DE102022127969A1 - Elektrode mit alternierend geschichteter struktur - Google Patents

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Meixian Wang
Nicole Ellison
Xiaosong Huang
Raghunathan Kuppuswamy
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GM Global Technology Operations LLC
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Abstract

Eine Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wird bereitgestellt. Die Elektrode umfasst einen Stromkollektor, eine Bindemittelschicht, die auf oder in der Nähe einer Oberfläche des Stromkollektors angeordnet ist, und eine elektroaktive Materialschicht, die auf oder in der Nähe einer Oberfläche der Bindemittelschicht angeordnet ist, die vom Stromkollektor abgewandt ist. Die elektroaktive Materialschicht umfasst eine Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material mit einer durchschnittlichen spezifischen Oberfläche von mehr als oder gleich etwa 1 m2/g bis weniger als oder gleich etwa 30 m2/g und einer durchschnittlichen Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 0,1 Mikrometern bis weniger als oder gleich etwa 10 Mikrometern.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Fortschrittliche Energiespeicher und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische Lithiumionen-Batterien enthalten mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode dienen, und die andere Elektrode kann als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein mit einem flüssigen oder festen Elektrolyten gefüllter Separator angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen zwischen den Elektroden geeignet und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten (oder Festkörperseparator) enthalten, kann der Festkörperelektrolyt (oder Festkörperseparator) die Elektroden physisch trennen, so dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist.
  • Es können viele verschiedene Materialien verwendet werden, um Komponenten für eine Lithiumionen-Batterie herzustellen. In verschiedenen Aspekten können positive Elektroden zum Beispiel Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LiMnFePO4) (LMFP) oder andere positive elektroaktive Materialien enthalten, die zu hohen Energiedichten (z.B. etwa 700 Wh/L) fähig sind. Diese Materialien haben jedoch oft Eigenschaften wie große spezifische Oberflächen und kleine Teilchengrößen (z.B. D50 von weniger als oder gleich etwa 1 µm), die bestimmte Probleme mit sich bringen, wie z.B. De-Laminierung, insbesondere wenn sie in großen Mengen (z.B. mehr als oder gleich etwa 96 Gew.-%) enthalten sind. Bindemittel (z.B. größer oder gleich 1 Gew.-%) werden üblicherweise eingearbeitet, um eine De-Lamination zu verhindern. Diese Zellen haben jedoch oft einen hohen Zellenwiderstand und eine schlechte Zellenleistung. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte Elektrodenaterialien sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung zu entwickeln, die diese Herausforderungen bewältigen können.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Elektroden mit hoher Kapazität für elektrochemische Zellen. Die Elektroden enthalten beispielsweise alternierende bzw. abwechselnde Schichten aus elektroaktivem Material und hochleitende Bindemittelschichten. Die elektroaktiven Materialschichten können einen hohen Gehalt an aktivem Material aufweisen (z.B. mehr als oder gleich etwa 97 Gew.-%) und können beispielsweise Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LiMnxFe1-xPO4, wobei 0 ≤ x ≤ 1) (LMFP) enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Elektrode umfasst einen Stromkollektor, eine Bindemittelschicht, die auf oder in der Nähe einer Oberfläche des Stromkollektors angeordnet ist, und eine elektroaktive Materialschicht, die auf oder in der Nähe einer Oberfläche der Bindemittelschicht angeordnet ist, die vom Stromkollektor abgewandt ist. Die elektroaktive Materialschicht kann eine Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material mit einer durchschnittlichen spezifischen Oberfläche von mehr als oder gleich etwa 1 m2/g bis weniger als oder gleich etwa 30 m2/g und einer durchschnittlichen Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 0,1 Mikrometern bis weniger als oder gleich etwa 10 Mikrometern umfassen.
  • In einem Aspekt kann die Bindemittelschicht mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% eines Bindemittelmaterials enthalten.
  • In einem Aspekt kann das Bindemittelmaterial aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylsäure (PAA), Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die Bindemittelschicht ferner mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% eines leitfähigen Additivs enthalten.
  • In einem Aspekt kann die Vielzahl der elektroaktiven Materialteilchen elektroaktive Materialteilchen umfassen, die durch LiMnxFe1xPO4 repräsentiert werden, wobei 0 ≤ x ≤ 1.
  • In einem Aspekt kann die elektroaktive Materialschicht außerdem mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% eines leitfähigen Additivs enthalten.
  • In einem Aspekt kann die elektroaktive Materialschicht ferner mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% eines Bindemittelmaterials enthalten.
  • In einem Aspekt kann die Bindemittelschicht eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Mikrometer bis weniger als oder gleich etwa 10 Mikrometern haben, und die elektroaktive Materialschicht kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 50 Mikrometern bis weniger als oder gleich etwa 300 Mikrometern haben.
  • In einem Aspekt kann die Bindemittelschicht eine erste Bindemittelschicht sein, die elektroaktive Materialschicht kann eine erste elektroaktive Materialschicht sein, und die Elektrodenanordnung kann ferner eine zweite Bindemittelschicht, die auf oder in der Nähe einer von der ersten Bindemittelschicht abgewandten Oberfläche der ersten elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, und eine zweite elektroaktive Materialschicht, die auf oder in der Nähe einer von der ersten elektroaktiven Materialschicht abgewandten Oberfläche der zweiten Bindemittelschicht angeordnet ist, umfassen.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Elektrode kann einen Stromkollektor, eine Bindemittelschicht, die auf oder in der Nähe einer Oberfläche des Stromkollektors angeordnet ist, und eine elektroaktive Materialschicht umfassen, die auf oder in der Nähe einer Oberfläche der Bindemittelschicht angeordnet ist, die vom Stromkollektor abgewandt ist. Die Bindemittelschicht enthält eine erste Menge eines ersten Bindemittelmaterials. Die elektroaktive Materialschicht kann eine Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material und eine zweite Menge eines zweiten Bindemittelmaterials enthalten, die geringer ist als die erste Menge. Die Vielzahl der Teilchen aus elektroaktivem Material kann eine durchschnittliche spezifische Oberfläche von mehr als oder gleich etwa 1 m2/g bis weniger als oder gleich etwa 30 m2/g und eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 0,1 Mikrometern bis weniger als oder gleich etwa 10 Mikrometern aufweisen.
  • In einem Aspekt kann die erste Menge größer als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 90 Gew.-% sein, und die zweite Menge kann größer als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 5 Gew.-% sein.
  • In einem Aspekt kann die Bindemittelschicht ferner mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% eines leitfähigen Additivs enthalten.
  • In einem Aspekt kann die Vielzahl der elektroaktiven Materialteilchen elektroaktive Materialteilchen umfassen, die durch LiMnxFe1-xPO4 repräsentiert werden, wobei 0 ≤ x ≤ 1.
  • In einem Aspekt kann die elektroaktive Materialschicht außerdem mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% eines leitfähigen Additivs enthalten.
  • In einem Aspekt kann die Bindemittelschicht eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Mikrometer bis weniger als oder gleich etwa 10 Mikrometern haben, und die elektroaktive Materialschicht kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 50 Mikrometern bis weniger als oder gleich etwa 300 Mikrometern haben.
  • In einem Aspekt kann die Bindemittelschicht eine erste Bindemittelschicht sein, die elektroaktive Materialschicht kann eine erste elektroaktive Materialschicht sein, und die Elektrodenanordnung kann ferner eine zweite Bindemittelschicht, die auf oder in der Nähe einer von der ersten Bindemittelschicht abgewandten Oberfläche der ersten elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, und eine zweite elektroaktive Materialschicht, die auf oder in der Nähe einer von der ersten elektroaktiven Materialschicht abgewandten Oberfläche der zweiten Bindemittelschicht angeordnet ist, umfassen.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Elektrode kann einen Stromkollektor und eine Elektrode mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich etwa 50 Mikrometern bis weniger als oder gleich etwa 300 Mikrometern umfassen. Die Elektrode kann eine Bindemittelschicht, die auf oder in der Nähe einer Oberfläche des Stromkollektors angeordnet ist, und eine elektroaktive Materialschicht umfassen, die auf oder in der Nähe einer vom Stromkollektor abgewandten Oberfläche der Bindemittelschicht angeordnet ist. Die elektroaktive Materialschicht kann LiMnxFe1-xPO4 umfassen, wobei 0 ≤ x ≤ 1 ist.
  • In einem Aspekt kann die Bindemittelschicht mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% eines ersten Bindemittels enthalten, und die elektroaktive Materialschicht kann mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% eines zweiten Bindemittels enthalten.
  • In einem Aspekt kann die Bindemittelschicht ferner mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% eines ersten leitfähigen Additivs enthalten, und die elektroaktive Materialschicht kann ferner mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% eines zweiten leitfähigen Additivs enthalten.
  • In einem Aspekt kann die Bindemittelschicht eine erste Bindemittelschicht sein, die elektroaktive Materialschicht kann eine erste elektroaktive Materialschicht sein, und die Elektrodenanordnung kann ferner eine zweite Bindemittelschicht, die auf oder in der Nähe einer von der ersten Bindemittelschicht abgewandten Oberfläche der ersten elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, und eine zweite elektroaktive Materialschicht, die auf oder in der Nähe einer von der ersten elektroaktiven Materialschicht abgewandten Oberfläche der zweiten Bindemittelschicht angeordnet ist, umfassen.
  • Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit Elektroden, die alternierende Schichten aus elektroaktivem Material und hochleitende Bindemittelschichten gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung aufweisen;
    • 2 zeigt eine beispielhafte Elektrode mit alternierenden Schichten aus elektroaktivem Material und hochleitenden Bindemittelschichten gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 3 zeigt eine weitere beispielhafte Elektrode mit alternierenden Schichten aus elektroaktivem Material und hochleitenden Bindemittelschichten gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und
    • 4 ist eine graphische Darstellung der Zellenleistung einer beispielhaften Zelle, die eine Elektrode mit alternierenden Schichten aus elektroaktivem Material und hochleitenden Bindemittelschichten gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält.
  • Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
  • Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.
  • Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.
  • Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „neben“ versus „direkt neben“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
  • Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
  • Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.
  • In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ bzw. „etwa“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ bzw. „etwa“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bzw. „etwa“ bedeutet sowohl, dass der angegebene Zahlenwert exakt oder genau ist, als auch, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „etwa“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
  • Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Unterbereiche.
  • Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
  • Die vorliegende Technologie bezieht sich auf elektrochemische Zellen mit Elektroden, die alternierende Schichten aus elektroaktivem Material und hochleitenden Bindemittelschichten aufweisen, sowie auf Verfahren zu deren Verwendung und Herstellung. Solche Zellen können in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z.B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Motorräder, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer) eingesetzt werden. Die vorliegende Technologie kann jedoch auch als nicht einschränkendes Beispiel in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z.B. Häuser, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Bürogeräten und Möbeln sowie in Maschinen für die Industrie, in agrarwirtschaftlichen oder landwirtschaftlichen Geräten oder in schweren Maschinen. Obwohl ferner die unten dargestellten Beispiele eine einzelne positive Elektroden-Kathode und eine einzelne Anode umfassen, ist Fachleuten klar, 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 oder neben einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet sind.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 20 ist in 1 dargestellt. Die Batterie 20 enthält eine negative Elektrode 22 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z.B. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den zwei Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 sorgt für eine elektrische Trennung - er verhindert den physischen Kontakt - zwischen den Elektroden 22, 24. Ferner bietet der Separator 26 einen Weg minimalen Widerstands für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von zugeordneten Anionen während der zyklischen Bewegung der Lithiumionen. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und/oder der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann, um ein kontinuierliches Elektrolyt-Netzwerk zu bilden. In bestimmten Variationen kann der Separator 26 aus einem Festkörperelektrolyten oder einem halbfesten Elektrolyten (z.B. einem Gelelektrolyten) gebildet sein. Zum Beispiel kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen gebildet sein. Bei Festkörperbatterien und/oder halbfesten bzw. Semi-Festkörperbatterien können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten. Die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen, die im Separator 26 enthalten sind oder diesen bilden, kann gleich oder verschieden von der Vielzahl der Festkörperelektrolytteilchen sein, die in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 enthalten sind.
  • Ein erster Stromkollektor 32 (z.B. ein negativer Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der erste Stromkollektor 32 kann zusammen mit der negativen Elektrode 22 als negative Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Der erste Stromkollektor 32 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Ein zweiter Stromkollektor 34 (z.B. ein positiver Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der zweite Stromkollektor 34 kann zusammen mit der positiven Elektrode 24 als eine positive Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Der Stromkollektor 34 der zweiten Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 können jeweils freie Elektronen sammeln und sie zu und von einem externen Stromkreis 40 bewegen. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den ersten Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Stromkollektor 34) verbinden.
  • Die Batterie 20 kann während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden), und die negative Elektrode 22 hat ein niedrigeres Potential als die positive Elektrode. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch die Oxidation des an der negativen Elektrode 22 eingelagerten Lithiums erzeugten Elektronen durch den äußeren Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zur positiven Elektrode 24 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 30 enthält, um an der positiven Elektrode 24 eingelagertes Lithium zu bilden. Wie oben erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 30 typischerweise auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das verfügbare Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 abgenommen hat.
  • Die Batterie 20 kann jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle an die Lithiumionen-Batterie 20 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Das Anschließen einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z.B. die nicht spontane Oxidation von eingelagertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 über den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z.B. eingelagertem 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 zyklisch bewegt werden. Die externe Stromquelle, die zum Laden der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige bemerkenswerte und beispielhafte externe Stromquellen sind unter anderem ein AC-DC-Wandler, der über eine Steckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs.
  • In vielen Konfigurationen der Lithiumionen-Batterie 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. von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger Dicke) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengesetzt, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlusskappen, Laschen, Batterieanschlüsse und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, u.a. zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 herum. Die in 1 dargestellte Batterie 20 enthält einen flüssigen Elektrolyten 30 und zeigt repräsentative Konzepte des Batteriebetriebs. Die vorliegende Technologie gilt jedoch auch für Festkörperbatterien und/oder halbfeste Batterien, die Festkörperelektrolyte und/oder Festkörperelektrolytteilchen und/oder halbfeste Elektrolyte und/oder elektroaktive Festkörperteilchen enthalten, die, wie Fachleuten klar ist, unterschiedlich aufgebaut sein können.
  • Die Größe und Form der Batterie 20 können je nach der speziellen Anwendung, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 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 die Batterie 20 entladen wird. Bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 kann es sich um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln. Einige spezifische Beispiele sind ein Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder Geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Speicherung von elektrischer Energie auflädt.
  • Mit erneutem Bezug auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 innerhalb ihrer Poren enthalten, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. In der Lithiumionen-Batterie 20 kann jeder geeignete Elektrolyt 30 in fester, flüssiger oder Gelform verwendet werden, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z.B. > 1 M) sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einer Mischung organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz enthält.
  • In der Batterie 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 Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrachloroaluminat (LiAlCl4), Lithiumiodid (LiI), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4), Lithiumbis(oxalat)borat (LiB(C2O4)2) (LiBOB), Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF2(C2O4)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Lithiumbis(trifluormethan)sulfonylimid (LiN(CF3SO2)2), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO2)2) (LiSFI) und Kombinationen davon.
  • Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, verschiedene Alkylcarbonate, wie z.B. zyklische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), 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), Ether mit Kettenstruktur (z.B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan und dergleichen), zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1 ,3-Dioxolan und dergleichen), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon.
  • Der poröse Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin enthält. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer aus zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Block-Copolymers oder eines statistischen Copolymers. Wenn das Polyolefin in ähnlicher Weise ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP sein. Zu den kommerziell erhältlichen Membranen für den porösen Polyolefin-Separator 26 gehören CELGARD® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind.
  • Wenn der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Laminat handeln, das entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzige Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen zur Bildung des mikroporösen Polymerseparators 26 zusammengesetzt werden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), ein Polyamid, Polyimid, Poly(amid-imid)-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können weiterhin als Faserschicht in den Separator 26 eingebracht werden, um zu helfen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
  • In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 außerdem ein keramisches Material und/oder ein hitzebeständiges Material enthalten. Beispielsweise kann der Separator 26 auch mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material vermischt werden, oder eine oder mehrere Oberflächen des Separators 26 können mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beschichtet werden. In bestimmten Variationen kann das keramische Material und/oder das hitzebeständige Material auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das keramische Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Siliciumdioxid (SiO2) und Kombinationen davon. Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Nomex, Aramid und Kombinationen daraus.
  • Verschiedene herkömmlich verfügbare Polymere und kommerzielle Produkte zur Herstellung des Separators 26 werden in Betracht gezogen, ebenso wie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können. In jedem Fall kann der Separator 26 eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Mikrometer (µm) bis weniger als oder gleich etwa 50 µm haben, und in bestimmten Fällen optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 20 µm.
  • In verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der im porösen Separator 26 befindliche Elektrolyt 30 gemäß Darstellung in 1 durch eine Festkörperelektrolyt („SSE“)-Schicht und/oder einen halbfesten Elektrolyten (z.B. Gelschicht) ersetzt werden, die sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Die Festkörperelektrolytschicht und/oder Halbfestkörperelektrolytschicht kann zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht und/oder Halbfestkörperelektrolytschicht erleichtert den Transfer von Lithiumionen, während sie die negative und positive Elektrode 22, 24 mechanisch trennt und elektrisch voneinander isoliert. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Festkörperelektrolytschicht und/oder halbfeste Elektrolytschicht eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten, wie LiTi2(PO4)3, LiGe2(PO4)3, Li7La3Zr2O12, Li3xLa2/3-xTiO3, Li3PO4, Li3N, Li4GeS4, Li10GeP2S12, Li2S-P2S5, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li6PS5I, Li3OCl, Li2,99Ba0,005ClO oder Kombinationen davon. Die halbfeste Elektrolytschicht kann einen Polymer-Wirt und einen flüssigen Elektrolyten enthalten. Der Polymerwirt kann zum Beispiel enthalten: Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethacrylnitril (PMAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Poly(vinylalkohol) (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Kombinationen davon. In bestimmten Variationen können sich der halbfeste oder Gelelektrolyt auch in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 befinden.
  • Die negative Elektrode 22 besteht aus einem Lithium-Wirtsmaterial, das in der Lage ist, als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie zu fungieren. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen gebildet 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 z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der negativen Elektrode 22 enthalten sein. In bestimmten Variationen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (mit der einen oder den mehreren Schichten) eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 0 nm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm.
  • In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 ein lithiumhaltiges negatives elektroaktives Material, wie z.B. eine Lithiumlegierung und/oder ein Lithiummetall, enthalten. In bestimmten Variationen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise durch eine Lithiummetall-Folie gebildet sein. In anderen Variationen kann die negative Elektrode 22 nur z.B. kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohle, Weichkohle und dergleichen) und/oder metallische aktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen) enthalten. In weiteren Variationen kann die negative Elektrode 22 ein elektroaktives Material auf Siliciumbasis enthalten. In weiteren Variationen kann die negative Elektrode 22 eine Kombination von negativen elektroaktiven Materialien enthalten. So kann die negative Elektrode 22 beispielsweise eine Kombination aus dem elektroaktiven Material auf Siliciumbasis (d.h. dem ersten negativen elektroaktiven Material) und einem oder mehreren anderen negativen elektroaktiven Materialien enthalten. Die ein oder mehreren anderen negativen elektroaktiven Materialien können nur beispielsweise kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohle, Weichkohle und dergleichen) und/oder metallische aktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen) umfassen. In bestimmten Variationen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise einen Verbundwerkstoff auf Kohlenstoff-Silicium-Basis enthalten, der beispielsweise etwa oder genau 10 Gew.-% eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis und etwa oder genau 90 Gew.-% Graphit enthält.
  • In bestimmten Variationen kann das negative elektroaktive Material optional mit einem elektrisch leitfähigen Material (z.B. leitfähiges Additiv), das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negative Elektrode 22 verbessert, vermischt (z.B. Schlickerguss) sein. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 enthalten: mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels.
  • Beispiele für polymere Bindemittel sind Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylsäure (PAA), Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat und/oder Lithiumalginat. Zu den elektronisch leitenden Materialien können beispielsweise Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören: Teilchen von Graphit, Acetylenruß (z.B. KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstoff-Nanofasern und -Nanoröhren (z.B. einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNT)), Graphen (z.B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitfähiger Ruß (z.B. SuperP (SP)) und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
  • Die positive Elektrode 24 ist aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet, das ausreichend Lithium-Einlagerung und -Auslagerung, -Legierung und -De-Legierung oder-Plattierung und -Abstreifung durchlaufen kann, während es als positiver Anschluss einer Lithiumionen-Batterie fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen gebildet sein. Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet werden, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 24 beispielsweise eine oder mehrere alternierende Schichten aus einem positiven elektroaktiven Material (die elektroaktive Materialschichten 60, 60A, 60B bilden) und einem hochleitfähigen Bindemittelmaterial (die hochleitfähige Bindemittelschichten 62, 62A, 62B bilden) enthalten. Wie in 2 dargestellt, kann die positive Elektrode 24 beispielsweise eine positive elektroaktive Materialschicht 60 und eine hochleitende Bindemittelschicht 62 umfassen, die zwischen der positiven elektroaktiven Materialschicht 60 und dem Stromkollektor der positiven Elektrode 34 angeordnet ist. In anderen Variationen kann, wie in 3 dargestellt, die positive Elektrode 24 eine erste Bindemittelschicht 62A, die zwischen dem Stromkollektor 34 der positiven Elektrode und einer ersten positiven elektroaktiven Materialschicht 60A angeordnet ist, und eine zweite Bindemittelschicht 62B, die zwischen der ersten positiven elektroaktiven Materialschicht 60A und einer zweiten positiven elektroaktiven Materialschicht 60B angeordnet ist, umfassen.
  • Obwohl nur zwei Beispiele dargestellt sind, sollte klar sein, dass die positive Elektrode 24 in anderen Variationen weniger oder mehr positive elektroaktive Materialschichten 60, 60A, 60B und/oder hochleitende Bindemittelschichten 62, 62A, 62B enthalten kann. Die Gesamtzahl der positiven elektroaktiven Materialschichten 60, 60A, 60B kann gleich oder verschieden von der Gesamtzahl der hochleitenden Bindemittelschichten 62, 62A, 62B sein. In jedem Fall ist jedoch eine hochleitende Bindemittelschicht 62, 62A, 62B neben dem Stromkollektor 34 der positiven Elektrode angeordnet.
  • Die hochleitenden Bindemittelschichten 62, 62A, 62B enthalten jeweils ein Bindemittel, wie es auch in der negativen Elektrode 22 enthalten sein kann. Beispielsweise können die hochleitfähigen Bindemittelschichten 62, 62A, 62B ein Bindemittelmaterial enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylsäure (PAA), Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat und Kombinationen davon. Die Bindemittelmaterialien, aus denen die hochleitenden Bindemittelschichten 62, 62A, 62B bestehen, können mit den Bindemittelmaterialien, die optional in der negativen Elektrode 22 enthalten sind, identisch sein oder sich von ihnen unterscheiden. Außerdem kann das (erste) Bindemittel der ersten hochleitfähigen Bindemittelschicht 62A gleich oder verschieden von dem (zweiten) Bindemittelmaterial der zweiten hochleitfähigen Bindemittelschicht 62B sein. In jedem Fall sind die hochleitenden Bindemittelschichten 62, 62A, 62B frei von einem elektroaktiven Material.
  • In bestimmten Variationen kann das Bindemittelmaterial der einen oder mehreren hochleitfähigen Bindemittelschichten 62, 62A, 62B optional mit einem (ersten) leitfähigen Additiv vermischt (z.B. aufgeschlämmt) werden. Beispielsweise können die hochleitfähigen Bindemittelschichten 62, 62A, 62B mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des Bindemittelmaterials enthalten; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% des leitfähigen Additivs. Das leitfähige Additiv kann aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs), Graphen, mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs), hochgraphitierten Kohlenstofffasern und/oder anderen hochleitfähigen Füllstoffen auf Nanokohlenstoffbasis ausgewählt werden. Das (erste) leitfähige Additiv der ersten hochleitfähigen Bindemittelschicht 62A kann gleich oder verschieden von der zweiten hochleitfähigen Bindemittelschicht 62B sein.
  • Jede der positiven elektroaktiven Materialschichten 60, 60A, 60B enthält eine Vielzahl positiver elektroaktiver Materialteilchen mit hoher spezifischer Oberfläche und kleinen Teilchengrößen. Die Teilchen aus positivem elektroaktivem Material können eine durchschnittliche spezifische Oberfläche von mehr als oder gleich etwa 1 m2/g bis weniger als oder gleich etwa 30 m2/g aufweisen, optional größer als oder gleich etwa 2 m2/g bis kleiner als oder gleich etwa 30 m2/g, optional größer als oder gleich etwa 3 m2/g bis kleiner als oder gleich etwa 30 m2/g, optional größer als oder gleich etwa 4 m2/g bis kleiner als oder gleich etwa 30 m2/g, größer als oder gleich etwa 5 m2/g bis kleiner als oder gleich etwa 30 m2/g und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich etwa 10 m2/g bis kleiner als oder gleich etwa 20 m2/g; und eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 5 µm. In bestimmten Variationen können die positiven elektroaktiven Materialteilchen beispielsweise Lithium-Mangan-Eisenphosphate (LiMnxFe1-xPO4, wobei 0 ≤ x ≤ 1) (LMFP) enthalten, wie z.B. LiMn0,7Fe0,3PO4, LiMn0,6Fe0,4PO4, LiMn0,8Fe0,2PO4, und/oder LiMn0,75Fe0,25PO4.
  • In anderen Variationen können eine oder mehrere der positiven elektroaktiven Materialschichten 60, 60A, 60B Verbundschichten sein. Beispielsweise kann eine der positiven elektroaktiven Materialschichten 60, 60A, 60B eine erste Vielzahl positiver elektroaktiver Materialteilchen und eine zweite Vielzahl positiver elektroaktiver Materialteilchen enthalten. Die erste Vielzahl positiver elektroaktiver Materialteilchen kann Teilchen mit hoher spezifischer Oberfläche und kleinen Teilchengrößen umfassen, wie Lithium-Mangan-Eisenphosphate (LiMnxFe1-xPO4, wobei 0 ≤ x ≤ 1) (LMFP); und die zweite Vielzahl positiver elektroaktiver Materialteilchen kann z.B. enthalten: ein geschichtetes Oxid, repräsentiert durch LiMeO2, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (AI), Vanadium (V) oder Kombinationen davon; ein Oxid vom Olivin-Typ, repräsentiert durch LiMePO4, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (AI), Vanadium (V) oder Kombinationen davon; ein Oxid des monoklinen Typs, repräsentiert durch Li3Me2(PO4)3, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (AI), Vanadium (V) oder Kombinationen davon; ein Oxid vom Spinell-Typ, repräsentiert durch LiMe2O4, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (AI), Vanadium (V) oder Kombinationen davon; und/oder einen Tavorit, der durch LiMeSO4F und/oder Li-MePO4F repräsentiert wird, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (AI), Vanadium (V) oder Kombinationen davon.
  • In bestimmten Variationen kann das positive elektroaktive Material einer oder mehrerer der positiven elektroaktiven Materialschichten 60, 60A, 60B optional mit einem elektronisch leitfähigen Material, das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der positiven elektroaktiven Materialschicht 60, 60A, 60B verbessert, vermischt (z.B. im Schlickerguss) werden. Zum Beispiel enthalten die positiven elektroaktiven Materialschichten 60, 60A, 60B mehr als oder gleich etwa 90 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 97 Gew.-% positives elektroaktives Material; mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% des Bindemittelmaterials; und mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% des leitfähigen Materials. Das Bindemittelmaterial und/oder das leitfähige Material, das in den positiven elektroaktiven Materialschichten 60, 60A, 60B angeordnet ist, kann das gleiche oder ein anderes sein als das Bindemittelmaterial und/oder das leitfähige Material, das in den hochleitfähigen Bindemittelschichten 62, 62A, 62B angeordnet ist. In jedem Fall weisen die hochleitenden Bindemittelschichten 62, 62A, 62B jedoch erste Mengen an Bindemittelmaterial auf, die größer sind als zweite Mengen an Bindemittelmaterial, wie sie in den positiven elektroaktiven Materialschichten 60, 60A, 60B enthalten sind.
  • Die hochleitfähigen Bindemittelschichten 62, 62A, 62B können durchschnittliche Dicken von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 5 µm aufweisen; die positiven elektroaktiven Materialschichten 60, 60A, 60B können durchschnittliche Dicken von mehr als oder gleich etwa 50 µm bis weniger als oder gleich etwa 300 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 150 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm aufweisen; und die positive Elektrode 24 kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 50 µm bis weniger als oder gleich etwa 300 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 150 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm aufweisen. Wie im Fall der negativen Elektrode 22 kann der Elektrolyt 30 in die positive Elektrode 24 eingebracht werden, beispielsweise nach dem Zusammenbau der Zelle, und in den Poren der positiven Elektrode 24 enthalten sein. In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 24 (mit der einen oder mehreren hochleitenden Bindemittelschichten 62, 62A, 62B und der einen oder mehreren positiven elektroaktiven Materialschichten 60, 60A, 60B) eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Bildung einer positiven Elektrode, wie die in 1-3 dargestellte positive Elektrode 24, bereit, die eine oder mehrere hochleitende Bindemittelschichten und eine oder mehrere positive elektroaktive Materialschichten enthält. In bestimmten Variationen können die eine oder mehrere hochleitende Bindemittelschicht(en) und die eine oder mehrere positive elektroaktive Materialschicht(en) gleichzeitig auf oder in der Nähe einer Oberfläche eines Stromkollektors aufgebracht werden. In anderen Variationen kann die positive Elektrode unter Verwendung eines konsekutiven Ansatzes hergestellt werden, bei dem eine erste hochleitende Bindemittelschicht auf oder in der Nähe einer Oberfläche des Stromkollektors angeordnet wird, eine erste positive elektroaktive Materialschicht auf oder in der Nähe einer freiliegenden Oberfläche der ersten hochleitenden Bindemittelschicht angeordnet wird und der Prozess fortgesetzt wird, bis eine positive Elektrode mit der gewünschten Schichtstruktur gebildet ist (zum Beispiel kann eine zweite hochleitende Bindemittelschicht auf oder in der Nähe einer freiliegenden Oberfläche der ersten positiven elektroaktiven Materialschicht angeordnet werden, und eine zweite positive elektroaktive Materialschicht kann auf oder in der Nähe einer freiliegenden Oberfläche der zweiten hochleitenden Schicht angeordnet werden). In bestimmten Variationen können die hochleitenden Bindemittelschichten und/oder die positiven elektroaktiven Materialschichten mit Hilfe üblicher industrieller Beschichtungsverfahren aufgebracht werden, wie z.B. der Schlitzdüsenbeschichtung und/oder der Reverse-Comma-Beschichtung.
  • In bestimmten Variationen können Aufschlämmungen hergestellt, aufgebracht und getrocknet werden, um die jeweiligen hochleitfähigen Bindemittelschichten und/oder die positiven elektroaktiven Materialschichten zu bilden. Bei bestimmten Variationen kann beispielsweise eine Vorläuferaufschlämmung für die hochleitfähigen Bindemittelschichten hergestellt werden. Beispielhafte Aufschlämmungen können mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% eines Bindemittelmaterials enthalten; mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% eines leitfähigen Additivs; und mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 90 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% eines Lösungsmittels. Das Lösungsmittel kann umfassen: N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylformamid (DMF); Dimethylsulfoxid (DMSO), Cyren, Dihydrolevoglucosenon und Kombinationen und dergleichen. In bestimmten Variationen können die hochleitfähigen Bindemittelschichten 62, 62A, 62B beispielsweise etwa 0,4 Gew.-% einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, etwa 2 Gew.-% Polyvinylidenfluorid (PVdF) und etwa 97,6 Gew.-% N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) enthalten.
  • Bestimmte Merkmale der aktuellen Technologie werden in den folgenden nicht einschränkenden Beispielen näher erläutert.
  • Beispiel 1
  • Beispielhafte Batterien und Batteriezellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Eine beispielhafte Zelle 410 kann eine positive Elektrode mit einer positiven elektroaktiven Materialschicht, die in der Nähe oder auf einem Stromkollektor der positiven Elektrode angeordnet ist, und eine hochleitende Bindemittelschicht, die zwischen dem Stromkollektor der positiven Elektrode und der positiven elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, umfassen, wie beispielsweise in 2 dargestellt. Die hochleitfähige Bindemittelschicht kann beispielsweise etwa 85 Gew.-% oder mehr eines ersten (Bindemittel-)Materials (z.B. Polyvinylidenfluorid (PVdF)) und etwa 15 Gew.-% eines (ersten) leitfähigen Additivs (z.B. einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren) enthalten. Die positive elektroaktive Materialschicht kann etwa 97 Gew.-% eines oder mehrerer Lithium-Mangan-Eisenphosphate (LiMnxFe1-xPO4, wobei 0 ≤ x ≤ 1) (LMFP), etwa 1,5 Gew.-% eines (zweiten) Bindemittelmaterials (z.B. Polyvinylidenfluorid (PVdF)) und etwa 1,5 Gew.-% eines (zweiten) leitfähigen Additivs (z.B. SuperP) enthalten. Eine Vergleichszelle 420 kann eine positive elektroaktive Materialschicht mit etwa 92 Gew.-% eines oder mehrerer Lithium-Mangan-Eisenphosphate (LiMnxFe1-xPO4, wobei 0 ≤ x ≤ 1) (LMFP), etwa 5 Gew.-% eines (dritten) Bindemittelmaterials (z.B. Polyvinylidenfluorid (PVdF)) und etwa 3 Gew.-% eines (dritten) leitfähigen Additivs (z.B. SuperP) enthalten. Die Vergleichszelle 420 enthält keine hochleitende Bindemittelschicht. Die beispielhafte Zelle 410 und die Vergleichszelle 420 können beide eine positive Elektrodenbeladung von etwa 5 mAh/cm2 aufweisen.
  • 4 ist eine graphische Darstellung der Entladeleistung der Zelle bei verschiedenen Strömen der beispielhaften Zelle 410 im Vergleich zur Vergleichszelle 420, wobei die x-Achse 400 die Zyklenzahl und die y-Achse 402 die normierte Kapazität (%) repräsentiert. Wie dargestellt, weist die beispielhafte Zelle 410 eine verbesserte Zellenentladeleistung auf. Beispielsweise behält bei 2C die beispielhafte Zelle mit der hochleitenden Bindemittelschicht etwa 80 % der Kapazität bei C/20, während die Vergleichszelle 420 ohne hochleitende Bindemittelschicht weniger als etwa 10 % der Kapazität bei C/20 behält.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.

Claims (10)

  1. Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei die Elektrode umfasst: einen Stromkollektor; eine Bindemittelschicht, die auf oder in der Nähe einer Oberfläche des Stromkollektors angeordnet ist; und eine elektroaktive Materialschicht, die auf oder in der Nähe einer Oberfläche der Bindemittelschicht angeordnet ist, die von dem Stromkollektor abgewandt ist, wobei die elektroaktive Materialschicht eine Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material mit einer durchschnittlichen spezifischen Oberfläche von größer als oder gleich etwa 1 m2/g bis kleiner als oder gleich etwa 30 m2/g und einer durchschnittlichen Teilchengröße von größer als oder gleich etwa 0,1 Mikrometern bis kleiner als oder gleich etwa 10 Mikrometern umfasst.
  2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Bindemittelschicht mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% eines Bindemittelmaterials umfasst.
  3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 2, wobei das Bindemittelmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylsäure (PAA), Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat und Kombinationen davon.
  4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Bindemittelschicht ferner mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% eines leitfähigen Additivs umfasst.
  5. Elektrodenanordnung nach Anspruch 4, wobei das leitfähige Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs), Graphen, mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs), hochgraphitierten Kohlenstofffasern, Ruß und Kombinationen davon.
  6. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der elektroaktiven Materialteilchen elektroaktive Materialteilchen umfasst, die durch LiMnxFe1xPO4 repräsentiert werden, wobei 0 ≤ x ≤ 1.
  7. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die elektroaktive Materialschicht ferner mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% eines leitfähigen Additivs umfasst.
  8. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die elektroaktive Materialschicht ferner mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% eines Bindemittelmaterials umfasst.
  9. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Bindemittelschicht eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Mikrometer bis weniger als oder gleich etwa 10 Mikrometern aufweist und die elektroaktive Materialschicht eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 50 Mikrometern bis weniger als oder gleich etwa 300 Mikrometern aufweist.
  10. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Bindemittelschicht eine erste Bindemittelschicht ist, die elektroaktive Materialschicht eine erste elektroaktive Materialschicht ist und die Elektrodenanordnung ferner umfasst: eine zweite Bindemittelschicht, die auf oder in der Nähe einer Oberfläche der ersten elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, die von der ersten Bindemittelschicht abgewandt ist; und eine zweite elektroaktive Materialschicht, die auf oder in der Nähe einer Oberfläche der zweiten Bindemittelschicht angeordnet ist, die von der ersten elektroaktiven Materialschicht abgewandt ist.
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