DE102023100809A1 - Verbundelektroden - Google Patents

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Michael P. Balogh
Ion C. Halalay
Insun Yoon
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Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verbundelektrode für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Verbundelektrode enthält ein erstes elektroaktives Material mit einer ersten spezifischen Kapazität und einer ersten durchschnittlichen Teilchengröße und ein zweites elektroaktives Material mit einer zweiten spezifischen Kapazität und einer zweiten durchschnittlichen Teilchengröße. Die erste spezifische Kapazität ist größer als die zweite spezifische Kapazität. Beispielsweise kann die erste spezifische Kapazität größer als oder gleich etwa 1.000 mAh/g bis kleiner als oder gleich etwa 3.600 mAh/g und die zweite spezifische Kapazität größer als oder gleich etwa 250 mAh/g bis kleiner als oder gleich etwa 400 mAh/g sein. Die zweite durchschnittliche Teilchengröße ist vergleichbar mit der ersten durchschnittlichen Teilchengröße. Beispielsweise kann die zweite durchschnittliche Teilchengröße nicht weniger als die Hälfte der ersten durchschnittlichen Teilchengröße und nicht mehr als das Doppelte der ersten durchschnittlichen Teilchengröße betragen.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Fortschrittliche Energiespeicher und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische Lithiumionen-Batterien enthalten mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode dienen, und die andere Elektrode kann als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein mit einem flüssigen oder festen Elektrolyten gefüllter Separator angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen zwischen den Elektroden geeignet und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten (oder Festkörperseparator) enthalten, kann der Festkörperelektrolyt (oder Festkörperseparator) die Elektroden physisch trennen, so dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist.
  • Zur Herstellung von Komponenten für eine Lithiumionen-Batterie können viele verschiedene Materialien verwendet werden. Die negative Elektrode enthält in der Regel ein Lithiumeinfügungsmaterial oder ein Legierungswirtsmaterial. Typische elektroaktive Materialien zur Bildung einer Anode sind z.B. Graphit und andere Formen von Kohlenstoff, Silicium und Siliciumoxid, Zinn und Zinnlegierungen. Bestimmte Anodenmaterialien haben besondere Vorteile. Während Graphit mit einer theoretischen spezifischen Kapazität von 372 mAh·g-1 in Lithiumionen-Batterien am weitesten verbreitet ist, sind Anodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität, zum Beispiel mit hohen spezifischen Kapazitäten im Bereich von etwa 900 mAh·g-1 bis etwa 4.200 mAh·g-1, von wachsendem Interesse. Silicium hat beispielsweise die höchste bekannte theoretische Kapazität für Lithium (z.B. etwa 4.200 mAh·g-1), was es zu einem attraktiven Material für wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien macht. Solche Materialien sind jedoch oft anfällig für eine enorme Volumenausdehnung während der Lithiierung und Delithiierung, was zu einer Pulverisierung der Teilchen, dem Verlust des elektrischen Kontakts und der Bildung einer instabilen Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche (solid-electrolyte interface bzw. SEI) führen kann, was einen Zusammenbruch der Elektrode und einen Kapazitätsabfall zur Folge hat. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte Materialien sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung zu entwickeln, die diese Herausforderungen bewältigen können.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verbundelektroden, die zwei oder mehr elektroaktive Materialien mit vergleichbaren Teilchengrößen enthalten, sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Verbundelektrode für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Verbundelektrode kann ein erstes elektroaktives Material mit einer ersten spezifischen Kapazität und einer ersten durchschnittlichen Teilchengröße sowie ein zweites elektroaktives Material mit einer zweiten spezifischen Kapazität und einer zweiten durchschnittlichen Teilchengröße enthalten. Die erste spezifische Kapazität kann größer als die zweite spezifische Kapazität sein. Beispielsweise kann die erste spezifische Kapazität größer als oder gleich etwa 1.000 mAh/g bis kleiner als oder gleich etwa 3.600 mAh/g und die zweite spezifische Kapazität größer als oder gleich etwa 250 mAh/g bis kleiner als oder gleich etwa 400 mAh/g sein. Die zweite durchschnittliche Teilchengröße kann mit der ersten durchschnittlichen Teilchengröße vergleichbar sein. Beispielsweise kann es sein, dass die zweite durchschnittliche Teilchengröße nicht weniger als die Hälfte der ersten durchschnittlichen Teilchengröße und nicht mehr als das Doppelte der ersten durchschnittlichen Teilchengröße beträgt.
  • In einem Aspekt kann die erste durchschnittliche Teilchengröße größer als oder gleich 5 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 12 Mikrometer sein, und die zweite durchschnittliche Teilchengröße kann größer als oder gleich etwa 8 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 16 Mikrometer sein.
  • In einem Aspekt kann die Verbundelektrode mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% des ersten elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des zweiten elektroaktiven Materials enthalten.
  • In einem Aspekt kann das zweite elektroaktive Material eine erste Vielzahl von Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials und eine zweite Vielzahl von Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials umfassen. Die Teilchen aus dem zweiten elektroaktiven Material, die die erste Vielzahl von Teilchen aus dem zweiten elektroaktiven Material bilden, können die zweite durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, und die Teilchen aus dem zweiten elektroaktiven Material, die die zweite Vielzahl von Teilchen aus dem zweiten elektroaktiven Material bilden, können eine dritte durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, die größer ist als die erste und zweite durchschnittliche Teilchengröße.
  • In einem Aspekt kann die dritte durchschnittliche Teilchengröße größer als oder gleich etwa 14 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 30 Mikrometer sein.
  • In einem Aspekt kann die Verbundelektrode mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% des ersten elektroaktiven Materials, mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% der Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials, die die erste Vielzahl von Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials bilden, und mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% der Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials, die die zweite Vielzahl von Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials bilden, enthalten.
  • In einem Aspekt kann das erste elektroaktive Material ein siliciumhaltiges elektroaktives Material enthalten.
  • In einem Aspekt kann das siliciumhaltige elektroaktive Material aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: SiOx(wobei 0 ≤ x ≤ 2), LixSiO (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Silicium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff in Nanogröße und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das zweite elektroaktive Material ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis umfassen.
  • In einem Aspekt kann das elektroaktive Material auf Kohlenstoffbasis aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Naturgraphit, synthetischer Graphit und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das erste elektroaktive Material eine erste Vielzahl erster elektroaktiver Materialteilchen und eine zweite Vielzahl erster elektroaktiver Materialteilchen umfassen. Die ersten Teilchen aus elektroaktivem Material, die die erste Vielzahl bilden, können die erste durchschnittliche Teilchengröße haben, und die ersten Teilchen aus elektroaktivem Material, die die zweite Vielzahl bilden, können eine dritte durchschnittliche Teilchengröße haben, die kleiner ist als die erste und zweite durchschnittliche Teilchengröße.
  • In einem Aspekt kann die dritte durchschnittliche Teilchengröße größer als oder gleich etwa 1 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 4 Mikrometer sein.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Verbundelektrode für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Verbundelektrode kann mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% eines ersten elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% eines zweiten elektroaktiven Materials enthalten. Das erste elektroaktive Material kann eine erste spezifische Kapazität haben, und das zweite elektroaktive Material kann eine zweite spezifische Kapazität haben, die geringer ist als die erste spezifische Kapazität. Beispielsweise kann die erste spezifische Kapazität größer als oder gleich etwa 1.000 mAh/g bis kleiner als oder gleich etwa 3.600 mAh/g sein, und die zweite spezifische Kapazität kann größer als oder gleich etwa 250 mAh/g bis kleiner als oder gleich etwa 400 mAh/g sein. Das erste elektroaktive Material kann eine erste durchschnittliche Teilchengröße haben, und das zweite elektroaktive Material kann eine zweite durchschnittliche Teilchengröße haben. Die zweite durchschnittliche Teilchengröße kann mit der ersten durchschnittlichen Teilchengröße vergleichbar sein. Die zweite durchschnittliche Teilchengröße kann beispielsweise nicht weniger als die Hälfte der ersten durchschnittlichen Teilchengröße und nicht mehr als das Doppelte der ersten durchschnittlichen Teilchengröße betragen. In bestimmten Variationen kann die Verbundelektrode auch mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% eines dritten elektroaktiven Materials enthalten. Das dritte elektroaktive Material kann die gleiche spezifische Kapazität haben wie das zweite elektroaktive Material und eine dritte durchschnittliche Teilchengröße aufweisen. Die dritte durchschnittliche Teilchengröße kann größer sein als die erste durchschnittliche Teilchengröße und die zweite durchschnittliche Teilchengröße.
  • In einem Aspekt kann die erste durchschnittliche Teilchengröße größer als oder gleich etwa 5 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 12 Mikrometer sein, die zweite durchschnittliche Teilchengröße kann größer als oder gleich etwa 8 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 16 Mikrometer sein, und die dritte durchschnittliche Teilchengröße kann größer als oder gleich etwa 15 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 30 Mikrometer sein.
  • In einem Aspekt kann das erste elektroaktive Material ein siliciumhaltiges elektroaktives Material umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: SiOx(wobei 0 ≤ x ≤ 2), LixSiO (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Silicium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff in Nanogröße und Kombinationen davon. Das zweite und das dritte elektroaktive Material können ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis umfassen, das unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Naturgraphit, synthetischer Graphit und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das erste elektroaktive Material eine erste Vielzahl erster elektroaktiver Materialteilchen und eine zweite Vielzahl erster elektroaktiver Materialteilchen umfassen. Die ersten elektroaktiven Materialteilchen der ersten Vielzahl erster elektroaktiver Materialteilchen können die erste durchschnittliche Teilchengröße haben, und die ersten elektroaktiven Materialteilchen der zweiten Vielzahl erster elektroaktiver Materialteilchen können eine vierte durchschnittliche Teilchengröße haben, die kleiner als die erste durchschnittliche Teilchengröße ist.
  • In einem Aspekt kann die vierte durchschnittliche Teilchengröße größer als oder gleich etwa 1 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 4 Mikrometer sein.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Verbundelektrode für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Verbundelektrode kann mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% eines siliciumhaltigen elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% eines graphithaltigen elektroaktiven Materials enthalten. Das siliciumhaltige elektroaktive Material kann eine Vielzahl von siliciumhaltigen elektroaktiven Materialteilchen enthalten. Die siliciumhaltigen elektroaktiven Materialteilchen der Vielzahl können eine erste durchschnittliche Teilchengröße aufweisen. Das graphithaltige elektroaktive Material kann eine Vielzahl von graphithaltigen elektroaktiven Materialteilchen enthalten. Die graphithaltigen Teilchen des elektroaktiven Materials auf elektroaktiver Basis können eine zweite durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, die nicht kleiner als die Hälfte der ersten durchschnittlichen Teilchengröße und nicht größer als das Doppelte der ersten durchschnittlichen Teilchengröße ist.
  • In einem Aspekt kann die Vielzahl von graphithaltigen elektroaktiven Materialteilchen eine erste Vielzahl von graphithaltigen elektroaktiven Materialteilchen sein, und die Verbundelektrode kann außerdem eine zweite Vielzahl von graphithaltigen elektroaktiven Materialteilchen mit einer dritten durchschnittlichen Teilchengröße enthalten, die größer ist als die erste und zweite durchschnittliche Teilchengröße.
  • In einem Aspekt kann es sich bei der Vielzahl siliciumhaltiger elektroaktiver Materialien um eine erste Vielzahl siliciumhaltiger elektroaktiver Materialien handeln, und die Verbundelektrode kann ferner eine zweite Vielzahl siliciumhaltiger elektroaktiver Materialien mit einer dritten durchschnittlichen Teilchengröße enthalten, die geringer ist als die erste durchschnittliche Teilchengröße.
  • 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 einer Verbundelektrode, die zwei oder mehr elektroaktive Materialien mit vergleichbaren Teilchengrößen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 2 ist eine graphische Darstellung, die die Kapazitätserhaltung von beispielhaften Zellen mit Verbundelektroden zeigt, die zwei oder mehr elektroaktive Materialien mit vergleichbaren Teilchengrößen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthalten;
    • 3A ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 30-µm-Maßstab einer beispielhaften Verbundelektrode, die zwei oder mehr elektroaktive Materialien mit vergleichbaren Teilchengrößen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 3B ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 10-µm-Maßstab einer beispielhaften Verbundelektrode, die zwei oder mehr elektroaktive Materialien mit vergleichbaren Teilchengrößen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 4A ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 30-pm-Maßstab einer beispielhaften Verbundelektrode, die drei oder mehr elektroaktive Materialien mit vergleichbaren Teilchengrößen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 4B ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 10-µm-Maßstab einer beispielhaften Verbundelektrode, die drei oder mehr elektroaktive Materialien mit vergleichbaren Teilchengrößen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 5A ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 30-pm-Maßstab eines weiteren Beispiels einer Verbundelektrode, die zwei oder mehr elektroaktive Materialien mit vergleichbaren Teilchengrößen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 5B ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 10-µm-Maßstab eines weiteren Beispiels einer Verbundelektrode, die zwei oder mehr elektroaktive Materialien mit vergleichbaren Teilchengrößen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
    • 6 ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung von beispielhaften Zellen mit Verbundelektroden, die zwei oder mehr elektroaktive Materialien enthalten, wobei ein erstes elektroaktives Material eine erste Teilchengröße hat und das zweite elektroaktive Material eine zweite Teilchengröße hat, die größer ist als die erste Teilchengröße;
    • 7 ist ein mikroskopisches Bild von oben nach unten im 87,5-µm-Maßstab einer beispielhaften Verbundelektrode, die zwei oder mehr elektroaktive Materialien enthält, wobei ein erstes elektroaktives Material eine erste Teilchengröße hat und das zweite elektroaktive Material eine zweite Teilchengröße hat, die größer ist als die erste Teilchengröße; und
    • 8 ist ein mikroskopisches Bild von oben nach unten im 87,5-µm-Maßstab eines weiteren Beispiels von Verbundelektroden, die zwei oder mehr elektroaktive Materialien enthalten, wobei ein erstes elektroaktives Material eine erste Teilchengröße hat und das zweite elektroaktive Material eine zweite Teilchengröße hat, die größer ist als die erste Teilchengröße.
  • 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 mit Verbundelektroden, die zwei oder mehr elektroaktive Materialien mit vergleichbaren Teilchengrößen 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. In bestimmten Variationen kann der Separator 26 aus einem Festkörperelektrolyten oder einem halbfesten Elektrolyten (z.B. einem Gelelektrolyten) gebildet sein. Zum Beispiel kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen gebildet sein. Bei Festkörperbatterien und/oder halbfesten bzw. Semi-Festkörperbatterien können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten. Die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen, die im Separator 26 enthalten sind oder diesen bilden, kann gleich oder verschieden von der Vielzahl der Festkörperelektrolytteilchen sein, die in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 enthalten sind.
  • Ein erster Stromkollektor 32 (z.B. ein negativer Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der erste Stromkollektor 32 kann 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 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 vorliegende Technologie gilt jedoch auch für Festkörperbatterien und/oder halbfeste Batterien, die Festkörperelektrolyte und/oder Festkörperelektrolytteilchen und/oder halbfeste Elektrolyte und/oder elektroaktive Festkörperteilchen enthalten, die, wie Fachleuten klar ist, unterschiedlich aufgebaut sein können.
  • Die Größe und Form der Batterie 20 können je nach der speziellen Anwendung, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn die Batterie 20 entladen wird. Bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 kann es sich um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln. Einige spezifische Beispiele sind ein Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder Geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Speicherung von elektrischer Energie auflädt.
  • Mit erneutem Bezug auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 innerhalb ihrer Poren enthalten, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. In der Lithiumionen-Batterie 20 kann jeder geeignete Elektrolyt 30 in fester, flüssiger oder Gelform verwendet werden, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 z.B. eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z.B. > 1 M) sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einer Mischung 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), Lithium-bis(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-Dietho-xyethan, 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.
  • In verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der im porösen Separator 26 befindliche Elektrolyt 30 gemäß Darstellung in 1 durch einen Festkörperelektrolyten („SSE“) und/oder einen halbfesten Elektrolyten (z.B. Gel) ersetzt werden, der sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Der Festkörperelektrolyt und/oder der halbfeste Elektrolyt kann z.B. zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der Festkörperelektrolyt und/oder Halbfestkörperelektrolyt erleichtern den Transfer von Lithiumionen, während sie die negative und positive Elektrode 22, 24 mechanisch trennen und elektrisch voneinander isolieren. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Festkörperelektrolyt und/oder halbfeste Elektrolyt eine Vielzahl von Füllstoffen enthalten, wie LiTi2(PO4)3, LiGe2(PO4)3, Li7La3Zr2O12, Li3xLa2/3-xTiO3, Li3PO4, Li3N, Li4GeS4, Li10GeP2S12, Li2S-P2S5, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li6PS5I, Li3OCl, Li2,99Ba0,005ClO oder Kombinationen davon. Der halbfeste Elektrolyt kann einen Polymer-Wirt und einen flüssigen Elektrolyten enthalten. Der Polymerwirt kann zum Beispiel enthalten: Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethacrylnitril (PMAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Poly(vinylalkohol) (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Kombinationen davon. In bestimmten Variationen können sich der halbfeste oder Gelelektrolyt auch in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 befinden. In jedem Fall enthält der Festkörperelektrolyt und/oder der Halbfestkörperelektrolyt das oben beschriebene Elektrolytadditiv.
  • Die positive Elektrode 24 ist aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet, das ausreichend Lithium-Einlagerung und -Auslagerung, -Legierung und -De-Legierung oder-Plattierung und -Abstreifung durchlaufen kann, während es als positiver Anschluss einer Lithiumionen-Batterie fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen gebildet sein. Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet werden, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu bilden. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der positiven Elektrode 24 enthalten sein. In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 24 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm.
  • In verschiedenen Aspekten umfasst das positive elektroaktive Material ein geschichtetes Oxid, dargestellt durch LiMeO2, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), 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 Li-MePO4F 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 ist die positive Elektrode eine Verbundelektrode, und das positive elektroaktive Material umfasst 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 jeder Variation kann das positive elektroaktive Material optional mit einem elektronisch leitfähigen Material (d.h. leitfähigem Additiv), das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der positiven Elektrode 24 verbessert, vermischt (z.B. Schlickerguss) sein. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 enthalten: mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 97 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels.
  • Beispiele für polymere Bindemittel sind Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), 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 (wie 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 negative Elektrode 22 ist aus einem Lithium-Wirtsmaterial gebildet, das in der Lage ist, als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie zu fungieren. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen gebildet sein. Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu bilden. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der negativen Elektrode 22 enthalten sein. In bestimmten Variationen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (einschließlich der einen oder mehreren Schichten) eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 30 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm.
  • In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 eine Verbundelektrode sein, und das negative elektroaktive Material kann eine Kombination negativer elektroaktiver Materialien umfassen. So kann die negative Elektrode 22 beispielsweise zwei oder mehr elektroaktive Materialien mit unterschiedlichen spezifischen Kapazitäten und vergleichbaren Teilchengrößen enthalten. Zum Beispiel kann ein erstes elektroaktives Material in bestimmten Variationen eine erste spezifische Kapazität von größer oder gleich etwa 1.000 mAh/g bis kleiner oder gleich etwa 3.600 mAh/g und in bestimmten Variationen optional von größer oder gleich etwa 1.200 mAh/g bis etwa kleiner oder gleich 1.900 mAh/g aufweisen; und das zweite elektroaktive Material kann eine zweite spezifische Kapazität haben, die größer oder gleich etwa 250 mAh/g bis kleiner oder gleich etwa 400 mAh/g ist, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 320 mAh/g bis kleiner oder gleich etwa 369 mAh/g. Das erste elektroaktive Material kann eine Vielzahl von Teilchen des ersten elektroaktiven Materials mit einer (ersten) durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 12 µm umfassen, optional größer als oder gleich etwa 5 µm bis kleiner als oder gleich etwa 12 µm und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich etwa 5 µm bis kleiner als oder gleich etwa 10 µm; und ein zweites elektroaktives Material kann eine Vielzahl von Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials mit einer (zweiten) durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 16 µm umfassen, optional größer als oder gleich etwa 5 µm bis kleiner als oder gleich etwa 16 µm, optional größer als oder gleich etwa 5 µm bis kleiner als oder gleich etwa 12 µm und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich etwa 8 µm bis kleiner als oder gleich etwa 12 µm. Die negative Elektrode 22 kann enthalten: mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des ersten elektroaktiven Materials; und mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 70 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 70 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des zweiten elektroaktiven Materials.
  • In bestimmten Variationen kann mindestens eines der zwei oder mehr elektroaktiven Materialien zwei oder mehr unterschiedliche Teilchengrößen aufweisen. Beispielsweise kann das zweite elektroaktive Material eine erste Vielzahl von Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials und eine zweite Vielzahl von Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials enthalten. Die zweiten elektroaktiven Materialteilchen, die die erste Vielzahl der zweiten elektroaktiven Materialteilchen bilden, können eine (zweite) durchschnittliche Teilchengröße (D50) haben, die der (ersten) durchschnittlichen Teilchengröße (D50) der ersten elektroaktiven Materialteilchen ähnlich ist. Zum Beispiel können die zweiten elektroaktiven Materialteilchen, die die erste Vielzahl der zweiten elektroaktiven Materialteilchen bilden, eine (zweite) durchschnittliche Teilchengröße (D50) von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 16 µm, optional größer oder gleich etwa 5 µm bis kleiner oder gleich etwa 12 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 8 µm bis kleiner oder gleich etwa 12 µm aufweisen.
  • Die zweiten elektroaktiven Materialteilchen, die die zweite Vielzahl der zweiten elektroaktiven Materialteilchen bilden, können eine (dritte) durchschnittliche Teilchengröße (D50) aufweisen, die größer ist als die (erste) durchschnittliche Teilchengröße (D50) der ersten elektroaktiven Materialteilchen und auch als die (zweite) durchschnittliche Teilchengröße (D50) der zweiten elektroaktiven Materialteilchen, die die erste Vielzahl der zweiten elektroaktiven Materialteilchen bilden. Zum Beispiel können die Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials, die die zweite Vielzahl der Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials bilden, eine (dritte) durchschnittliche Teilchengröße (D50) von mehr als oder gleich etwa 14 µm bis weniger als oder gleich etwa 30 µm aufweisen.
  • Die negative Elektrode 22 kann eine erste Menge des ersten elektroaktiven Materials, eine zweite Menge der Teilchen aus dem zweiten elektroaktiven Material, die die erste Vielzahl des zweiten elektroaktiven Materials bilden, und eine dritte Menge der Teilchen aus dem zweiten elektroaktiven Material, die die zweite Vielzahl des zweiten elektroaktiven Materials bilden, enthalten. In bestimmten Variationen kann die erste Menge etwa gleich groß sein wie die zweite Menge. Die erste und die zweite Menge können sich von der dritten Menge unterscheiden. Zum Beispiel kann die negative Elektrode mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des ersten elektroaktiven Materials enthalten; mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 35 Gew.-% der Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials, die die erste Vielzahl des zweiten elektroaktiven Materials bilden; und mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 35 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% der Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials, die die zweite Vielzahl des dritten elektroaktiven Materials bilden.
  • In bestimmten Variationen kann das erste elektroaktive Material, ähnlich wie das zweite elektroaktive Material, alternativ oder zusätzlich eine erste Vielzahl von Teilchen aus dem ersten elektroaktiven Material und eine zweite Vielzahl von Teilchen aus dem ersten elektroaktiven Material enthalten, wobei die erste Vielzahl von Teilchen aus dem ersten elektroaktiven Material wie die oben beschriebenen Teilchen aus dem ersten elektroaktiven Material sind und die zweite Vielzahl von Teilchen aus dem ersten elektroaktiven Material eine (vierte) durchschnittliche Teilchengröße (D50) aufweist, die kleiner ist als die (erste) durchschnittliche Teilchengröße (D50) der Teilchen aus dem ersten elektroaktiven Material, die die erste Vielzahl von Teilchen aus dem ersten elektroaktiven Material bilden, und auch die (zweite) durchschnittliche Teilchengröße (D50) der Teilchen aus dem zweiten elektroaktiven Material, die die erste Vielzahl von Teilchen aus dem zweiten elektroaktiven Material bilden. Beispielsweise können die ersten elektroaktiven Materialteilchen, die die zweite Vielzahl der ersten elektroaktiven Materialteilchen bilden, eine (vierte) durchschnittliche Teilchengröße (D50) von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 4 µm aufweisen.
  • Die negative Elektrode 22 kann eine erste Menge der Teilchen aus dem ersten elektroaktiven Material, die die erste Vielzahl des ersten elektroaktiven Materials bilden, eine zweite Menge der Teilchen aus dem ersten elektroaktiven Material, die die zweite Vielzahl des ersten elektroaktiven Materials bilden, und eine dritte Menge des zweiten elektroaktiven Materials enthalten. Zum Beispiel kann die negative Elektrode mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% der ersten Vielzahl des ersten elektroaktiven Materials enthalten; mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% der Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials, die die erste Vielzahl des zweiten elektroaktiven Materials bilden; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% der Teilchen aus dem zweiten elektroaktiven Material, die die zweite Vielzahl des ersten elektroaktiven Materials bilden.
  • In jedem Fall kann das erste elektroaktive Material ein siliciumhaltiges elektroaktives Material umfassen, z.B. SiOx(wobei 0 ≤ x ≤ 2), LixSiO (wobei 0 ≤ x ≤ 2) und/oder ein Silicium-Kohlenstoff-Verbundmaterial in Nanogröße; und das zweite elektroaktive Material kann ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis sein, z.B. natürlicher und/oder synthetischer Graphit. Die Einbeziehung von siliciumhaltigen elektroaktiven Materialien kann dazu beitragen, die Energiedichte der Batterie 20 zu erhöhen. Wenn jedoch große Mengen einbezogen werden, (z.B. mehr als 10 Gew.-%) agglomerieren die siliciumhaltigen elektroaktiven Materialien häufig, was sich nachteilig auf die Zellenleistung auswirken kann. So kann beispielsweise der direkte Kontakt der agglomerierten siliciumhaltigen elektroaktiven Materialien mit dem Stromkollektor 32 zumindest teilweise zu einer Delaminierung führen, da sich die siliciumhaltigen elektroaktiven Materialien volumetrisch stark ausdehnen. Die Einbeziehung der auf Kohlenstoff basierenden elektroaktiven Materialien, einschließlich der auf Kohlenstoff basierenden elektroaktiven Materialteilchen mit der kleineren Teilchengröße (d.h. die erste Vielzahl der zweiten elektroaktiven Materialteilchen) und der auf Kohlenstoff basierenden elektroaktiven Materialteilchen mit der größeren Teilchengröße (d.h. die zweite Vielzahl der zweiten elektroaktiven Materialteilchen) in das siliciumhaltige elektroaktive Material kann dazu beitragen, die siliciumhaltigen elektroaktiven Materialien in der negativen Elektrode 22 gleichmäßiger zu verteilen, da die kleineren Teilchen sowohl des siliciumhaltigen elektroaktiven Materials als auch der auf Kohlenstoff basierenden elektroaktiven Materialien mit der kleineren Teilchengröße durch Hohlräume zwischen den auf Kohlenstoff basierenden elektroaktiven Materialien mit der größeren Teilchengröße ko-perkolieren bzw. durchsickern können. Somit verbessert die Kombination der elektroaktiven Materialien auf Kohlenstoffbasis mit den zwei oder mehr unterschiedlichen Teilchengrößen mit dem siliciumhaltigen elektroaktiven Material die Zellenleistung sowie die Haftung zwischen der negativen Elektrode 22 und dem Stromkollektor 32 der negativen Elektrode.
  • In bestimmten Variationen kann das erste und das zweite negative elektroaktive Material 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 22 verbessert, vermischt (z.B. Schlickerguss) sein. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 mehr als oder gleich etwa 90 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 100 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials (gebildet durch das erste negative elektroaktive Material und das zweite negative elektroaktive Material) enthalten; mehr als oder gleich 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 4 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 4 Gew.-% des polymeren Bindemittelmaterials. Das in der negativen Elektrode 22 enthaltene leitfähige Additiv und/oder das Bindemittel kann mit dem in der positiven Elektrode 24 enthaltenen leitfähigen Additiv und/oder dem Bindemittel identisch oder davon verschieden sein.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung von Verbundelektroden, wie die in 2 dargestellte negative Elektrode 22, bereit. Das Verfahren kann beinhalten, dass das erste negative elektroaktive Material und das zweite negative elektroaktive Material miteinander in Kontakt gebracht (z.B. gemischt oder vermengt) werden, um z.B. eine Aufschlämmung zu bilden. Das Verfahren kann ferner die Zugabe eines oder mehrerer leitfähiger Additive zu der Aufschlämmung und/oder eines oder mehrerer Bindemittelmaterialien zu der Aufschlämmung umfassen. Die leitfähigen Additive und die Bindemittel können gleichzeitig oder nacheinander hinzugefügt werden. Das Verfahren kann das Auftragen (z.B. Beschichten) der Aufschlämmung auf eine oder mehrere Oberflächen eines Stromkollektors (wie den in 2 dargestellten Stromkollektor 32 der negativen Elektrode) umfassen. Das Verfahren kann das Trocknen (z.B. durch Erhitzen) der bereitgestellten Aufschlämmung zur Bildung der negativen Elektrode umfassen.
  • 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.
  • Zum Beispiel kann eine erste beispielhafte Zelle 210 eine erste negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 5 µm, ein erstes elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. SHANSHAN-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 10 µm und ein zweites elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. SUPERIOR-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 15 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der ersten beispielhaften Zelle 210 kann etwa 30 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials, etwa 35 Gew.-% des ersten elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 10 µm und etwa 35 Gew.-% des zweiten elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 15 µm enthalten. Die erste negative Elektrode kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Wie die erste beispielhafte Zelle 210 kann eine zweite beispielhafte Zelle 220 eine zweite negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 5 µm, ein erstes elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. SHANSHAN-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 10 µm und ein zweites elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. SUPERIOR-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 15 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der zweiten beispielhaften Zelle 220 kann etwa 30 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials, etwa 35 Gew.-% des ersten elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 10 µm und etwa 35 Gew.-% des zweiten elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 15 µm enthalten. Die zweite negative Elektrode kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Eine erste Vergleichszelle 230 kann eine dritte negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 5 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. SUPERIOR-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 15 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der ersten Vergleichszelle 230 kann etwa 30 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 70 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 15 µm enthalten. Die dritte negative Elektrode kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Eine zweite Vergleichszelle 240 kann eine vierte negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 5 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. SHANSHAN-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 10 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der zweiten Vergleichszelle 240 kann etwa 30 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 70 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 10 µm enthalten. Die vierte negative Elektrode kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Wie die zweite Vergleichszelle 240 kann eine dritte Vergleichszelle 250 eine fünfte negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 5 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. SHANSHAN-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 10 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der dritten Vergleichszelle 250 kann etwa 30 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 70 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 10 µm enthalten. Die fünfte negative Elektrode kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Eine vierte Vergleichszelle 260 kann eine sechste negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 5 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. HITACHI-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der vierten Vergleichszelle 260 kann etwa 30 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 70 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthalten. Die sechste negative Elektrode kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Wie die vierte Vergleichszelle 260 kann eine fünfte Vergleichszelle 270 eine siebte negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 5 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. HITACHI-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der fünften Vergleichszelle 270 kann etwa 30 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 70 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthalten. Die siebte negative Elektrode kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Jede der negativen Elektroden 210-270 kann zusätzlich zu den negativen elektroaktiven Materialien etwa 1,1 Gew.-% elektronisch leitfähige Additive (z.B. etwa 1 Gew.-% Super-P-Ruß und etwa 0,1 Gew.-% einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs)) und etwa 3,9 Gew.-% eines Bindemittels (z.B. eine 1:1-Mischung aus Carboxymethylcellulose (CMC) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)) enthalten. Die folgende Tabelle gibt einen zusammenfassenden Überblick über die negativen elektroaktiven Materialien der verschiedenen Zellen 210-270.
    Zelle(n) Erstes elektroaktives Material Zweites elektroaktives Material
    Erste Vielzahl Zweite Vielzahl
    210, 220 30 Gew.-% von LixSiO, 0 ≤ x ≤ 2 D50 von etwa 5 µm 35 Gew.-% Graphit, D50 von etwa 10 µm 35 Gew.-% Graphit, D50 von etwa 15 µm
    230 30 Gew.-% von LixSiO, 0 ≤ x ≤ 2 D50 von etwa 5 µm 70 Gew.-% Graphit, D50 von etwa 15 µm -
    240, 250 30 Gew.-% von LixSiO, 0 ≤ x ≤ 2 D50 von etwa 5 µm 70 Gew.-% Graphit, D50 von etwa 10 µm -
    260, 270 30 Gew.-% von LixSiO, 0 ≤ x ≤ 2 D50 von etwa 5 µm 70 Gew.-% Graphit, D50 von etwa 20 µm -
  • 2 ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung der beispielhaften Zellen 210, 220, 230, 240, 250, 260 und 270, wobei die x-Achse 200 die Zyklenzahl und die y-Achse 202 die Kapazitätserhaltung (%) darstellt, d.h. die verbleibende Kapazität in Bezug auf die Kapazität im ersten Zyklus. Wie dargestellt, haben die Vergleichszellen 240, 250, die die beste Dispersion aufweisen (z.B. wie durch den Vergleich der unten beschriebenen Mikroskopiebilder gezeigt), weil die Teilchengrößen des ersten elektroaktiven Materials (z.B. LixSiO mit einem D50 von etwa 5 µm) und des zweiten elektroaktiven Materials (z.B. Graphit mit einem D50 von etwa 10 µm) übereinstimmen, die beste Zyklusleistung, während die beispielhaften Zellen 230, 260, 270, die die meiste Agglomeration aufweisen (z.B. wie durch den Vergleich der unten beschriebenen Mikroskopiebilder gezeigt), weil die Teilchengrößen des ersten elektroaktiven Materials (z.B. LixSiO mit einem D50 von etwa 5 µm) und des zweiten elektroaktiven Materials (z.B. Graphit mit einem D50 von etwa 15 µm bzw. 20 µm) stark voneinander abweichen, die schlechteste Zyklusleistung aufweisen.
  • 3A ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 30-pm-Maßstab der beispielhaften Zellen 210, 220, wobei die hellgrauen Teilchen 300 die ersten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialteilchen) sind und die dunkleren grauen Teilchen 302 die zweiten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. graphithaltige elektroaktive Materialteilchen) sind. 3B ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 10-µm-Maßstab der beispielhaften Zellen 240, 250, wobei die hellgrauen Teilchen 310 die ersten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialteilchen) und die dunkleren grauen Teilchen 312 die zweiten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. graphithaltige elektroaktive Materialteilchen) sind.
  • 4A ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 30-pm-Maßstab der beispielhaften Zellen 240, 250, wobei die hellgrauen Teilchen 400 das erste elektroaktive Material (z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialteilchen) und die dunkleren grauen Teilchen 402 die zweiten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. graphithaltige elektroaktive Materialteilchen) sind. 4B ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 10-pm-Maßstab der beispielhaften Zellen 240, 250, wobei die hellgrauen Teilchen 410 die ersten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialteilchen) und die dunkleren grauen Teilchen 412 die zweiten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. graphithaltige elektroaktive Materialteilchen) sind.
  • 5A ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 30-pm-Maßstab der beispielhaften Zelle 230, wobei die hellgrauen Teilchen 500 die ersten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialteilchen) und die dunkleren grauen Teilchen 502 die zweiten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. graphithaltige elektroaktive Materialteilchen) sind. 5B ist ein mikroskopisches Querschnittsbild im 10-µm-Maßstab der beispielhaften Zelle 230, wobei die hellgrauen Teilchen 510 die ersten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialteilchen) und die dunkleren grauen Teilchen 512 die zweiten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. graphithaltige elektroaktive Materialteilchen) sind.
  • Beispiel 2
  • Beispielhafte Batterien und Batteriezellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
  • Eine erste beispielhafte Zelle 610 kann beispielsweise eine erste negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 8 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. HITACHI-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der ersten beispielhaften Zelle 610 kann etwa 30 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 70 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthalten. Die erste beispielhafte Zelle 610 kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Wie die erste beispielhafte Zelle 610 kann eine zweite beispielhafte Zelle 620 eine zweite negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 8 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. HITACHI-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der zweiten beispielhaften Zelle 620 kann etwa 30 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 70 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthalten. Die zweite beispielhafte Zelle 620 kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Eine dritte beispielhafte Zelle 630 kann eine dritte negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 8 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. HITACHI-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der dritten beispielhaften Zelle 630 kann etwa 20 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 80 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthalten. Die dritte beispielhafte Zelle 630 kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Wie die dritte beispielhafte Zelle 630 kann eine vierte beispielhafte Zelle 640 eine vierte negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 8 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. HITACHI-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der vierten beispielhaften Zelle 640 kann etwa 20 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 80 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthalten. Die vierte beispielhafte Zelle 640 kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Eine fünfte beispielhafte Zelle 650 kann eine fünfte negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 8 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. HITACHI-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der fünften beispielhaften Zelle 650 kann etwa 10 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 90 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthalten. Die fünfte beispielhafte Zelle 650 kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Wie die fünfte beispielhafte Zelle 650 kann eine sechste beispielhafte Zelle 660 eine sechste negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 8 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. HITACHI-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der sechsten beispielhaften Zelle 660 kann etwa 10 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 90 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthalten. Die sechste beispielhafte Zelle 660 kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Eine siebte beispielhafte Zelle 670 kann eine siebte negative Elektrode aufweisen, die ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material (z.B. LixSiO, wobei 0 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 8 µm und ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis (z.B. HITACHI-Graphit) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthält. Das negative elektroaktive Material der siebten beispielhaften Zelle 670 kann etwa 5,5 Gew.-% des siliciumhaltigen negativen elektroaktiven Materials und etwa 94,5 Gew.-% des elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthalten. Die siebte beispielhafte Zelle 670 kann etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials enthalten.
  • Jede der negativen Elektroden 610-670 kann zusätzlich zu den negativen elektroaktiven Materialien etwa 1,1 Gew.-% eines leitfähigen Additivs (z.B. etwa 1 Gew.-% Super P und etwa 0,1 Gew.-% Kohlenstoff-Nanoröhrchen) und etwa 3,9 Gew.-% eines Bindemittels (z.B. Carboxymethylcellulose (CMC):Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) in einem Massenverhältnis von 1:1) enthalten.
  • Eine erste Vergleichszelle 680 kann etwa 96 Gew.-% eines elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis enthalten, das eine durchschnittliche Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm aufweist. Wie die erste Vergleichszelle 680 kann auch die zweite Vergleichszelle 690 etwa 96 Gew.-% eines elektroaktiven Materials auf Kohlenstoffbasis mit einer durchschnittlichen Teilchengröße (D50) von etwa 20 µm enthalten. Die erste und die zweite Vergleichszelle 680, 690 können zusätzlich zu den negativen elektroaktiven Materialien jeweils etwa 1,1 Gew.-% eines leitfähigen Additivs (z.B. Super P) und etwa 3,9 Gew.-% eines Bindemittels (z.B. 1 Carboxymethylcellulose (CMC)):1 Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)) enthalten.
  • Die folgende Tabelle gibt einen zusammenfassenden Überblick über die negativen elektroaktiven Materialien der verschiedenen Zellen 610-690.
    Zelle(n) Erstes elektroaktives Material Zweites elektroaktives Material
    610, 620 30 Gew.-% von LixSiO, 0 ≤ x ≤ 2 D50 von etwa 8 µm 70 Gew.-% Graphit, D50 von etwa 20 µm
    630, 640 20 Gew.-% von LixSiO, 0 ≤ x ≤ 2 D50 von etwa 8 µm 80 Gew.-% Graphit, D50 von etwa 20 µm
    650, 660 10 Gew.-% von LixSiO, 0 ≤ x ≤ 2 D50 von etwa 8 µm 90 Gew.-% Graphit, D50 von etwa 20 µm
    670 5,5 Gew.-% von LixSiO, 0 ≤ x ≤ 2 D50 von etwa 8 µm 94,5 Gew.-% Graphit, D50 von etwa 20 µm
    680, 690 100 Gew.-% Graphit, D50 von etwa 20 µm -
  • 6B ist eine graphische Darstellung, nur zum Vergleich, der Kapazitätserhaltung der beispielhaften Zellen 610, 670 verglichen mit den Vergleichszellen 680, 690, wobei die x-Achse 600 die Zyklenzahl und die y-Achse 602 die Kapazitätserhaltung (%) repräsentiert. Wie dargestellt, nimmt die Zyklusleistung der beispielhaften Zellen 610-670 mit zunehmender Menge an siliciumhaltigem negativem elektroaktivem Material zumindest teilweise aufgrund von Siliciumagglomeration ab (wie z.B. der Vergleich der nachstehend beschriebenen Mikroskopiebilder zeigt).
  • 7 ist ein mikroskopisches Bild von oben nach unten der beispielhaften Zellen 650, 660 im 87,5-µm-Maßstab, wobei die hellgrauen Teilchen 700 die ersten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialteilchen) und die dunkleren grauen Teilchen 702 die zweiten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. graphithaltige elektroaktive Materialteilchen) sind.
  • 8 ist ein mikroskopisches oberes Querschnittsbild (top-sectional image) der beispielhaften Zellen 610, 620 im 87,5-µm-Maßstab, wobei die hellgrauen Teilchen 800 die ersten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialteilchen) sind und die dunkleren grauen Teilchen 802 die zweiten elektroaktiven Materialteilchen (z.B. graphithaltige elektroaktive Materialteilchen) sind.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.

Claims (10)

  1. Verbundelektrode für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei die Verbundelektrode umfasst: ein erstes elektroaktives Material mit einer ersten spezifischen Kapazität von größer oder gleich etwa 1.000 mAh/g bis kleiner oder gleich etwa 3.600 mAh/g und einer ersten durchschnittlichen Teilchengröße; und ein zweites elektroaktives Material mit einer zweiten spezifischen Kapazität von größer oder gleich etwa 250 mAh/g bis kleiner oder gleich etwa 400 mAh/g und einer zweiten durchschnittlichen Teilchengröße, die nicht kleiner als die Hälfte der ersten durchschnittlichen Teilchengröße und nicht größer als das Doppelte der ersten durchschnittlichen Teilchengröße ist.
  2. Verbundelektrode nach Anspruch 1, wobei die erste durchschnittliche Teilchengröße größer als oder gleich 5 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 12 Mikrometer ist und die zweite durchschnittliche Teilchengröße größer als oder gleich etwa 8 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 16 Mikrometer ist.
  3. Verbundelektrode nach Anspruch 1, wobei die Verbundelektrode mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% des ersten elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des zweiten elektroaktiven Materials umfasst.
  4. Verbundelektrode nach Anspruch 1, wobei das zweite elektroaktive Material eine erste Vielzahl von Teilchen aus zweitem elektroaktivem Material und eine zweite Vielzahl von Teilchen aus zweitem elektroaktivem Material umfasst, wobei die Teilchen aus zweitem elektroaktivem Material die erste Vielzahl von Teilchen aus zweitem elektroaktivem Material mit der zweiten durchschnittlichen Teilchengröße bilden und die Teilchen aus zweitem elektroaktivem Material die zweite Vielzahl von Teilchen aus zweitem elektroaktivem Material mit einer dritten durchschnittlichen Teilchengröße bilden, die größer ist als die erste und die zweite durchschnittliche Teilchengröße.
  5. Verbundelektrode nach Anspruch 4, wobei die dritte durchschnittliche Teilchengröße größer als oder gleich etwa 14 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 30 Mikrometer ist.
  6. Verbundelektrode nach Anspruch 4, wobei die Verbundelektrode mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% des ersten elektroaktiven Materials, mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% der Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials, die die erste Vielzahl von Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials bilden, und mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% der Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials, die die zweite Vielzahl von Teilchen des zweiten elektroaktiven Materials bilden, umfasst.
  7. Verbundelektrode nach Anspruch 1, wobei das erste elektroaktive Material ein siliciumhaltiges elektroaktives Material umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: SiOx(wobei 0 ≤ x ≤ 2), LixSiO (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Silicium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff in Nanogröße und Kombinationen davon.
  8. Verbundelektrode nach Anspruch 1, wobei das zweite elektroaktive Material ein elektroaktives Material auf Kohlenstoffbasis umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Naturgraphit, synthetischer Graphit und Kombinationen davon.
  9. Verbundelektrode nach Anspruch 1, wobei das erste elektroaktive Material eine erste Vielzahl von Teilchen des ersten elektroaktiven Materials und eine zweite Vielzahl von Teilchen des ersten elektroaktiven Materials umfasst, wobei die Teilchen des ersten elektroaktiven Materials, die die erste Vielzahl bilden, die erste durchschnittliche Teilchengröße aufweisen und die Teilchen des ersten elektroaktiven Materials, die die zweite Vielzahl bilden, eine dritte durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, die kleiner als die erste und die zweite durchschnittliche Teilchengröße ist.
  10. Verbundelektrode nach Anspruch 9, wobei die dritte durchschnittliche Teilchengröße größer als oder gleich etwa 1 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 4 Mikrometer ist.
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