DE102022130523B4 - Zusatzstoffe aus kristallinem material für dicke elektroden - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine Elektrode zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die Elektrode weist eine Dicke von größer als oder gleich 50 Mikrometern bis weniger als oder gleich 500 Mikrometern auf, und schließt ein elektroaktives Material, ein Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasissowie ein weiteres Bindemittel und einen Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material ein. So kann die Elektrode beispielsweise größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des Zusatzstoffs aus porösem kristallinem Material und größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des Bindemittels auf Polytetrafluorethylenbasis einschließen. Der Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus metallorganischen Gerüsten (MOFs, metal-organic frameworks), kovalent-organischen Gerüsten (COFs, covalent-organic frameworks), und Kombinationen davon.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung bereit, die nicht notwendigerweise zum Stand der Technik gehören.
  • Fortschrittliche Energiespeichervorrichtungen und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systemen (z. B. 12-Volt-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützten Systemen, Hybrid-Elektrofahrzeugen („HEVs“) und Elektrofahrzeugen („EVs“). Typische Lithiumionenbatterien schließen mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator ein. Eine der zwei Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode dienen und die andere Elektrode kann als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und positiven Elektrode kann ein mit einem flüssigen oder Festkörperelektrolyten gefüllter Separator angeordnet sein. Der Elektrolyt ist geeignet, Lithiumionen zwischen den Elektroden zu leiten, und kann, wie die zwei Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten (oder Festkörperseparator) einschließen, kann der Festkörperelektrolyt (oder Festkörperseparator) die Elektroden physisch trennen, sodass ein getrennter Separator nicht erforderlich ist.
  • Die DE 10 2021 113 542 A1 offenbart eine elektrochemische Festkörperzelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei die elektrochemische Zelle folgendes umfasst: eine Elektrolytschicht, eine Festelektrode, die ein elektroaktives Material enthält und eine zweite Oberfläche definiert, und ein Hybridkondensatormaterial, das ein metallorganisches Gerüst umfasst, das mit Festkörperelektrolytteilchen vermischt ist.
    Die WO 2018/ 013 682 A1 offenbart ein Verfahren zur Verarbeitung eines zweidimensionalen kovalenten organischen Gerüsts.
  • Viele verschiedene Materialien können zum Erzeugen von Komponenten für eine Lithiumionenbatterie verwendet werden. Beispielsweise ist die Verwendung von Polytetrafluorethylen (PTFE) als Elektrodenbindemittel oft wünschenswert, da das Bindemittel zusätzliche aktive Materialien hält, die dickere Elektroden ermöglichen, was zu einer höheren Energiedichte der Batterie führt, während es auch eine höhere Temperaturtoleranz aufweist (z. B. größer als oder gleich 150 °C bis zu 327 °C). Polytetrafluorethylen (PTFE) weist jedoch eine schlechte Benetzbarkeit mit flüssigen Elektrolyten auf, was sich negativ auf die Leistung und Schnellladefähigkeit der Batterie auswirkt. Es wäre wünschenswert, verbesserte Elektrodenmaterialien und Verfahren zum Herstellen und Verwenden derselben zu entwickeln, die diese Herausforderungen angehen können.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung bereit, und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Zusatzstoffe aus porösem kristallinem Material für elektrochemische Zellen, die Lithiumionen zyklisieren, sowie Verfahren zum Herstellen und Verwenden derselben. Die Zusatzstoffe aus porösem kristallinem Material können in einer oder beiden von der positiven und negativen Elektrode eingeschlossen sein, die die Zelle definieren.
  • Erfindungsgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine Elektrode zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die Elektrode schließt ein elektroaktives Material, ein Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis und einen Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material ein. Der Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus metallorganischen Gerüsten (MOFs, metal-organic frameworks), kovalent-organischen Gerüsten (COFs, covalent-organic frameworks) und Kombinationen davon. Ferner umfasst das Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis größer als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 100 Gew.-% Polytetrafluorethylen (PTFE) und größer als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 50 Gew.-% eines zusätzlichen Bindemittels.
  • In einem Aspekt schließt die Elektrode größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des Zusatzstoffs aus porösem kristallinem Material ein.
  • In einem Aspekt können die metallorganischen Gerüste (MOFs) eine Oberfläche von größer als oder gleich 1.000 m2/g aufweisen und können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: IRMOF-16 (Zn4O(TPDC)3), IRMOF-1 (Zn4O(BDC)3), IRMOF-2 (Zn4O(BDC-NH2)3), IRMOF-8, IRMOF-10, IRMOF-12, IRMOF-14, IRMOF-15, MOF-177 (C54H15O13Zn4), MOF-188, MOF-200 (Zn4O(BBC)2), IRMOF-74-I (Mg2(DOT)), IRMOF-74-II (Mg2(DH2PHDC)), IRMOF-74-III (Mg2(DH3PhDC)), HKUST-1 ([Cu3(C9H3O6)2]n), MIL-53 (Fe(OH(BDC)), MIL-100 (Fe3F(H2O)2O[(C6H3)-(CO2)3]2nH2O (wobei 1 < n < 10)), MIL-101 ([Cr3OX (bdc)3(H2O)2] (wobei bdc Benzol-1,4,dicarbozylat ist, und X OH oder F ist), UIO-66 (Zr24O120C192H96N24), UIO-67 (Zr6O4(OH)4 -·(bpdc) (wobei bpdc Biphenyldicarboxylat (O2C(C6H4)2CO2 ist)), UIO-68 (Zr6O4(OH)4(C20H10O6)6(C3H7NO)(CH2Cl2)3), ZIF-2, ZIF-3, ZIF-4, ZIR-6, ZIF-5 (Zn3In2(lm)12), ZIF-11, ZIR-7, ZIR-8 (C8H10N4Zn), ZIF-9 (C7H6N2 · Co · H2O), ZIF-11 (Zn[C7H5N2]2), ZIF-14 (Zn(elm)2), ZIF-67 (C8H10N4Co), ZIF-68 (C7,06H4,94N3,53O1,59Zn0,71), ZIF-90 (C48H36N24O12Zn6)), CPL-1 ([Cu2(pzdc)2(L)]n), (wobei 1 < n < 100)), CPL-2 (C22H12N6O8Cu2), CPL-5 (C24H14N6O8Cu), und CD-MOFs, PCN-14 (C270H162Cu18O90), und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt können die kovalent-organischen Gerüste (COFs) eine Oberfläche von größer als oder gleich 1.000 m2/g aufweisen und können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: COF-1, COF-103, HHTP-DPB COF, COF-300, COF-LZU1, COF-320, BF-COF-1, BF-COF-2, LZU-301, COF-42, COF-43, COF-JLU4, TFTP-COF, LZU-21, Py-Azin COF, HEX-COF-1, ACOF, PI-COF-1, PI-COF-2, COF-77, COF-78, TFP-TPP CH2OF, TFP-TPA COF, TFP-Car COF, β-Ketoenamin-verknüpften COFs, sp2c-COF, sp2c-COF-2, sp2c-COF-3, COF-202, COFs auf Polyaryletherbasis (PAE-COFs), COFS auf Triazinbasis, HHTP-FPBA-TATTA COF, und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis kleiner als oder gleich 20 Gew.-% des Bindemittels auf Polytetrafluorethylenbasis einschließen.
  • In einem Aspekt kann das zusätzliche Bindemittel ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polyethylenoxid (PEO), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode ferner größer als 0 Gew.-% bis kleiner als oder gleich 30 Gew.-% eines elektrisch leitfähigen Materials einschließen.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode eine mittlere Dicke von größer als oder gleich 50 Mikrometern bis weniger als oder gleich 500 Mikrometern aufweisen.
  • Nicht erfindungsgemäß stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Trennschicht einschließen. Die erste Elektrode kann ein erstes elektroaktives Material, ein Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis und einen Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material einschließen. Der Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus metallorganischen Gerüsten (MOFs), kovalent-organischen Gerüsten (COFs) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode beispielsweise größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des Zusatzstoffs aus porösem kristallinem Material und größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des Bindemittels auf Polytetrafluorethylenbasis einschließen.
  • In einem Aspekt kann das Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis größer als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 100 Gew.-% Polytetrafluorethylen (PTFE) und größer als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 50 Gew.-% eines zusätzlichen Bindemittels einschließen. Das zusätzliche Bindemittel kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polyethylenoxid (PEO), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt können die metallorganischen Gerüste (MOFs) eine Oberfläche von größer als oder gleich 1.000 m2/g aufweisen und können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: IRMOF-16 (Zn4O(TPDC)3), IRMOF-1 (Zn4O(BDC)3), IRMOF-2 (Zn4O(BDC-NH2)3), IRMOF-8, IRMOF-10, IRMOF-12, IRMOF-14, IRMOF-15, MOF-177 (C54H15O13Zn4), MOF-188, MOF-200 (Zn4O(BBC)2), IRMOF-74-I (Mg2(DOT)), IRMOF-74-II (Mg2(DH2PHDC)), IRMOF-74-III (Mg2(DH3PhDC)), HKUST-1 ([Cu3(C9H3O6)2]n), MIL-53 (Fe(OH(BDC)), MIL-100 (Fe3F(H2O)2O[(C6H3)-(CO2)3]2nH2O (wobei 1 < n < 10)), MIL-101 ([Cr3OX (bdc)3(H2O)2] (wobei bdc Benzol-1,4,dicarbozylat ist, und X OH oder F ist), UIO-66 (Zr24O120C192H96N24), UIO-67 (Zr6O4(OH)4 -·(bpdc) (wobei bpdc Biphenyldicarboxylat (O2C(C6H4)2CO2)), UIO-68 (Zr6O4(OH)4(C20H10O6)6(C3H7NO)(CH2Cl2)3), ZIF-2, ZIF-3, ZIF-4, ZIR-6, ZIF-5 (Zn3In2(lm)12), ZIF-11, ZIR-7, ZIR-8 (C8H10N4Zn), ZIF-9 (C7H6N2 · Co · H2O), ZIF-11 (Zn[C7H5N2]2), ZIF-14 (Zn(elm)2), ZIF-67 (C8H10N4Co), ZIF-68 (C7,06H4,94N3,53O1,59Zn0,71), ZIF-90 (C48H36N24O12Zn6)), CPL-1 ([Cu2(pzdc)2(L)]n), (wobei 1 < n < 100)), CPL-2 (C22H12N6O8Cu2), CPL-5 (C24H14N6O8Cu), und CD-MOFs, PCN-14 (C270H162Cu18O90), und Kombinationen davon; und die kovalent-organischen Gerüste (COFs) eine Oberfläche von größer als oder gleich 1.000 m2/g aufweisen können, und ausgewählt sein können aus der Gruppe bestehend aus: COF-1, COF-103, HHTP-DPB COF, COF-300, COF-LZU1, COF-320, BF-COF-1, BF-COF-2, LZU-301, COF-42, COF-43, COF-JLU4, TFTP-COF, LZU-21, Py-Azin COF, HEX-COF-1, ACOF, PI-COF-1, PI-COF-2, COF-77, COF-78, TFP-TPP CH2OF, TFP-TPA COF, TFP-Car COF, β-Ketoenamin-verknüpften COFs, sp2c-COF, sp2c-COF-2, sp2c-COF-3, COF-202, COFs auf Polyaryletherbasis (PAE-COFs), COFS auf Triazinbasis, HHTP-FPBA-TATTA COF, und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode ferner größer als 0 Gew.-% bis kleiner als oder gleich 30 Gew.-% eines elektrisch leitfähigen Materials einschließen.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode eine mittlere Dicke von größer als oder gleich 50 Mikrometern bis weniger als oder gleich 500 Mikrometern aufweisen.
  • In einem Aspekt kann das Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis ein erstes Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis sein, der Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material kann ein erster Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material sein, und die zweite Elektrode kann ferner ein zweites Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis und einen zweiten Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material einschließen. Der zweite Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus metallorganischen Gerüsten (MOFs), kovalent-organischen Gerüsten (COFs), und Kombinationen davon. Das zweite Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis kann mit dem ersten Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis identisch oder davon verschieden sein, und der zweite Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material kann mit dem ersten Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material identisch oder davon verschieden sein.
  • In einem Aspekt kann die zweite Elektrode beispielsweise größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des Zusatzstoffs aus porösem kristallinem Material und größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des Bindemittels auf Polytetrafluorethylenbasis einschließen.
  • Nicht erfindungsgemäß stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Trennschicht einschließen. Die erste Elektrode kann eine erste mittlere Dicke von größer als oder gleich 50 Mikrometern bis weniger als oder gleich 500 Mikrometern aufweisen. Die erste Elektrode kann größer als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99,5 Gew.-% eines ersten elektroaktiven Materials, größer als 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% eines ersten Bindemittels auf Polytetrafluorethylenbasis und größer als 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% eines ersten Zusatzstoffs aus porösem kristallinem Material einschließen. Die zweite Elektrode kann eine zweite mittlere Dicke von größer als oder gleich 50 Mikrometern bis weniger als oder gleich 500 Mikrometern aufweisen. Die zweite Elektrode kann größer als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99,5 Gew.-% eines zweiten elektroaktiven Materials, größer als 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% eines zweiten Bindemittels auf Polytetrafluorethylenbasis und größer als 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% eines zweiten Zusatzstoffs aus porösen kristallinen Material einschließen. Der erste und zweite Zusatzstoff aus kristallinem Material kann unabhängig ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus metallorganischen Gerüsten (MOFs), kovalent-organischen Gerüsten (COFs), und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann mindestens eine von der ersten und zweiten Elektrode ferner größer als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 30 Gew.-% eines elektrisch leitfähigen Materials einschließen.
  • In einem Aspekt können die metallorganischen Gerüste (MOFs) eine Oberfläche von größer als oder gleich 1.000 m2/g aufweisen und können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: IRMOF-16 (Zn4O(TPDC)3), IRMOF-1 (Zn4O(BDC)3), IRMOF-2 (Zn4O(BDC-NH2)3), IRMOF-8, IRMOF-10, IRMOF-12, IRMOF-14, IRMOF-15, MOF-177 (C54H15O13Zn4), MOF-188, MOF-200 (Zn4O(BBC)2), IRMOF-74-I (Mg2(DOT)), IRMOF-74-II (Mg2(DH2PHDC)), IRMOF-74-III (Mg2(DH3PhDC)), HKUST-1 ([Cu3(C9H3O6)2]n), MIL-53 (Fe(OH(BDC)), MIL-100 (Fe3F(H2O)2O[(C6H3)-(CO2)3]2nH2O (wobei 1 < n < 10)), MIL-101 ([Cr3OX (bdc)3(H2O)2] (wobei bdc Benzol-1,4,dicarbozylat ist, und X OH oder F ist), UIO-66 (Zr24O120C192H96N24), UIO-67 (Zr4O4(OH)4 -·(bpdc) (wobei bpdc Biphenyldicarboxylat (O2C(C6H4)2CO2)), UIO-68 (Zr6O4(OH)4(C20H10O6)6(C3H7NO)(CH2Cl2)3), ZIF-2, ZIF-3, ZIF-4, ZIR-6, ZIF-5 (Zn3In2(lm)12), ZIF-11, ZIR-7, ZIR-8 (C8H10N4Zn), ZIF-9 (C7H6N2 · Co · H2O), ZIF-11 (Zn[C7H5N2]2), ZIF-14 (Zn(elm)2), ZIF-67 (C8H10N4Co), ZIF-68 (C7,06H4,94N3,53O1,59Zn0,71), ZIF-90 (C48H36N24O12Zn6)), CPL-1 ([Cu2(pzdc)2(L)]n)(wobei 1 < n < 100)), CPL-2 (C22H12N6O8Cu2), CPL-5 (C24Hi4N6O8Cu), und CD-MOFs, PCN-14 (C270H162CU18O90), und Kombinationen davon; und die kovalent-organischen Gerüste (COFs) eine Oberfläche von größer als oder gleich 1.000 m2/g aufweisen können, und ausgewählt sein können aus der Gruppe bestehend aus: COF-1, COF-103, HHTP-DPB COF, COF-300, COF-LZU1, COF-320, BF-COF-1, BF-COF-2, LZU-301, COF-42, COF-43, COF-JLU4, TFTP-COF, LZU-21, Py-Azin COF, HEX-COF-1, ACOF, PI-COF-1, PI-COF-2, COF-77, COF-78, TFP-TPP CH2OF, TFP-TPA COF, TFP-Car COF, β-Ketoenamin-verknüpften COFs, sp2c-COF, sp2c-COF-2, sp2c-COF-3, COF-202, COFs auf Polyaryletherbasis (PAE-COFs), COFS auf Triazinbasis, HHTP-FPBA-TATTA COF, und Kombinationen davon.
  • Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den gesamten mehreren Ansichten der Zeichnungen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Zelleinheit, bei der eine oder beide von der positiven und negativen Elektrode einen Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung einschließen;
    • 2 ist ein Ablaufdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Bilden einer Elektrode veranschaulicht, das einen Zusatzstoff aus porösen kristallinem Material gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung einschließt;
    • 3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein anderes Beispiel für ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode veranschaulicht, das einen Zusatzstoff aus einem porösen kristallinen Material gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung einschließt;
    • 4A ist eine grafische Veranschaulichung der Entladungsrate für eine Zelle, die eine Elektrode einschließt, die einen Zusatzstoff aus einem porösen kristallinen Material gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung aufweist; und
    • 4B ist eine grafische Veranschaulichung der 2C-Ladung für eine Zelle, die eine Elektrode einschließt, die einen Zusatzstoff aus einem porösen kristallinen Material gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung aufweist.
  • Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den gesamten mehreren Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es werden beispielhafte Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist, und den Fachleuten den Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Der Fachmann wird erkennen, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. In einigen beispielhaften Ausführungsformen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „einschließlich/einschlie-ßen“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausführungsform eingeschlossen sein können.
  • Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der bestimmten erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
  • Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie bzw. es sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit dem- oder derselben verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
  • Obwohl die Begriffe „erste/r/s“, „zweite/r/s“, „dritte/r/s“ usw. hierin verwendet sein können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste/r/s“, „zweite/r/s“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden besprochen werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der Ausführungsbeispiele abzuweichen.
  • Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen.
  • In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen, die am Ende der detaillierten Beschreibung bereitgestellt werden, sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ 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 Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Beispielsweise kann „ungefähr“ eine Abweichung 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 schließt die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs ein, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Teilbereiche.
  • Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
  • Die vorliegende Technologie betrifft Zusatzstoffe aus porösem kristallinem Material für elektrochemische Zellen, die Lithiumionen zyklisieren, sowie Verfahren zum Herstellen und Verwenden derselben. Die Zusatzstoffe aus porösem kristallinem Material können in einer oder beiden von der positiven und negativen Elektrode eingeschlossen sein, die die Zelle definieren. Solche Zellen können in Fahrzeugen oder Kraftfahrzeuganwendungen (z. B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) eingesetzt werden. Die derzeitige Technologie kann jedoch auch in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, darunter zum Beispiel (nicht einschränkend) Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt, Verbrauchsgütern, Geräten, Gebäuden (z. B. Häuser, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Bürogeräten und -möbeln, Maschinen für die Industrie, landwirtschaftlichen Geräten oder Schwermaschinen. Ferner, obwohl die nachstehend veranschaulichten Beispiele eine einzelne positive Kathode und eine einzelne positive Anode einschließen, wird der Fachmann erkennen, dass sich die vorliegenden Lehren auch auf verschiedene andere Konfigurationen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden sowie verschiedenen Stromkollektoren mit elektroaktiven Schichten, die auf einer oder mehreren Flächen davon oder angrenzend an dieselben angeordnet sind.
  • Eine beispielhafte und schematische Veranschaulichung einer elektrochemischen Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 20 ist in 1 dargestellt. Die Batterie 20 schließt eine negative Elektrode 22 (z. B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z. B. Kathode) und einen Separator 26 ein, der zwischen den zwei Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 stellt eine elektrische Trennung zwischen den Elektroden 22, 24 bereit, d. h. er verhindert den physischen Kontakt. Der Separator 26 stellt außerdem einen minimalen Widerstandspfad für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von verwandten Anionen während der Zyklisierung der Lithiumionen bereit. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und/oder der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann, sodass ein durchgängiges Elektrolytnetz gebildet wird. In bestimmten Abwandlungen kann der Separator 26 aus einem Festkörperelektrolyten oder einem Halbfestkörperelektrolyten (z. B. einem Gelelektrolyten) bestehen. Beispielsweise kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen definiert sein. Im Falle von Festkörperbatterien und/oder Halbfestkörperbatterien können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen einschließen. Die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen, die im Separator 26 eingeschlossen sind oder diesen definieren, kann gleich oder verschieden von der Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen sein, die in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 eingeschlossen sind.
  • Ein erster Stromkollektor 32 (z. B. ein negativer Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 positioniert sein. Der erste Stromkollektor 32 kann zusammen mit der negativen Elektrode 22 als negative Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Obwohl nicht veranschaulicht, wird der Fachmann erkennen, dass in bestimmten Abwandlungen negative Elektroden 22 (auch als negative elektroaktive Materialschichten bezeichnet) auf einer oder mehreren parallelen Seiten des ersten Stromkollektors 32 angeordnet sein können. In ähnlicher Weise wird der Fachmann erkennen, dass bei anderen Abwandlungen eine negative elektroaktive Materialschicht auf einer ersten Seite des ersten Stromkollektors 32 angeordnet sein kann und eine positive elektroaktive Materialschicht auf einer zweiten Seite des ersten Stromkollektors 32 angeordnet sein kann. In jedem Fall kann der erste Stromkollektor 32 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder eine Abschirmung, Kupfer umfassendes Streckmetall oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material einschließen, das dem Fachmann bekannt ist.
  • Ein zweiter Stromkollektor 34 (z. B. ein positiver Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Der zweite Stromkollektor 34 kann zusammen mit der positiven Elektrode 24 als positive Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Obwohl nicht veranschaulicht, wird der Fachmann erkennen, dass in bestimmten Abwandlungen positive Elektroden 24 (auch als positive elektroaktive Materialschichten bezeichnet) auf einer oder mehreren parallelen Seiten des zweiten Stromkollektors 34 angeordnet sein können. In ähnlicher Weise wird der Fachmann erkennen, dass in bestimmten Abwandlungen eine positive elektroaktive Materialschicht auf einer ersten Seite des zweiten Stromkollektors 34 und eine negative elektroaktive Materialschicht auf einer zweiten Seite des zweiten Stromkollektors 34 angeordnet sein kann. In jedem Fall kann der zweite Elektrodenstromkollektor 34 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder eine Abschirmung, Aluminium umfassendes Streckmetall oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material einschließen, das dem Fachmann bekannt ist.
  • Der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 können jeweils freie Elektronen sammeln und sie zu einem externen Stromkreis 40 und von demselben weg bewegen. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den ersten Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Stromkollektor 34) verbinden. Die Batterie 20 kann während der Entladung durch umkehrbare elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden) und die negative Elektrode 22 ein geringeres Potenzial als die positive Elektrode aufweist, einen elektrischen Strom erzeugen. Die chemische Potenzialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch eine Reaktion, beispielsweise die Oxidation von interkaliertem Lithium, an der negativen Elektrode 22 produzierten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 produziert werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zu der positiven Elektrode 24 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 30 enthält, um interkaliertes Lithium an der positiven Elektrode 24 zu bilden. Wie vorstehend erwähnt, ist der Elektrolyt 30 typischerweise auch in der negativen Elektrode 22 und positiven Elektrode 24 vorhanden. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist, und die Kapazität der Batterie 20 verringert ist.
  • Die Batterie 20 kann jederzeit geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle an die Lithiumionenbatterie 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die bei der Entladung der Batterie stattfinden. Der Anschluss einer externen elektrischen Stromquelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, beispielsweise eine nicht spontane Oxidation von interkaliertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, sodass Elektronen und Lithiumionen produziert werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 und durch den Separator 26 zur negativen Elektrode 22 zurück, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z. B. interkaliertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Batterieentladungsvorgangs aufzufüllen. Als solcher wird jeder vollständige Entladungsvorgang, gefolgt von einem vollständigen Ladungsvorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisiert 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 besondere und beispielhafte externe Stromquellen schließen unter anderem einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler ein, der über eine Wandsteckdose und eine Kfz-Wechselstromlichtmaschine an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, sind aber nicht darauf beschränkt.
  • In vielen Lithiumionenbatterieanordnungen wird jeder von dem ersten Stromkollektor 32, der negativen Elektrode 22, dem Separator 26, der positiven Elektrode 24 und dem zweiten Stromkollektor 34 als relativ dünne Schichten (beispielsweise mit einer Dicke von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengebaut, um ein geeignetes elektrische Energie und Leistung bereitstellendes Paket zu erhalten. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 außerdem eine Vielzahl anderer Komponenten einschließen, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Beispielsweise kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen, Laschen, Batterieklemmen und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien einschließen, die sich innerhalb der Batterie 20, einschließlich zwischen der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und/oder dem Separator 26 oder um dieselben herum, befinden können. Die in 1 dargestellte Batterie 20 schließt einen flüssigen Elektrolyten 30 ein und stellt repräsentative Konzepte für den Batteriebetrieb dar. Die vorliegende Technologie gilt jedoch auch für Festkörperbatterien und/oder Halbfestkörperbatterien, die Festkörperelektrolyte und/oder Festkörperelektrolytteilchen und/oder Halbfestkörperelektrolyte und/oder elektroaktive Festkörperteilchen einschließen, die, wie den Fachleuten bekannt ist, unterschiedlich gestaltet sein können.
  • Die Größe und Form der Batterie 20 können je nach den speziellen Anwendungen, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 sehr wahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt wäre. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionenzellen oder -batterien in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu produzieren, wenn dies für die Lastvorrichtung 42 erforderlich ist. Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn sich die Batterie 20 entlädt. Während es sich bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln kann, schließen einige besondere Beispiele einen Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder -geräte ein. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein Stromerzeugungsgerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Speicherung elektrischer Energie lädt.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder das Elektrolytsystem 30 in ihren Poren einschließen, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, ob in fester, flüssiger oder Gelform, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten, kann in der Lithiumionenbatterie 20 verwendet werden. Beispielsweise kann in bestimmten Aspekten der Elektrolyt 30 eine nicht wässrige flüssige Elektrolytlösung (z. B. > 1 M) sein, die ein Lithiumsalz einschließt, das in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöst ist. Zahlreiche herkömmliche nicht wässrige flüssige Elektrolyt 30 -Lösungen können in der Batterie 20 verwendet werden.
  • Eine nicht begrenzende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel aufgelöst werden können, um die nicht wässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, schließt Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl4), Lithiumjodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H6)4), Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C2O4)2) (LiBOB), Lithiumdifluorxalatoborat (LiBF2(C2O4)), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Lithiumbis(trifluormethan)sulfonylimid (LiN(CF3SO2)2), Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiN(FSO2)2) (LiSFI) ein, und Kombinationen davon. Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von nicht wässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst sein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf verschiedene Alkylcarbonate, wie cyklische 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 u. ä.), cyclische Ether (z. B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan u. ä.), Schwefelverbindungen (z. B. Sulfolan), und Kombinationen davon.
  • Der poröse Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator einschließen, der ein Polyolefin einschließt. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (von einem einzigen Monomerbestandteil abgeleitet) oder ein Heteropolymer (von mehr als einem Monomerbestandteil abgeleitet) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Ist ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich derjenigen eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Ist das Polyolefin ein Heteropolymer, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In bestimmten Aspekten kann es sich bei dem Polyolefin um Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder ein Gemisch aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Filme aus PE und/oder PP handeln. Im Handel erhältliche Membranen 26 für poröse Polyolefin-Separatoren schließen CELGARD® 2500 (einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2320 (dreischichtiger Polypropylen-/Polyethylen-/Polypropylen-Separator) ein, die von Celgard LLC angeboten werden.
  • Ist der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator, kann es sich um ein einschichtiges oder ein mehrschichtiges Laminat handeln, das entweder im Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Beispielsweise kann in bestimmten Fällen eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran sein, die eine Fülle von Poren aufweist, die sich zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen erstrecken, und kann beispielsweise eine mittlere Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus gleichartigen oder verschiedenen Polyolefinen zusammengesetzt sein, um den mikroporösen polymeren Separator 26 zu bilden. Der Separator 26 kann zusätzlich zum Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamid, Polyimid, Polyamid-Polyimid-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen, aber nicht darauf beschränkt. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können ferner als Faserschicht in den Separator 26 aufgenommen sein, um dazu beizutragen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
  • In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 ferner ein oder mehrere keramische Materialien und ein hitzebeständiges Material einschließen. Beispielsweise kann der Separator 26 auch mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material gemischt werden, oder eine oder mehrere Flächen des Separators 26 können mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beschichtet sein. In bestimmten Abwandlungen kann das keramische Material und/oder das hitzebeständige Material auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das keramische Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Siliciumdioxid (SiO2), und Kombinationen davon. Das hitzebeständige Material kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Nomex, Aramid, und Kombinationen davon.
  • Es sind verschiedene herkömmlich erhältliche Polymere und handelsübliche Produkte zum Bilden des Separators 26 sowie die vielen Herstellungsverfahren, die zum Produzieren eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können, denkbar. In jedem Fall kann der Separator 26 eine Dicke von größer als oder gleich 1 µm bis kleiner als oder gleich 50 µm und in bestimmten Fällen optional größer als oder gleich 1 µm bis kleiner als oder gleich 20 µm aufweisen.
  • In verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der Elektrolyt 30, der in dem porösen Separator 26 angeordnet ist, wie veranschaulicht in 1, durch einen Festkörperelektrolyten („SSE“) und/oder einen Halbfestkörperelektrolyten (z. B. ein Gel) ersetzt werden, der sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Beispielsweise kann der Festkörperelektrolyt und/oder Halbfestkörperelektrolyt zwischen der positiven Elektrode 24 und negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der Festkörperelektrolyt und/oder Halbfestkörperelektrolyt erleichtert die Übertragung von Lithiumionen und sorgt gleichzeitig für eine mechanische Trennung und elektrische Isolierung zwischen der negativen und positiven Elektrode 22, 24. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Festkörperelektrolyt und/oder Halbfestkörperelektrolyt eine Vielzahl von Füllstoffen einschließen, wie LiTi2(PO4)3, LiGe2(PO4)3, Li7La3Zr2O12, Li3xLa2/3-xTiO3, Li3PO4, Li3N, Li4GeS4, Li10GeP2S12, Li2S-P2S5, Li6PS6Cl, Li6PS6Br, Li6PS5I, Li3OCl, Li2,99 Ba0,005ClO, oder Kombinationen davon. Der Halbfestkörperelektrolyt kann einen Polymerwirt und einen flüssigen Elektrolyten einschließen. Der Polymerwirt kann beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethacrylnitril (PMAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Poly(vinylalkohol) (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP) einschließen, und Kombinationen davon. In bestimmten Abwandlungen kann sich der Halbfestkörper- oder Gelelektrolyt auch in der positiven Elektrode 24 und/oder den negativen Elektroden 22 befinden.
  • Die negative Elektrode 22 wird aus einem Lithiumwirtsmaterial gebildet, das in der Lage ist, als negativer Pol einer Lithiumionenbatterie zu fungieren. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl von negativen elektroaktiven Materialteilchen definiert sein. Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann beispielsweise nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist innerhalb der Poren der negativen Elektrode 22 zwischen den negativen elektroaktiven Materialteilchen enthalten. In bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen einschließen, die mit den negativen elektroaktiven Materialteilchen dispergiert sind. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (einschließlich der einen oder mehreren Schichten) eine mittlere Dicke von größer oder gleich 1 µm bis kleiner oder gleich 1000 µm und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 10 µm bis kleiner als oder gleich 200 µm aufweisen.
  • In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 ein lithiumhaltiges negatives elektroaktives Material, wie eine Lithiumlegierung und/oder ein Lithiummetall, einschließen. Beispielsweise kann in bestimmten Abwandlungen die negative Elektrode 22 durch eine Lithiummetallfolie gebildet werden. In anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise nur kohlenstoffhaltige Materialien (wie Grafit, Hartkohle, Weichkohle und dergleichen) und/oder metallische aktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und Legierungen davon, und dergleichen) und/oder Metalloxide (wie SnO2, Fe3O4, und dergleichen) einschließen. In anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ein auf Silicium basierendes elektroaktives Material (wie Silicium (Si), Siliciumoxid (SiOx, 0 ≤ x ≤ 2), und dergleichen) einschließen.
  • In noch anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Verbundelektrode sein, die eine Kombination von negativen elektroaktiven Materialien einschließt. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 ein erstes negatives elektroaktives Material und ein zweites negatives elektroaktives Material einschließen. In bestimmten Abwandlungen kann das Massenverhältnis des ersten negativen elektroaktiven Materials zum zweiten negativen elektroaktiven Material größer als oder gleich 5:95 bis kleiner als oder gleich 95:5 sein. Das erste negative elektroaktive Material kann ein volumenvergrößerndes Material sein, das beispielsweise Silicium, Aluminium, Germanium und/oder Zinn einschließt. Das zweite negative elektroaktive Material kann ein kohlenstoffhaltiges Material (z. B. Grafit, Hartkohlenstoff und/oder Weichkohlenstoff) einschließen. Beispielsweise kann das negative elektroaktive Material in bestimmten Abwandlungen einen Verbundwerkstoff auf Kohlenstoff-Siliciumbasis einschließen, der beispielsweise 10 Gew.-% SiOx (wobei 0 ≤ x ≤ 2) und 90 Gew.-% Grafit umfasst. In jedem Fall kann das negative elektroaktive Material vorlithiert sein.
  • In bestimmten Abwandlungen kann das negative elektroaktive Material optional mit einem elektronisch leitfähigen Material (z. B. einem leitfähigen Zusatzstoff), das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt (z. B. aufgeschlämmt) werden. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 größer als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99,5 Gew.- %, und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials; größer als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 30 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 0,5 Gew% bis weniger als oder gleich 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials, und größer als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-%, optional größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 5 Gew.- % des polymeren Bindemittels einschließen.
  • Elektronisch leitende Materialien können beispielsweise Materialien auf Kohlenstoffbasis, pulverförmiges Nickel oder andere Metallteilchen oder leitfähige Polymere einschließen. Materialien auf Kohlenstoffbasis können beispielsweise Grafitteilchen, Acetylenschwarz (wie KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstoff-Nanofasern und -Nanoröhren (z. B. einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNT)), Graphen (z. B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitfähige Rußteilchen (wie SuperP (SP)), und dergleichen einschließen. Beispiele für leitfähige Polymere schließen Polyanilin (PANi), Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol (PPy), und dergleichen ein.
  • Beispiele für polymere Bindemittel schließen beispielsweise Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylsäure (PAA), Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Polyethylenoxid (PEO), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Natriumalginat und/oder Lithiumalginat ein. In bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Kombination von Bindemitteln einschließen. Erfindungsgemäß enthält die negative Elektrode 22 größer als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 100 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 70 Gew.-% bis weniger als oder gleich 90 Gew.-% eines ersten Bindemittels und größer als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich 30 Gew.-% eines zweiten Bindemittels. Das erste Bindemittel kann Polytetrafluorethylen (PTFE) und das zweite Bindemittel beispielsweise Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polyethylenoxid (PEO), Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP) einschließen. In solchen Fällen kann der Verbundstoff als Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis bezeichnet werden.
  • In bestimmten Abwandlungen, wenn die negative Elektrode 22 beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis einschließt, kann die negative Elektrode 22 optional Zusatzstoffe aus porösem kristallinem Material einschließen, wie metallorganische Gerüste (MOFs) und/oder kovalent-organische Gerüste (COFs), die jeweils geordnete 1D- bis 3D-Porenstrukturen aufweisen, was zu ultrahohen spezifischen Oberflächen (z. B. bis zu 10.500 m2/g) führt. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 größer als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-%, optional größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 5 Gew.-% des Zusatzstoffs aus porösem kristallinem Material einschließen, und ein Verhältnis des Zusatzstoffs aus porösem kristallinem Material zum Bindemittel auf Polytetrafluorethylen (PTFE)basis kann größer als oder gleich 0,5 bis weniger als oder gleich 2 sein, und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 0,6 bis weniger als oder gleich 1. Die Zusatzstoffe aus porösem kristallinem Material (d. h. die metallorganischen Gerüste (MOFs) und/oder kovalent-organischen Gerüste (COFs)) können die Fibrillierung innerhalb der negativen Elektrode 22 verbessern, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen und die Benetzbarkeit zwischen dem Polytetrafluorethylen (PTFE) und dem Elektrolyten zu verbessern. Beispielsweise kann die hohe spezifische Fläche der metallorganischen Gerüste (MOFs) und/oder kovalent-organischen Gerüste (COFs) genutzt werden, um mehr Verankerungsstellen für die Fibrillierung von Polytetrafluorethylen (PTFE) bereitzustellen, während die in Nanogröße abstimmbaren Poren der metallorganischen Gerüste (MOFs) und/oder kovalent-organischen Gerüste (COFs), die sich in der Nähe der Polytetrafluorethylen (PTFE)-Fibrillen befinden, mehr flüssige Elektrolyten (z. B. Elektrolyt 30) speichern können.
  • Beispiele für metallorganische Gerüste (MOFs) weisen Oberflächen von größer als oder gleich 1.000 m2/g und in bestimmten Aspekten optional größer als 2.000 m2/g auf, und können (a) Carbonsäure-Liganden einschließen, einschließlich beispielsweise IR-MOF (wie IRMOF-16 (Zn4O(TPDC)3), IRMOF-1 (Zn4O(BDC)3), IRMOF-2 (Zn4O(BDC-NH2)3), IRMOF-8, IRMOF-10, IRMOF-12, IRMOF-14, IRMOF-15, MOF-177 (C54H15O13Zn4), MOF-188, MOF-200 (Zn4O(BBC)2), IRMOF-74-I (Mg2(DOT)), IRMOF-74-II (Mg2(DH2PHDC)), und/oder IRMOF-74-III (Mg2(DH3PhDC))), HKUST (wie HKUST-1 ([Cu3(C9H3O6)2]n)), MIL (wie MIL-53 (Fe(OH(BDC)), MIL-100 (Fe3F(H2O)2O[(C6H3)-(CO2)3]2·nH2O), und/oder MIL-101 ([Cr3(O)x(bdc)3(H2O)2], wobei bdc Benzol-1,4,dicarbozylat ist, und X OH oder F ist)), und/oder UiO mit Zr8O4(OH)4 (wie UIO-66 (Zr24O120C192H96N24), UIO-67 (Zr6O4(OH)4 - ·(bpdc), wobei bpdc Biphenyldicarboxylat (O2C(C6H4)2CO2)) ist, und/oder UIO-68 (Zr6O4(OH)4(C20H10O6)6(C3H7NO)(CH2Cl2)3)); (b) heterozyklische Liganden, die Stickstoff enthalten, einschließlich beispielsweise ZiF (wie ZIF-2 and ZIF-3 (Zn2(Im)4), ZIF-4 and ZIR-6 (Zn(IM2)), ZIF-5 (Zn3In2(Im)12), ZIF-11 und ZIR-7 (Zn(blm)2, C7H6N2·Zn·H2O), ZIR-8 (C8H10N4Zn), ZIF-9 (C7H6N2·Co·H2O), ZIF-11 (Zn[C7H5N2]2), ZIF-14 (Zn(elm)2), ZIF-67 (C8H10N4Co), ZIF-68 (C7,06H4,94N3,53O1,59Zn0,71), und/oder ZIF-90 (C48H36N24O12Zn6)) und/oder CPL (wie CPL-1 ([Cu2(pzdc)2(L)]n, C16H8N6O8Cu2), CPL-2 (C22H12N6O8Cu2), und/oder CPL-5 (C24H14N6O8Cu)); (c) biomolekulare Liganden, einschließlich beispielsweise CD-MOFs; (d) andere, einschließlich beispielsweise PCN-14 (C270H162Cu18O90); (e) Derivate von metallorganischen Gerüsten (MOFs), die metallorganische Gerüste (MOFs) auf der Fläche von Graphen, reduziertem Grafitoxid, Kohlenstoff-Nanoröhren, MoS2, Aktivkohle und/oder dergleichen umfassen; und/oder (f) von metallorganischen Gerüsten (MOFs) abgeleitete Kohlenstoffmaterialien und/oder poröse Metalloxid/Kohlenstoff-Verbundstoffe einschließen.
  • Beispiele für kovalent-organische Gerüste (COFs) weisen Oberflächen von größer als oder gleich 1.000 m2/g und in bestimmten Aspekten optional größer als 2.000 m2/g auf, und können einschließen: (a) borhaltige kovalent-organische Gerüste (COFs), die beispielsweise unter Verwendung von borierten Estern oder borierten Anhydriden hergestellt werden (einschließlich beispielsweise COF-1, COF-103 und/oder HHTP-DPB COF); (b) kovalent-organische Gerüste vom Imin-Typ (COF), die durch Kondensation von Polyaldehyden und Polyaminen erhalten werden (einschließlich beispielsweise COF-300, COF-LZU1, COF-320, BF-COF-1, BF-COF-2 und/oder LZU-301); (c) kovalent-organische Gerüste (COFs) auf Hydrazonbasis, die durch Cokondensation von Aldehyden und Hydraziden in Gegenwart von Essigsäure als Katalysator gebildet werden (einschließlich beispielsweise COF-42, COF-43, COF-JLU4, TFTP-COF und/oder LZU-21); (d) kovalent-organische Gerüste (COFs) auf Azinbasis, die durch Kondensationsreaktion zwischen Polyaldehyden und Hydrazin gebildet werden (einschließlich beispielsweise Py-Azin-COF, HEX-COF-1 und/oder ACOF); (e) kovalent-organische Gerüste (COFs) auf Imidbasis, die durch Kondensation eines Amins mit Essigsäureanhydrid bei hoher Temperatur (z. B. bis zu 250 °C) gebildet werden (einschließlich beispielsweise PI-COF-1, PI-COF-2, COF-77 und/oder COF-78); (f) kovalent-organische Gerüste (COFs) auf Ketoenaminbasis, die durch irreversible Enol-Keto-Tautomerisierung von Ketenimin-Bindungen in kovalent-organischen Gerüsten (COFs) auf Iminbasis hergestellt werden (einschließlich beispielsweise TFP-TPP CH2OF, TFP-TPA COF, TFP-Car COF und/oder β-Ketoenamin-verknüpfte COFs); (g) sp2-hybridisierte kohlenstoffkonjugierte kovalent-organische Gerüste (COFs), die durch die Knoevenagel-Kondensationen von Benzylcyaniden und Aldehyden in Gegenwart des Basenkatalysators gebildet werden (einschließlich, beispielsweise, sp2c-COF, sp2c-COF-2, und/oder sp2c-COF-3); (h) andere Verknüpfungen, einschließlich beispielsweise COF-202, COFs auf Polyaryletherbasis (PAE-COFs), COFS auf Triazinbasis (z. B. CTFs); (i) duale Verknüpfungen, einschließlich beispielsweise HHTP-FPBA-TATTA COF; (j) Derivate von kovalent-organischen Gerüsten (COFs), die kovalent-organische Gerüste (COFs) auf der Fläche von Graphen, reduziertem Grafitoxid, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, MoS2, Aktivkohle und/oder dergleichen umfassen; und/oder (k) von kovalent-organischen Gerüsten (COFs) abgeleitete Kohlenstoffmaterialien.
  • Die positive Elektrode 24 ist aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet, das in der Lage ist, einer Lithiuminterkalation und -Deinterkalation, einem Legier- und Entlegiervorgang oder einem Beschichtungs- und Ablösevorgang unterzogen zu werden, während es als positiver Pol einer Lithiumionenbatterie fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material gebildet werden. Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann beispielsweise nach dem Zusammenbau der Zelle in die Poren der positiven Elektrode 24 eingebracht werden und darin enthalten sein. In bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen einschließen. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine durchschnittliche Dicke von größer als oder gleich 1 µm bis kleiner als oder gleich 1.000 µm und in bestimmten Fällen optional größer als oder gleich 10 µm bis kleiner als oder gleich 200 µm aufweisen.
  • In verschiedenen Aspekten schließt das positive elektroaktive Material ein Hochspannungsoxid ein, wie beispielsweise LiNi0,5Mn1,5O4. In anderen Abwandlungen schließt das positive elektroaktive Material ein geschichtetes Oxid, dargestellt durch LiMeO2, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) ein, oder Kombinationen davon. In bestimmten Abwandlungen kann das positive elektroaktive Material beispielsweise LiNixMnyCO1-x-yO2 (wobei 0 < x < 1 und 0 < y < 1), LiNixCOyAl1-x-yO2 (wobei 0 < x < 1 und 0 < y < 1), LiNixMn1-xO2 (wobei 0 < x < 1 und 0 < y < 1), und/oder Li1+xMO2 (wobei 0 < x < 1) einschließen. In anderen Abwandlungen schließt das positive elektroaktive Material ein Oxid vom Olivin-Typ ein, dargestellt durch LiMePO4, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V), oder Kombinationen davon. In noch anderen Abwandlungen schließt das positive elektroaktive Material ein Oxid vom monoklinen Typ, dargestellt durch Li3Me2(PO4)3 ein, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V), oder Kombinationen davon. In noch anderen Abwandlungen schließt das positive elektroaktive Material ein Oxid vom Spinell-Typ ein, dargestellt durch LiMe2O4, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V), oder Kombinationen davon. In noch anderen Abwandlungen schließt das positive elektroaktive Material einen Tavoriten ein, der durch LiMeSO4F und/oder LiMePO4F dargestellt wird, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V), oder Kombinationen davon. In noch anderen Abwandlungen schließt das positive elektroaktive Material eine Kombination von positiven elektroaktiven Materialien ein. Die positive Elektrode 24 kann beispielsweise ein oder mehrere Hochspannungsoxide, ein oder mehrere geschichtete Oxide, ein oder mehrere Oxide vom Olivin-Typ, ein oder mehrere Oxide vom monoklinen Typ, ein oder mehrere Oxide vom Spinell-Typ, ein oder mehrere Tavorite einschließen, oder Kombinationen davon. In jedem Fall kann das positive elektroaktive Material oberflächenbeschichtet und/oder dotiert sein (z. B. LiNbO3 - beschichtetes LiNi0.5Mn1.5O4).
  • In jeder Abwandlung kann das positive elektroaktive Material optional mit einem elektronisch leitfähigen Material (d. h. einem leitfähigen Zusatzstoff), das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder einem polymeren Bindemittelmaterial vermischt werden, das die strukturelle Integrität der positiven Elektrode 24 verbessert. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 größer als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99,5 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials; größer als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 30 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 0,5 Gew% bis weniger als oder gleich 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials, und größer als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-%, optional größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 5 Gew.-% des polymeren Bindemittels einschließen. Der in der positiven Elektrode 24 eingeschlossene leitfähige Zusatzstoff und/oder das Bindemittelmaterial kann dasselbe oder ein anderes/anderer sein als der in der negativen Elektrode 22 eingeschlossene leitfähige Zusatzstoff und/oder das Bindemittelmaterial.
  • In bestimmten Abwandlungen, wenn die positive Elektrode 24 beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis einschließt, kann die positive Elektrode 24 optional Zusatzstoffe aus porösem kristallinem Material einschließen, wie metallorganische Gerüste (MOFs) und/oder kovalent-organische Gerüste (COFs), die jeweils geordnete 1 D- bis 3D-Porenstrukturen aufweisen, was zu ultrahohen spezifischen Oberflächen (z. B. bis zu 10.500 m2/g) führt. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 größer als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-%, optional größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 5 Gew.-% des Zusatzstoffs aus porösem kristallinem Material einschließen, und ein Verhältnis des Zusatzstoffs aus porösem kristallinem Material zum Bindemittel auf Polytetrafluorethylen (PTFE)basis kann größer als oder gleich 0,5 bis weniger als oder gleich 2 sein, und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 0,6 bis weniger als oder gleich 1 sein. Die metallorganischen Gerüste (MOFs) und/oder kovalent-organischen Gerüste (COFs), die in der positiven Elektrode 24 eingeschlossen sind, können die gleichen sein wie die metallorganischen Gerüste (MOFs) und/oder kovalent-organischen Gerüste (COFs), die in der negativen Elektrode 22 eingeschlossen sind, oder sich von ihnen unterscheiden, und wie in der negativen Elektrode 22 können die Zusatzstoffe aus porösem kristallinem Material (d. h. die metallorganischen Gerüste (MOFs) und/oder kovalent-organischen Gerüste (COFs)) die Fibrillierung innerhalb der positiven Elektrode 24 verstärken, um die mechanische Festigkeit zu verbessern und die Benetzbarkeit zwischen dem Polytetrafluorethylen (PTFE) und den Elektrolyten zu erhöhen. Beispielsweise kann die hohe spezifische Fläche der metallorganischen Gerüste (MOFs) und/oder kovalent-organischen Gerüste (COFs) genutzt werden, um mehr Verankerungsstellen für die Fibrillierung von Polytetrafluorethylen (PTFE) bereitzustellen, während die in Nanogröße abstimmbaren Poren der metallorganischen Gerüste (MOFs) und/oder kovalent-organischen Gerüste (COFs), die sich in der Nähe der Polytetrafluorethylen (PTFE)-Fibrillen befinden, mehr flüssigen Elektrolyten (z. B. Elektrolyt 30) speichern können.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Herstellen von Elektroden, wie die in FIG. dargestellten negativen und/oder positiven Elektroden 22, 24 bereit. 1. In bestimmten Abwandlungen, wie in 2 veranschaulicht, kann ein Verfahren 200 zum Herstellen einer beispielhaften Elektrode das Kontaktieren 210 eines oder mehrerer Elektrodenmaterialien, einschließlich beispielsweise des elektroaktiven Materials zusammen mit dem leitfähigen Zusatzstoff und/oder dem Bindemittelmaterial und/oder dem Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material, einschließen, um eine Elektrodenmaterialmischung zu bilden. In bestimmten Abwandlungen kann das Kontaktieren 210 das Trockenmischen der Elektrodenmaterialien bei einer Temperatur von weniger als 19 °C einschließen. Das Mischen bei niedriger Temperatur trägt dazu bei, Fibrillierung während des Kontaktierens 210 zu vermeiden. Im Anschluss an das Kontaktieren 210 schließt das Verfahren ferner das Kalandrieren 220 der Elektrodenmaterialmischung, beispielsweise unter Verwendung eines Walze-zu-Walze-Verfahrens ein. In bestimmten Abwandlungen kann das Kalandrieren 220 bei Raumtemperatur erfolgen. In anderen Abwandlungen kann das Kalandrieren 220 ein Heißwalzenverfahren sein. In jedem Fall tritt die Fibrillierung hauptsächlich während des Kalandrierens 220 auf.
  • In anderen Abwandlungen, wie in 3 veranschaulicht, kann ein Verfahren 300 zum Herstellen einer beispielhaften Elektrode das Kontaktieren 310 eines oder mehrerer erster Elektrodenmaterialien, einschließlich beispielsweise des elektroaktiven Materials und des leitfähigen Zusatzstoffs, zum Bilden einer ersten Mischung und das Kontaktieren 320 eines oder mehrerer zweiter Elektrodenmaterialien, einschließlich beispielsweise des Bindemittelmaterials und des Zusatzstoffs aus porösem kristallinem Material, zum Bilden einer zweiten Mischung einschließen. In bestimmten Abwandlungen kann das Kontaktieren 310 das Trockenmischen der ersten Elektrodenmaterialien einschließen. In bestimmten Abwandlungen kann das Kontaktieren 320 das Trockenmischen der Elektrodenmaterialien bei einer Temperatur von weniger als 19 °C einschließen. Das Mischen bei niedriger Temperatur trägt dazu bei, Fibrillierung während des Kontaktierens 310 zu vermeiden. Das Kontaktieren 310 eines oder mehrerer erster Elektrodenmaterialien und das Kontaktieren 320 des einen oder der mehreren zweiten Elektrodenmaterialien kann gleichzeitig oder nacheinander erfolgen. Im Anschluss an das Kontaktieren 310, 320 kann das Verfahren 300 ferner das Kontaktieren 330 der ersten und zweiten Mischung einschließen, um eine Elektrodenmaterialmischung zu bilden. Das Kontaktieren 330 kann das Trockenmischen der Elektrodenmaterialien bei einer Temperatur von weniger als 19 °C einschließen. Das Mischen bei niedriger Temperatur trägt dazu bei, Fibrillierung während des Kontaktierens 330 zu vermeiden. Im Anschluss an das Kontaktieren 330 schließt das Verfahren ferner das Kalandrieren 340 der Elektrodenmaterialmischung, beispielsweise unter Verwendung eines Walze-zu-Walze-Verfahrens ein. In bestimmten Abwandlungen kann das Kalandrieren 340 bei Raumtemperatur erfolgen. In anderen Abwandlungen kann das Kalandrieren 340 ein Heißwalzenverfahren sein. In jedem Fall tritt die Fibrillierung hauptsächlich während des Kalandrierens 340 auf.
  • Bestimmte Merkmale der vorliegenden Technologie sind ferner durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.
  • Vergleichsbeispiel
  • Beispielhafte Batterien und Batteriezellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
  • Eine Beispielzelle 410 kann beispielsweise eine positive Elektrode einschließen, die einen oder mehrere Zusatzstoffe aus porösem kristallinem Material einschließt. Die positive Elektrode kann beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) und ZIF-67 (C8H10N4Co) einschließen. Die positive Elektrode kann auch Kohlenstofffasern aus der Gasphase (VGCF) und SuperP (SP) als leitende Zusatzstoffe einschließen. Das positive elektroaktive Material kann NM7525 sein. Ein Verhältnis von NM7525:SuperP:VGCF:PTFE:ZIF-67 kann 91:3:1:3:2 betragen. Die negative Elektrode kann eine Lithiummetallschicht einschließen. Eine Vergleichszelle 420 kann ebenfalls eine Lithiummetallanode und eine positive Elektrode einschließen, die Polytetrafluorethylen (PTFE), Kohlenstofffasern aus der Gasphase (VGCF), SuperP (SP) und NM7525 umfasst. Im Falle der Vergleichszelle 420 schließt die positive Elektrode jedoch den einen oder mehrere Zusatzstoffe aus porösem kristallinem Material aus.
  • 4A ist eine grafische Veranschaulichung, die die Entladungsrate der Beispielzelle 410 im Vergleich zur Vergleichszelle 420 zeigt, wobei die x-Achse 400 die Zykluszahl und die y-Achse 402 das Verhältnis der Entladungskapazität zu C/10 (%) darstellt. Wie veranschaulicht, weist die Beispielzelle 410 eine verbesserte Entladungsrate auf.
  • 4B ist eine grafische Veranschaulichung, die die 2C-Ladung der Beispielzelle 410 im Vergleich zur Vergleichszelle 420 zeigt, wobei die x-Achse 450 die Zeit (Minuten) und die y-Achse 452 den Ladungszustand (%) darstellt. Wie veranschaulicht, weist die Beispielzelle 410 gegenüber der Vergleichszelle 420 eine verbesserte Schnellladefähigkeit auf. Beispielsweise können bei der Beispielzelle 410 auch mit Lithiummetallfolie und einer Kapazitätsladung von größer als 5,0 mAh/cm2 innerhalb von 30 Minuten bis zu 70 % Ladungszustand erreicht werden, während der Wert bei der Vergleichszelle 420 nur ungefähr 43 % beträgt.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Sie erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims (9)

  1. Elektrode zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die Elektrode umfasst: ein elektroaktives Material; ein Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis; und einen Zusatzstoff aus porösem kristallinem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: metallorganischen Gerüsten (MOFs, metal-organic frameworks), kovalent-organischen Gerüsten (COFs, covalent-organic frameworks), und Kombinationen davon, wobei das Bindemittel auf Polytetrafluorethylenbasis umfasst: größer als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 100 Gew.-% Polytetrafluorethylen (PTFE); und größer als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 50 Gew.-% eines zusätzlichen Bindemittels.
  2. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrode größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis kleiner als oder gleich 20 Gew.-% des Zusatzstoffs aus porösem kristallinem Material umfasst.
  3. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die metallorganischen Gerüste (MOFs) eine Oberfläche von größer als oder gleich 1.000 m2/g aufweisen und ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: IRMOF-16 (Zn4O(TPDC)3), IRMOF-1 (Zn4O(BDC)3), IRMOF-2 (Zn4O(BDC-NH2)3), IRMOF-8, IRMOF-10, IRMOF-12, IRMOF-14, IRMOF-15, MOF-177 (C54H15O13Zn4), MOF-188, MOF-200 (Zn4O(BBC)2), IRMOF-74-I (Mg2(DOT)), IRMOF-74-II (Mg2(DH2PHDC)), IRMOF-74-III (Mg2(DH3PhDC)), HKUST-1 ([Cu3(C9H3O6)2]n), MIL-53 (Fe(OH(BDC)), MIL-100 (Fe3F(H2O)2O[(C6H3)-(CO2)3]2nH2O (wobei 1 < n < 10)), MIL-101 ([Cr3OX (bdc)3(H2O)2] (wobei bdc Benzol-1,4,dicarbozylat ist, und X OH oder F ist), UIO-66 (Zr24O120C192H96N24), UIO-67 (Zr6O4(OH)4 - ·(bpdc) (wobei bpdc Biphenyldicarboxylat (O2C(C6H4)2CO2 ist)), UIO-68 (Zr6O4(OH)4(C20H10O6)6(C3H7NO)(CH2Cl2)3), ZIF-2, ZIF-3, ZIF-4, ZIR-6, ZIF-5 (Zn3In2(lm)12), ZIF-11, ZIR-7, ZIR-8 (C8H10N4Zn), ZIF-9 (C7H6N2·Co·H2O), ZIF-11 (Zn[C7H5N2]2), ZIF-14 (Zn(elm)2), ZIF-67 (C8H10N4Co), ZIF-68 (C7,06H4,94N3,53O1,59Zn0,71), ZIF-90 (C48H36N24O12Zn6)), CPL-1 ([Cu2(pzdc)2(L)]n), (wobei 1 < n < 100)), CPL-2 (C22H12N6O8Cu2), CPL-5 (C24H14N6O8Cu), und CD-MOFs, PCN-14 (C270H162Cu18O90), und Kombinationen davon.
  4. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die kovalent-organischen Gerüste (COFs) eine Oberfläche von größer als oder gleich 1.000 m2/g aufweisen und ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: COF-1, COF-103, HHTP-DPB COF, COF-300, COF-LZU1, COF-320, BF-COF-1, BF-COF-2, LZU-301, COF-42, COF-43, COF-JLU4, TFTP-COF, LZU-21, Py-Azin COF, HEX-COF-1, ACOF, PI-COF-1, PI-COF-2, COF-77, COF-78, TFP-TPP CH2OF, TFP-TPA COF, TFP-Car COF, β-Ketoenamin-verknüpften COFs, sp2c-COF, sp2c-COF-2, sp2c-COF-3, COF-202, COFs auf Polyaryletherbasis (PAE-COFs), COFS auf Triazinbasis, HHTP-FPBA-TATTA COF, und Kombinationen davon.
  5. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrode größer als oder gleich 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des Bindemittels auf Polytetrafluorethylenbasis umfasst.
  6. Elektrode nach Anspruch 1, wobei das zusätzliche Bindemittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polyethylenoxid (PEO), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), und Kombinationen davon.
  7. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrode ferner größer als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 30 Gew.-% eines elektrisch leitfähigen Materials umfasst.
  8. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrode eine mittlere Dicke von größer als oder gleich 50 Mikrometern bis weniger als oder gleich 500 Mikrometern aufweist.
  9. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Elektrode unter Verwendung eines lösungsmittelfreien Verfahrens hergestellt wird.
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