DE102022128284A1

DE102022128284A1 - Lithiumhaltige teilchenbeschichtungen für positive elektroaktive materialien

Info

Publication number: DE102022128284A1
Application number: DE102022128284.8A
Authority: DE
Inventors: Gongshin Qi; Wei Li
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-05-11
Filing date: 2022-10-26
Publication date: 2023-11-16
Also published as: US20230369568A1; CN117096295A

Abstract

Es wird ein Material für eine positive Elektrode bereitgestellt. Das Material für eine positive Elektrode umfasst einen Kern aus elektroaktivem Material und eine elektrochemisch aktive Beschichtung, die den Kern aus elektroaktivem Material umgibt. Der Kern aus elektroaktivem Material enthält Li1+xM1-xO2, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5 und M ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Kombinationen davon. Die elektrochemisch aktive Beschichtung enthält Li1+xM'1-xO2, wobei 0 ≤ x ≤ 0,2 und M' ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Kombinationen davon. Die elektrochemisch aktive Beschichtung ist eine andere Zusammensetzung als der Kern aus elektroaktivem Material.

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 Separator und/oder Elektrolyt 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 enthalten, kann der Festkörperelektrolyt 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 (LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂) (mit 0,10 ≤ x ≤ 0,33, 0,10 ≤ y ≤ 0,33) oder NCMA (LiNi_1-x-y-zCo_xMn_yAl_zO₂) (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. Solche Materialien haben jedoch eine hohe Oberflächenreaktivität und sind daher oft anfällig für Materialverluste, z.B. durch chemische Oxidation des Elektrolyten während des Batteriebetriebs. Diese Reaktionen sind häufig exotherm und wirken sich häufig auf die Thermostabilität und Langlebigkeit von Batteriezellen aus. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte Elektroden und elektroaktive Materialien sowie Verfahren zu deren 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 lithiumhaltige Teilchenbeschichtungen für positive elektroaktive Materialien sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung.
In verschiedenen Aspekten betrifft die vorliegende Offenbarung ein Material für eine positive Elektrode. Das Material für eine positive Elektrode kann einen Kern aus elektroaktivem Material und eine elektrochemisch aktive Beschichtung umfassen, die den Kern aus elektroaktivem Material umgibt. Der Kern aus elektroaktivem Material kann Li_1+xM_1-xO₂ enthalten, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5 und M ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Aluminium (AI), Magnesium (Mg) und Kombinationen davon. Die elektrochemisch aktive Beschichtung kann Li_1+xM'_1-xO₂ enthalten, wobei 0 ≤ x ≤ 0,2 und M' ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Aluminium (AI), Magnesium (Mg) und Kombinationen davon. Die elektrochemisch aktive Beschichtung kann eine andere Zusammensetzung als der Kern aus elektroaktivem Material sein.
In einem Aspekt kann der Kern aus elektroaktivem Material einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 30 µm haben, und die elektrochemisch aktive Beschichtung kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm haben.
In einem Aspekt kann die elektrochemisch aktive Beschichtung mehr als oder gleich etwa 85 % der Gesamtoberfläche des Kerns aus elektroaktivem Material bedecken.
In einem Aspekt kann M im Kern aus elektroaktivem Material Mangan (Mn) umfassen. Das elektroaktive Material kann eine erste Menge an Mangan (Mn) enthalten.
In einem Aspekt kann das M' in der elektrochemisch aktiven Beschichtung Mangan (Mn) umfassen. Die elektrochemisch aktive Beschichtung kann eine zweite Menge an Mangan (Mn) enthalten. Die erste Menge an Mangan (Mn) unterscheidet sich von der zweiten Menge an Mangan (Mn). Zum Beispiel kann die erste Menge an Mangan (Mn) größer sein als die zweite Menge an Mangan (Mn).
In einem Aspekt kann der Kern aus elektroaktivem Material Li_1,2Ni_0,24Mn_0,56O₂ enthalten, und die elektrochemisch aktive Beschichtung kann Li_1,2Ni_0,36Mn_0,44O₂ enthalten.
In einem Aspekt kann der Kern aus elektroaktivem Material Li_1,2Ni_yMn_zO₂ enthalten, wobei 0,05 ≤ y ≤ 0,5 und 0,3 ≤ z ≤ 0,75.
In einem Aspekt kann die elektrochemisch aktive Beschichtung Li_1,2Ni_yMn_zO₂ enthalten, wobei 0,2 ≤ y ≤ 0,5 und 0,3 ≤ z ≤ 0,6.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die elektrochemische Zelle umfasst eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine Trennschicht, die die positive Elektrode und die negative Elektrode physisch trennt. Die positive Elektrode kann eine Vielzahl von Teilchen aus positivem elektroaktivem Material enthalten. Jedes der positiven elektroaktiven Materialteilchen kann einen Kern aus elektroaktivem Material und eine elektrochemisch aktive Beschichtung enthalten, die den Kern aus elektroaktivem Material umgibt. Der Kern aus elektroaktivem Material kann Li_1+xM_1-xO₂ enthalten, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5 ist, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Kombinationen davon. Die elektrochemisch aktive Beschichtung kann Li_1+xM'_1-xO₂ enthalten, wobei 0 ≤ x ≤ 0,2 und M' ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Kombinationen davon. Die elektrochemisch aktive Beschichtung kann eine andere Zusammensetzung als der Kern aus elektroaktivem Material sein.
In einem Aspekt kann der Kern aus elektroaktivem Material einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 30 µm haben, und die elektrochemisch aktive Beschichtung kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm haben.
In einem Aspekt kann die elektrochemisch aktive Beschichtung mehr als oder gleich etwa 85 % der Gesamtoberfläche des Kerns aus elektroaktivem Material bedecken.
In einem Aspekt kann das M im Kern aus elektroaktivem Material Mangan (Mn) umfassen. Der Kern aus elektroaktivem Material kann eine erste Menge an Mangan (Mn) enthalten.
In einem Aspekt kann das M' in der elektrochemisch aktiven Beschichtung Mangan (Mn) umfassen. Die elektrochemisch aktive Beschichtung kann eine zweite Menge an Mangan (Mn) enthalten. Die erste Menge an Mangan (Mn) kann sich von der zweiten Menge an Mangan unterscheiden. Zum Beispiel kann die erste Menge an Mangan (Mn) größer sein als die zweite Menge an Mangan (Mn).
In einem Aspekt kann der Kern aus elektroaktivem Material Li_1,2Ni_0,24Mn_0,56O₂ enthalten, und die elektrochemisch aktive Beschichtung kann Li_1,2Ni_0,36Mn_0,44O₂ enthalten.
In einem Aspekt kann der Kern aus elektroaktivem Material Li_1,2Ni_yMn_zO₂ enthalten, wobei 0,05 ≤ y ≤ 0,5 und 0,3 ≤ z ≤ 0,75.
In einem Aspekt kann die elektrochemisch aktive Beschichtung Li_1,2Ni_yMn_zO₂ enthalten, wobei 0,2 ≤ y ≤ 0,5 und 0,3 ≤ z ≤ 0,6.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Materials für eine positive Elektrode bereit, das eine Vielzahl beschichteter elektroaktiver Materialteilchen enthält. Das Verfahren kann das Inkontaktbringen einer Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Vorläufermaterial und einem oder mehreren Beschichtungsmaterialien umfassen, um eine Vorläuferanordnung zu bilden. Die Teilchen des elektroaktiven Vorläufermaterials können Ni_xMn_yCO₃ enthalten, wobei 0,1 ≤ x ≤ 0,5 und 0,5 ≤ y ≤ 0,9 und x + y = 1. Die ein oder mehreren Beschichtungsmaterialien können auch Ni_xMn_yCO₃ enthalten, wobei 0,25 ≤ x ≤ 0,6 und 0,4 ≤ y ≤ 0,75 und x + y = 1,0. Das eine oder die mehreren Beschichtungsmaterialien sind jedoch eine andere Zusammensetzung als die Teilchen des elektroaktiven Vorläufermaterials. Das Verfahren kann ferner das Inkontaktbringen der Vorläuferanordnung mit einem oder mehreren Lithiumsalzen umfassen, um das Material für eine positive Elektrode zu bilden. Das Material für eine positive Elektrode kann einen Kern aus elektroaktivem Material und eine elektrochemisch aktive Beschichtung umfassen, die den Kern aus elektroaktivem Material umgibt.
In einem Aspekt können die Teilchen des elektroaktiven Vorläufermaterials Ni_0,3Mn_0,7CO₃ enthalten, und das eine oder die mehreren Beschichtungsmaterialien können Ni_0,45Mn_0,55CO₃ enthalten.
In einem Aspekt kann der Kern aus elektroaktivem Material Li_1,2Ni_yMn_zO₂ enthalten, wobei 0,05 ≤ y ≤ 0,5 und 0,3 ≤ z ≤ 0,75, und die elektrochemisch aktive Beschichtung kann Li_1,2Ni_yMn_zO₂ enthalten, wobei 0,2 ≤ y ≤ 0,5 und 0,3 ≤ z ≤ 0,6.
In einem Aspekt kann der Kern aus elektroaktivem Material Li_1,2Ni_0,24Mn_0,56O₂ enthalten, und die elektrochemisch aktive Beschichtung kann Li_1,2Ni_0,36Mn_0,44O₂ 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 beschriebene Zeichnung dient nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 zeigt ein Beispiel für eine elektrochemische Zelle mit einem positiven elektroaktiven Material, das mit einer lithiumhaltigen Teilchenbeschichtung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung beschichtet ist.

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 beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Technologie bezieht sich auf elektrochemische Zellen mit positiven elektroaktiven Materialien, die mit lithiumhaltigen Teilchenbeschichtungen überzogen sind, sowie auf Batterien, die solche elektrochemischen Zellen enthalten. Solche Zellen und Batterien werden in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z.B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Motorräder, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer) eingesetzt. Die vorliegende Technologie kann jedoch 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 Materialschichten, die auf oder neben einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet sind.
Eine beispielhafte und schematische Darstellung eines Beispiels 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 der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann. 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 definiert sein (nicht abgebildet). Bei Festkörperbatterien und/oder halbfesten bzw. Semi-Festkörperbatterien können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) 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 Stromkollektor für die negative Elektrode) 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 Stromkollektor für die positive Elektrode) 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, wie vorstehend erwähnt, 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. Jeder geeignete Elektrolyt 30, sei es in fester, flüssiger oder Gel-Form, der Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann, kann in der Lithiumionen-Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 z.B. 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 Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloroaluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), 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)), lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (z.B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran), 1,3-Dioxolan), 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 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, wie oben erwähnt, 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, Li₃xLa_2/3-xTiO₃, Li₃PO₄, Li₃N, Li₄GeS₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₂S-P₂S₅, Li₆PS₅Cl, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅I, Li₃OCl, Li_2,99Ba_0,005ClO oder Kombinationen davon. Die halbfeste Elektrolytschicht kann einen Polymer-Wirt und einen flüssigen Elektrolyten enthalten. Der Polymer-Wirt kann z.B. umfassen: 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 den positiven und/oder negativen Elektroden 22, 24 befinden.
Die negative Elektrode 22 kann aus einem Lithium-Wirtsmaterial gebildet sein, 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 definiert sein (nicht gezeigt). 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 ist in Poren (nicht dargestellt) der negativen Elektrode 22 enthalten. Die negative Elektrode 22 kann z.B. in bestimmten Variationen eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) 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 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 mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich etwa 0 nm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 nm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm 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 negativen elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis und etwa oder genau 90 Gew.-% Graphit enthält.
In bestimmten Variationen kann das negative elektroaktive Material optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, 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 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 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 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitfähigen Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
Beispiele für polymere Bindemittel sind Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polyvinylidendifluorid (PVdF)-Copolymere, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polytetrafluorethylen (PTFE)-Copolymere, Polyacrylsäure, 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 leitfähigen Materialien können 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 positive Elektrode 24 kann aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, 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 (nicht gezeigt). 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 ist in Poren (nicht dargestellt) der positiven Elektrode 24 enthalten. In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 24 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) 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 ein agglomeriertes (oder sekundäres) Teilchen aus positivem elektroaktivem Material, das eine Vielzahl von Teilchen aus positivem elektroaktivem Material umfasst, einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 30 µm aufweisen. Zu den positiven elektroaktiven Materialteilchen können cobaltfreie, geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide gehören. Die positiven elektroaktiven Materialteilchen können beispielsweise Li_1+xM_1-xO₂ umfassen, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5 und M aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Kombinationen davon. In bestimmten Variationen ist x = 0,2, und die positiven elektroaktiven Materialteilchen können Li_1,2Ni_yMn_zO₂ enthalten, wobei 0,05 ≤ y ≤ 0,5 und 0,3 ≤ z ≤ 0,75.
In bestimmten Variationen können die positiven elektroaktiven Materialteilchen oder ein Agglomerat positiver elektroaktiver Materialteilchen (unabhängig oder gemeinsam als Kern aus elektroaktivem Material bezeichnet) mit einer lithiumhaltigen Teilchenbeschichtung versehen sein. Die lithiumhaltige Teilchenbeschichtung oder -hülle kann eine im Wesentlichen kontinuierliche Beschichtung sein. Die lithiumhaltigen Teilchenbeschichtungen können zum Beispiel beschichten: mehr als oder gleich etwa 85 %, optional mehr als oder gleich etwa 86 %, optional mehr als oder gleich etwa 87 %, optional mehr als oder gleich etwa 88 %, optional mehr als oder gleich etwa 89 %, optional mehr als oder gleich etwa 90 %, optional mehr als oder gleich etwa 91 %, optional mehr als oder gleich etwa 92 %, optional mehr als oder gleich etwa 93 %, optional mehr als oder gleich etwa 94 %, optional mehr als oder gleich etwa 95 %, optional mehr als oder gleich etwa 96 %, optional mehr als oder gleich etwa 97 %, optional mehr als oder gleich etwa 98 %, optional mehr als oder gleich etwa 99 %, optional mehr als oder gleich etwa 99,5 %, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 99,8 % der gesamten freiliegenden Oberfläche des Teilchens aus positivem elektroaktivem Material und/oder aus agglomerierten Teilchen aus positivem elektroaktivem Material. Die lithiumhaltige Teilchenbeschichtung oder -hülle kann eine durchschnittliche Dicke 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. In jeder Variation kann das Gewichtsverhältnis zwischen den Teilchen aus positivem elektroaktivem Material und/oder den agglomerierten Teilchen aus positivem elektroaktivem Material und der lithiumhaltigen Teilchenbeschichtung größer als oder gleich etwa 0,1 bis kleiner als oder gleich etwa 1,0 und in bestimmten Aspekten optional etwa 0,5 sein.
Bei den lithiumhaltigen Teilchenbeschichtungen kann es sich sowohl um eine elektrochemisch stabile als auch um eine elektrochemisch aktive Beschichtung handeln, die auch geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide enthält. Die lithiumhaltigen Teilchenbeschichtungen können beispielsweise Li_1+xM'_1-xO₂ enthalten, wobei 0 ≤ x ≤ 0,2 und M' ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Kombinationen davon. In bestimmten Variationen ist x = 0,2, und die lithiumhaltigen Teilchenbeschichtungen können Li_1,2Ni_yMn_zO₂ enthalten, wobei 0,2 ≤ y ≤ 0,5 und 0,3 ≤ z ≤ 0,6, wobei die lithiumhaltige Teilchenbeschichtung sich von den positiven elektroaktiven Materialteilchen unterscheidet und/oder aus positiven elektroaktiven Materialteilchen agglomeriert ist. Zum Beispiel können die lithiumhaltigen Teilchenbeschichtungen Li_1,2Ni_0,36Mn_0,44O₂ und die positiven elektroaktiven Materialteilchen (d.h. Kernmaterial oder unberührtes Material) Li_1,2Ni_0,24Mn_0,56O₂ umfassen. Das heißt, die positiven elektroaktiven Materialteilchen können eine erste Menge an Mangan (Mn) aufweisen, und die lithiumhaltige Teilchenbeschichtung kann eine zweite Menge an Mangan (Mn) aufweisen, wobei die zweite Menge an Mangan (Mn) geringer ist als die erste Menge an Mangan (Mn). So kann die lithiumhaltige Teilchenbeschichtung die elektrochemische Kinetik des positiven elektroaktiven Materials verbessern, z.B. durch Verlangsamung des Phasenübergangs von Schicht zu Spinell, und gleichzeitig die Auflösung von Mangan (Mn) zumindest teilweise abschwächen, da die lithiumhaltige Teilchenbeschichtung nicht an der Redoxreaktion von Mn⁴⁺/Mn³⁺ während des Zyklus beteiligt ist.
In bestimmten Variationen kann das positive elektroaktive Material optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, 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 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 80 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 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitfähigen Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenlegung ein Verfahren zur Beschichtung der positiven elektroaktiven Materialteilchen bereit. Das Verfahren kann beinhalten, dass positive elektroaktive Vorläuferteilchen und ein oder mehrere Beschichtungsmaterialien in Kontakt gebracht werden, um eine Vorläuferanordnung zu bilden. In bestimmten Variationen kann das Inkontaktbringen auch die Co-Präzipitation der Beschichtungsmaterialien auf die positiven elektroaktiven Materialteilchen umfassen. Die Teilchen des positiven elektroaktiven Vorläufermaterials können beispielsweise Ni_xMn_yCO₃ umfassen, wobei 0,1 ≤ x ≤ 0,5, 0,5 ≤ y ≤ 0,9 und x + y = 1,0. Die ein oder mehreren Beschichtungsmaterialien können beispielsweise Ni_xMn_yCO₃ umfassen, wobei 0,25 ≤ x ≤ 0,6, 0,4 ≤ y ≤ 0,75 und x + y = 1,0. In bestimmten Variationen können die Teilchen des positiven elektroaktiven Vorläufermaterials zum Beispiel Ni_0,3Mn_0,7CO₃ und das eine oder mehrere Beschichtungsmaterialien zum Beispiel Ni_0,45Mn_0,55CO₃ enthalten.
Das Verfahren kann ferner das Inkontaktbringen der Vorläuferanordnung mit einem oder mehreren Lithiumsalzen umfassen, um beschichtete Teilchen aus positivem elektroaktivem Material zu bilden. In bestimmten Variationen kann das Inkontaktbringen auch das Eintauchen der Vorläuferanordnung in eine Lösung mit einem oder mehreren Lithiumsalzen umfassen. In verschiedenen Aspekten kann das eine oder die mehreren Lithiumsalz(e) aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Lithiumhydroxid (LiOH), Lithiumcarbonat (Li₂CO₃), Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloroaluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), 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.
In anderen Variationen stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung beschichteter positiver elektroaktiver Materialteilchen bereit. Das Verfahren kann die Herstellung einer wässrigen Lösung umfassen, die z.B. Lithiumnitrat oder -acetat, Mangannitrat oder -acetat und/oder Nickelnitrat oder -acetat und Zitronensäure enthält. Das Verfahren umfasst ferner das Inkontaktbringen der wässrigen Lösung und positiver elektroaktiver Materialteilchen, die beispielsweise durch Li_1+xM_1-xO₂ dargestellt werden, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5 und M aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Kombinationen davon. In bestimmten Variationen kann das Inkontaktbringen das Eintauchen der positiven elektroaktiven Materialteilchen in die wässrige Lösung zur Bildung einer Aufschlämmung umfassen. Das Verfahren kann das Trocknen der Aufschlämmung und das Calcinieren des Feststoffs, z.B. bei einer Temperatur von etwa 900 °C für etwa 10 Stunden an der Luft, umfassen.
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

Material für eine positive Elektrode, umfassend: einen Kern aus elektroaktivem Material, der Li_1+xM_1-xO₂ umfasst, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5 und M aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Kombinationen davon; und eine elektrochemisch aktive Beschichtung, die den Kern aus elektroaktivem Material umgibt, wobei die elektrochemisch aktive Beschichtung Li_1+xM'_1-xO₂ umfasst, wobei 0 ≤ x ≤ 0,2 und M' aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Kombinationen davon, wobei die elektrochemisch aktive Beschichtung eine andere Zusammensetzung als der Kern aus elektroaktivem Material ist.
Material für eine positive Elektrode nach Anspruch 1, wobei der Kern aus elektroaktivem Material einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 30 µm aufweist.
Material für eine positive Elektrode nach Anspruch 1, wobei die elektrochemisch aktive Beschichtung eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm aufweist.
Material für eine positive Elektrode nach Anspruch 1, wobei die elektrochemisch aktive Beschichtung mehr als oder gleich etwa 85 % der Gesamtoberfläche des Kerns aus elektroaktivem Material bedeckt.
Material für eine positive Elektrode nach Anspruch 1, wobei das M im Kern aus elektroaktivem Material Mangan (Mn) umfasst und der Kern aus elektroaktivem Material eine erste Menge an Mangan (Mn) aufweist.
Material für eine positive Elektrode nach Anspruch 5, wobei das M' in der elektrochemisch aktiven Beschichtung Mangan (Mn) umfasst und die elektrochemisch aktive Beschichtung eine zweite Menge an Mangan (Mn) aufweist, wobei die erste Menge an Mangan von der zweiten Menge an Mangan (Mn) verschieden ist.
Material für eine positive Elektrode nach Anspruch 6, wobei die erste Menge an Mangan (Mn) größer ist als die zweite Menge an Mangan (Mn).
Material für eine positive Elektrode nach Anspruch 6, wobei der Kern aus elektroaktivem Material Li_1,2Ni_0,24Mn_0,56O₂ umfasst und die elektrochemisch aktive Beschichtung Li_1,2Ni_0,36Mn_0,44O₂ umfasst.
Material für eine positive Elektrode nach Anspruch 1, wobei der Kern aus elektroaktivem Material Li_1,2Ni_yMn_zO₂ umfasst, wobei 0,05 ≤ y ≤ 0,5 und 0,3≤z≤0,75.
Material für eine positive Elektrode nach Anspruch 1, wobei die elektrochemisch aktive Beschichtung Li_1,2Ni_yMn_zO₂ umfasst, wobei 0,2 ≤ y ≤ 0,5 und 0,3 ≤ z ≤ 0,6.