DE102023100348A1 - Funktionelles hybridpulver als additiv für elektrochemische zellen - Google Patents

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Abstract

Ein hybrides funktionelles Teilchen zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wird bereitgestellt. Das hybride funktionelle Teilchen umfasst einen lithiierten Zeolith mit einer Vielzahl von Poren und eine Vielzahl von lithiumhaltigen Teilchen, die in einer oder mehreren Poren der Vielzahl von Poren des lithiierten Zeoliths angeordnet sind. Der lithiierte Zeolith hat beispielsweise eine Porosität von etwa 10 bis etwa 90 Vol.-%, und die lithiumhaltigen Teilchen können eine Menge von etwa 1 bis etwa 100 % der Gesamtporosität des lithiierten Zeoliths ausfüllen. Die elektrochemische Zelle umfasst eine erste und eine zweite Elektrode, die durch eine Trennschicht getrennt sind, und das hybride funktionelle Teilchen kann innerhalb einer oder beider Elektroden angeordnet, auf einer oder mehreren Seiten einer oder beider Elektroden aufgetragen, innerhalb der Trennschicht angeordnet und/oder auf einer oder mehreren Oberflächen der Trennschicht aufgetragen sein.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Fortschrittliche Energiespeicher und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische Lithiumionen-Batterien enthalten mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode dienen, und die andere Elektrode kann als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein mit einem flüssigen oder festen Elektrolyten gefüllter Separator angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen zwischen den Elektroden geeignet und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten (oder Festkörperseparator) enthalten, kann der Festkörperelektrolyt (oder Festkörperseparator) die Elektroden physisch trennen, so dass kein gesonderter Separator erforderlich ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf funktionelle hybride Pulveradditive für elektrochemische Zellen, auf Elektroden und elektrochemische Zellen, die funktionelle hybride Pulveradditive enthalten, sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenlegung ein hybrides funktionelles Teilchen zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Das hybride funktionelle Teilchen kann einen lithiierten Zeolith mit einer Vielzahl von Poren und einer Vielzahl von lithiumhaltigen Teilchen umfassen, die in einer oder mehreren Poren des lithiierten Zeoliths mit der Vielzahl von Poren angeordnet sind. Der lithiierte Zeolith kann eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Vol.-% aufweisen, und die lithiumhaltigen Teilchen können mehr als oder gleich etwa 1 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Gesamtporosität des lithiierten Zeoliths ausfüllen.
  • In einem Aspekt kann der lithiierte Zeolith durch ein Zeolithgerüst und eine Vielzahl von darin verteilten Kationen gebildet sein. Das Zeolithgerüst kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: NAT, EDI, THO, ANA, YUG, GOO, MON, HEU, STI, BRE, FAU, MFI, LTL, LTA und Kombinationen davon. Die Kationen können Li+ und/oder NH4 + umfassen.
  • In einem Aspekt kann die Vielzahl von lithiumhaltigen Teilchen aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Lithiumphosphat (Li3PO4)-Teilchen, Lithiumnitrat (LiNO3)-Teilchen, Lithiumfluorid (LiF), Lithiumoxid (Li2O), Lithiumperoxid (Li2O2) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das hybride funktionelle Teilchen mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% der lithiumhaltigen Teilchen enthalten.
  • In einem Aspekt kann das hybride funktionelle Teilchen eine Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 100 Nanometern bis weniger als oder gleich etwa 10 Mikrometern und eine spezifische Oberfläche von mehr als oder gleich etwa 10 m2/g bis weniger als oder gleich etwa 500 m2/g aufweisen.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Elektrodenanordnung kann einen Stromkollektor und eine Schicht aus elektroaktivem Material umfassen, die in der Nähe des Stromkollektors oder angrenzend an diesen angeordnet ist. Die Schicht aus elektroaktivem Material kann eine Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material und eine Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen enthalten. Jedes der hybriden funktionellen Teilchen kann einen lithiierten Zeolith mit einer Vielzahl von Poren und eine Vielzahl von lithiumhaltigen Teilchen umfassen, die in einer oder mehreren Poren der Vielzahl von Poren des lithiierten Zeoliths angeordnet sind. Der lithiierte Zeolith kann eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Vol.-% aufweisen, und die lithiumhaltigen Teilchen können mehr als oder gleich etwa 1 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Gesamtporosität des lithiierten Zeoliths ausfüllen.
  • In einem Aspekt kann die elektroaktive Materialschicht mehr als oder gleich etwa 90 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,9 Gew.-% der Teilchen aus elektroaktivem Material und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% der hybriden funktionellen Teilchen enthalten.
  • In einem Aspekt kann der lithiierte Zeolith durch ein Zeolithgerüst und eine Vielzahl von darin verteilten Kationen gebildet sein. Das Zeolithgerüst kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: NAT, EDI, THO, ANA, YUG, GOO, MON, HEU, STI, BRE, FAU, MFI, LTL, LTA und Kombinationen davon. Die Kationen können Li+ und/oder NH4 + umfassen.
  • In einem Aspekt kann die Vielzahl von lithiumhaltigen Teilchen aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Lithiumphosphat (Li3PO4)-Teilchen, Lithiumnitrat (LiNO3)-Teilchen, Lithiumfluorid (LiF), Lithiumoxid (Li2O), Lithiumperoxid (Li2O2) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das hybride funktionelle Teilchen mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% der lithiumhaltigen Teilchen enthalten.
  • In einem Aspekt kann das hybride funktionelle Teilchen eine Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 100 Nanometern bis weniger als oder gleich etwa 10 Mikrometern und eine spezifische Oberfläche von mehr als oder gleich etwa 10 m2/g bis weniger als oder gleich etwa 500 m2/g aufweisen.
  • In einem Aspekt kann die Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen eine erste Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen sein, der lithiierte Zeolith kann ein erster lithiierter Zeolith sein, die lithiumhaltigen Teilchen können erste lithiumhaltige Teilchen sein, und die Elektrode kann ferner eine Schutzschicht mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich etwa 100 Nanometern bis weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometern enthalten, die auf einer oder mehreren Oberflächen der elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist. Die Schutzschicht kann eine zweite Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen umfassen, einschließlich eines zweiten lithiierten Zeoliths mit einer Vielzahl von Poren und einer Vielzahl von zweiten lithiumhaltigen Teilchen, die in einer oder mehreren Poren der Vielzahl von Poren des zweiten lithiierten Zeoliths angeordnet sind. Der zweite lithiierte Zeolith kann eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Vol.-% aufweisen, und die zweiten lithiumhaltigen Teilchen können mehr als oder gleich etwa 1 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Gesamtporosität des zweiten lithiierten Zeoliths ausfüllen. Der zweite lithiierte Zeolith kann mit dem ersten lithiierten Zeolith identisch sein oder sich von ihm unterscheiden, und die zweiten lithiumhaltigen Teilchen können mit den ersten lithiumhaltigen Teilchen identisch sein oder sich von ihnen unterscheiden.
  • In einem Aspekt kann die Schicht aus elektroaktivem Material eine erste, an den Stromkollektor angrenzende Oberfläche mit einer ersten Konzentration der Hybridteilchen und eine zweite, von der ersten Oberfläche abgewandte Oberfläche mit einer zweiten Konzentration der Hybridteilchen aufweisen. Die erste und die zweite Konzentration können unterschiedlich sein, und es kann ein Gradient der hybriden funktionellen Teilchen in der elektroaktiven Materialschicht von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche bestehen.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die elektrochemische Zelle kann eine positive Elektrode mit einer Vielzahl positiver Teilchen aus elektroaktivem Material, eine negative Elektrode mit einem negativen elektroaktiven Material und eine Trennschicht umfassen, die zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist und eine keramische Beschichtung auf einer oder mehreren Oberflächen der Trennschicht aufweist. Die keramische Beschichtung kann eine Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen umfassen, wobei jedes der hybriden funktionellen Teilchen einen lithiierten Zeolith mit einer Vielzahl von Poren und eine Vielzahl von lithiumhaltigen Teilchen aufweisen kann, die in einer oder mehreren Poren der Vielzahl von Poren des lithiierten Zeoliths angeordnet sind. Der lithiierte Zeolith kann eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Vol.-% aufweisen, und die lithiumhaltigen Teilchen können mehr als oder gleich etwa 1 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Gesamtporosität des lithiierten Zeoliths ausfüllen.
  • In einem Aspekt kann die keramische Beschichtung eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 100 Nanometern bis weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometern haben.
  • In einem Aspekt kann der lithiierte Zeolith durch ein Zeolithgerüst und eine Vielzahl von darin verteilten Kationen gebildet sein. Das Zeolithgerüst kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: NAT, EDI, THO, ANA, YUG, GOO, MON, HEU, STI, BRE, FAU, MFI, LTL, LTA und Kombinationen davon. Die Kationen können Li+ und/oder NH4 + umfassen.
  • In einem Aspekt kann die Vielzahl von lithiumhaltigen Teilchen aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Lithiumphosphat (Li3PO4)-Teilchen, Lithiumnitrat (LiNO3)-Teilchen, Lithiumfluorid (LiF), Lithiumoxid (Li2O), Lithiumperoxid (Li2O2) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann jedes der hybriden funktionellen Teilchen mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% der Lithiumphosphat (Li3PO4)-Teilchen enthalten.
  • In einem Aspekt kann jedes der hybriden funktionellen Teilchen eine Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 100 Nanometern bis weniger als oder gleich etwa 10 Mikrometern und eine spezifische Oberfläche von mehr als oder gleich etwa 10 m2/g bis weniger als oder gleich etwa 500 m2/g aufweisen.
  • In einem Aspekt kann die Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen eine erste Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen sein, der lithiierte Zeolith kann ein erster lithiierter Zeolith sein, die lithiumhaltigen Teilchen können erste lithiumhaltige Teilchen sein, und die positive Elektrode kann außerdem eine zweite Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen enthalten, die mit der Vielzahl von positiven Teilchen aus elektroaktivem Material verteilt sind. Die zweite Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen kann einen zweiten lithiierten Zeolith mit einer Vielzahl von Poren und einer Vielzahl von zweiten lithiumhaltigen Teilchen umfassen, die in einer oder mehreren Poren der Vielzahl von Poren des zweiten lithiierten Zeoliths angeordnet sind. Der zweite lithiierte Zeolith kann eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Vol.-% aufweisen, und die zweiten lithiumhaltigen Teilchen füllen mehr als oder gleich etwa 1 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Gesamtporosität des zweiten lithiierten Zeoliths. Der zweite lithiierte Zeolith kann mit dem ersten lithiierten Zeolith identisch sein oder sich von ihm unterscheiden, und die zweiten lithiumhaltigen Teilchen können mit den ersten lithiumhaltigen Teilchen identisch sein oder sich von ihnen unterscheiden.
  • In einem Aspekt kann die positive Elektrode mehr als oder gleich etwa 90 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,9 Gew.-% der positiven Teilchen aus elektroaktivem Material und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% der hybriden funktionellen Teilchen enthalten.
  • In einem Aspekt kann die Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen eine erste Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen sein, der lithiierte Zeolith kann ein erster lithiierter Zeolith sein, die lithiumhaltigen Teilchen können erste lithiumhaltige Teilchen sein, und eine zweite Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen kann innerhalb der Trennschicht angeordnet sein. Die zweite Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen kann einen zweiten lithiierten Zeolith mit einer Vielzahl von Poren und eine Vielzahl von zweiten lithiumhaltigen Teilchen umfassen, die in einer oder mehreren Poren der Vielzahl von Poren des zweiten lithiierten Zeoliths angeordnet sind. Der zweite lithiierte Zeolith kann eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Vol.-% aufweisen, und die zweiten lithiumhaltigen Teilchen können mehr als oder gleich etwa 1 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Gesamtporosität des zweiten lithiierten Zeoliths ausfüllen. Der zweite lithiierte Zeolith kann mit dem ersten lithiierten Zeolith identisch sein oder sich von ihm unterscheiden, und die zweiten lithiumhaltigen Teilchen können mit den ersten lithiumhaltigen Teilchen identisch sein oder sich von ihnen unterscheiden.
  • In einem Aspekt kann die Trennschicht mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 97 Gew.-% der hybriden funktionellen Teilchen enthalten.
  • Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einem funktionellen Hybridpulver als Elektrodenadditiv gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Elektrode mit einer Elektrodenbeschichtung, die ein funktionelles Hybridpulver gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 3 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Separators mit einer keramischen Beschichtung, die ein funktionelles Hybridpulver gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zur Bildung eines funktionellen Hybridpulvers veranschaulicht, das in eine Elektrode als Elektrodenadditiv eingearbeitet, auf eine oder mehrere Oberflächen einer Elektrode aufgetragen, in eine Trennschicht als Separatoradditiv eingearbeitet und/oder auf eine oder mehrere Oberflächen einer Trennschicht aufgetragen werden kann, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 5A ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung einer beispielhaften Zelle, die ein funktionelles Hybridpulver als Elektrodenadditiv gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 5B ist eine graphische Darstellung der Zellenimpedanz, nach dem Zusammenbau der Zelle, einer beispielhaften Zelle, die ein funktionelles Hybridpulver als Elektrodenadditiv gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 5C ist eine graphische Darstellung der Zellenimpedanz nach 140 Zyklen einer beispielhaften Zelle, die ein funktionelles Hybridpulver als Elektrodenadditiv gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält; und
    • 6 ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung einer beispielhaften Zelle mit einer Trennschicht, die eine keramische Beschichtung aufweist, die ein funktionelles Hybridpulver gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält.
  • Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
  • Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.
  • Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.
  • Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „neben“ versus „direkt neben“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
  • Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
  • Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.
  • In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ bzw. „etwa“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ bzw. „etwa“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bzw. „etwa“ bedeutet sowohl, dass der angegebene Zahlenwert exakt oder genau ist, als auch, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „etwa“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
  • Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Unterbereiche.
  • Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
  • Die vorliegende Technologie bezieht sich auf elektrochemische Zellen, die ein funktionelles hybrides Pulveradditiv enthalten, sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung. Solche Zellen können in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z.B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Motorräder, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer) eingesetzt werden. Die vorliegende Technologie kann jedoch auch als nicht einschränkendes Beispiel in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z.B. Häuser, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Bürogeräten und Möbeln sowie in Maschinen für die Industrie, in agrarwirtschaftlichen oder landwirtschaftlichen Geräten oder in schweren Maschinen. Obwohl ferner die unten dargestellten Beispiele eine einzelne positive Elektroden-Kathode und eine einzelne Anode umfassen, ist Fachleuten klar, dass sich die vorliegenden Lehren auch auf verschiedene andere Konfigurationen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden, sowie verschiedenen Stromkollektoren mit elektroaktiven Schichten, die auf oder neben einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet sind.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 20 ist in 1 dargestellt. Die Batterie 20 enthält eine negative Elektrode 22 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z.B. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den zwei Elektroden 22, 24 angeordnet ist.
  • Der Separator 26 sorgt für eine elektrische Trennung - er verhindert den physischen Kontakt - zwischen den Elektroden 22, 24. Ferner bietet der Separator 26 einen Weg minimalen Widerstands für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von zugeordneten Anionen während der zyklischen Bewegung der Lithiumionen. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und/oder der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann, um ein kontinuierliches Elektrolyt-Netzwerk zu bilden.
  • Ein erster Stromkollektor 32 (z.B. ein negativer Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 (die auch als negative elektroaktive Materialschicht bezeichnet werden kann) angeordnet sein. Der erste Stromkollektor 32 kann zusammen mit der negativen Elektrode 22 als negative Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Obwohl nicht dargestellt, ist Fachleuten klar, dass in bestimmten Variationen 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 ist Fachleuten klar, dass in anderen Variationen eine negative elektroaktive Materialschicht auf einer ersten Seite des ersten Stromkollektors 32 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 -schirm oder Streckmetall sein, das Kupfer oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material enthalten kann, das den Fachleuten bekannt ist.
  • Ein zweiter Stromkollektor 34 (z.B. ein positiver Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 (die auch als positive elektroaktive Materialschicht bezeichnet werden kann) angeordnet sein. Der zweite Stromkollektor 34 kann zusammen mit der positiven Elektrode 24 als eine positive Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Obwohl nicht dargestellt, ist Fachleuten klar, dass in bestimmten Variationen 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 ist Fachleuten klar, dass in anderen Variationen 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 Stromkollektor 34 der zweiten Elektrode eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist.
  • Der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 können jeweils freie Elektronen sammeln und sie zu und von einem externen Stromkreis 40 bewegen. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den ersten Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Stromkollektor 34) verbinden. Die Batterie 20 kann während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden), und die negative Elektrode 22 hat ein niedrigeres Potential als die positive Elektrode. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch die Oxidation des an der negativen Elektrode 22 eingelagerten Lithiums erzeugten Elektronen durch den äußeren Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zur positiven Elektrode 24 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 30 enthält, um an der positiven Elektrode 24 eingelagertes Lithium zu bilden. Wie oben erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 30 typischerweise auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das verfügbare Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 abgenommen hat.
  • Die Batterie 20 kann jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle an die Lithiumionen-Batterie 20 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Das Anschließen einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z.B. die nicht spontane Oxidation von eingelagertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 über den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z.B. eingelagertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Batterieentladevorgangs aufzufüllen. Somit wird ein vollständiger Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Ladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisch bewegt werden. Die externe Stromquelle, die zum Laden der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige bemerkenswerte und beispielhafte externe Stromquellen sind unter anderem ein AC-DC-Wandler, der über eine Steckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs.
  • In vielen Konfigurationen der Lithiumionen-Batterie werden jeweils der erste Stromkollektor 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der zweite Stromkollektor 34 als relativ dünne Schichten (z.B. von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger Dicke) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengesetzt, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlusskappen, Laschen, Batterieanschlüsse und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, u.a. zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 herum. Die in 1 dargestellte Batterie 20 enthält einen flüssigen Elektrolyten 30 und zeigt repräsentative Konzepte des Batteriebetriebs.
  • Die Größe und Form der Batterie 20 können je nach der speziellen Anwendung, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn die Batterie 20 entladen wird. Bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 kann es sich um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln. Einige spezifische Beispiele sind ein Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder Geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Speicherung von elektrischer Energie auflädt.
  • Mit erneutem Bezug auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 innerhalb ihrer Poren enthalten, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, sei es in fester, flüssiger oder Gel-Form, der Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann, kann in der Lithiumionen-Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 z.B. eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z.B. > 1 M) sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz enthält. In der Batterie 20 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Elektrolytlösungen 30 verwendet werden.
  • Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrachloroaluminat (LiAlCl4), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4), Lithiumbis(oxalat)borat (LiB(C2O4)2) (LiBOB), Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF2(C2O4)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Lithiumbis(trifluormethan)sulfonylimid (LiN(CF3SO2)2), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO2)2) (LiSFI) und Kombinationen davon. Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, verschiedene Alkylcarbonate, wie z.B. zyklische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC) und dergleichen), lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und dergleichen), aliphatische Carbonsäureester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat und dergleichen), γ-Lactone (z.B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton und dergleichen), Ether mit Kettenstruktur (z.B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan und dergleichen), zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1 ,3-Dioxolan und dergleichen), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon.
  • Der poröse Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin enthält. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer aus zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Block-Copolymers oder eines statistischen Copolymers. Wenn das Polyolefin in ähnlicher Weise ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP sein. Zu den kommerziell erhältlichen Membranen für den porösen Polyolefin-Separator 26 gehören CELGARD® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind.
  • Wenn der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Laminat handeln, das entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzige Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen zur Bildung des mikroporösen Polymerseparators 26 zusammengesetzt werden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), ein Polyamid, Polyimid, Poly(amid-imid)-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können weiterhin als Faserschicht in den Separator 26 eingebracht werden, um zu helfen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
  • In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 außerdem ein keramisches Material und/oder ein hitzebeständiges Material enthalten. Beispielsweise kann der Separator 26 auch mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material vermischt werden, oder eine oder mehrere Oberflächen des Separators 26 können mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beschichtet werden. In bestimmten Variationen kann das keramische Material und/oder das hitzebeständige Material auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das keramische Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Siliciumdioxid (SiO2) und Kombinationen davon. Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Nomex, Aramid und Kombinationen daraus.
  • Verschiedene herkömmlich verfügbare Polymere und kommerzielle Produkte zur Herstellung des Separators 26 werden in Betracht gezogen, ebenso wie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können. In jedem Fall kann der Separator 26 eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Mikrometer (µm) bis weniger als oder gleich etwa 50 µm haben, und in bestimmten Fällen optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 20 µm.
  • Die negative Elektrode 22 besteht aus einem Lithium-Wirtsmaterial, das in der Lage ist, als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie zu fungieren. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl negativer Teilchen aus elektroaktivem Material gebildet sein. Solche negativen Teilchen aus elektroaktivem Material können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der negativen Elektrode 22 enthalten sein. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (einschließlich der einen oder mehreren Schichten) eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0 Nanometer (nm) bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm.
  • In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 ein lithiumhaltiges negatives elektroaktives Material, wie z.B. eine Lithiumlegierung und/oder ein Lithiummetall, enthalten. In bestimmten Variationen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise durch eine Lithiummetall-Folie gebildet sein. In anderen Variationen kann die negative Elektrode 22 nur z.B. kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohle, Weichkohle und dergleichen) und/oder metallische aktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen) enthalten. In weiteren Variationen kann die negative Elektrode 22 ein elektroaktives Material auf Siliciumbasis enthalten. In noch weiteren Variationen kann die negative Elektrode 22 eine Verbundelektrode sein, die eine Kombination von negativen elektroaktiven Materialien enthält. Die negative Elektrode 22 kann zum Beispiel ein erstes negatives elektroaktives Material und ein zweites negatives elektroaktives Material enthalten. In bestimmten Variationen kann das Verhältnis zwischen dem ersten negativen elektroaktiven Material und dem zweiten negativen elektroaktiven Material größer als oder gleich etwa 5:95 bis kleiner als oder gleich etwa 95:5 sein. Das erste negative elektroaktive Material kann ein volumenvergrößerndes Material sein, das beispielsweise Silicium, Aluminium, Germanium und/oder Zinn enthält. Das zweite negative elektroaktive Material kann ein kohlenstoffhaltiges Material (z.B. Graphit, Hartkohlenstoff und/oder Weichkohlenstoff) enthalten. In bestimmten Variationen kann das negative elektroaktive Material z.B. einen kohlenstoffhaltigen Verbundstoff auf Siliciumbasis enthalten, der z.B. etwa 10 Gew.-% SiOx(wobei 0 ≤ x ≤ 2) und etwa 90 Gew.-% Graphit enthält. In jedem Fall kann das negative elektroaktive Material vorlithiiert sein.
  • In bestimmten Variationen kann das negative elektroaktive Material optional mit einem elektrisch leitfähigen Material (d.h. leitfähiges Additiv), das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negative Elektrode 22 verbessert, vermischt (z.B. Schlickerguss) sein. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 enthalten: mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels.
  • Beispiele für polymere Bindemittel sind Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylsäure (PAA), Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat und/oder Lithiumalginat. Zu den elektronisch leitenden Materialien können beispielsweise Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören: Teilchen von Graphit, Acetylenruß (z.B. KET-CHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstoff-Nanofasern und -Nanoröhren (z.B. einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNT)), Graphen (z.B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitfähiger Ruß (z.B. SuperP (SP)), und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
  • Die positive Elektrode 24 ist aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet, das ausreichend Lithium-Einlagerung und -Auslagerung, -Legierung und -De-Legierung oder-Plattierung und -Abstreifung durchlaufen kann, während es als positiver Anschluss einer Lithiumionen-Batterie fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material gebildet sein. Solche positiven Teilchen aus elektroaktivem Material können in einer oder mehreren Schichten angeordnet werden, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu bilden. In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 24 auch eine Vielzahl von funktionalen Hybridteilchen enthalten, die zusammen mit den positiven Teilchen aus elektroaktivem Material angeordnet sind. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% an funktionellen Hybridteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 100 nm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm enthalten. Die geringe Menge an funktionalen Hybridteilchen sorgt dafür, dass das Elektrodenadditiv nur minimale Auswirkungen auf das Elektrodendesign und die Energiedichte hat. In bestimmten Variationen können die funktionellen Hybridteilchen gleichmäßig in der positiven Elektrode 24 verteilt sein. In einer anderen Variation können die funktionalen Hybridteilchen so angeordnet werden, dass sie einen Gradienten bilden, wobei Bereiche der positiven Elektrode 24, die näher am Stromkollektor 34 der positiven Elektrode liegen, größere Mengen der funktionalen Hybridteilchen aufweisen als Bereiche der positiven Elektrode 24, die weiter vom Stromkollektor 34 der positiven Elektrode entfernt sind. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in den Poren oder Hohlräumen der positiven Elektrode 24 enthalten, die zwischen den positiven Teilchen aus elektroaktivem Material und den funktionellen Hybridteilchen (und optional dem leitfähigen Additiv und/oder dem polymeren Bindemittel) gebildet sind. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm.
  • In verschiedenen Aspekten umfasst das positive elektroaktive Material (auch als kathodenaktive Materialien (CAM) bezeichnet) ein geschichtetes Oxid, dargestellt durch LiMeO2, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (AI), Vanadium (V) oder Kombinationen davon. In anderen Variationen umfasst das positive elektroaktive Material ein Oxid vom Olivin-Typ, dargestellt durch LiMePO4, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon. In noch anderen Variationen umfasst das positive elektroaktive Material ein Oxid des monoklinen Typs, dargestellt durch Li3Me2(PO4)3, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon. In noch anderen Variationen umfasst das positive elektroaktive Material ein Oxid vom Spinell-Typ, dargestellt durch LiMe2O4, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon. In noch anderen Variationen umfasst das positive elektroaktive Material einen Tavorit, der durch LiMeSO4F und/oder LiMePO4F dargestellt wird, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon. In weiteren Variationen umfasst das positive elektroaktive Material eine Kombination von positiven elektroaktiven Materialien. Die positive Elektrode 24 kann beispielsweise 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 oder Kombinationen davon enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten umfasst jedes der funktionellen Hybridteilchen ein Lithiumionen-ausgetauschtes Zeolithteilchen (d.h. lithiierten Zeolith), das beispielsweise eine Vielzahl von lithiumhaltigen Teilchen aufweist, die innerhalb einer oder mehrerer der Poren oder Käfige angeordnet sind, die innerhalb des Lithiumionenaustausch-Zeolithteilchens gebildet sind. In bestimmten Variationen kann die Vielzahl der Teilchen Lithiumphosphat (Li3PO4)-Teilchen, Lithiumnitrat (LiNO3)-Teilchen, Lithiumfluorid (LiF), Lithiumoxid (Li2O), Lithiumperoxid (Li2O2) und Kombinationen davon umfassen. Das einzelne Lithiumionenaustausch-Zeolithteilchen kann Porositäten von mehr als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional Porositäten von mehr als oder gleich etwa 30 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Vol.-% aufweisen, und die lithiumhaltigen Teilchen können mehr als oder gleich etwa 1 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 30 % bis weniger als oder gleich etwa 70 % der Gesamtporosität des einzelnen Lithiumionenaustausch-Zeolithteilchens ausfüllen. Die Poren des Lithiumionenaustausch-Zeolithteilchens können auch den Elektrolyten 30 zurückhalten, um die Wanderung der Lithiumionen zu unterstützen und die Zellenimpedanz zu verringern.
  • In bestimmten Variationen können die funktionellen Hybridteilchen zusätzlich oder alternativ lithiumhaltige Teilchen enthalten, die an einer Außenfläche des Lithiumionenaustausch-Zeolithteilchens vorhanden sind. In jedem Fall können die funktionellen Hybridteilchen ein Gewichtsverhältnis von Lithiumionenaustausch-Zeolithteilchen zu lithiumhaltigen Teilchen von mehr als oder gleich etwa 99:1 bis weniger als oder gleich etwa 1:99 aufweisen, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 80:20 bis weniger als oder gleich etwa 20:80. Während des Zyklusbetriebs können sich die lithiumhaltigen Teilchen aus den Poren der Lithiumionen-ausgetauschten Zeolithteilchen herausbewegen (d.h. freigesetzt werden) und auf einer oder mehreren Oberflächen der positiven Elektrode 24 angeordnet werden, um eine Kathoden-Elektrolyt-Zwischenphasen (cathode electrolyte interphase bzw. CEI)-Schicht zu bilden (z.B. durch Ausfällung), die die positiven elektroaktiven Materialien schützt und die Ionenleitfähigkeit verbessert.
  • Die Lithiumionen-ausgetauschten Zeolithteilchen können Teilchen eines oder mehrerer natürlicher oder synthetischer Zeolithmaterialien umfassen oder im Wesentlichen aus diesen bestehen. Der Begriff „Zeolith“ bezieht sich auf ein synthetisches oder natürliches kristallines Material mit einer porösen Gerüststruktur aus Tetraederatomen (z.B. Silicium, Aluminium, Phosphor), die durch brückenbildende Sauerstoffatome verbunden sind. Zeolithe können beispielsweise ein dreidimensionales Gerüst aus tetraedrischen Einheiten von Aluminiumoxid (AlO2) und Siliciumdioxid (SiO2) sowie Kationen außerhalb des Gerüsts enthalten. Jede tetraedrische Einheit bringt eine negative Ladung in das Gerüst ein, die durch die Kationen außerhalb des Gerüsts ausgeglichen wird. Die Kationen außerhalb des Gerüsts können organischer oder anorganischer Natur sein.
  • Der hier verwendete Begriff „Lithiumionen-ausgetauschtes Zeolithteilchen“ bezeichnet einen Zeolith, der mit Lithiumionen ionenausgetauscht wurde, so dass eine Vielzahl von Lithiumionen (Li+) im Zeolith als freie Ionen und/oder als Ionen außerhalb des Gerüsts vorhanden ist. In verschiedenen Aspekten können die Lithiumionen-ausgetauschten Zeolithteilchen beispielsweise ein dreidimensionales Gerüst aus tetraedrischen Einheiten von Aluminium (AlO2) und Silica (SiO2) sowie Lithiumkationen (Li+) außerhalb des Gerüsts umfassen. Die Menge der in den Lithiumionen-ausgetauschten Zeolithteilchen vorhandenen Lithiumkationen außerhalb des Gerüsts kann zumindest teilweise vom Silicium:Aluminium (Si:Al)-Verhältnis des spezifischen Zeolithmaterials und der Kationenaustauschkapazität (cation exchange capacity bzw. CEC) des Zeolithmaterials abhängen. Beispielsweise können die Lithiumionen-ausgetauschten Zeolithteilchen Teilchen eines Zeolithmaterials mit einem SiO2:Al2O3-Verhältnis im Bereich von größer als oder gleich etwa 10 bis kleiner als oder gleich etwa 50, optional größer als oder gleich etwa 10 bis kleiner als oder gleich etwa 40, optional größer als oder gleich etwa 10 bis kleiner als oder gleich etwa 20, optional größer als oder gleich etwa 20 bis kleiner als oder gleich etwa 50 und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich etwa 30 bis kleiner als oder gleich etwa 50 umfassen. In bestimmten Variationen können Lithiumionen-ausgetauschte Zeolithteilchen mit mehr SiO2 im Vergleich zu Al2O3 bevorzugt sein, z.B. mit einem SiO2:Al2O3-Verhältnis von mehr als etwa 10, z.B. für erhöhte Stabilität. In anderen Variationen können Lithiumionen-ausgetauschte Zeolithteilchen mit mehr Al2O3 im Vergleich zu SiO2, z.B. mit einem SiO2:Al2O3-Verhältnis von weniger als etwa 10, bereitgestellt werden, um z.B. zu einer erhöhten Flusssäure (HF)-Fängerfunktion beizutragen. In jedem Fall können die Lithiumionen-ausgetauschten Zeolithteilchen, die die funktionellen Hybridteilchen bilden, mehr als oder gleich etwa 90 Atom-% (At-%), optional mehr als oder gleich etwa 95 At-%, optional mehr als oder gleich 99 At-% oder in bestimmten Aspekten optional etwa 100 At-% der Kationen außerhalb des Gerüsts (z.B. Lithiumkationen (Li+)) in den Zeolithteilchen enthalten.
  • In jedem Fall hat das Zeolithgerüst Hohlräume oder Poren in Form von Käfigen oder Kanälen zwischen den Tetraedern, die durch Ringe aus miteinander verbundenen Sauerstoff (O)-, Silicium (Si)-, Phosphor (P)- und/oder Aluminium (Al)-Atomen gebildet sind. Die Zeolithteilchen können einen durchschnittlichen Porendurchmesser von weniger als oder gleich etwa 1,5 nm, optional weniger als oder gleich etwa 1 nm, optional weniger als oder gleich etwa 0,75 nm, optional weniger als oder gleich etwa 0,5 nm, optional weniger als oder gleich etwa 0,25 nm, optional weniger als oder gleich etwa 0,1 nm oder in bestimmten Aspekten optional etwa 0,05 nm aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die Zeolithteilchen einen durchschnittlichen Porendurchmesser von größer oder gleich etwa 0,1 nm bis kleiner oder gleich etwa 1,5 nm, optional größer oder gleich etwa 0,1 nm bis kleiner oder gleich etwa 1 nm oder in bestimmten Fällen optional größer oder gleich etwa 0,35 nm bis kleiner oder gleich etwa 0,7 nm aufweisen. Zeolithmaterialien mit Porenöffnungen mit den oben beschriebenen Breiten oder Durchmessern können Zeolithmaterialien mit Porenöffnungen umfassen, die durch 8-, 9-, 10- und/oder 12-gliedrige Ringe gebildet sind. Die lithiumhaltigen Teilchen können eine durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, die kleiner ist als die durchschnittliche Teilchengröße, die kleiner ist als der durchschnittliche Porendurchmesser der Poren der Zeolithteilchen. Beispielsweise können die lithiumhaltigen Teilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 0,5 nm bis weniger als oder gleich etwa 1 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 nm bis weniger als oder gleich etwa 100 nm aufweisen. Die lithiumhaltigen Teilchen müssen in die Poren des Zeoliths eindringen können. Die Teilchengröße der lithiumhaltigen Teilchen muss also kleiner sein als die Porengröße des Zeoliths.
  • Wie bereits erwähnt, kann das lithiierte Zeolithteilchen eine Kristallstruktur aufweisen, die eine Vielzahl von Zwischenräumen (oder Käfigen) mit molekularen Abmessungen einschließt, so dass das lithiierte Zeolithteilchen als Adsorptionsmittel verwendet werden kann, um Moleküle selektiv zu adsorbieren, indem es die Moleküle (zusätzlich zu den lithiumhaltigen Teilchen) in seinen Zwischenräumen zurückhält. Der Zugang zu den Zwischenräumen innerhalb eines Zeoliths erfolgt über Porenöffnungen (oder Kanäle) im Kristallgitter des Zeoliths, die durch Ringe aus miteinander verbundenen Atomen von Sauerstoff (O), Silicium (Si) und/oder Aluminium (AI) gebildet sind. Größe und Form dieser Porenöffnungen begrenzen die Größe und Form der Moleküle, die vom lithiierten Zeolithteilchen adsorbiert werden können, und werden zumindest teilweise durch die Anzahl der Tetraedereinheiten (oder alternativ der Sauerstoffatome), aus denen die Ringe bestehen, und durch die Art der im lithiierten Zeolithteilchen vorhandenen Kationen außerhalb des Gerüsts bestimmt. In bestimmten Variationen kann das Lithium-ausgetauschte Zeolithteilchen beispielsweise einen solchen durchschnittlichen Porendurchmesser haben, dass es selektiv Wassermoleküle (z.B. Spurenmengen) aus dem flüssigen Elektrolyten absorbieren kann, ohne die organischen Lösungsmittelmoleküle oder die Lithiumsalzionen in der Elektrolytlösung im Elektrolyten zu adsorbieren. Z.B. können die Lithiumionen-ausgetauschten Zeolithteilchen einen durchschnittlichen Porendurchmesser aufweisen, der größer ist als der lonenradius von Wasser (H2O), aber kleiner als der lonenradius der organischen Lösungsmittelmoleküle in der Elektrolytlösung.
  • Darüber hinaus können in bestimmten Variationen als Ergebnis der großen Oberfläche (z.B. größer oder gleich etwa 10 m2/g bis kleiner oder gleich etwa 500 m2/g) des Lithium-ausgetauschten Zeolithteilchens das Aluminiumoxid (AlO2) und das Siliciumdioxid (SiO2) Flusssäure (HF) abfangen und mit ihr reagieren, die hochgradig korrosiv ist und häufig von elektrochemischen Zellen während der Zersetzung des Elektrolyten erzeugt wird, z.B. durch die Reaktion von Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) mit Wasser (z.B. LiPF6 + H2O ↔ LiF + POF3 + 2HF). Die Dispersion der funktionellen Hybridteilchen mit den positiven elektroaktiven Materialien in der positiven Elektrode 24 kann dazu beitragen, die Fängerfunktion der Lithiumaustausch-Zeolithteilchen zu verbessern, da sich die funktionellen Hybridteilchen in der Nähe der positiven elektroaktiven Materialien befinden und in der Lage sind, mit der Flusssäure zu reagieren, bevor diese die positiven elektroaktiven Materialien angreift. In jedem Fall kann das Einfangen von Wasserspuren (und damit die Begrenzung der Bildung von Flusssäure) sowie das Auffangen und Einschließen von gebildeter Flusssäure dazu beitragen, die Korrosion und den Verfall der verschiedenen Komponenten der Batterie 20 zu verringern. Darüber hinaus kann das Lithium-ausgetauschte Zeolithteilchen in bestimmten Variationen durch Ionenaustausch Übergangsmetallionen (z.B. Mn2+ und/oder Fe2+/3+) einfangen, die im Elektrolyten 30 als Ergebnis der Zersetzung von Lithium-basierten Einlagerungs-Wirtsmaterialien innerhalb der positiven Elektrode 24 und/oder aufgrund des Vorhandenseins von Übergangsmetallverunreinigungen in der positiven Elektrode 24 vorhanden sein können.
  • Gemäß 1 kann in bestimmten Variationen das positive elektroaktive Material auch optional mit einem elektrisch leitfähigen Material (d.h. leitfähigen Additiv), das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negative Elektrode 24 verbessert, vermischt (z.B. Schlickerguss) sein. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 enthalten: mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 97 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels. Das in der positiven Elektrode 24 enthaltene leitfähige Additiv und/oder Bindemittel kann mit dem in der negativen Elektrode 22 enthaltenen leitfähigen Additiv und/oder Bindemittel identisch oder davon verschieden sein.
  • In anderen Variationen kann, wie in 2 dargestellt, eine Schutzschicht 100, die eine Vielzahl funktioneller Hybridteilchen, wie die funktionellen Hybridteilchen, die im Inhalt von 1 beschrieben sind, und optional ein polymeres Bindemittel enthält, auf einer oder mehreren Oberflächen einer positiven Elektrode 124 angeordnet sein. Obwohl nicht dargestellt, kann die Schutzschicht 100 beispielsweise auf einer Oberfläche der positiven Elektrode 124 angeordnet sein, die einer Trennschicht zugewandt ist. In ähnlicher Weise, wenn auch nicht dargestellt, sollte klar sein, dass zusätzlich zu der Schutzschicht 100 und der ersten Vielzahl von funktionellen Hybridteilchen, die darin enthalten sind, eine zweite Vielzahl von funktionellen Hybridteilchen auch mit den positiven elektroaktiven Materialien in der positiven Elektrode 124 verteilt sein kann. In jedem Fall kann die Schutzschicht 100 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 100 nm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm.
  • In noch anderen Variationen, wie in 3 dargestellt, kann eine keramische Schicht 200, die eine Vielzahl funktioneller Hybridteilchen enthält, wie die funktionellen Hybridteilchen, die im Inhalt von 1 beschrieben sind, auf einer oder mehreren Oberflächen eines Separators 226 angeordnet sein, der in eine Zelle eingebaut ist, um Elektroden physisch zu trennen. Obwohl nicht dargestellt, kann die Keramikschicht 200 beispielsweise auf einer Oberfläche des Separators angeordnet sein, die einer positiven Elektrode gegenüberliegt. In ähnlicher Weise, wenn auch nicht dargestellt, sollte klar sein, dass zusätzlich zu der Keramikschicht 200 und der ersten Vielzahl von darin enthaltenen funktionellen Hybridteilchen auch eine zweite Vielzahl von funktionellen Hybridteilchen in der Trennschicht 226 verteilt sein kann. Beispielsweise kann die Trennschicht 226 mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 100 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 80 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% der zweiten Vielzahl von funktionellen Hybridteilchen enthalten. In jedem Fall kann die keramische Schicht 200 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 100 nm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm; und eine Porosität von mindestens etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 30 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Vol.-% aufweisen. In bestimmten Variationen kann die keramische Schicht 200 ein oder mehrere Bindemittel (z.B. wässrige Bindemittel und/oder Bindemittel auf Basis organischer Lösungsmittel) enthalten, die mit der Vielzahl der funktionellen Hybridteilchen verteilt sind.
  • Es sollte klar sein, dass in noch weiteren Variationen, obwohl nicht dargestellt, eine Trennschicht bereitgestellt werden kann, die eine Vielzahl von darin verteilten funktionellen Hybridteilchen enthält (z.B. mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 80 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% der funktionellen Hybridteilchen), aber nicht mit einer Keramikschicht beschichtet ist, die ebenfalls funktionelle Hybridteilchen enthält.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Bildung eines funktionellen Hybridpulvers, wie oben beschrieben, bereit, das in eine Elektrode als Elektrodenadditiv eingearbeitet, auf eine oder mehrere Oberflächen einer Elektrode aufgetragen, in eine Trennschicht als Separatoradditiv eingearbeitet und/oder auf eine oder mehrere Oberflächen einer Trennschicht aufgetragen werden kann. Das funktionelle Hybridpulver kann unter Verwendung von Verfahren hergestellt werden, wie sie in der US-Patentanmeldung von Xingcheng Xiao and Mei Cai mit der Seriennummer 17/375,414 mit dem Titel „Lithium Ion-Exchange Zeolite Particles for Electrochemical Cells and Methods of Making the Same“, eingereicht am 14. Juli 2021, beschrieben sind, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Wie in 4 dargestellt, kann ein beispielhaftes Verfahren 400 zur Bildung eines funktionellen Hybridpulvers das Inkontaktbringen 410 eines Vorläufer-Zeolithpulvers, das eine Vielzahl von Vorläufer-Zeolithteilchen mit austauschbaren Kationen außerhalb des Gerüsts enthält, mit einer Phosphatlösung umfassen, um ein erstes Gemisch zu erhalten.
  • Bei der Phosphatlösung kann es sich um eine nichtwässrige oder wässrige Lösung handeln, die z.B. enthält: (NH4)3PO4, Na3PO4, K3PO4, Na2HPO4, KH2PO4, Ca3(PO4)2, Ba3(PO4)2 und Kombinationen davon. Die Vorläufer-Zeolithteilchen können ein Gerüst enthalten, das ausgewählt ist aus NAT, EDI, THO, ANA, YUG, GOO, MON, HEU, STI, BRE, FAU, MFI, LTL und/oder LTA. In bestimmten Variationen können die Vorläufer-Zeolithteilchen beispielsweise ein Zeolithmaterial wie Zeolith A, Zeolith Y, Zeolith L und/oder ZSM-5 enthalten. In jeder Variation können die Vorläufer-Zeolithteilchen austauschbare Kationen enthalten, die aus Wasserstoff, Ammonium, Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Francium, Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium und/oder Radium ausgewählt sind.
  • Das Zeolithpulver und die Phosphatlösung können in einem ersten Behälter bei einer ausreichenden Temperatur (z.B. größer oder gleich etwa 18 °C bis kleiner oder gleich etwa 150 °C) für eine ausreichende Zeitspanne (z.B. größer oder gleich etwa 5 Minuten bis kleiner oder gleich etwa 48 Stunden) in Kontakt gebracht, z.B. gemischt werden, so dass zumindest einige der austauschbaren Kationen außerhalb des Gerüsts (z.B. Na+, H+, K+) des Vorläufer-Zeolithpulvers mit Ionen der Phosphatlösung, z.B. NH4 +, ausgetauscht werden, um Zeolith-Zwischenteilchen zu bilden.
  • Obwohl nicht dargestellt, kann das Verfahren 400 in bestimmten Variationen auch die Herstellung der Phosphatlösung und/oder die Gewinnung des Vorläufer-Zeolithpulvers umfassen. In jeder Variation kann das Verfahren 400 ferner das Inkontaktbringen 420 eines Lithiumsalzes mit dem ersten Gemisch umfassen, so dass mindestens einige der austauschbaren Kationen außerhalb des Gerüsts (z.B. NH4 +, Na+, H+, K+) der Zeolith-Zwischenteilchen durch Li+ Ionen ersetzt oder ausgetauscht werden, um funktionelle Hybridteilchen zu bilden, wie oben beschrieben. In bestimmten Variationen können das erste Gemisch und das Lithiumsalz beispielsweise im ersten Behälter bei einer ausreichenden Temperatur (z.B. größer oder gleich etwa 18 °C bis kleiner oder gleich etwa 150 °C) für eine ausreichende Zeitspanne (z.B. größer oder gleich etwa 5 Minuten bis kleiner oder gleich etwa 48 Stunden) in Kontakt gebracht werden.
  • Das Lithiumsalz kann zum Beispiel Lithiumhydroxid (LiOH), Lithiumcarbonat (Li2CO3), Lithiumchlorid (LiCl), Lithiumnitrat (LiNO3) und/oder Lithiumsulfat (Li2SO4) umfassen. Das Lithiumsalz kann in bestimmten Variationen in einer wässrigen oder nichtwässrigen Lösung (d.h. in einer Lösungsmittellösung) vorliegen, und die Zeolith-Zwischenteilchen können mit dem Lithiumsalz vermischt werden. Die Konzentration des Lithiumsalzes in der Lösung kann im Bereich von 0,1 M bis 2 M liegen und kann während des Lithiumionen-Austauschverfahrens eingestellt werden, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Menge der ursprünglichen austauschbaren Kationen in den Zeolith-Zwischenteilchen durch Lithiumionen ersetzt wird, z.B. NH4 +-Kationen durch Li+-Kationen ersetzt werden. Die Zugabe eines Lithiumsalzes zum ersten Gemisch kann durch die nachstehende beispielhafte Reaktionsgleichung (1) dargestellt werden: 3 LiOH + (NH4)3PO4 = Li3PO4 ↓ + 3NH3 ↑ + 3 H2O (1)
  • Wie oben beschrieben, kann das während der Reaktion gebildete Li3PO4 innerhalb der Käfige der Lithiumionen-ausgetauschten Zeolithteilchen und/oder auf den Außenflächen der Lithiumionen-ausgetauschten Zeolithteilchen vorhanden sein. Die Konzentrationen des (NH4)3PO4 und/oder des Lithiumsalzes (z.B. LiOH) können auf der Grundlage der Menge an Kationen im Vorläufer-Zeolithmaterial eingestellt werden, um sicherzustellen, dass Li3PO4 sich innerhalb der Käfige oder Hohlräume der Zeolithteilchen und/oder auf den Außenflächen der Lithiumionen-ausgetauschten Zeolithteilchen bildet.
  • Es wurde entdeckt, dass, wenn zuerst die Kationen außerhalb des Gerüsts (z.B. Na+, H+, K+), z.B. mit einem kleineren hydratisierten Radius, innerhalb der Vorläufer-Zeolithteilchen durch NH4 +-Kationen ausgetauscht werden (z.B. in Schritt 410), dann können die NH4 +-Kationen leichter und einfacher durch Li+-Kationen ausgetauscht werden (z.B. in Schritt 420). Die Entfernung unerwünschter Kationen, wie Na+ und K+, aus den Zeolithteilchen ist vorteilhaft, da solche unerwünschten Kationen eine Verunreinigung des Elektrolyten der Batterie verursachen können. Darüber hinaus ist die Einbindung von Li3PO4 in die Zeolithteilchen vorteilhaft, da Li3PO4 feuerhemmende Eigenschaften hat und dazu beitragen kann, einen Brand während eines thermischen Durchgehens der Batterie zu verhindern.
  • In bestimmten Variationen kann das Verfahren 400 nach dem lonenaustausch auch die Abtrennung 430 der funktionellen Hybridteilchen von etwaigen Lösungsmittelrückständen umfassen. Die funktionellen Hybridteilchen können mit jedem geeigneten Verfahren, z.B. durch Zentrifugieren oder Filtrieren, bei 430 von dem/den restlichen Lösungsmittel(n) getrennt werden. Die funktionellen Hybridteilchen können in ähnlicher Weise gereinigt oder gewaschen werden, indem sie von restlichen Ionen und Lösungsmitteln befreit werden, z.B. durch Waschen mit entionisiertem Wasser.
  • In bestimmten Variationen kann das Verfahren 400 ferner das Erhitzen 440 der isolierten funktionellen Hybridteilchen bei einer geeigneten Temperatur für eine ausreichende Zeitspanne umfassen, um adsorbiertes Wasser daraus zu entfernen. Die funktionellen Hybridteilchen können beispielsweise in einer trockenen Umgebung oder im Vakuum kalziniert werden, um den Wasserentzug zu beschleunigen. Beispielsweise können die funktionellen Hybridteilchen in einer Umgebung mit weniger als 20 % relativer Luftfeuchtigkeit kalziniert werden. In jedem Fall können die funktionellen Hybridteilchen bei 440 auf eine Temperatur von mehr als oder gleich etwa 400 °C bis weniger als oder gleich etwa 1000 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 500 °C bis weniger als oder gleich etwa 800 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 8 Stunden und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 4 Stunden erhitzt werden.
  • Bestimmte Merkmale der aktuellen Technologie werden in den folgenden nicht einschränkenden Beispielen näher erläutert.
  • Beispiel 1
  • Beispielhafte Batterien und Batteriezellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Eine beispielhafte Zelle 510 kann beispielsweise ein Elektrodenadditiv enthalten, das eine Vielzahl funktioneller Hybridteilchen umfasst. In bestimmten Variationen kann das Elektrodenadditiv in einer positiven Elektrode enthalten sein. Eine erste Vergleichszelle 520 kann ein Elektrodenadditiv (z.B. in einer positiven Elektrode) enthalten, das lithiierten Zeolith umfasst. Bei einer zweiten Vergleichszelle 530 können die Elektrodenadditive weggelassen sein. Jede der Zellen 510, 520, 530 enthält ein positives elektroaktives Material, das ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Aluminiumoxid (NMCA) umfasst.
  • 5A ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung der beispielhaften Zelle 510 im Vergleich zu den Vergleichszellen 520, 530, (C/5 Laden, C/2 Entladen, 50 °C), wobei die x-Achse 500 die Zyklenzahl und die y-Achse 502 die Kapazitätserhaltung (%) repräsentiert. Wie dargestellt, weist die beispielhafte Zelle 510 im Vergleich zu den Vergleichszellen 520, 530 eine verbesserte Kapazitätserhaltung auf.
  • 5B ist eine graphische Darstellung der Zellenimpedanz der beispielhaften Zelle 510 im Vergleich zu den Vergleichszellen 520, 530 nach der Zellenmontage, wobei die x-Achse 550 den Realteil der Impedanz (Re(Z)/Ohm) und die y-Achse 552 den Imaginärteil der Impedanz (-Im(Z)/Ohm) darstellt. Wie dargestellt, weist die beispielhafte Zelle 510 nach dem Zusammenbau der Zelle eine geringere Zellenimpedanz auf als die Vergleichszellen 520, 530.
  • 5C ist eine graphische Darstellung der Zellenimpedanz der beispielhaften Zelle 510 im Vergleich zu den Vergleichszellen 520, 530 nach 140 Zyklen, wobei die x-Achse 570 den Realteil der Impedanz (Re(Z)/Ohm) und die y-Achse 572 den Imaginärteil der Impedanz (-Im(Z)/Ohm) darstellt. Wie dargestellt, weist die beispielhafte Zelle 510 nach 140 Zyklen eine geringere Zellenimpedanz auf als die Vergleichszellen 520, 530.
  • Beispiel 2
  • Beispielhafte Batterien und Batteriezellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Eine beispielhafte Zelle 610 kann beispielsweise eine Überzugsschicht mit einer Vielzahl funktioneller Hybridteilchen enthalten, die auf einer oder mehreren Seiten einer Trennschicht angeordnet sind. In bestimmten Variationen kann die Überzugsschicht auf einer Oberfläche der Trennschicht angeordnet sein, die einer positiven Elektrode zugewandt ist. Eine erste Vergleichszelle 620 kann eine Überzugsschicht enthalten, die einen lithiierten Zeolith umfasst, der auf einer oder mehreren Seiten einer Trennschicht angeordnet ist. Eine zweite Vergleichszelle 630 kann eine keramische Schicht enthalten, die z.B. Al2O3, Zeolith umfasst und auf einer oder mehreren Seiten einer Trennschicht angeordnet ist. In jedem Fall können die positiven Elektroden z.B. NMC 622 enthalten, und die negativen Elektroden, die durch die Trennschichten von den positiven Elektroden getrennt sind, können Graphit enthalten.
  • 6 ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung der beispielhaften Zelle 610 im Vergleich zu den Vergleichszellen 620 und 630 bei 45 °C, wobei die x-Achse 600 die Zyklenzahl und die y-Achse 602 die Kapazitätserhaltung (%) repräsentiert. Wie dargestellt, weist die beispielhafte Zelle 620 im Vergleich zu den Vergleichszellen 620, 630 eine verbesserte Kapazitätserhaltung auf.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 17/375414 [0072]

Claims (10)

  1. Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: eine positive Elektrode, die eine Vielzahl positiver Teilchen aus elektroaktivem Material enthält; eine negative Elektrode, die ein negatives elektroaktives Material enthält; und eine Trennschicht, die zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist und eine keramische Beschichtung auf einer oder mehreren Oberflächen der Trennschicht aufweist, wobei die keramische Beschichtung umfasst: eine Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen, wobei jedes der hybriden funktionellen Teilchen aufweist: einen lithiierten Zeolith, der eine Vielzahl von Poren und eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Vol.-% aufweist; und eine Vielzahl von lithiumhaltigen Teilchen, die in einer oder mehreren Poren der Vielzahl von Poren des lithiierten Zeoliths angeordnet sind, wobei die lithiumhaltigen Teilchen mehr als oder gleich etwa 1 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Gesamtporosität des lithiierten Zeoliths ausfüllen.
  2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die keramische Beschichtung eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 100 Nanometern bis weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometern aufweist.
  3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der lithiierte Zeolith durch ein Zeolithgerüst und eine Vielzahl von darin verteilten Kationen gebildet ist, wobei das Zeolithgerüst ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: NAT, EDI, THO, ANA, YUG, GOO, MON, HEU, STI, BRE, FAU, MFI, LTL, LTA, und Kombinationen daraus, wobei die Kationen Li+ und NH4 + umfassen.
  4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von lithiumhaltigen Teilchen aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumphosphat (Li3PO4)-Teilchen, Lithiumnitrat (LiNO3)-Teilchen, Lithiumfluorid (LiF), Lithiumoxid (Li2O), Lithiumperoxid (Li2O2) und Kombinationen davon.
  5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei jedes der hybriden funktionellen Teilchen mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% der Lithiumphosphat (Li3PO4)-Teilchen umfasst.
  6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei jedes der hybriden funktionellen Teilchen eine Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 100 Nanometern bis weniger als oder gleich etwa 10 Mikrometern und eine spezifische Oberfläche von mehr als oder gleich etwa 10 m2/g bis weniger als oder gleich etwa 500 m2/g aufweist.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen eine erste Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen ist, der lithiierte Zeolith ein erster lithiierter Zeolith ist, die lithiumhaltigen Teilchen erste lithiumhaltige Teilchen sind und die positive Elektrode ferner umfasst: eine zweite Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen, die mit der Vielzahl von positiven Teilchen aus elektroaktivem Material verteilt sind, wobei die zweite Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen aufweist: einen zweiten lithiierten Zeolith, der eine Vielzahl von Poren und eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Vol.-% aufweist, wobei der zweite lithiierte Zeolith mit dem ersten lithiierten Zeolith identisch oder davon verschieden ist; und eine Vielzahl von zweiten lithiumhaltigen Teilchen, die in einer oder mehreren Poren der Vielzahl von Poren des zweiten lithiierten Zeoliths angeordnet sind, wobei die zweiten lithiumhaltigen Teilchen mehr als oder gleich etwa 1 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Gesamtporosität des zweiten lithiierten Zeoliths ausfüllen, wobei die zweiten lithiumhaltigen Teilchen gleich oder verschieden von den ersten lithiumhaltigen Teilchen sind.
  8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, wobei die positive Elektrode umfasst: mehr als oder gleich etwa 90 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,9 Gew.-% der positiven Teilchen aus elektroaktivem Material; und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% der hybriden funktionellen Teilchen.
  9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen eine erste Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen ist, der lithiierte Zeolith ein erster lithiierter Zeolith ist, die lithiumhaltigen Teilchen erste lithiumhaltige Teilchen sind und eine zweite Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen innerhalb der Trennschicht angeordnet ist, wobei die zweite Vielzahl von hybriden funktionellen Teilchen aufweist: einen zweiten lithiierten Zeolith, der eine Vielzahl von Poren und eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Vol.-% aufweist, wobei der zweite lithiierte Zeolith mit dem ersten lithiierten Zeolith identisch oder davon verschieden ist; und eine Vielzahl von zweiten lithiumhaltigen Teilchen, die in einer oder mehreren Poren der Vielzahl von Poren des zweiten lithiierten Zeoliths angeordnet sind, wobei die zweiten lithiumhaltigen Teilchen mehr als oder gleich etwa 1 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Gesamtporosität des zweiten lithiierten Zeoliths ausfüllen, wobei die zweiten lithiumhaltigen Teilchen gleich oder verschieden von den ersten lithiumhaltigen Teilchen sind.
  10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, wobei die Trennschicht mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 97 Gew.-% der hybriden funktionellen Teilchen enthält.
DE102023100348.8A 2022-07-13 2023-01-10 Funktionelles hybridpulver als additiv für elektrochemische zellen Pending DE102023100348A1 (de)

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