DE102022128085A1 - Elektrolyt-additiv für nickelreiche kathoden und siliciumhaltige anoden - Google Patents

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Abstract

Eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wird bereitgestellt. Die elektrochemische Zelle enthält eine poröse positive Elektrode, die ein positives elektroaktives Material enthält, das repräsentiert ist durch: LiM1xM2yM3zM4(1-x-y-z)O2, wobei M1, M2, M3und M4Übergangsmetalle sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Cobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, 0 ≤ x ≤1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1. Die elektrochemische Zelle umfasst auch eine poröse negative Elektrode, die physisch von der positiven Elektrode getrennt ist, und einen Elektrolyten, der in den Poren der positiven und der negativen Elektrode angeordnet ist. Der Elektrolyt kann ein Lithiumsalz, ein Elektrolyt-Additiv mit einer oder mehreren Alkenamid-Gruppen und ein Lösungsmittel enthalten. Die negative Elektrode kann ein negatives elektroaktives Material auf Siliciumbasis enthalten. Das Elektrolyt-Additiv kann ausgewählt sein aus der Gruppe, die besteht aus: Dimethylacrylamid (DMAA), N,N-Dimethylformamid (DMF), 2,2,2-Trifluor-N,N-dimethylacetamid (FDMA), Dimethylacetamid (DMA) und Kombinationen davon.

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 umfassen positive Elektroden beispielsweise nickelreiche elektroaktive Materialien (z.B. mehr als oder gleich etwa 0,6 Molanteile auf dem Übergangsmetallgitter), wie NMC (LiNi1-x-yCoxMnyO2) (mit 0,01 ≤ x ≤ 0,33, 0,01 ≤ y ≤ 0,33) oder NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) (mit 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) bieten und gleichzeitig eine zusätzliche Lithiumextraktion ermöglichen, ohne die strukturelle Integrität der positiven Elektrode zu beinträchtigen. Die negative Elektrode enthält typischerweise ein Lithium-Einlagematerial oder ein Legierungs-Wirtsmaterial. Typische elektroaktive Materialien zur Bildung einer Anode sind z.B. Graphit und andere Formen von Kohlenstoff, Silicium und Siliciumoxid, Zinn und Zinnlegierungen. Bestimmte Anodenmaterialien haben besondere Vorteile. Während Graphit mit einer theoretischen spezifischen Kapazität von 372 mAh·g-1 in Lithiumionen-Batterien am weitesten verbreitet ist, sind Anodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität, zum Beispiel mit hohen spezifischen Kapazitäten im Bereich von etwa 900 mAh·g-1 bis etwa 4.200 mAh·g-1, von wachsendem Interesse. Zum Beispiel hat Silicium die höchste bekannte theoretische Kapazität für Lithium (z.B. etwa 4.200 mAh·g-1), was es zu einem attraktiven Material für wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien macht. Solche Materialien sind jedoch oft enormen Volumenausdehnungen während der Lithiierung und De-Lithiierung unterworfen, was zur Pulverisierung der Teilchen, zum Verlust des elektrischen Kontakts und zur Bildung einer instabilen Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) führen kann, wodurch die Elektrode zusammenbricht und die Kapazität nachlässt. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte Materialien 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 ein Elektrolyt-Additiv für elektrochemische Zellen, die Lithiumionen zyklisch bewegen, sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine positive Elektrode für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die positive Elektrode kann ein positives elektroaktives Material enthalten, das durch LiM1 xM2 yM3 zM4(1-x-y-z)O2 repräsentiert ist, wobei M1, M2, M3und M4 Übergangsmetalle sind, die unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Cobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, 0 ≤ x ≤1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1. Die positive Elektrode kann auch einen Elektrolyten enthalten, der ein Lithiumsalz, ein Elektrolyt-Additiv mit einer oder mehreren Alkenamid-Gruppen und ein Lösungsmittel enthält.
  • In einem Aspekt kann das Elektrolyt-Additiv Dimethylacrylamid (DMAA) enthalten.
  • In einem Aspekt kann das Elektrolyt-Additiv aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Dimethylacrylamid (DMAA), N,N-Dimethylformamid (DMF), 2,2,2-Trifluor-N,N-dimethylacetamid (FDMA), Dimethylacetamid (DMA) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann der Elektrolyt mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% des Elektrolyt-Additivs enthalten.
  • In einem Aspekt kann der Elektrolyt außerdem mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) enthalten.
  • In einem Aspekt kann der Elektrolyt außerdem mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine negative Elektrode für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die negative Elektrode kann ein negatives elektroaktives Material auf Siliciumbasis und einen Elektrolyten umfassen, der ein Lithiumsalz, ein Elektrolyt-Additiv mit einer oder mehreren Alkenamid-Gruppen und ein Lösungsmittel enthält.
  • In einem Aspekt enthält das Elektrolyt-Additiv Dimethylacrylamid (DMAA).
  • In einem Aspekt kann das Elektrolyt-Additiv aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Dimethylacrylamid (DMAA), N,N-Dimethylformamid (DMF), 2,2,2-Trifluor-N,N-dimethylacetamid (FDMA), Dimethylacetamid (DMA) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann der Elektrolyt mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% des Elektrolyt-Additivs enthalten.
  • In einem Aspekt kann der Elektrolyt außerdem mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) enthalten.
  • In einem Aspekt kann der Elektrolyt außerdem mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die elektrochemische Zelle kann eine poröse positive Elektrode umfassen, die ein positives elektroaktives Material enthält, das repräsentiert ist durch: LiM1 xM2 y M3 zM4(1-x-y-z)O2, wobei M1, M2, M3 und M4 Übergangsmetalle sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Cobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, 0 ≤ x ≤1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1. Die elektrochemische Zelle kann auch eine poröse negative Elektrode umfassen, die physisch bzw. räumlich von der positiven Elektrode getrennt ist, sowie einen Elektrolyten, der in den Poren der positiven und der negativen Elektrode angeordnet ist. Der Elektrolyt kann ein Lithiumsalz, ein Elektrolyt-Additiv mit einer oder mehreren Alkenamid-Gruppen und ein Lösungsmittel enthalten.
  • In einem Aspekt kann das positive elektroaktive Material ein erstes positives elektroaktives Material bilden, und die positive Elektrode kann außerdem ein zweites positives elektroaktives Material enthalten, das sich von dem ersten positiven elektroaktiven Material unterscheidet. Das Verhältnis zwischen dem ersten positiven elektroaktiven Material und dem zweiten positiven elektroaktiven Material in der positiven Elektrode kann größer als oder gleich etwa 1:9 bis kleiner als oder gleich etwa 9:1 sein.
  • In einem Aspekt kann die negative Elektrode ein negatives elektroaktives Material auf Siliciumbasis enthalten.
  • In einem Aspekt kann das Elektrolyt-Additiv Dimethylacrylamid (DMAA) enthalten.
  • In einem Aspekt kann das Elektrolyt-Additiv aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Dimethylacrylamid (DMAA), N,N-Dimethylformamid (DMF), 2,2,2-Trifluor-N,N-dimethylacetamid (FDMA), Dimethylacetamid (DMA) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann der Elektrolyt mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% des Elektrolyt-Additivs enthalten.
  • In einem Aspekt kann der Elektrolyt außerdem mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) enthalten.
  • In einem Aspekt kann der Elektrolyt außerdem mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) enthalten.
  • 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 einem Elektrolyt-Additiv gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 2A ist eine graphische Darstellung, die die Entladekapazität im Vergleich zur Zyklusleistung von beispielhaften Zellen mit Elektrolyt-Additiven gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 2B ist eine graphische Darstellung, die die Kapazitätserhaltung der beispielhaften Zellen mit den Elektrolyt-Additiven gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 2C ist eine graphische Darstellung der elektrochemischen Impedanz der beispielhaften Zellen, die die Elektrolyt-Additive gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthalten;
    • 3A ist eine graphische Darstellung, die die Entladekapazität im Verhältnis zur Zyklusleistung einer beispielhaften Zelle mit einem Elektrolyt-Additiv gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
    • 3B ist eine graphische Darstellung, die die Kapazitätserhaltung der beispielhaften Zelle mit dem Elektrolyt-Additiv gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • 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, die geschichtete Anodenmaterialien enthalten, 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 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Ein zweiter Stromkollektor 34 (z.B. ein positiver Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der Stromkollektor 34 der zweiten Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder - schirm oder Streckmetall aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 können jeweils freie Elektronen sammeln und sie zu und von einem externen Stromkreis 40 bewegen. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den ersten Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Stromkollektor 34) verbinden.
  • Die 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 jeder Variation enthält der Elektrolyt 30 jedoch ein Elektrolyt-Additiv, das zur Bildung einer stabilen Elektroden-Elektrolyt-Interphase beiträgt, beispielsweise durch Bildung einer kompakten und im Wesentlichen gleichmäßigen Festelektrolyt-Interphasen (solid electrolyte interphase bzw. SEI)-Schicht, die isolierend für tunnelnde Elektronen und leitend für Lithiumionen ist, auf einer oder mehreren Oberflächen der negativen Elektrode 22 und/oder durch Bildung einer Kathoden-Elektrolyt-Interphasen (cathode electrolyte interphase bzw. CEI)-Schicht auf einer oder mehreren Oberflächen der positiven Elektrode 24, die dazu beiträgt, die Auflösung von Nickel (Ni) und Mangan (Mn), die häufig bei hohen Spannungen auftritt, zu verringern. Der Elektrolyt 30 kann mehr als 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als 0,75 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 1,5 Gew.-% des Elektrolyt-Additivs enthalten. Das Elektrolyt-Additiv kann enthalten: Dimethylacrylamid (DMAA) oder andere Verbindungen mit Alkenamid-Gruppen, wie N,N-Dimethylformamid (DMF), 2,2,2-Trifluor-N,N-dimethylacetamid (FDMA) und/oder Dimethylacetamid (DMA). In bestimmten Variationen kann der Elektrolyt 30 ein erstes Elektrolyt-Additiv und ein zweites Elektrolyt-Additiv enthalten. Das erste Elektrolyt-Additiv kann enthalten: Dimethylacrylamid (DMAA) oder andere Verbindungen mit Alkenamid-Gruppen, wie z.B. N,N-Dimethylformamid (DMF), 2,2,2-Trifluor-N,N-dimethylacetamid (FDMA) und/oder Dimethylacetamid (DMA). Das zweite Elektrolyt-Additiv kann Fluorethylencarbonat (FEC) und/oder Vinylencarbonat (VC) enthalten.
  • In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z.B. > 1 M) sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch 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.
  • In verschiedenen Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine Mischung von Lösungsmitteln enthalten. Der Elektrolyt 30 kann ein erstes Lösungsmittel, ein zweites Lösungsmittel und ein drittes Lösungsmittel enthalten. Zum Beispiel kann der Elektrolyt 30 mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 33 Gew.-% eines ersten Lösungsmittels enthalten; mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 33 Gew.-% eines zweiten Lösungsmittels; und mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 33 Gew.-% eines dritten Lösungsmittels. In bestimmten Variationen können die Lösungsmittel unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) 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 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 einen Festkörperelektrolyten („SSE“) und/oder einen halbfesten Elektrolyten (z.B. Gel) ersetzt werden, der sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Der Festkörperelektrolyt und/oder der halbfeste Elektrolyt kann zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der Festkörperelektrolyt und/oder Halbfestkörperelektrolyt erleichtern den Transfer von Lithiumionen, während sie die negative und positive Elektrode 22, 24 mechanisch trennen und elektrisch voneinander isolieren. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Festkörperelektrolyt und/oder halbfeste Elektrolyt eine Vielzahl von Füllstoffen enthalten, wie LiTi2(PO4)3, LiGe2(PO4)3, Li7La3Zr2O12, Li3xLa2/3-xTiO3, Li3PO4, Li3N, Li4GeS4, Li10GeP2S12, Li2S-P2S5, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li6PS5l, Li3OCl, Li2,99Ba0,005ClO oder Kombinationen davon. Der halbfeste Elektrolyt 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 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. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der positiven Elektrode 24 enthalten sein. In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 24 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm.
  • In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 eine nickelreiche Kathode sein, die ein positives elektroaktives Material enthält, das repräsentiert wird durch: LiM1 xM2 yM3 zM4(1-x-y-z)O2, wobei M1, M2, M3 und M4 Übergangsmetalle sind (zum Beispiel unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Cobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon), 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ z ≤ 1. Die positive Elektrode 24 kann beispielsweise 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) enthalten. Die positive Elektrode 24 kann NCM 111, NCM 532, NCM 622, NCM 712, NCM 811, NCMA, NCA, LNMO und Kombinationen davon enthalten.
  • In anderen Variationen kann die positive Elektrode 24 enthalten: ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien mit einer Spinellstruktur (wie Lithium-Manganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO) und/oder Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn(2-x)NixO4, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5) (LNMO) (z.B. LiMn1,5Ni0,5O4)), ein oder mehrere Materialien mit einer Schichtstruktur, (wie z.B. Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2) (LCO)); und/oder ein Lithium-Eisen-Polyanionoxid mit Olivinstruktur (wie Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) (LFP), Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LiMn2-xFexPO4, wobei 0 < x < 0,3) (LMFP) und/oder Lithium-Eisen-Fluorophosphat (Li2FePO4F)).
  • In noch anderen Variationen kann die positive Elektrode 24 eine Verbundelektrode sein, die zwei oder mehr positive elektroaktive Materialien enthält. Die positive Elektrode 24 kann zum Beispiel ein erstes positives elektroaktives Material und ein zweites positives elektroaktives Material enthalten. In bestimmten Variationen kann das Verhältnis zwischen dem ersten positiven elektroaktiven Material und dem zweiten positiven elektroaktiven Material größer als oder gleich etwa 1:9 bis kleiner als oder gleich etwa 9:1 sein. Das erste positive elektroaktive Material kann das nickelreiche positive elektroaktive Material enthalten. Das zweite positive elektroaktive Material 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 (Al), 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 (Al), 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 (Al), 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 (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon; und/oder einen Tavorit, der durch LiMeSO4F und/oder LiMePO4F repräsentiert wird, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon.
  • In jeder Variation kann das positive elektroaktive Material optional mit einem elektrisch leitfähigen Material, das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der positiven Elektrode 24 verbessert, vermischt (z.B. Schlickerguss) sein. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 enthalten: mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 97 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels.
  • Beispiele für polymere Bindemittel sind Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polytetrafluorethylen (PTFE)-Copolymere, Polyacrylsäure (PAA), Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat und/oder Lithiumalginat. Zu den elektronisch leitenden Materialien können beispielsweise Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien gehören beispielsweise Graphitteilchen, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstoffnanofasern und -nanoröhren (z.B. einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT)), Graphen (z.B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitfähiger Ruß (z.B. SuperP (SP)) und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
  • Die negative Elektrode 22 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 (einschließlich der einen oder mehreren Schichten) eine 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 umfasst die negative Elektrode 22 ein elektroaktives Material auf Siliciumbasis, z.B. Lithium-Silicium, siliciumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinnhaltige Legierungen (wie Si, Li-Si, SiOx(mit 0 ≤ x ≤ 2), lithiumdotiertes SiOx(mit 0 ≤ x ≤ 2), Si-Sn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, SnO2 und dergleichen. In anderen Variationen enthält die negative Elektrode 22 ein oder mehrere andere volumenvergrößernde Materialien (z.B. Aluminium, Germanium, Zinn). In noch anderen Variationen kann die negative Elektrode 22 eine Verbundelektrode sein, die zwei oder mehr negative elektroaktive Materialien enthält. Die negative Elektrode 22 kann zum Beispiel ein erstes negatives elektroaktives Material und ein zweites negatives elektroaktives Material enthalten. In bestimmten Variationen kann das Verhältnis zwischen dem ersten negativen elektroaktiven Material und dem zweiten negativen elektroaktiven Material größer als oder gleich etwa 5:95 bis kleiner als oder gleich etwa 95:5 sein. Das erste negative elektroaktive Material kann ein volumenvergrößerndes Material sein, z.B. Silicium, Aluminium, Germanium und/oder Zinn. Das zweite negative elektroaktive Material kann ein kohlenstoffhaltiges Material (z.B. Graphit, Hartkohlenstoff und/oder Weichkohlenstoff) enthalten. In bestimmten Variationen kann das negative elektroaktive Material z.B. einen kohlenstoffhaltigen Verbundstoff auf Siliciumbasis enthalten, der z.B. etwa 10 Gew.-% SiOx(wobei 0 ≤ x ≤ 2) und etwa 90 Gew.-% Graphit enthält. In weiteren Variationen kann das negative elektroaktive Material ein mit Kohlenstoff beschichtetes Silicium enthalten. In jeder Variation kann das negative elektroaktive Material, wie Fachleuten klar ist, vorlithiiert sein.
  • In bestimmten Variationen kann das negative elektroaktive Material optional mit einem elektrisch leitfähigen Material, das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt (z.B. Schlickerguss) sein. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 enthalten: mehr als oder gleich etwa 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. Das in der negativen Elektrode 22 enthaltene elektronisch leitende Material und/oder das polymere Bindemittel kann mit dem in der positiven Elektrode 24 enthaltenen elektronisch leitenden Material und/oder dem polymeren Bindemittel identisch oder davon verschieden sein.
  • 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 erste beispielhafte Zelle 310 kann beispielsweise einen ersten beispielhaften Elektrolyten enthalten, der 1 Gew.-% Dimethylacrylamid (DMAA) enthält, das beispielsweise mit 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch angeordnet ist, das beispielsweise enthält: 3 Ethylencarbonat (EC):7 Dimethylcarbonat (DMC). Eine zweite beispielhafte Zelle 320 kann einen zweiten beispielhaften Elektrolyten enthalten, der 1 Gew.-% Dimethylacrylamid (DMAA), 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) und 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) enthält, die beispielsweise mit 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch angeordnet sind, das beispielsweise enthält: 3 Ethylencarbonat (EC):7 Dimethylcarbonat (DMC). Eine erste Vergleichszelle 330 kann einen ersten Vergleichselektrolyten enthalten, der 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) und 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) enthält, die beispielsweise mit 1 M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch angeordnet sind, das beispielsweise enthält: 3 Ethylencarbonat (EC):7 Dimethylcarbonat (DMC). Eine zweite Vergleichszelle 340 kann 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch enthalten, das z.B. enthält: 3 Ethylencarbonat (EC):7 Dimethylcarbonat (DMC). In der folgenden Tabelle werden die beispielhaften Elektrolyte verglichen.
    Zelle Elektrolyt
    Additiv Salz Lösungsmittel
    310 1 Gew.-% DMAA 1 M LiPF6 EM:DMC (3:7)
    EM:DMC (3:7)
    320 1 Gew.-% DMAA 1 M LiPF6 1 Gew.-% VC
    2 Gew.-% FEC
    EM:DMC (3:7)
    330 - 1 M LiPF6 1 Gew.-% VC
    2 Gew.-% FEC
    340 - 1 M LiPF6 EM:DMC (3:7)
  • Jede der Zellen 310, 320, 330, 340 kann eine Anode mit einem negativen elektroaktiven Material enthalten, das Siliciumoxid (SiOx, wobei 1 ≤ x ≤ 2) und Graphit umfasst, und eine Kathode mit einem positiven elektroaktiven Material, das NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) umfasst (wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,08). Die Anode kann z.B. auch ein erstes polymeres Bindemittel (z.B. Carboxymethylcellulose (CMC) und/oder Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)) und ein erstes leitfähiges Additiv (z.B. SuperP) enthalten. Die Kathode kann beispielsweise auch ein zweites polymeres Bindemittel (z.B. Polyvinylidenfluorid (PVdF)) und ein zweites leitfähiges Additiv (z.B. SuperP, Graphenplättchen (GNP) und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT)) enthalten. Die Kathode kann eine Kapazität von etwa 5,0 mAh/cm2 aufweisen.
  • 2A ist eine graphische Darstellung der Zellenkapazität versus Zyklusleistung der beispielhaften Batteriezellen 310, 320 im Vergleich zu den Vergleichszellen 330, 340, wobei die x-Achse 300 die Zyklenzahl und die y-Achse 302 die Kapazität (mAh) repräsentiert. Wie dargestellt, haben die beispielhaften Zellen 310, 320 eine ähnliche Kapazitätsleistung während des Zyklusbetriebs.
  • 2B ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung der beispielhaften Batteriezellen 310, 320 im Vergleich zu den Vergleichsbatteriezelle 330, 340, wobei die x-Achse 350 die Zyklenzahl und die y-Achse 352 die Kapazitätserhaltung (%) repräsentiert. Wie dargestellt, haben die beispielhaften Zellen 310, 320 eine verbesserte Kapazitätserhaltung während des Zyklusbetriebs.
  • 2C ist eine graphische Darstellung der elektrochemischen Impedanz (z.B. nach drei Formationszyklen (C/20) bei 4,2 V) der beispielhaften Zellen 310, 320 im Vergleich zur Vergleichszelle 340, wobei die x-Achse 360 Z' (Ohm) und die y-Achse 362 Z'' (Ohm) repräsentiert. Wie dargestellt, verringert die Zugabe von Dimethylacrylamid (DMAA) die Zellenimpedanz.
  • Beispiel 2
  • Beispielhafte Batterien und Batteriezellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Eine beispielhafte Zelle 410 kann beispielsweise einen ersten beispielhaften Elektrolyten enthalten, der 1 Gew.-% Dimethylacrylamid (DMAA) enthält, das beispielsweise mit 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch angeordnet ist, das beispielsweise enthält: 3 Ethylencarbonat (EC):7 Dimethylcarbonat (DMC). Eine Vergleichszelle 420 kann 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch enthalten, das z.B. enthält: 3 Ethylencarbonat (EC):7 Dimethylcarbonat (DMC).
  • Sowohl die beispielhafte Zelle 410 als auch die Vergleichszelle 420 enthalten eine Anode, die ein negatives elektroaktives Material enthält, das ein lithiiertes Siliciumoxid (LixSiOy, wobei 1 ≤ x ≤ 8 und 2,5 ≤ y ≤ 6) und Graphit umfasst, und eine Kathode, die ein positives elektroaktives Material enthält, das NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2) umfasst (wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,08). Die Anode kann beispielsweise auch ein erstes polymeres Bindemittel (z.B. Carboxymethylcellulose (CMC) und/oder Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)) und ein erstes leitfähiges Additiv (z.B. SuperP und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT)) enthalten. Die Kathode kann beispielsweise auch ein zweites polymeres Bindemittel (z.B. Polyvinylidenfluorid (PVdF)) und ein zweites leitfähiges Additiv (z.B. SuperP und/oder Graphenplättchen (GNP) und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT)) enthalten. Die Kathode kann eine Beladung von etwa 5,0 mAh/cm2 aufweisen.
  • 3A ist eine graphische Darstellung der Zellenkapazität versus Zyklusleistung der beispielhaften Zelle 410 im Vergleich zur Vergleichszelle 420, wobei die x-Achse 400 die Zyklenzahl und die y-Achse 402 die Kapazität (mAh) repräsentiert. Wie dargestellt, hat die beispielhafte Zelle 410 eine höhere durchschnittliche Kapazität.
  • 3B ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung der beispielhaften Batteriezelle 410 im Vergleich zur Vergleichszelle 420, wobei die x-Achse 450 die Zyklenzahl und die y-Achse 452 die Kapazitätserhaltung (%) repräsentiert. Wie dargestellt, hat die beispielhafte Zelle 410 eine verbesserte Kapazitätserhaltung während des Zyklusbetriebs.
  • 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. Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: eine poröse positive Elektrode, die ein positives elektroaktives Material umfasst, das repräsentiert ist durch: LiM1 xM2 yM3 zM4(1-x-y-z)O2, wobei M1, M2, M3 und M4 Übergangsmetalle sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Cobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1; eine poröse negative Elektrode, die physisch von der positiven Elektrode getrennt ist; und einen Elektrolyten, der in den Poren der positiven und negativen Elektroden angeordnet ist, wobei der Elektrolyt ein Lithiumsalz und ein Elektrolyt-Additiv mit einer oder mehreren Alkenamid-Gruppen umfasst.
  2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das positive elektroaktive Material ein erstes positives elektroaktives Material bildet und die positive Elektrode ferner ein zweites positives elektroaktives Material umfasst, das sich von dem ersten positiven elektroaktiven Material unterscheidet, wobei das Verhältnis des ersten positiven elektroaktiven Materials zu dem zweiten positiven elektroaktiven Material in der positiven Elektrode größer als oder gleich etwa 1:9 bis kleiner als oder gleich etwa 9:1 ist.
  3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die negative Elektrode ein negatives elektroaktives Material auf Siliciumbasis umfasst.
  4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, wobei das negative elektroaktive Material auf Siliciumbasis ein erstes negatives elektroaktives Material bildet und die negative Elektrode ferner ein zweites negatives elektroaktives Material umfasst, das sich von dem ersten negativen elektroaktiven Material unterscheidet, wobei das Verhältnis des ersten negativen elektroaktiven Materials zu dem zweiten negativen elektroaktiven Material in der negativen Elektrode größer als oder gleich etwa 5:95 bis kleiner als oder gleich etwa 95:5 ist.
  5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Elektrolyt-Additiv Dimethylacrylamid (DMAA) umfasst.
  6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Elektrolyt-Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Dimethylacrylamid (DMAA), N,N-Dimethylformamid (DMF), 2,2,2-Trifluor-N,N-dimethylacetamid (FDMA), Dimethylacetamid (DMA) und Kombinationen davon.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% des Elektrolyt-Additivs enthält.
  8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ferner umfasst: mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Vinylencarbonat (VC).
  9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ferner umfasst: mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC).
  10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ferner ein Lösungsmittel enthält.
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