DE102022204655A1 - Method for producing a separator for a lithium-ion battery - Google Patents
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- H01M2300/0071—Oxides
Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Separators (26) für einen Lithiumlonen-Akkumulator umfassend die Schritte: Bereitstellen (S10) einer ersten Art von Partikeln (10) umfassend ein erstes oxidisches Feststoffelektrolytmaterial; Bereitstellen (S11) einer zweiten Art von Partikeln (11) umfassend ein zweites oxidisches Feststoffelektrolytmaterial; Mischen (S14) der ersten Art von Partikeln (10) und zweiten Art von Partikeln (11) und Sintern (S16) der Mischung umfassend die erste Art von Partikeln (10) und die zweite Art von Partikeln (11). Es wurde nun überraschend gefunden, dass insbesondere die Kombination von oxidischen Feststoffelektrolytmaterialen zu Separatoren mit guten elektrochemischen Eigenschaften führt.The invention describes a method for producing a separator (26) for a lithium ion battery, comprising the steps: providing (S10) a first type of particles (10) comprising a first oxidic solid electrolyte material; Providing (S11) a second type of particle (11) comprising a second oxidic solid electrolyte material; Mixing (S14) the first type of particles (10) and second type of particles (11) and sintering (S16) the mixture comprising the first type of particles (10) and the second type of particles (11). It has now surprisingly been found that the combination of oxidic solid electrolyte materials in particular leads to separators with good electrochemical properties.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Separators für einen Lithiumionen-Akkumulator umfassend die Sinterung unterschiedlicher Arten von Partikeln mit unterschiedlichen oxidischen Feststoffelektrolytmaterialien.The invention relates to a method for producing a separator for a lithium-ion battery, comprising the sintering of different types of particles with different oxidic solid electrolyte materials.
Wiederaufladbare elektrochemische Speichersysteme werden für viele Bereiche des täglichen Lebens immer wichtiger. Energiespeichervorrichtungen hoher Kapazität, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren und -Kondensatoren, werden in einer steigenden Anzahl von Anwendungen eingesetzt, einschließlich tragbarer Elektronik, Medizin, Transport, netzgekoppelte große Energiespeicher, Speicherung erneuerbarer Energien und unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Bei jeder dieser Anwendungen stellen die Lade- und Entladezeit und die Kapazität von Energiespeichervorrichtungen die entscheidenden Parameter dar. Darüber hinaus sind auch Größe, Gewicht und/oder Kosten solcher Energiespeichervorrichtungen wichtige Parameter. Außerdem ist ein niedriger Innenwiderstand für eine hohe Leistung erforderlich. Je geringer der Widerstand ist, desto geringer sind die Einschränkungen, denen die Energiespeichervorrichtung bei der Abgabe elektrischer Energie ausgesetzt ist. Beispielsweise wirkt sich der Innenwiderstand im Fall eines Akkumulators auf die Leistung aus, indem er die Gesamtmenge der Nutzenergie, die vom Akku gespeichert wird, sowie die Fähigkeit des Akkumulators, hohen Strom zu liefern, reduziert. Ferner sollen Li-lonen-Akkumulatoren die angestrebte Kapazität und die gewünschte Zyklisierung am besten erreichen. Allerdings fehlen den Li-lonen-Akkumulatoren in ihrer jetzigen Form oft die Energiekapazität und die Anzahl der Lade-/Entladezyklen für diese wachsenden Anwendungen.Rechargeable electrochemical storage systems are becoming increasingly important for many areas of daily life. High-capacity energy storage devices, such as lithium-ion batteries and capacitors, are being used in an increasing number of applications, including portable electronics, medical, transportation, grid-connected large-scale energy storage, renewable energy storage, and uninterruptible power supplies (UPS). In each of these applications, the charging and discharging time and the capacity of energy storage devices are the crucial parameters. In addition, the size, weight and/or cost of such energy storage devices are also important parameters. In addition, low internal resistance is required for high performance. The lower the resistance, the fewer restrictions the energy storage device faces when delivering electrical energy. For example, in the case of a battery, internal resistance affects performance by reducing the total amount of useful energy stored by the battery as well as the battery's ability to deliver high current. Furthermore, Li-ion batteries should best achieve the desired capacity and the desired cycling. However, Li-ion batteries in their current form often lack the energy capacity and number of charge/discharge cycles for these growing applications.
Wie oben bereits beschrieben, sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren heutzutage weit verbreitet. In der Unterhaltungselektronik werden sie beispielsweise in tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen, Smartphones, Laptops und Tablets und so weiter verwendet. Darüber hinaus sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren ein wichtiger Bestandteil von Elektrofahrzeugen, da elektrische Akkumulatoren in Elektroautos und Hybridfahrzeugen verwendet werden und damit Bestandteil der Massenproduktion geworden sind. Neben den oben beschriebenen Leistungsanforderungen treten daher zunehmend auch Anforderungen im Hinblick auf ökologische Aspekte in den Vordergrund. So ist die Zellproduktion von Feststoffzellen sehr komplex und zeichnet sich im Bereich Zellbau durch eine Vielzahl von präzisen Assemblierungsschritten aus.As described above, lithium-ion batteries are widely used today. In consumer electronics, for example, they are used in portable devices such as cell phones, smartphones, laptops and tablets and so on. In addition, lithium-ion batteries are an important part of electric vehicles, as electric batteries are used in electric cars and hybrid vehicles and have therefore become part of mass production. In addition to the performance requirements described above, requirements with regard to ecological aspects are also increasingly coming to the fore. The cell production of solid-state cells is very complex and is characterized by a large number of precise assembly steps in the area of cell construction.
Allerdings sind die aus dem Stand der Technik bislang bekannten Akkumulatoren noch nicht gänzlich zufriedenstellend.However, the accumulators known from the prior art are not yet entirely satisfactory.
Die Entwicklung von Lithiummetall-Akkumulatoren gilt als die vielversprechendste Technologie, die ein System hoher Energiedichte für die Energiespeicherung ermöglichen kann. Allerdings leiden die heutigen Lithiummetall-Akkumulatoren unter Dendritenwachstum, was die praktische Anwendung von Lithiummetall-Akkumulatoren in tragbaren Elektronikgeräten und Elektrofahrzeugen erschwert. Im Laufe mehrerer Lade-/Entladezyklen bilden sich auf der Lithiummetalloberfläche mikroskopisch kleine Lithiumfasern, sogenannte Dendriten, die sich ausbreiten, bis sie die andere Elektrode berühren. Das Leiten elektrischen Stroms durch diese Dendriten kann den Akkumulator kurzschließen. Einer der schwierigsten Aspekte der Herstellung eines Lithiummetall-Akku ist die Entwicklung einer stabilen und effizienten Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI). Eine stabile und effiziente SEI bietet eine wirksame Strategie, um das Dendritenwachstum zu verhindern und somit eine verbesserte Zyklisierung zu erreichen.The development of lithium metal batteries is considered the most promising technology that can enable a high energy density system for energy storage. However, today's lithium metal batteries suffer from dendrite growth, which makes the practical application of lithium metal batteries in portable electronic devices and electric vehicles difficult. Over the course of several charge/discharge cycles, microscopic lithium fibers called dendrites form on the lithium metal surface and spread out until they touch the other electrode. Conducting electrical current through these dendrites can short-circuit the accumulator. One of the most difficult aspects of manufacturing a lithium metal battery is developing a stable and efficient solid electrolyte interface (SEI). A stable and efficient SEI provides an effective strategy to prevent dendrite growth and thus achieve improved cycling.
Es besteht somit weiterhin ein Bedarf an verbesserten festen Separatoren für Lithium-Ionen Akkumulatoren mit maßgeschneiderten Eigenschaften.There is therefore still a need for improved solid separators for lithium-ion batteries with tailored properties.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Separators für einen Lithium-Ionen-Akkumulator umfassend die Schritte: Bereitstellen einer ersten Art von Partikeln umfassend ein erstes oxidisches Feststoffelektrolytmaterial; Bereitstellen einer zweiten Art von Partikeln umfassend ein zweites oxidisches Feststoffelektrolytmaterial; Mischen der ersten Art von Partikeln und zweiten Art von Partikeln; und Sinterung der Mischung umfassend die erste Art von Partikeln und die zweite Art von Partikeln.According to the invention, this object is achieved by a method for producing a separator for a lithium-ion battery comprising the steps: providing a first type of particles comprising a first oxidic solid electrolyte material; Providing a second type of particle comprising a second oxidic solid electrolyte material; mixing the first type of particles and second type of particles; and sintering the mixture comprising the first type of particles and the second type of particles.
Unterschiedliche Festelektrolyte haben unterschiedliche Eigenschaften. So ist der eine elektrochemisch stabil gegenüber Lithium, wohingegen der andere eine hohe Partikelleitfähigkeit besitzt. Die einen Elektrolytpartikel sind plastisch verformbar und andere wiederum weisen eine bessere Stabilität gegenüber Umgebungsluft auf. Es wurde nun überraschend gefunden, dass insbesondere die Kombination einer ersten Art von Partikeln umfassend ein erstes oxidisches Feststoffelektrolytmaterial mit einer zweiten Art von Partikeln umfassend ein zweites oxidisches Feststoffelektrolytmaterial zu Separatoren mit besonderen Vorteilen führt. Dies gilt nicht nur für den Fertigungsprozess, welche hierdurch verbessert werden kann, sondern auch für die Eigenschaften der Separatoren also solche.Different solid electrolytes have different properties. One is electrochemically stable to lithium, whereas the other has high particle conductivity. Some electrolyte particles are plastically deformable and others have better stability compared to ambient air. It has now surprisingly been found that, in particular, the combination of a first type of particles comprising a first oxidic solid electrolyte material with a second type of particles comprising a second oxidic solid electrolyte material leads to separators with particular advantages. This does not apply only for the manufacturing process, which can be improved as a result, but also for the properties of the separators.
Werden zwei unterschiedliche oxidische Feststoffelektrolytmaterialien miteinander kombiniert, können also insbesondere neben der allgemeinen Prozessierbarkeit, den Sintertemperaturen, der Prozessatmosphäre, der Formbeständigkeit, den Eigenspannungen ferner auch die Produkteigenschaften, insbesondere die Leitfähigkeit der Grenzschicht an den Körnern, also auch die mechanische und/oder chemische Stabilität, optimiert werden.If two different oxidic solid electrolyte materials are combined with one another, in addition to the general processability, the sintering temperatures, the process atmosphere, the dimensional stability, the internal stresses, the product properties, in particular the conductivity of the boundary layer on the grains, and also the mechanical and/or chemical stability , be optimized.
Besonderes Augenmerk liegt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auf dem Prozess der Sinterung. Beim Sintern werden Werkstoffe hergestellt oder verändert. Trotz des Erhitzens, bevorzugt unter erhöhtem Druck, bleibt die Form des Werkstücks erhalten, weil die Erwärmung der feinkörnigen keramischen oder metallischen Stoffe bevorzugt unterhalb der Schmelztemperatur bleibt.In connection with the present invention, particular attention is paid to the sintering process. Sintering is the process of producing or changing materials. Despite the heating, preferably under increased pressure, the shape of the workpiece is retained because the heating of the fine-grained ceramic or metallic materials preferably remains below the melting temperature.
Dennoch kann es zumindest an den Korngrenzen zu mikroskopischen Anschmelzvorgängen kommen die dazu führen, dass es beim Einsatz von zwei unterschiedlichen Feststoffelektrolytmaterialen, wie im Fall der vorliegenden Erfindung, Mischphasen an den Korngrenzen gebildet werden, die zu besonders guten elektrochemischen Eigenschaften des Separators beitragen.Nevertheless, microscopic melting processes can occur at least at the grain boundaries, which lead to mixed phases being formed at the grain boundaries when using two different solid electrolyte materials, as in the case of the present invention, which contribute to particularly good electrochemical properties of the separator.
Aus prozesstechnischer Sicht kann durch das Sintern von zwei oxidischen Materialien die notwendige Sintertemperatur erheblich reduziert werden.From a process engineering perspective, the necessary sintering temperature can be significantly reduced by sintering two oxidic materials.
Darüber hinaus stellen sich also an den zusammengeschmolzenen Korngrenzen der beiden Materialien Mischphasen ein. Diese Mischphasen können auch als partielle „feste Lösung“ verstanden werden. Während bei einphasigen Systemen die Eigenschaften im Wesentlichen durch die chemische Zusammensetzung bestimmt werden, werden diese bei mehrphasigen Systemen zusätzlich durch die Verteilung der Phasen beeinflusst. Durch die Mischphasen weist der Separator eine höhere mechanische und chemische Stabilität und darüber hinaus eine geringere Schmelztemperatur als einfache Keramiken auf, was die Prozessierbarkeit verbessert. Diese Mischphasen führen ferner zu einer verbesserten ionischen Leitfähigkeit und damit zu verbesserten Eigenschaften des Separators und damit auch des Akkumulators als solchem.In addition, mixed phases occur at the fused grain boundaries of the two materials. These mixing phases can also be understood as a partial “solid solution”. While in single-phase systems the properties are essentially determined by the chemical composition, in multi-phase systems they are also influenced by the distribution of the phases. Due to the mixing phases, the separator has a higher mechanical and chemical stability and also a lower melting temperature than simple ceramics, which improves processability. These mixed phases also lead to improved ionic conductivity and thus to improved properties of the separator and thus also of the accumulator as such.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird als oxidisches Feststoffmaterial jedes anorganische Material bezeichnet, welches Sauerstoff als Bestandteil umfasst. Als oxidisches Material werden also zum einen Oxide mit vorwiegend rein ionischen Bindungsanteilen, wie beispielsweise im Falle von Lithium-Lanthan-Zirkonat oder Lithium-Lanthan-Tantalat, verstanden. Darüber hinaus werden aber auch solche Verbindungen wie Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat als umfasst angesehen, bei denen Sauerstoff teilweise kovalente Bindungen ausbildet, beispielsweise als Teil einer Phosphat Gruppe.In the context of the present invention, any inorganic material that contains oxygen as a component is referred to as an oxidic solid material. Oxidic material is understood to mean, on the one hand, oxides with predominantly purely ionic bonding components, such as in the case of lithium lanthanum zirconate or lithium lanthanum tantalate. In addition, compounds such as lithium aluminum titanium phosphate in which oxygen partially forms covalent bonds, for example as part of a phosphate group, are also considered to be included.
Dennoch kann es zumindest an den Korngrenzen zu Schmelzvorgängen kommen, die dazu führen, dass es beim Einsatz von zwei unterschiedlichen Feststoffelektrolytmaterialen, wie im Fall der vorliegenden Erfindung, Mischphasen gebildet werden, die zu besonders guten elektrochemischen Eigenschaften des Separators beitragen.Nevertheless, melting processes can occur at least at the grain boundaries, which result in mixed phases being formed when two different solid electrolyte materials are used, as in the case of the present invention, which contribute to particularly good electrochemical properties of the separator.
Besonderes Augenmerk liegt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auf dem Prozess der Sinterung. Da sich die Partikel des pulverförmigen Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume zusammengedrückt werden, tritt in der Regel eine Schwindung während des Vorgangs auf.In connection with the present invention, particular attention is paid to the sintering process. As the particles of the powdery starting material compact and pore spaces are compressed, shrinkage usually occurs during the process.
Grundsätzlich haben Sinterprozesse eine große Bedeutung in der Keramikherstellung. Dabei ist das Festphasensintern vom Flüssigphasensintern zu unterscheiden, bei dem es auch zu einer Schmelze kommt, wie dies bereits im Zusammenhang mit der Mischphasenbildung offenbart worden ist.Basically, sintering processes are of great importance in ceramic production. A distinction must be made between solid-phase sintering and liquid-phase sintering, which also produces a melt, as has already been disclosed in connection with mixed phase formation.
Für Eigenschaften wie Festigkeit und Leitfähigkeit ist die Bindungsfläche der Körner im Verhältnis zur Partikelgröße von Bedeutung. Die Variablen, die für den gegeben ersten oxidischen Feststoffelektrolyten und den gegeben zweiten oxidischen Feststoffelektrolyten justiert und kontrolliert werden können, sind insbesondere die Temperatur und die anfängliche Korngröße, da der Dampfdruck von der Temperatur abhängt.The binding area of the grains in relation to the particle size is important for properties such as strength and conductivity. The variables that can be adjusted and controlled for the given first oxidic solid electrolyte and the given second oxidic solid electrolyte are, in particular, the temperature and the initial grain size, since the vapor pressure depends on the temperature.
Die Energiequelle für Festkörperprozesse ist die Änderung der freien Energie zwischen dem Hals und der Oberfläche des Partikels. Diese Energie erzeugt eine Materialübertragung auf schnellstmögliche Weise. Wenn eine Übertragung aus dem Partikelvolumen oder der Korngrenze zwischen Partikeln stattfinden würde, würde es zu Partikelreduktion und Porenzerstörung kommen. Die Porenreduktion tritt bei vielen Poren einheitlicher Größe und höherer Porosität schneller auf, wenn der Grenzdiffusionsabstand kleiner ist.The source of energy for solid state processes is the change in free energy between the neck and the surface of the particle. This energy creates material transfer in the fastest possible way. If transfer from the particle volume or the grain boundary between particles were to occur, particle reduction and pore destruction would occur. With many pores of uniform size and higher porosity, pore reduction occurs faster when the boundary diffusion distance is smaller.
Die Kontrolle der Temperatur ist für das Sinterverfahren bedeutsam, da die Korngrenzendiffusion und die Volumendiffusion von der Temperatur, der Größe und Verteilung der Partikel des Materials und der Materialzusammensetzung abhängen.Controlling the temperature is important for the sintering process because the grain boundary diffusion and the volume diffusion depend on the temperature, the size and distribution of the particles of the material and the material composition.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine weitere Temperaturbehandlung vorgenommen.According to a preferred embodiment of the method, a further temperature treatment is carried out.
Das Sintererzeugnis erhält hierdurch seine endgültigen Eigenschaften, wie Festigkeit, Härte oder Temperaturleitfähigkeit. Dies kann im Sinterprozess, je nach Anforderungen, gezielt gesteuert werden.This gives the sintered product its final properties, such as strength, hardness or thermal conductivity. This can be controlled specifically in the sintering process, depending on requirements.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Grünkörper in einem vorangegangenen Prozessschritt geformt. Hierdurch kann dem Separator eine passgenaue Form gegeben werden.According to a preferred embodiment, the green body is formed in a previous process step. This allows the separator to be given a precisely fitting shape.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren beschrieben, wobei das erste oxidische Feststoffelektrolytmaterial wenigstens ein Lithium-Lanthan-Zirkonat und/oder wenigstens ein Lithium-Lanthan-Tantalat umfasst.According to a preferred embodiment, the method is described, wherein the first oxidic solid electrolyte material comprises at least one lithium lanthanum zirconate and/or at least one lithium lanthanum tantalate.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren beschrieben, wobei das erste oxidische Feststoffelektrolytmaterial ein Granat bspw. Lithium-Lanthan-Zirkonat Li7La3Zr2O12 umfasst.According to a preferred embodiment, the method is described, wherein the first oxidic solid electrolyte material comprises a garnet, for example lithium lanthanum zirconate Li 7 La 3 Zr 2 O 12 .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren beschrieben, wobei das zweite oxidische Feststoffelektrolytmaterial wenigstens ein Keramikmaterial vom NASICON-Typ oder LISICON-Strukturtyp umfasst, welches dargestellt ist durch die allgemeine Formel Li1+xRxM2x(PO4)3, wobei M aus mindestens einem Element aus der Gruppe Ti, Ge, Zn, Si und Hf ausgewählt ist; R aus mindestens einem Element aus der Gruppe AI, B, Sn, Zr und Ge ausgewählt ist und x gewählt ist als 0 ≤ x < 3.According to a preferred embodiment, the method is described, wherein the second oxidic solid electrolyte material comprises at least one ceramic material of the NASICON type or LISICON structure type, which is represented by the general formula Li 1 +xR x M 2x (PO 4 ) 3 , where M consists of at least one element is selected from the group Ti, Ge, Zn, Si and Hf; R is selected from at least one element from the group AI, B, Sn, Zr and Ge and x is selected as 0 ≤ x < 3.
LISICON-Typ beziehungsweise NASICON-Typ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die Struktur des Feststoffelektrolytmaterials.In this context, LISICON type or NASICON type refers to the structure of the solid electrolyte material.
NASICON steht für „Natrium Super lonic Conductor“, was sich normalerweise auf eine Familie von Feststoffen mit der chemischen Formel Na1 +xZr2SixP3-xO12, mit 0 < x < 3 bezieht. Im weiteren Sinne wird es auch für ähnliche Verbindungen verwendet wo Na, Zr und/oder Si durch isovalente Elemente ersetzt sind. NASICON-Verbindungen haben hohe lonenleitfähigkeiten in der Größenordnung, die mit denen von flüssigen Elektrolyten konkurrieren können. Sie werden durch das Springen von Na-Ionen zwischen den Zwischengitterplätzen des NASICON-Kristallgitters verursacht.NASICON stands for “Natrium Super ionic Conductor,” which usually refers to a family of solids with the chemical formula Na 1 + xZr 2 Si x P 3-x O 12 , where 0 < x < 3. In a broader sense it is also used for similar compounds where Na, Zr and/or Si are replaced by isovalent elements. NASICON compounds have high ionic conductivities on the order of magnitude that can compete with those of liquid electrolytes. They are caused by the jumping of Na ions between the interstitials of the NASICON crystal lattice.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren beschrieben, wobei das zweite oxidische Feststoffelektrolytmaterial Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat als Keramikmaterial vom NASICON-Typ oder LISICON-Typ umfasst.According to a preferred embodiment, the method is described, wherein the second oxidic solid electrolyte material comprises lithium aluminum titanium phosphate as a NASICON-type or LISICON-type ceramic material.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren beschrieben, wobei das erste oxidische Feststoffelektrolytmaterial Lithium-Lanthan-Zirkonat Li7La3Zr2O12 (LLZO) umfasst und das zweite oxidische Feststoffelektrolytmaterial Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP) umfasst. Beide lonenleiter sind bevorzugt Li-lonenleiter. Ferner kommen Granate, Perowskite und Anti-Perowskite in Frage.According to a particularly preferred embodiment, the method is described, wherein the first oxidic solid electrolyte material comprises lithium lanthanum zirconate Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) and the second oxidic solid electrolyte material comprises lithium aluminum titanium phosphate (LATP). Both ion conductors are preferably Li ion conductors. Garnets, perovskites and anti-perovskites also come into consideration.
Das erste oxidische Feststoffelektrolytmaterial umfasst gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform Lithium-Lanthan-Zirkonat Li7La3Zr2O12, LLZO. Das zweite oxidische Feststoffelektrolytmaterial umfasst Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat, LATP, wobei beide Feststoffelektrolytmaterialien in einem Mengenverhältnis von jeweils 80:20 bis 20.80 bevorzugt 70:30 bis 30:70 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung eingesetzt werden.According to a particularly preferred embodiment, the first oxidic solid electrolyte material comprises lithium lanthanum zirconate Li7La3Zr2O12, LLZO. The second oxidic solid electrolyte material comprises lithium aluminum titanium phosphate, LATP, both solid electrolyte materials being used in a quantitative ratio of 80:20 to 20.80, preferably 70:30 to 30:70% by weight, based on the total weight of the composition.
LLZO ist stabil insbesondere stabil gegenüber Lithium Metall und weist eine hohe Kornleitfähigkeit auf. LLZO weist allerdings nachteiligerweise eine sehr hohe Sintertemperatur auf.LLZO is stable, particularly stable to lithium metal, and has high grain conductivity. However, LLZO disadvantageously has a very high sintering temperature.
LATP weist ebenfalls eine gute Kornleitfähigkeit, allerdings eine geringe Korngrenzleitfähigkeit auf. Im Gegensatz zu der Kornleitfähigkeit beschreibt die Korngrenzleitfähigkeit nicht die Leitfähigkeit innerhalb der Körner, sondern vielmehr die Leitfähigkeit über die Korngrenzen hinweg.LATP also has good grain conductivity, but low grain boundary conductivity. In contrast to grain conductivity, grain boundary conductivity does not describe the conductivity within the grains, but rather the conductivity across the grain boundaries.
Werden beide Elektrolyten kombiniert, können neben den Sintertemperaturen, Prozessatmosphäre, Formbeständigkeit und Eigenspannungen auch die Produkteigenschaften, insbesondere die Leitfähigkeit der Grenzschichten der Körner und die mechanische/chemische Stabilität optimiert werden.If both electrolytes are combined, in addition to the sintering temperatures, process atmosphere, dimensional stability and internal stresses, the product properties, in particular the conductivity of the boundary layers of the grains and the mechanical/chemical stability, can also be optimized.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren beschrieben, wobei das Verfahren ferner umfasst: Bildung wenigstens einer Beschichtung auf dem als Substrat ausgebildeten Separator.According to a preferred embodiment, the method is described, the method further comprising: forming at least one coating on the separator designed as a substrate.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren beschrieben, wobei die Beschichtung nach der Sinterung gebildet wird.According to a further preferred embodiment, the method is described, wherein the coating is formed after sintering.
Solche weiteren Beschichtungen können dazu dienen, die Eigenschaften des Separators weiter zu verbessern. Diese Ausführungsform wird als besonders bevorzugt beschrieben, da diese zu keinen nachteiligen strukturellen Veränderungen am Separator führt.Such additional coatings can serve to further improve the properties of the separator. This embodiment is described as particularly preferred because it does not lead to any disadvantageous structural changes to the separator.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Herstellung eines Separators für einen Lithium-Ionen-Akkumulator beschrieben, wobei die Beschichtung als eine kathodenseitige Beschichtung auf dem Substrat gebildet wird.According to a preferred embodiment, the method for producing a separator for a lithium-ion battery is described, wherein the coating is formed as a cathode-side coating on the substrate.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Herstellung eines Separators für einen Lithium-Ionen-Akkumulator beschrieben, wobei die Beschichtung als eine anodenseitige Beschichtung auf dem Substrat gebildet wird.According to a preferred embodiment, the method for producing a separator for a lithium-ion battery is described, wherein the coating is formed as an anode-side coating on the substrate.
Gemäß eine bevorzugten Ausführungsform dienen die beschriebenen Schichtstrukturen auf dem Separator dazu, einen Gradienten zu bilden.According to a preferred embodiment, the described layer structures on the separator serve to form a gradient.
So kann der erste Festelektrolyt und der zweite Festelektrolyt in der Separatormembran homogen verteilt sein oder einen Verteilungsgradienten aufweisen. Die Bildung eines Gradient gemäß dieser Ausführungsform sei im Folgenden beispielhaft beschrieben. Die angegebenen Mengen können vom Fachmann entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Einzelfalls geändert und angepasst werden. In diesem Fall liegen erster und zweiter Festelektrolyt bevorzugt in einem Verhältnis von 50:50 vor. Die bevorzugt zur Anode ausgerichtete Seite des Festelektrolytseparators besteht im Wesentlichen zu 100% aus dem ersten Festelektrolyt während die zur Kathodenseite orientierte Seite des Separators zu 100% aus dem zweiten Festelektrolyt besteht. Erreicht wird der Gradient über den Festelektrolytseparator durch ein schichtenweises auftragen unterschiedlicher Festelektrolytgemische. Beispielhaft wird eine erste Schicht bestehend nur aus dem ersten Festelektrolyt erstellt. Darauf wird eine zweite Schicht aufgetragen, die beispielsweise aus einer Mischung des ersten und zweiten Festelektrolyt in einem Verhältnis von 75:25. Eine optionale dritte Schicht aus erstem und zweiten Festelektrolyt im Mischungsverhältnis 50:50 wird im nächsten Schritt aufgetragen. Diesem schließt sich eine optionale vierte Schicht aus erstem und zweiten Festelektrolyt im Mischungsverhältnis 25:75 an, die im Beschichtungsverfahren aufgetragen wird. Den Abschluss bildet im gegebenen Beispiel eine Schicht bestehend nur aus dem zweiten Festelektrolyt.The first solid electrolyte and the second solid electrolyte can thus be homogeneously distributed in the separator membrane or have a distribution gradient. The formation of a gradient according to this embodiment is described below as an example. The specified quantities can be changed and adjusted by the specialist according to the requirements of each individual case. In this case, the first and second solid electrolytes are preferably present in a ratio of 50:50. The side of the solid electrolyte separator that is preferably oriented toward the anode consists essentially of 100% of the first solid electrolyte, while the side of the separator that is oriented toward the cathode side consists of 100% of the second solid electrolyte. The gradient is achieved via the solid electrolyte separator by applying different solid electrolyte mixtures in layers. By way of example, a first layer consisting only of the first solid electrolyte is created. A second layer is applied to this, which consists, for example, of a mixture of the first and second solid electrolytes in a ratio of 75:25. An optional third layer of first and second solid electrolyte in a mixing ratio of 50:50 is applied in the next step. This is followed by an optional fourth layer of first and second solid electrolyte in a mixing ratio of 25:75, which is applied using the coating process. In the example given, the conclusion is a layer consisting only of the second solid electrolyte.
Ein Lithium-Ionen-Akkumulator oder eine Lithium-Ionen-Batterie im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine wiederaufladbare Batterie, in der Lithium enthalten ist. Lithium-Ionen wandern beim Entladen von der negativen Elektrode durch einen Elektrolyten zur positiven Elektrode und beim Laden wieder zurück zur negativen Elektrode. Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwenden beispielsweise eine interkalierte Lithiumverbindung an der positiven Elektrode.A lithium-ion accumulator or a lithium-ion battery in the sense of the present invention is a rechargeable battery that contains lithium. Lithium ions migrate from the negative electrode through an electrolyte to the positive electrode when discharging and back to the negative electrode when charging. Lithium-ion batteries, for example, use an intercalated lithium compound on the positive electrode.
Während herkömmliche aus dem Stand der Technik bekannte Akkumulatoren typischerweise Graphit an der negativen Elektrode aufweisen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die negative Elektrode Lithiummetall umfasst, weiter bevorzugt wenigstens zu 80 Gew.-% aus Lithiummetall besteht, weiter bevorzugt wenigstens zu 90 Gew.-% aus Lithiummetall besteht und noch weiter bevorzugt im Wesentlichen aus Lithiummetall besteht..While conventional batteries known from the prior art typically have graphite on the negative electrode, the invention provides that the negative electrode comprises lithium metal, more preferably at least 80% by weight of lithium metal, more preferably at least 90% by weight. consists of lithium metal and even more preferably consists essentially of lithium metal.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Akkumulator als negative Elektrode eine Elektrode auf, die Lithiummetall umfasst oder aus diesem besteht, wobei der Separator LLZO als oxidisches Feststoffelektrolyt Material umfasst. LLZO ist besonders geeignet in Kombination mit eine Lithiummetall Elektrode, da dieses stabil gegenüber Lithium ist.According to a particularly preferred embodiment, the accumulator has, as a negative electrode, an electrode which comprises or consists of lithium metal, the separator comprising LLZO as an oxidic solid electrolyte material. LLZO is particularly suitable in combination with a lithium metal electrode as it is stable to lithium.
Die Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet einen Feststoffelektrolyten in der Separatorlage.The battery according to the present invention uses a solid electrolyte in the separator layer.
Neben produktionstechnischen Effizienzgewinnen ergibt sich folglich auch ein verbessertes Leistungsverhalten.In addition to production efficiency gains, this also results in improved performance.
Der Separator hat die Aufgabe einer Barriere, die die beiden Elektroden elektrisch voneinander isoliert, um interne Kurzschlüsse zu vermeiden. Gleichzeitig muss der Separator jedoch durchlässig für Ionen sein, damit die elektrochemischen Reaktionen in der Zelle ablaufen können. Ein Separator sollte dünn sein, damit der Innenwiderstand möglichst gering ist und eine hohe Packungsdichte erzielt werden kann.The separator serves as a barrier that electrically isolates the two electrodes from each other in order to avoid internal short circuits. At the same time, however, the separator must be permeable to ions so that the electrochemical reactions can take place in the cell. A separator should be thin so that the internal resistance is as low as possible and a high packing density can be achieved.
Neben dem ersten oxidischen Feststoffelektrolytmaterial und dem zweiten oxidischen Feststoffelektrolytmaterial können auch weitere Feststoffelektrolytmaterial umfasst sein. Solche weiteren Materialien, die optional zusätzlich zu dem notwendigerweise vorhandenen ersten oxidischen Feststoffelektrolyten und dem notwendigerweise vorhanden zweiten oxidischen Feststoffelektrolyten verwendet werden können, sind:
- Die Sulfide Li2S-P2S5, Li2S-SiS2 und Li2S-GeS2; und/oder
- die Oxide Li7La3Zr2O12 (LLZO) und Li3xLa2/3-3xTiO3 (LLTO); und/oder
- die Li-Argyrodite Li6PS5X (X= Cl, Br and I), Li7PS6 und Li7PSe6.
- The sulfides Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 and Li 2 S-GeS 2 ; and or
- the oxides Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) and Li 3x La 2/3-3x TiO 3 (LLTO); and or
- the Li argyrodites Li 6 PS 5 X (X= Cl, Br and I), Li 7 PS 6 and Li 7 PSe 6 .
Ferner können auch folgende zusätzlichen Materialien verwendet werden:
- β-Li3PS4, Li10SiP2S12, Li10GeP2S12 mit LiH2PO4 Beschichtung zu Li, 77.5Li2S-22.5P2S5, Lil-Li2S-P2S5, 80Li2S-20P2S5, Li6PS5Cl, Li6.6P0.4Ge0.6S5I, Li3PS4 Glass, 70Li2S-29P2S5-1 P2O5, Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3, Li6.6La3Zr1.6Ta0.4O12, Komposit von PEO-LiTFSI und Al-Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12, Komposit von PBA-LiClO4 und Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3, PEO-LiTFSI /oder SI-PEO-LiTFSI.
- β-Li 3 PS 4 , Li 10 SiP 2 S 12 , Li 10 GeP 2 S 12 with LiH 2 PO 4 coating to Li, 77.5Li 2 S-22.5P 2 S 5 , Lil-Li 2 SP 2 S 5 , 80Li 2 S-20P 2 S 5 , Li 6 PS 5 Cl, Li 6.6 P 0.4 Ge 0.6 S 5 I, Li 3 PS 4 Glass, 70Li 2 S-29P 2 S 5 -1 P 2 O 5 , Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 , Li 6.6 La 3 Zr 1.6 Ta 0.4 O 12 , composite of PEO-LiTFSI and Al-Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12 , comp sit of PBA-LiClO 4 and Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 , PEO-LiTFSI /or SI-PEO-LiTFSI.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Separatormaterial nur oxidische Feststoffelektrolyten.According to a further embodiment, the separator material only comprises oxidic solid electrolytes.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Akkumulator einen Stromkollektor auf. Als Stromkollektor wird ein Gebilde innerhalb der Batterieelektroden verstanden, das so konstruiert ist, dass es einen Stromfluss zwischen Zellenpolen und den aktiven Massen der Batterie ermöglicht.According to a preferred embodiment, the accumulator has a current collector. A current collector is a structure within the battery electrodes that is designed to allow current to flow between the cell poles and the active masses of the battery.
Stromkollektoren sind Komponenten zur Überbrückung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren und externen Stromkreisen und haben großen Einfluss auf die Kapazität, Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Herkömmliche Stromkollektoren, Al- und Cu-Folien werden seit der ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie verwendet und in den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Dicke dieser Stromkollektoren verringert, um die Energiedichte zu erhöhen.Current collectors are components for bridging lithium-ion batteries and external circuits and have a major influence on the capacity, performance and long-term stability of lithium-ion batteries. Conventional current collectors, Al and Cu foils have been used since the first commercial lithium-ion battery and over the past two decades the thickness of these current collectors has been reduced to increase energy density.
Die positive Elektrode kann bevorzugt ein Lithium-basiertes positives elektroaktives Material umfassen, das einer Lithium-Interkalation und -Deinterkalation, Legierung und Entlegierung oder Plattierung und Ablösung unterzogen werden kann, während es als positiver Anschluss fungiert.The positive electrode may preferably comprise a lithium-based positive electroactive material that can be subjected to lithium intercalation and deintercalation, alloying and dealloying, or plating and stripping while functioning as a positive terminal.
Als Kathodenmaterialien kommen unterschiedliche anorganische Lithiumverbindungen in Betracht. Beispielsweise:
- NMC (NCM) - Lithium Nickel Cobalt Mangan Oxide (LiNiCoMnO2);
- LFP - Lithium Eisen Phosphate (LiFePO4/C);
- LNMO - Lithium Nickel Mangan Spinel (LiNi0.5Mn1.5O4);
- NCA - Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (LiNiCoAlO2);
- LMO - Lithium Mangan Oxide (LiMn2O4) oder
- LCO - Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2).
- NMC (NCM) - Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide (LiNiCoMnO 2 );
- LFP - Lithium Iron Phosphate (LiFePO 4 /C);
- LNMO - Lithium Nickel Manganese Spinel (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 );
- NCA - Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO 2 );
- LMO - Lithium Manganese Oxide (LiMn 2 O 4 ) or
- LCO - Lithium Cobalt Oxide (LiCoO 2 ).
Insbesondere kann gemäß dieser alternativen Ausführungsform die negative Elektrode ein Lithiummetall und/oder eine Lithiumlegierung umfassen. In anderen Variationen kann die negative Elektrode ein negatives elektroaktives Material umfassen, das auf Silizium basiert und Silizium umfasst, zum Beispiel eine Siliziumlegierung, Siliziumoxid oder Kombinationen davon, die in bestimmten Fällen weiter mit Graphit gemischt sein können.In particular, according to this alternative embodiment, the negative electrode may comprise a lithium metal and/or a lithium alloy. In other variations, the negative electrode may comprise a negative electroactive material based on silicon and comprising silicon, for example a silicon alloy, silicon oxide, or combinations thereof, which in certain cases may be further mixed with graphite.
Gemäß der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen kann der Akkumulator einen Schichtaufbau aufwiesen. Der vorteilhafte Schichtaufbau wird durch die Verwendung des Feststoffelektrolyten ermöglicht. Der Feststoffelektrolyt wird in solchen Ausführungsformen auch als Separatorlage bezeichnet.According to the embodiments described below, the accumulator can have a layer structure. The advantageous layer structure is made possible by the use of the solid electrolyte. In such embodiments, the solid electrolyte is also referred to as a separator layer.
Ferner wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Lithium-Ionen-Akkumulator beschrieben, wobei die Separatorlage eine Dicke von 0,1 bis 25 µm aufweist.Furthermore, according to a preferred embodiment, a lithium-ion battery is described, wherein the separator layer has a thickness of 0.1 to 25 μm.
Darüber hinaus wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Lithium-Ionen-Akkumulator beschrieben, der ferner einen Kathodenstapel umfasst.In addition, according to a preferred embodiment, a lithium-ion battery is described, which further comprises a cathode stack.
Ferner wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Lithium-Ionen-Akkumulator beschrieben, der ferner einen Kathodenstapel umfasst mit einer Separatorlage.Furthermore, according to a preferred embodiment, a lithium-ion battery is described, which further comprises a cathode stack with a separator layer.
Die beschriebene Stapellösung stellt ein insgesamt flexibles System zur Verfügung, insbesondere durch die Verwendung der flexiblen Feststoffelektrolyt-Lage beziehungsweise der Separatorlage. Diese ist flexibel aufgrund der Konstitution und des Herstellungsverfahrens. Der Kern des Hybridkollektors kann dabei mechanische Spannungen kompensieren. Dies ermöglicht die Herstellung von zylindrischen Feststoffzellen. Vorteilhaft ist ferner, dass kein zusätzlicher Sinterprozess bei der Herstellung notwendig ist.The stacking solution described provides an overall flexible system, in particular through the use of the flexible solid electrolyte layer or the separator layer. This is flexible due to the constitution and the manufacturing process. The core of the hybrid collector can compensate for mechanical stresses. This enables the production of cylindrical solid-state cells. Another advantage is that no additional sintering process is necessary during production.
Weitere Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen und deren Kombination zu entnehmen.Further refinements can be found in the dependent claims and their combination.
Soweit im Einzelfall nicht anders angegeben, sind die in dieser Anmeldung genannten verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung vorteilhaft miteinander kombinierbar.Unless otherwise stated in individual cases, the various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Lithium-Ionen-Batterieanordnung mit Elektroden; -
2 ein Verfahren zur Herstellung eines Separators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
3a einen Sinterprozess für ein homogenes Gemisch von Partikeln; -
3b einen Sinterprozess für ein Gemisch umfassend eine erste Art von Partikeln und eine zweite Art von Partikeln; -
4 Korngrenzen eines Gemisches umfassend eine erste Art von Partikeln und eine zweite Art von Partikeln; -
5 einen Separator mit weiterer Beschichtung gemäß einer Ausführungsform und -
6 einen Separator mit weiteren Beschichtungen gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
1 a lithium-ion battery assembly with electrodes; -
2 a method for producing a separator according to an embodiment of the invention; -
3a a sintering process for a homogeneous mixture of particles; -
3b a sintering process for a mixture comprising a first type of particles and a second type of particles; -
4 Grain boundaries of a mixture comprising a first type of particles and a second type of particles; -
5 a separator with further coating according to one embodiment and -
6 a separator with further coatings according to a further embodiment.
Ferner werden Partikel einer zweiten Art umfassend ein zweites oxidisches Feststoffelektrolytmaterial hinzugefügt und die Partikel miteinander vermischt S14. Hierauf folgt die Sinterung S16 der Mischung umfassend die erste Art von Partikeln 10 und die zweite Art von Partikeln 11, womit schließlich der Separator 26 erhalten wird.
Furthermore, particles of a second type comprising a second oxidic solid electrolyte material are added and the particles are mixed together S14. This is followed by sintering S16 of the mixture comprising the first type of
Das erste oxidische Feststoffelektrolytmaterial umfasst dabei Lithium-Lanthan-Zirkonat Li7La3Zr2O12, LLZO. Das zweite oxidische Feststoffelektrolytmaterial umfasst Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat, LATP. Beide Feststoffelektrolytmaterialien wurde in einem Verhältnis von etwa 50:50 bezogen auf das Gewicht eingesetzt und gesintert. Andere Mengen sind allerdings ebenfalls verwendbar. Diese Kombination hat sich als besonders bevorzugt herausgestellt gegenüber anderen Kombinationen von Feststoffelektrolyt-Materialien. Beispielsweise einer Kombination von LLZO mit Perowskit oder LATP mit Perowskit. Allerdings sind Perowskit oder Anti-Perowskit auch möglich. Auch Granate sind möglichThe first oxidic solid electrolyte material includes lithium lanthanum zirconate Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , LLZO. The second oxide solid electrolyte material includes lithium aluminum titanium phosphate, LATP. Both solid electrolyte materials were used and sintered in a ratio of approximately 50:50 based on weight. However, other amounts can also be used. This combination has proven to be particularly preferred over other combinations of solid electrolyte materials. For example, a combination of LLZO with perovskite or LATP with perovskite. However, perovskite or anti-perovskite are also possible. Grenades are also possible
Nach dem Mischen der ersten Partikel 10 und der zweiten Partikel 11 wird die Pulvermasse in die Form des herzustellenden Werkstücks gebracht S16.1. Durch Formen oder Pressen des vermischten Ausgangsstoffes bei hohem Druck einer Matrize, wird der Grünling geformt. Dieser entspricht nun bereits der Form des gewünschten Sinterproduktes.After mixing the
Auch in diesem Fall wird der, durch das Verpressen entstandene Grünling oder Grünkörper durch eine darauffolgende Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet S16.2. Sofern ein Bindemittel verwendet wird, findet ein Eliminieren des Bindemittels bevorzugt bei Temperaturen zwischen 300 und 800°C statt. Das eigentliche Sintern findet bei Temperaturen von über 700 °C statt, bevorzugt zwischen 900 und 1200 °C gemäß Schritt 16.3.In this case too, the green compact or green body resulting from the pressing is compacted by a subsequent heat treatment below the melting temperature S16.2. If a binder is used, elimination of the binder preferably takes place at temperatures between 300 and 800 ° C. The actual sintering takes place at temperatures of over 700 °C, preferably between 900 and 1200 °C according to step 16.3.
Dies ist die eigentliche erfindungsgemäße Sinterung, wobei es bei der Hochtemperaturbehandlung des Grünlings zu einer Vergrößerung und Verschmelzung der Pulverkörnchen kommt. Dabei wird die offene Porosität der Sinterteile deutlich verringert. Erst jetzt entstehen die gewünschten Eigenschaften des Bauteils, wie Festigkeit, Härte und insbesondere Leitfähigkeit. Im Unterschied zur Schmelze werden die Ausgangsstoffe hierbei nicht vollständig geschmolzen.This is the actual sintering according to the invention, with the high-temperature treatment of the green compact causing the powder grains to enlarge and fuse. The open porosity of the sintered parts is significantly reduced. Only now do the desired properties of the component arise, such as strength, hardness and especially conductivity. In contrast to melting, the starting materials are not completely melted.
Die Sinterzusammensetzung umfasst die ersten Partikel und die zweiten Partikel, besitzt eine große innere Oberfläche und somit eine große Oberflächenenergie. Jedes System strebt nach einem Zustand geringster freier Enthalpie, was man sich beim Sintern zunutze macht. Die Oberflächenenergie sinkt, weil sich die einzelnen Körner vergrößern.The sintered composition includes the first particles and the second particles, has a large internal surface and thus a large surface energy. Every system strives for a state of lowest free energy, which is used when sintering. The surface energy decreases because the individual grains enlarge.
Dies gilt insbesondere in den Systemen mit gemischten oxidischen Partikeln wie im Fall der Erfindung. Denn hierbei kommt es an den Korngrenzen zu mikroskopischen Anschmelzvorgängen, die dazu führen, dass beim Einsatz von zwei unterschiedlichen Feststoffelektrolytmaterialen, wie im Fall der vorliegenden Erfindung, Mischphasen an den Korngrenzen gebildet werden, die zu besonders guten elektrochemischen Eigenschaften des Separators beitragen. Aus prozesstechnischer Sicht kann durch das Sintern von zwei oxidischen Materialien die notwendige Sintertemperatur erheblich reduziert werden. Anschließend wird das Sinterprodukt abgekühlt S16.4.This is particularly true in the systems with mixed oxidic particles as in the case of the invention. This is because microscopic melting processes occur at the grain boundaries, which result in mixed phases being formed at the grain boundaries when two different solid electrolyte materials are used, as in the case of the present invention, which contribute to particularly good electrochemical properties of the separator. From a process engineering perspective, the necessary sintering temperature can be significantly reduced by sintering two oxidic materials. The sintered product is then cooled S16.4.
Beim Sintern verschmelzen die Korngrenzen teilweise. Dies findet wegen der kolligativen Eigenschaften der Mischung des ersten Feststoffelektrolytmaterials und des zweiten Feststoffelektrolytmaterials an den Korngrenzen 15 bevorzugt statt. Es stellen sich also an den zusammengeschmolzenen Korngrenzen 15 Mischphasen ein, welche auch als partielle „feste Lösung“ verstanden werden können. Während bei einphasigen Systemen die Eigenschaften im Wesentlichen durch die chemische Zusammensetzung bestimmt werden, werden diese bei mehrphasigen Systemen zusätzlich durch die Verteilung der Phasen beeinflusst. Durch die Mischphasen weist der Separator eine höhere mechanische und chemische Stabilität und darüber hinaus eine geringere Schmelztemperatur als einfache Keramiken auf, was die Prozessierbarkeit verbessert. Diese Mischphasen, welche an den Korngrenzen 15 gebildet werden, führen ferner zu einer verbesserten ionischen Leitfähigkeit und damit zu verbesserten Eigenschaften des Separators 26 und damit auch des Akkumulators als solchem.During sintering, the grain boundaries partially fuse. This preferably takes place at the
BezugszeichenReference symbols
- S10S10
- Bereitstellen einer ersten Art von PartikelnProviding a first type of particle
- S11S11
- Bereitstellen einer zweiten Art von PartikelnProviding a second type of particle
- S14S14
- Mischen der ersten Art von Partikeln und zweiten Art von PartikelnMixing the first type of particles and second type of particles
- S16S16
- SinterungSintering
- S16.1S16.1
- FormgebungShaping
- S16.2S16.2
- Verdichtungcompression
- S16.3S16.3
- AufheizenWarm up
- S16.4S16.4
- Abkühlen cooling down
- 1010
- erste Art von Partikelnfirst type of particles
- 1111
- zweite Art von Partikeln second type of particles
- 1414
- Korngrenze zwischen gleicher Art von PartikelnGrain boundary between the same type of particles
- 1515
- Korngrenze zwischen Partikeln unterschiedlicher Art Grain boundary between particles of different types
- 2020
- Akkumulatoraccumulator
- 2222
- Negative ElektrodeNegative electrode
- 2424
- Positive ElektrodePositive electrode
- 2626
- Separator separator
- 100100
- Substrat des SeparatorsSeparator substrate
- 110110
- Erste kathodenseitige Beschichtung des SeparatorsFirst cathode-side coating of the separator
- 112112
- Erste Schicht des SeparatorsFirst layer of the separator
- 114114
- Zweite Schicht des SeparatorsSecond layer of the separator
- 120120
- Zweite anodenseitige Beschichtung des SeparatorsSecond anode-side coating of the separator
- 122122
- Erste Schicht des SeparatorsFirst layer of the separator
- 124124
- Zweite Schicht des SeparatorsSecond layer of the separator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102018212889 A1 [0004]DE 102018212889 A1 [0004]
- EP 3224884 A1 [0004]EP 3224884 A1 [0004]
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