Herstellung der positiven Elektrode 24 verringert wird. Beispielsweise kann der sulfonierte aromatische lonomerzusatz nach dem Lithiumionenaustausch an der Oberfläche des nickelreichen elektroaktiven Materials adsorbiert werden, wodurch die Bildung von Li2CO3/LiOH physisch blockiert wird. In verschiedenen Aspekten kann ferner der sulfonierte aromatische lonomerzusatz bei der Herstellung der positiven Elektrode 24 eine hohe Affinität zu Kohlenstoffoberflächen haben und an diese adsorbieren, beispielsweise über π-Orbitalbindungen, was zu einer elektrosterischen Stabilität gegenüber Agglomeratbildung und damit zu einer gleichmäßigeren Verteilung des leitfähigen Kohlenstoffs in der positiven Elektrode 24 beitragen kann.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Herstellen einer positiven Elektrode wie etwa der positiven Elektrode 24 aus 1 bereit. 2 veranschaulicht beispielsweise ein beispielhaftes Verfahren 200 zum Herstellen einer positiven Elektrode wie etwa der positiven Elektrode 24 aus 1. Das Verfahren 200 kann Inkontaktbringen 230 einer positiven Elektrode oder einer Aufschlämmung von Kathodenmaterial mit einer oder mehreren Oberflächen eines Stromkollektors mit positiver Elektrode (z. B. eines Aluminiumstromkollektors) beinhalten. Das Inkontaktbringen 230 kann Beschichten der einen oder mehreren Oberflächen des Stromkollektors mit der positiven Elektrode beinhalten, unter anderem beispielsweise mit einer Rakel oder einer automatischen Beschichtungsanlage.
  • Die Aufschlämmung von Kathodenmaterial beinhaltet ein positives elektroaktives Material. In bestimmten Abwandlungen kann das positive elektroaktive Material ein Mischmaterial sein, das beispielsweise ein hochnickelhaltiges positives elektroaktives Material (z. B. NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,06)) und ein anderes positives elektroaktives Material (z. B. Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO), Lithium-Nickel-Manganoxid (LiNi0,5Mn1,5O4), Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) (LCO), Lithiumeisenphosphat (LiFePO4), Lithiumvanadiumphosphat (LiVPO4) und/oder Lithiummanganeisenphosphat (LiMn1-xFexPO4, wobei 0 ≤ x ≤ 1)) beinhaltet. Die Aufschlämmung beinhaltet ferner einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz (z. B. sPPP-H) und ein Lösungsmittel (z. B. N-Methylpyrrolidon (NMP)). Die Aufschlämmung kann auch ein oder mehrere Bindemittel (z. B. Polyvinylidenfluorid (PVdF)) und/oder ein oder mehrere elektronisch leitfähige Materialien beinhalten (z. B. Ruß (CB), Acetylenschwarz, Graphennanoplättchen (GNP) und/oder einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT)).
  • Beispielsweise kann in verschiedenen Aspekten der Feststoffanteil der Aufschlämmung zu mehr als oder gleich etwa 80 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% das positive elektroaktive Material (einschließlich beispielsweise zu mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 100 Gew.-% das hochnickelhaltige positive elektroaktive Material und zu mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% ein anderes positives elektroaktives Material), zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.% den sulfonierten aromatischen lonomerzusatz, zu mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% das eine oder die mehreren Bindemittel und zu mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% das eine oder die mehreren elektronisch leitfähigen Materialien (einschließlich beispielsweise zu mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% Ruß oder Acetylenschwarz, zu mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% Graphennanoplättchen und zu mehr als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% Kohlenstoffnanoröhren). Die Aufschlämmung kann zu mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% Feststoffe (d. h. das oder die positiven elektroaktiven Materialien, den sulfonierten aromatischen lonomerzusatz, das eine oder die mehreren Bindemittel und das eine oder die mehreren elektronisch leitfähigen Materialien) in dem Lösungsmittel beinhalten.
  • In bestimmten Abwandlungen kann der Feststoffanteil der Aufschlämmung zu mehr als oder gleich 80 Gew.-% bis weniger als oder gleich 98 Gew.-% das positive elektroaktive Material (einschließlich beispielsweise zu mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 100 Gew.-% das hochnickelhaltige positive elektroaktive Material und zu mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 50 Gew.-% ein anderes positives elektroaktives Material), zu mehr als oder gleich 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 2 Gew.% den sulfonierten aromatischen lonomerzusatz, zu mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 10 Gew.-% das eine oder die mehreren Bindemittel und zu mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 10 Gew.-% das eine oder die mehreren elektronisch leitfähigen Materialien (einschließlich beispielsweise zu mehr als oder gleich 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 5 Gew.-% Ruß oder Acetylenschwarz, zu mehr als oder gleich 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 5 Gew.-% Graphennanoplättchen und zu mehr als oder gleich 0,05 Gew.-% bis weniger als oder gleich 1 Gew.-% Kohlenstoffnanoröhren). Die Aufschlämmung kann zu mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 80 Gew.-% Feststoffe (d. h. das oder die positiven elektroaktiven Materialien, den sulfonierten aromatischen lonomerzusatz, das eine oder die mehreren Bindemittel und das eine oder die mehreren elektronisch leitfähigen Materialien) in dem Lösungsmittel beinhalten.
  • In verschiedenen Aspekten kann das Verfahren 200 ferner Herstellen 210 der Aufschlämmung beinhalten. Das Herstellen 210 der Aufschlämmung kann gleichzeitiges oder aufeinanderfolgendes Zugeben des positiven elektroaktiven Materials, des sulfonierten aromatischen lonomerzusatzes, des einen oder der mehreren Bindemittel und/oder des einen oder der mehreren elektronisch leitfähigen Materialien zu dem Lösungsmittel und Mahlen der Kombination mit einem Planetenzentrifugalmischer beinhalten. Der Planetenzentrifugalmischer kann Zirkoniumdioxidkugeln mit einem Durchmesser von etwa 3 mm (und in bestimmten Aspekten optional 3 mm) beinhalten. In bestimmten Abwandlungen kann das Herstellen 210 der Aufschlämmung Zugeben 212 des einen oder der mehreren elektronisch leitfähigen Materialien zum Lösungsmittel und Mahlen 214 der Kombination für eine erste Zeitspanne (z. B. etwa 5 Minuten und in bestimmten Aspekten optional 5 Minuten) bei einer Geschwindigkeit von etwa 2.000 U/min, gefolgt von einer zweiten Zeitspanne (z. B. etwa 5 Minuten und in bestimmten Aspekten optional 5 Minuten) beinhalten. Die getrennte erste und zweite Zeitspanne tragen dazu bei, dass die Kombination während des Mahlvorgangs etwa auf Raumtemperatur (z. B. größer als oder gleich etwa 15 °C bis kleiner als oder gleich etwa 40 °C) gehalten wird.
  • Das Herstellen 210 der Aufschlämmung kann ferner Zugeben des positiven elektroaktiven Materials zu der Lösungsmittelmischung beinhalten, die das eine oder die mehreren elektronisch leitfähigen Materialien beinhaltet. Beispielsweise kann in bestimmten Abwandlungen, wie dargestellt, das Herstellen 210 der Aufschlämmung Zugeben 216 eines ersten positiven elektroaktiven Materials (z. B. des anderen positiven elektroaktiven Materials (z. B. Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO), Lithiumnickelmanganoxid (LiNi0,5Mn1,5O4), Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2) (LCO), Lithiumeisenphosphat (LiFePO4), Lithiumvanadiumphosphat (LiVPO4) und/oder Lithiummanganeisenphosphat (LiMn1-xFexPO4, wobei 0 ≤ x ≤ 1)) zu dem Lösungsmittelgemisch, das das eine oder die mehreren elektronisch leitfähigen Materialien beinhaltet, und Mischen 218 der Kombination während einer dritten Zeitspanne (z. B. etwa 5 Minuten, und in bestimmten Aspekten optional 5 Minuten); und dann Zugeben 220 eines zweiten positiven elektroaktiven Materials (z. B. des nickelreichen elektroaktiven Materials (z. B. NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,06)) zu dem Lösungsmittelgemisch, das das eine oder die mehreren elektronisch leitfähigen Materialien und das erste positive elektroaktive Material beinhaltet, und Mischen 222 der Kombination für eine vierte Zeitspanne (z. B. etwa 5 Minuten und in bestimmten Aspekten optional 5 Minuten) beinhalten.
  • Das Herstellen 210 der Aufschlämmung kann ferner Zugeben 224 des einen oder der mehreren Bindemittel und des sulfonierten aromatischen lonomerzusatzes zu der Lösungsmittelmischung, die das eine oder die mehreren elektronisch leitfähigen Materialien und das positive elektroaktive Material beinhaltet, und Mischen 226 der Kombination für eine fünfte Zeitspanne (z. B. etwa 5 Minuten und in bestimmten Aspekten optional 5 Minuten) beinhalten. In jeder Abwandlung kann das Mischen 214, 218, 222, 225 bei einer Luftfeuchtigkeit unterhalb eines Taupunkts von etwa -5 °C erfolgen (vorzugsweise größer oder gleich etwa -20 °C bis kleiner oder gleich etwa -10 °C, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich -20 °C bis kleiner oder gleich -10 °C). Die niedrige Luftfeuchtigkeit kann wichtig sein, um die Bildung von Li2CO3/LiOH-Filmen auf den Oberflächen des nickelreichen elektroaktiven Materials zu verhindern oder zu begrenzen. Ebenso, obwohl nicht dargestellt, kann das Verfahren 200 in jeder Abwandlung vor dem Zugeben 212, 116, 220, 224 Trocknen eines oder mehrerer der Materialien - d. h. des einen oder der mehreren elektronisch leitfähigen Materialien, des positiven elektroaktiven Materials, des einen oder der mehreren Bindemittel und des sulfonierten aromatischen lonomerzusatzes - vor der Zugabe oder Dispersion im Lösungsmittel beinhalten. Beispielsweise kann das Material (die Materialien) vor dem Dispergieren in dem Lösungsmittel bei etwa 50 °C (und in bestimmten Aspekten optional bei 50 °C) für mindestens etwa 24 Stunden (und in bestimmten Aspekten optional für 24 Stunden) vakuumgetrocknet werden.
  • In verschiedenen Aspekten beinhaltet das Verfahren 200 ferner Trocknen 240 der aufgetragenen Aufschlämmung, um eine Schicht aus elektroaktivem Material auf oder benachbart zu der einen oder mehreren Oberflächen des Stromkollektors zu bilden. In bestimmten Abwandlungen kann das Trocknen 240 das Erwärmen der Baugruppe auf etwa 70 °C (und in bestimmten Aspekten optional 70 °C) an der Luft beinhalten. Das Verfahren 200 kann auch Kalandrieren 250 der Anordnung bei Raumtemperatur beinhalten, um eine Schicht aus elektroaktivem Material mit einer Porosität von mehr als oder gleich etwa 25 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 25 Vol.-% bis weniger als oder gleich 50 Vol.-% zu bilden. Ferner kann das Verfahren 200 in bestimmten Abwandlungen Stanzen 260 der Anordnung zum Bilden einer Vielzahl von Elektrodenbeschichtungen und Trocknen 270 in einem Vakuumofen, beispielsweise bei etwa 50 °C (und in bestimmten Aspekten optional 50 °C) für etwa 12 Stunden (und in bestimmten Aspekten optional 12 Stunden) beinhalten. In allen Abwandlungen können positive Elektroden mit Zielflächenkapazitäten von etwa 5,0 mAh/cm2 (und in bestimmten Aspekten optional 5,0 mAh/cm2) hergestellt werden.
  • Bestimmte Merkmale der vorliegenden Technik sind ferner durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.
  • Beispiel 1
  • Beispielhafte Batteriezellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
  • In bestimmten Abwandlungen kann beispielsweise eine positive Elektrode hergestellt werden, indem eine positive Elektrode oder eine Aufschlämmung von Kathodenmaterial mit einer oder mehreren Oberflächen eines Stromkollektors in Kontakt gebracht wird. In jeder Abwandlung kann die Kathodenmaterialaufschlämmung durch Dispergieren eines positiven elektroaktiven Materials sowie eines oder mehrerer elektronisch leitender Materialien und/oder eines oder mehrerer Bindemittel in einem Lösungsmittel hergestellt werden. Ein sulfonierter aromatischer lonomerzusatz (z. B. sPPP-H) kann ebenfalls in dem Lösungsmittel dispergiert werden. Bei dem Lösungsmittel kann es sich beispielsweise um N-Methylpyrrolidon (NMP) handeln, das zu mehr als oder gleich etwa 25 % bis zu weniger als oder gleich etwa 40 % und in bestimmten Aspekten optional zu mehr als oder gleich 25 % bis zu weniger als oder gleich 40 % des Gewichts der Aufschlämmung formuliert werden kann. Wie in der folgenden Tabelle zusammengefasst, kann das positive elektroaktive Material ein Gemisch aus einem nickelreichen elektroaktiven Material (z. B. NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,06)) und einem anderen positiven elektroaktiven Material (z. B. Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO)) beinhalten.
    Eigenschaft NCMA LMO
    Klasse S92EA-DX MSL-25B
    Zusammensetzung L­iNi0,9Co0,05Mn0,03Al0,02O2 LiMn2O4
    Teilchengröße D50 (µm) 11 12,4
    Oberfläche (m 2 /g) 0,46 0,57
    Klopfdichte (g/cm 3 ) 2,61 2,12
    Spezifische Kapazität bei C/10 (mAh/g) 209 108
    Oberflächenbeschichtungen K.A Tonerde
  • Wie in der folgenden Tabelle zusammengefasst, können das eine oder die mehreren elektronisch leitenden Materialien Ruß (CB), Graphennanoplättchen (GNP) und einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT) beinhalten.
    Eigenschaft Ruß Graphennanoplättchen Kohlenstoffnanoröhren
    Klasse SuperP-Li R-7 Tuball BATT NMP
    Zusammensetzung Kohlenstoffpulver Kohlenstoffpulver 0,4 % SW-CNT
    2 % Solef 5130
    97,6 % NMP
    Durchmesser (nm) 40 7.000 1,6
    Oberfläche (m 2 /g) 65 65 1300
    Klopfdichte (g/cm 3 ) 0,016 0,08 0,035
    Seitenverhältnis ca. 1-2 ca. 450 ca. 3000
  • Das eine oder die mehreren Bindemittel können ein Polyvinyldifluorid(PVDF)-Homopolymer mit ultrahohem Molekulargewicht (z. B. Mw > 1000 kD) beinhalten. Zusammengefasst kann die Kathodenaufschlämmung die folgende Feststoffzusammensetzung beinhalten.
    Material Feststoffe (Gew.-%)
    Elektroaktives Material 80 - 99
    PVDF-Homopolymer/Copolymer-Gemisch 1 - 10
    Aromatischer lonomerzusatz 0,2 - 2
    Ruß 0,5-5
    Graphennanoplättchen 0,5-5
    Kohlenstoffnanoröhren 0,05 - 1
  • Das positive elektroaktive Material, das eine oder die mehreren elektronisch leitfähigen Materialien, das eine oder die mehreren Bindemittel und der sulfonierte aromatische lonomerzusatz können dem Lösungsmittel gleichzeitig oder nacheinander zugesetzt werden. In bestimmten Abwandlungen kann die Aufschlämmung der positiven Elektrode unter Verwendung einer Zentrifugenmischung gemischt werden, die Zirkoniumdioxidkügelchen mit einem Durchmesser von etwa 3 mm (und in bestimmten Aspekten optional 3 mm) beinhaltet. In einer Abwandlung können das eine oder die mehreren elektronisch leitfähigen Materialien (z. B. Ruß (CB), Graphennanoplättchen (GNP) und/oder einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT)) dem Lösungsmittel zugegeben und mit diesem für etwa 10 Minuten (und in bestimmten Aspekten optional 10 Minuten) bei etwa 2000 U/min (und in bestimmten Aspekten optional 2000 U/min) gemischt werden, wobei nach etwa 5 Minuten (und in bestimmten Aspekten optional 5 Minuten) eine Pause eingelegt wird, sodass die Kombination etwa bei Raumtemperatur gehalten wird.
  • Danach kann ein weiteres positives elektroaktives Material (z. B. Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO)) zusammen mit zusätzlichem Lösungsmittel zugegeben und die Kombination für etwa 5 weitere Minuten (und in bestimmten Aspekten optional 5 weitere Minuten) gemischt werden.
  • Anschließend kann das nickelreiche elektroaktive Material (z. B. NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,06) zusammen mit etwas zusätzlichem Lösungsmittel zugegeben und die Kombination für etwa 5 weitere Minuten (und in bestimmten Aspekten optional 5 weitere Minuten) gemischt werden.
  • Schließlich können das oder die Bindemittel und der sulfonierte aromatische Ionomerzusatz zusammen mit etwas zusätzlichem Lösungsmittel zugegeben und die Kombination etwa 5 weitere Minuten (und in bestimmten Aspekten optional 5 weitere Minuten) gemischt werden. In jeder Abwandlung kann das Mischen bei einer Luftfeuchtigkeit unterhalb eines Taupunkts von etwa -5 °C erfolgen (vorzugsweise größer oder gleich etwa -20 °C bis kleiner oder gleich etwa -10 °C, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich -20 °C bis kleiner oder gleich -10 °C). Die niedrige Luftfeuchtigkeit ist wichtig, um die Bildung von Li2CO3/LiOH-Filmen auf den Oberflächen des nickelreichen elektroaktiven Materials zu verhindern oder zu begrenzen.
  • Eine beispielhafte Zelle 310 kann durch Kombination der hergestellten positiven Elektrode mit einer Graphitanode mit einer Ladung von beispielsweise etwa 5,5 mAh/cm2 hergestellt werden, derart, dass die Zellen ein N/P-Verhältnis von etwa 1,1 aufweisen. Die beispielhafte Zelle 310 kann auch einen Elektrolyten (z. B. 1M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch) und einen Separator beinhalten. Das Lösungsmittelgemisch kann Ethylencarbonat (EC): Ethylmethylcarbonat (EMC) (z. B. 3:7 w/w Lösungsmittelgemisch) und auch zu etwa 2,0 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) als Lösungsmittel beinhalten. Die beispielhafte Zelle 310 kann zwei Bildungszyklen bei einer Ladegeschwindigkeit von C/20 mit einer Konstantstrom-Konstantspannungshaltung von C/50 und einer Konstantstrom-Entladegeschwindigkeit von C/20 durchlaufen. Eine Vergleichsbatteriezelle 320 kann in ähnlicher Weise hergestellt sein, jedoch ohne den Zusatz von sulfoniertem aromatischem lonomer.
  • 3A ist eine grafische Darstellung, die den Kapazitätserhalt der beispielhaften Batteriezelle 310 im Vergleich zur Vergleichsbatteriezelle 320 darstellt, wobei die x-Achse 300 die Zykluszahl und die y-Achse 302 den Kapazitätserhalt (%) darstellt. Wie veranschaulicht, weist die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellte beispielhafte Batteriezelle 310 nach 200 Zyklen eine bessere Langzeitleistung auf als die Vergleichsbatteriezelle 320. Wie veranschaulicht, weist die beispielhafte Batteriezelle 310 gegenüber der Vergleichsbatteriezelle 320 eine etwa zweifach geringere Retentionsverlustrate und eine Verbesserung der Ladekapazität nach 200 Zyklen von etwa 10 % auf.
  • 3B ist eine grafische Darstellung, die den Innenwiderstand der beispielhaften Batteriezelle 310 im Vergleich zur Vergleichsbatteriezelle 320 darstellt, wobei die y-Achse 350 den Elektrodeninnenwiderstand (Ω·cm2) darstellt. Wie veranschaulicht, weist die beispielhafte Batteriezelle 310 im Vergleich zur Vergleichsbatterie 320 einen verbesserten Porenkanalwiderstand (d. h. den Porenkanalwiderstand (R) für den Transport von Lithiumionen (Li+) durch die Elektrode) auf. Die Verbesserung kann auf die gleichmäßigere Verteilung des Bindemittelpolymers zurückgeführt werden, die sich aus der Einbeziehung des sulfonierten aromatischen Ionomerzusatzes ergibt. Da der sulfonierte aromatische lonomerzusatz die Oberflächenbildung von LiCO3/LiOH auf den elektroaktiven Teilchen (z. B. NCMA-Teilchen) verringert und somit ein Agglomeratwachstum begünstigt, werden die elektroaktiven Teilchen besser in der Beschichtungsaufschlämmung dispergiert, sodass das Bindemittelpolymer das Porenvolumen der Elektrode gleichmäßiger durchdringen kann, wenn das Lösungsmittel getrocknet ist.
  • Beispiel 2
  • Es wird eine erste Teilchendispersion hergestellt, die eine Kathodenmaterialaufschlämmung für die Herstellung einer positiven Elektrode darstellt. Die erste Teilchendispersion beinhaltet NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,06), ein elektronisch leitendes Material (z. B. Super P), ein Bindemittel (z. B. Polyvinylidenfluorid (PVdF)) und ein Lösungsmittel (z. B. N-Methylpyrrolidon (NMP)). 4A ist eine grafische Darstellung, die die Dispersionsstabilität nach einer zweitägigen Haltezeit (Aufwärtsrampe 410A, Abwärtsrampe 410B) bei etwa 35 % relativer Luftfeuchtigkeit darstellt, bei der keine Hysterese in der frischen Aufschlämmung (siehe die vierstündige Haltezeit (Aufwärtsrampe 420A, Abwärtsrampe 420B) bei etwa 35 % relativer Luftfeuchtigkeit vorliegt. Die x-Achse 400 stellt die angewandte Scherrate (1/s) dar. Die y-Achse 402 stellt die gemessene Viskosität (Pa s) dar. Wie veranschaulicht, weist die gealterte Dispersion (d. h. nach der zweitägigen Haltezeit) in der Aufwärtsrampe eine Viskosität auf, die auf die Bildung sphäroidischer Agglomerate zurückzuführen ist, die vor der Abwärtsrampe bei hoher Scherrate erneut dispergiert werden. Dies veranschaulicht die Empfindlichkeit des hochnickelhaltigen positiven elektroaktiven Materials (z. B. NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,02 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,06) gegenüber Wasserdampfeinwirkung.
  • Im Vergleich dazu wird eine zweite Teilchendispersion hergestellt, die eine weitere Kathodenmaterialaufschlämmung zur Verwendung bei der Herstellung einer positiven Elektrode darstellt. Die zweite Teilchendispersion beinhaltet NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,06), ein elektronisch leitendes Material (z. B. Super P), ein Bindemittel (z. B. Polyvinylidenfluorid (PVdF)) und ein Lösungsmittel (z. B. N-Methylpyrrolidon (NMP)) sowie einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz (z. B. sPPP-H) gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 4B ist eine grafische Darstellung, die die Dispersionsstabilität nach einer zweitägigen Haltezeit (Aufwärtsrampe 460A, Abwärtsrampe 460B) bei etwa 35 % relativer Luftfeuchtigkeit darstellt, bei der keine Hysterese in der frischen Aufschlämmung (siehe die vierstündige Haltezeit (Aufwärtsrampe 470A, Abwärtsrampe 470B) bei etwa 35 % relativer Luftfeuchtigkeit vorliegt. Die x-Achse 450 stellt die angewandte Scherrate (1/s) dar. Die y-Achse 452 stellt gemessene Viskosität (Pa s) dar. Wie veranschaulicht, zeigt die gealterte Dispersion (d. h. nach der zweitägigen Haltezeit) keine signifikante Hysterese bei der Aufwärtsrampe gegenüber der Abwärtsrampe der Scherrate. Dies deutet darauf hin, dass der sulfonierte aromatische lonomerzusatz dazu beiträgt, die Bildung von Li2CO3/LiOH-Filmen auf dem hochnickelhaltigen positiven elektroaktiven Material zu verhindern oder zu begrenzen.
  • Beispiel 3
  • Es wird eine erste Teilchendispersion hergestellt, die eine Kathodenmaterialaufschlämmung für die Herstellung einer positiven Elektrode darstellt. Die erste Teilchendispersion beinhaltet Kohlenstoffnanoröhren (z. B. einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT)) und ein Bindemittel (z. B. Polyvinylidenfluorid (PVdF)) und ein Lösungsmittel (z. B. N-Methylpyrrolidon (NMP)). 5A zeigt die Scherratenhysterese der ersten Teilchendispersion, wobei die x-Achse 500 die angewandte Scherrate (1/s) und die y-Achse 502 die gemessene Viskosität (Pa s) darstellt. Das große hydrodynamische Volumen, durch das einzelne Agglomerate oder Strangagglomerate strömen, verursacht eine erhebliche Dispersionsviskosität bei niedrigen Feststoffgehalten. Da das Strangagglomerat mit Ausrichtung der zylindrischen Achse der Nanoröhren beispielsweise ein höheres Seitenverhältnis aufweist, ist die resultierende Viskosität bei der Aufwärtsscherrampe größer als bei der Abwärtsscherrampe, wie veranschaulicht. 510A veranschaulicht die Aufwärtsrampe und 510B die Abwärtsrampe, wobei das Potenzgesetz (n = -1,0) durch 520 dargestellt ist.
  • Es wird eine zweite Teilchendispersion hergestellt, die eine Kathodenmaterialaufschlämmung für die Herstellung einer positiven Elektrode darstellt. Die zweite Teilchendispersion beinhaltet Kohlenstoffnanoröhren (z. B. einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT)) und ein Bindemittel (z. B. Polyvinylidenfluorid (PVdF)) und ein Lösungsmittel (z. B. N-Methylpyrrolidon (NMP)) sowie einen Zusatz von Polyvinyl-4-pyridin (PVPy). 5B veranschaulicht die Scherratenhysterese der zweiten Teilchendispersion, wobei die x-Achse 540 die angewandte Scherrate (1/s) und die y-Achse 542 die gemessene Viskosität (Pa s) darstellt. Der Zusatz von Polyvinyl-4-pyridin (PVPy) ist bei 2,4 mg Polymer/m2 Kohlenstoffoberfläche ein wirksames Dispergiermittel, stellt aber bei 0,8 mg/m2 keine ausreichende kolloidale Stabilität bereit, was auf eine schwache Adsorptionsisotherme in der zweiten Teilchendispersion zurückzuführen ist. 550A veranschaulicht die Aufwärtsrampe nach einem Zyklus und 550B die Abwärtsrampe nach einem Zyklus. 555A veranschaulicht die Aufwärtsrampe nach drei Zyklen und 555B veranschaulicht die Abwärtsrampe nach drei Zyklen.
  • Es wird eine dritte Teilchendispersion hergestellt, die eine Kathodenmaterialaufschlämmung für die Herstellung einer positiven Elektrode darstellt. Die dritte Teilchendispersion beinhaltet Kohlenstoffnanoröhren (z. B. einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT)), ein Bindemittel (z. B. Polyvinylidenfluorid (PVdF)) und ein Lösungsmittel (z. B. N-Methylpyrrolidon (NMP)) sowie einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz (z. B. sPPP-H) gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 5C zeigt die Scherratenhysterese der zweiten Teilchendispersion, wobei die x-Achse 560 die angewandte Scherrate (1/s) und die y-Achse 562 die gemessene Viskosität (Pa s) darstellt. Wie gezeigt, bleibt der sulfonierte aromatische lonomerzusatz (z. B. sPPP-H) auch bei der geringeren Beladung von 0,8 mg Polymer/m2 ein wirksames Dispergiermittel. 570A veranschaulicht die Aufwärtsrampe nach einem Zyklus, und 560B veranschaulicht die Abwärtsrampe nach einem Zyklus. 575A veranschaulicht die Aufwärtsrampe nach drei Zyklen und 575B veranschaulicht die Abwärtsrampe nach drei Zyklen. So kann der sulfonierte aromatische lonomerzusatz (z. B. sPPP-H) bei der Herstellung einer positiven Elektrode direkt der Kohlenstoffdispersion zugesetzt werden.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient nur der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Einschränkung der Offenbarung. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind gegebenenfalls austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht ausdrücklich 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 als in den Umfang der Offenbarung eingeschlossen aufzufassen.

Claims (10)

  1. Elektrode zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die Elektrode umfasst: ein hochnickelhaltiges elektroaktives Material, das Nickel in einem Stoffmengenanteil von mehr als oder gleich etwa 0,6 aufweist; zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% einen sulfonierten aromatischen lonomerzusatz.
  2. Elektrode nach Anspruch 1, wobei das hochnickelhaltige elektroaktive Material dargestellt ist durch: LiM1 xm2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2 wobei mindestens eines von M1, M2, M3 und M4 Nickel (Ni) ist und die übrigen Teile von M1, M2, M3 und M4 Übergangsmetalle sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, und wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1.
  3. Elektrode nach Anspruch 1, wobei das hochnickelhaltige elektroaktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus NMC (LiNii1-x-yCoxMnyO2) (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1), NCA (LiNi1-x-yCoxAlyO2, wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LNMO (LiNixMn1-xO2, wobei 0 ≤ x ≤ 1) und Kombinationen davon.
  4. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrode ferner umfasst: ein zweites elektroaktives Material, wobei das zweite elektroaktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO), Lithiumnickelmanganoxid (LiNi0,5Mn1,5O4), Lithiumkobaltoxid (LiCoO2, LCO), Lithiumeisenphosphat (LiFePO4), Lithiumvanadiumphosphat (LiVPO4), Lithiummanganeisenphosphat (LiMn1-xFexPO4, wobei 0 ≤ x ≤ 1) und Kombinationen davon.
  5. Elektrode nach Anspruch 1, wobei der sulfonierte aromatische Ionomerzusatz umfasst: ein sulfoniertes Derivat von Poly(arylenether) (SPAE), Poly(arylenethersulfon) (SPAES), Poly(arylensulfid) (SPAS), sulfoniertes Polyimid (SPI), sulfoniertes Polyphenylen (SPP) und Kombinationen davon; und ein oder mehrere Kationen, ausgewählt aus H+, Li+, Na+, K+ und NH4 +.
  6. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrode ferner umfasst: zu mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% ein Bindemittel.
  7. Elektrode nach Anspruch 6, wobei das Bindemittel ein Molekulargewicht von größer als oder gleich etwa 200 Kilodalton (kD) bis kleiner als oder gleich etwa 2000 Kilodalton (kD) aufweist.
  8. Elektrode nach Anspruch 7, wobei das Bindemittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethylcellulose (CMC), einem Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat und Kombinationen davon.
  9. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrode ferner umfasst: zu mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% ein elektronisch leitfähiges Material.
  10. Elektrode nach Anspruch 9, wobei das elektronisch leitfähige Material umfasst: zu mehr als oder gleich etwa 0,25 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Ruß oder Acetylenschwarz, zu mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Graphennanoplättchen, und zu mehr als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% an Kohlenstoffnanoröhren.
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