DE102023100911A1

DE102023100911A1 - Durch diffusionskopplung hergestellte elektrodenanordnungen

Info

Publication number: DE102023100911A1
Application number: DE102023100911.7A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey David Cain; Thomas E. Moylan; Caleb Reese; Sayed Youssef Sayed Nagy; Andrew Clay Bobel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-08-02
Filing date: 2023-01-16
Publication date: 2024-02-08
Also published as: US20240047693A1; CN117497703A

Abstract

Eine Elektrodenanordnung, die einen Stromkollektor, eine Lithiumfolie und eine Mischkristall-Grenzfläche umfasst, die den Stromkollektor und die Lithiumfolie chemisch verbindet, wird bereitgestellt. Die Mischkristall-Grenzfläche umfasst einen Teil des Stromkollektors, der mit Lithiumatomen getränkt ist, die aus der Lithiumfolie diffundiert sind. In einigen Variationen umfasst ein Verfahren zur Herstellung der Elektrodenanordnung das Erhitzen einer Vorläufer-Elektrodenanordnung, die einen Stromkollektor und einen Lithiummetallfilm enthält, auf eine Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt von Lithium liegt, so dass Lithiumatome während des Erhitzens in den Stromkollektor diffundieren. In anderen Variationen umfasst ein Verfahren zur Herstellung der Elektrodenanordnung das Aufbringen von geschmolzenem Lithium auf einen erhitzten Stromkollektor, um eine Vorläufer-Elektrodenanordnung zu bilden, und das Abkühlen der Anordnung, um eine Lithiummetallschicht zu bilden, die chemisch mit dem Stromkollektor verbunden ist.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Fortschrittliche Energiespeicher und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische Lithiumionen-Batterien enthalten mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode dienen, und die andere Elektrode kann als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen zwischen den Elektroden geeignet und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten enthalten, kann der Festkörperelektrolyt die Elektroden physisch trennen, so dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist.
Es können viele verschiedene Materialien verwendet werden, um Komponenten für eine Lithiumionen-Batterie herzustellen. Die negative Elektrode kann z.B. aus einem lithiumhaltigen Material, z.B. metallischem Lithium, hergestellt sein, so dass die elektrochemische Zelle als Lithiummetall-Batterie oder -Zelle anzusehen ist. Metallisches Lithium für den Einsatz in der negativen Elektrode einer wiederaufladbaren Batterie hat verschiedene potenzielle Vorteile, darunter die höchste theoretische Kapazität und das niedrigste elektrochemische Potenzial. Daher sind Lithiummetall-Batterien einer der vielversprechendsten Kandidaten für Systeme zur Speicherung hoher Energiemengen. Lithiummetall haftet jedoch nicht ohne Weiteres an herkömmlichen Stromkollektormaterialien wie Kupfer, wenn verschiedene physikalische oder mechanische Techniken verwendet werden, was häufig zu De-Laminierung und verminderter Leistung und/oder einem möglichen vorzeitigen Ausfall der elektrochemischen Zelle führt. Dementsprechend wäre es wünschenswert, Materialien für den Einsatz in Lithiumionen-Hochleistungsbatterien zu entwickeln, die die Adhäsion und damit die Zellenleistung verbessern.
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 Elektrodenanordnungen mit Mischkristall-Grenzflächen in Nanogröße, die Stromkollektoren und elektroaktive Materialschichten verbinden, sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Elektrodenanordnung kann einen Stromkollektor, eine Lithiummetallfolie und eine Mischkristall-Grenzfläche umfassen, die den Stromkollektor und die Lithiummetallfolie chemisch verbindet. Die Mischkristall-Grenzfläche kann einen ersten Teil des Stromkollektors umfassen, der mit Lithiumatomen getränkt ist, die aus der Lithiummetallfolie diffundiert sind.
In einem Aspekt kann der Stromkollektor eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 3 µm bis weniger als oder gleich etwa 80 µm haben, und die Mischkristall-Grenzfläche kann mehr als oder gleich etwa 0,05 % bis weniger als oder gleich etwa 1,5 % der durchschnittlichen Dicke des Stromkollektors tränken.
In einem Aspekt kann die Lithiummetallfolie eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Mikrometer bis weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometern aufweisen.
In einem Aspekt kann der Stromkollektor Kupfer enthalten.
In einem Aspekt kann der Stromkollektor außerdem Zink, Zinn, Blei, Gold, Indium, Nickel, Silicium oder Kombinationen davon enthalten.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung für eine elektrochemischen Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Das Verfahren kann das Erhitzen einer Vorläufer-Elektrodenanordnung, die einen Stromkollektor und einen auf einer oder mehreren Oberflächen des Stromkollektors angeordneten Lithiummetallfilm enthält, auf eine Temperatur umfassen, die unter dem Schmelzpunkt von Lithium liegt, so dass Lithiumatome während des Erhitzens aus dem Lithiummetallfilm in den Stromkollektor diffundieren und eine Mischkristall-Grenzfläche bilden, die den Stromkollektor und die Lithiummetallfolie chemisch verbindet, um die Elektrodenanordnung zu bilden.
In einem Aspekt kann die Temperatur mehr als oder gleich etwa 120 °C bis weniger als oder gleich etwa 180 °C betragen.
In einem Aspekt kann die Temperatur für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Sekunden bis zu weniger als oder gleich etwa 3 Stunden gehalten werden.
In einem Aspekt kann der Lithiummetallfilm eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Mikrometer bis weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometern haben.
In einem Aspekt kann das Verfahren auch die Herstellung der Vorläufer-Elektrodenanordnung umfassen. Die Vorläufer-Elektrodenanordnung kann hergestellt werden, indem der Lithiummetallfilm auf eine oder mehrere Oberflächen des Stromkollektors aufgebracht wird, z.B. durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren (PVD), ein Elektroabscheidungsverfahren oder ein Laminierungsverfahren.
In einem Aspekt kann der Lithiummetallfilm ein ultradünner Lithiummetallfilm mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Nanometer bis weniger als oder gleich etwa 110 Nanometer sein.
In einem Aspekt kann das Verfahren ferner die Herstellung der Elektrodenanordnung durch Aufbringen des ultradünnen Lithiummetallfilms auf die eine oder mehreren Oberflächen des Stromkollektors mittels eines Elektroabscheidungsverfahrens umfassen.
In einem Aspekt kann die durchschnittliche Dicke eine erste durchschnittliche Dicke sein, der ultradünne Lithiummetallfilm kann ein erster Lithiummetallfilm sein, und das Verfahren kann ferner beinhalten, dass nach dem Erhitzen ein zweiter Lithiummetallfilm auf die Mischkristall-Grenzfläche aufgebracht wird. Die zweite Lithiummetallschicht kann eine zweite durchschnittliche Dicke aufweisen, die größer ist als die erste durchschnittliche Dicke.
In einem Aspekt kann die zweite durchschnittliche Dicke größer als oder gleich etwa 1 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 100 Mikrometer sein.
In einem Aspekt kann der Stromkollektor eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 5 Mikrometern bis weniger als oder gleich etwa 80 Mikrometern haben, und die Mischkristall-Grenzfläche kann mehr als oder gleich etwa 0,05 % bis weniger als oder gleich etwa 1,5 % der durchschnittlichen Dicke des Stromkollektors tränken.
In einem Aspekt kann der Stromkollektor Kupfer enthalten.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung für eine elektrochemischen Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Das Verfahren kann das Aufbringen von geschmolzenem Lithium auf eine oder mehrere Oberflächen eines erhitzten Stromkollektors zur Bildung einer Vorläufer-Elektrodenanordnung und das Abkühlen der Vorläufer-Elektrodenanordnung zur Bildung einer Lithiummetallschicht umfassen, die mit der einen oder den mehreren Oberflächen des Stromkollektors über eine Mischkristall-Grenzfläche chemisch verbunden ist und die Elektrodenanordnung bildet.
In einem Aspekt kann das geschmolzene Lithium während des Aufbringens eine erste Temperatur von größer als oder gleich etwa 180 °C bis weniger als oder gleich etwa 250 °C haben, und der erhitzte Vorläufer-Stromkollektor kann eine zweite Temperatur von größer als oder gleich etwa 120 °C bis weniger als oder gleich etwa 250 °C haben.
In einem Aspekt kann die Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von mehr als oder gleich etwa 5 °C/s bis weniger als oder gleich etwa 50 °C/s erfolgen.
In einem Aspekt kann der Stromkollektor eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 5 Mikrometern bis weniger als oder gleich etwa 80 Mikrometern haben, und die Mischkristall-Grenzfläche kann mehr als oder gleich etwa 0,05 % bis weniger als oder gleich etwa 1,5 % der durchschnittlichen Dicke des Stromkollektors tränken.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 zeigt ein Beispiel einer elektrochemischen Zelle mit einer Elektrodenanordnung, die eine Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße aufweist, die einen Stromkollektor und eine elektroaktive Materialschicht gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung verbindet;
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung mit einer Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße darstellt, die einen Stromkollektor und eine elektroaktive Materialschicht gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung verbindet;
3A ist eine graphische Darstellung, die die Diffusionstiefe von Lithiumatomen in einen Stromkollektor zeigt, der eine Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bildet;
3B ist eine weitere graphische Darstellung, die die Diffusionstiefe von Lithiumatomen in einen Stromkollektor zur Bildung einer Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung mit einer Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße zeigt, die einen Stromkollektor und eine elektroaktive Materialschicht gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung verbindet; und
5 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung mit einer Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße zeigt, die einen Stromkollektor und eine elektroaktive Materialschicht gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung verbindet.

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 Elektrodenanordnungen, die durch Diffusionskopplung hergestellt werden. Solche Zellen werden in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z.B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Motorräder, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer) eingesetzt.
Die vorliegende Technologie kann jedoch als nicht einschränkendes Beispiel in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z.B. Häuser, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Bürogeräten und Möbeln sowie in Maschinen für die Industrie, in agrarwirtschaftlichen oder landwirtschaftlichen Geräten oder in schweren Maschinen. Obwohl ferner die unten dargestellten Beispiele eine einzelne positive Elektroden-Kathode und eine einzelne Anode umfassen, ist Fachleuten klar, dass sich die vorliegenden Lehren auch auf verschiedene andere Konfigurationen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden, sowie verschiedenen Stromkollektoren mit elektroaktiven 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 der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann. In bestimmten Variationen kann der Separator 26 aus einem Festkörperelektrolyten oder einem halbfesten Elektrolyten (z.B. einem Gelelektrolyten) gebildet sein. Zum Beispiel kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen gebildet sein (nicht abgebildet). Bei Festkörperbatterien und/oder halbfesten bzw. Semi-Festkörperbatterien können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. Die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen, die im Separator 26 enthalten sind oder diesen bilden, kann gleich oder verschieden von der Vielzahl der Festkörperelektrolytteilchen sein, die in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 enthalten sind.
Ein erster Stromkollektor 32 (z.B. ein negativer Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode (die auch als negative elektroaktive Materialschicht bezeichnet werden kann) 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 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 22 auf einer ersten Seite des ersten Stromkollektors 32 und eine positive elektroaktive Materialschicht 24 auf einer zweiten Seite des ersten Stromkollektors 32 angeordnet sein kann. In jedem Fall kann, wie unten ausführlicher dargestellt, die negative Elektrode 22 mit dem ersten Stromkollektor 32 durch Diffusionskopplung verbunden werden, so dass die negative Elektrode 22 und der erste Stromkollektor 32 chemisch gebunden sind, was die Haftung und damit den elektrischen Kontakt erhöht. Der erste Stromkollektor 32 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -sieb, Metallschäume, Streckmetall oder perforierte Metallfolien sein, die Kupfer enthalten, beispielsweise reines Kupfer sowie Kupferlegierungen wie Kupfer-Zink-Legierungen (Messing), Kupfer-Zinn-Legierungen (Bronze), Kupfer-Blei-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen, Kupfer-Indium-Legierungen, Kupfer-Nickel-Legierungen und/oder Kupfer-Silicium-Legierungen.
Ein zweiter Stromkollektor 34 (z.B. ein positiver Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode (die auch als positive elektroaktive Materialschicht bezeichnet werden kann) 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 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 24 auf einer ersten Seite des zweiten Stromkollektors 34 und eine negative elektroaktive Materialschicht 22 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, Streckmetall oder perforierte Metallfolien 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 (LiI), 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 (DV) 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™-Meta-Aramid (z.B. ein aromatisches Polyamid, das durch eine Kondensationsreaktion aus den Monomeren m-Phenylendiamin und Isophthaloylchlorid gebildet wird), aromatischem ARAMID-Polyamid und Kombinationen davon.
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, Li₃xLa_2/3-xTiO₃, Li₃PO₄, Li₃N, Li₄GeS₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₂S-P₂S₅, Li₆PS₅Cl, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅I, Li₃OCl, Li_2,99Ba_0,005ClO oder Kombinationen davon. Der halbfeste Elektrolyt kann einen Polymer-Wirt und einen flüssigen Elektrolyten enthalten. Der Polymer-Wirt kann z.B. umfassen: Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethacrylnitril (PMAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Poly(vinylalkohol) (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Kombinationen davon. In bestimmten Variationen können sich der halbfeste oder Gelelektrolyt auch in 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 (die auch als eine positive elektroaktive Materialschicht bezeichnet werden kann) 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 kann die positive Elektrode 24 eine Verbundelektrode sein, die eine Kombination von positiven elektroaktiven Materialien enthält. Die positive Elektrode 24 kann zum Beispiel ein erstes positives elektroaktives Material und ein zweites elektroaktives Material enthalten. Das Verhältnis zwischen dem ersten positiven elektroaktiven Material und dem zweiten positiven elektroaktiven Material kann größer als oder gleich etwa 5:95 bis kleiner als oder gleich etwa 95:5 sein. In bestimmten Variationen können das erste und das zweite elektroaktive Material unabhängig voneinander aus einem oder mehreren geschichteten Oxiden, einem oder mehreren Oxiden vom Olivin-Typ, einem oder mehreren Oxiden vom monoklinen Typ, einem oder mehreren Oxiden vom Spinell-Typ, einem oder mehreren Tavoriten oder Kombinationen davon ausgewählt werden.
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 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 leitfähige Polymere gehören. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören Graphitteilchen, Acetylenruß (z.B. KETCHEN™-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 (die auch als negative elektroaktive Materialschicht bezeichnet werden kann) 22 ist aus einem Lithium-Wirtsmaterial gebildet, das als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie fungieren kann. Die negative elektroaktive Materialschicht 22 kann beispielsweise ein lithiumhaltiges negatives elektroaktives Material, wie z.B. eine Lithiumlegierung und/oder ein Lithiummetall, enthalten. In bestimmten Variationen kann die Lithiummetallfolie, wie oben erwähnt, durch Diffusionskopplung mit dem ersten Stromkollektor 32 verbunden werden, so dass die negative elektroaktive Materialschicht 22 und der erste Stromkollektor 32 chemisch miteinander verbunden sind, was den adhäsiven, und damit den elektrischen, Kontakt erhöht. Beispielsweise kann eine Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße die negative elektroaktive Materialschicht 22 und den ersten Stromkollektor 32 verbinden.
Die Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße kann durch einen Bereich zwischen dem ersten Stromkollektor 32 und der negativen elektroaktiven Materialschicht 22 gebildet sein, der durch Lithiummetall (z.B. mit mehr als oder gleich etwa 99 Masse-% Lithium) gebildet ist. Die Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße ist somit als ein diskreter Bereich an der Oberfläche des ersten Stromkollektors 32 gebildet, in den Lithiumatome (aus der negativen elektroaktiven Materialschicht 22) teilweise eindiffundiert sind. Beispielsweise kann der erste Stromkollektor 32 (als Folienstromkollektor oder dreidimensionaler Folienkollektor (z.B. Maschen)) eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 3 Mikrometer (µm) bis weniger als oder gleich etwa 80 µm, optional mehr als oder gleich etwa 3 µm bis weniger als oder gleich etwa 60 µm, optional mehr als oder gleich etwa 3 µm bis weniger als oder gleich etwa 15 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 6 µm bis weniger als oder gleich etwa 12 µm aufweisen; und die Lithiumatome können in den ersten Stromkollektor 32 mindestens etwa 0,05 %, optional größer oder gleich etwa 0,05 % bis kleiner oder gleich etwa 1,5 %, optional größer oder gleich etwa 0,05 % bis kleiner oder gleich etwa 0,4 % und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0,1 % bis kleiner oder gleich etwa 0,25 % der Gesamtdicke des ersten Stromkollektors 32 diffundieren. Auf diese Weise hat die Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße eine andere Zusammensetzung als das übrige Stromkollektormaterial, da sie Lithiumionen (gegebenenfalls in einem Konzentrationsgradienten) in dem Metall enthält, das den ersten Stromkollektor 32 bildet. Der erste Stromkollektor 32 kann Kupferlegierungen enthalten (z.B. Kupfer-Zink-Legierungen (Messing), Kupfer-Zinn-Legierungen (Bronze), Kupfer-Blei-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen, Kupfer-Indium-Legierungen, Kupfer-Nickel-Legierungen und/oder Kupfer-Silicium-Legierungen). Das metallische Material kann somit zusätzliche Legierungen oder Zwischenmetalle mit dem diffundierten Lithium bilden und so chemische Bindungen eingehen, die die Verbindung zwischen der negativen Elektrode 22 und dem ersten Stromkollektor 32 weiter verbessern.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung von Elektrodenanordnungen bereit, die Schichten aus elektroaktivem Material enthalten, die neben Stromkollektoren angeordnet sind und einen verbesserten Haft- und elektrischen Kontakt zwischen den elektroaktiven Materialschichten und den Stromkollektoren aufweisen. Zum Beispiel kann in bestimmten Variationen, wie in 2 dargestellt, ein beispielhaftes Verfahren 200 zur Herstellung einer Elektrodenanordnung, wie die negative Elektrodenanordnung (mit der negativen Elektrode 22 mit dem ersten Stromkollektor 32), wie in 1 dargestellt, ein sich an die Herstellung anschließendes Wärmebehandlungsverfahren sein, das die Bildung 220 einer Vorläufer-Elektrodenanordnung und die Wärmebehandlung 230 der Vorläufer-Elektrodenanordnung umfasst. Die Vorläufer-Elektrodenanordnung kann eine elektroaktive Materialschicht (z.B. eine Lithiummetallfolie) enthalten, die in der Nähe oder auf einer oder mehreren Seiten eines Stromkollektors angeordnet ist. Die elektroaktive Materialschicht kann z.B. mit Hilfe eines PVD-Verfahrens (Physical Vapor Deposition), eines galvanischen Abscheidungsverfahrens, eines Laminierungsverfahrens oder dergleichen aufgebracht werden. In bestimmten Variationen kann das Verfahren 200 die Herstellung 210 der Vorläufer-Elektrodenanordnung umfassen.
In jeder Variation kann die Wärmebehandlung 230 das Erhitzen (z.B. unter Verwendung einer Heizstufe (in einer inerten oder trockenen Atmosphäre) und/oder Infrarot- (oder anderer) Strahlung und/oder Widerstandsheizung (AC oder DC)) der Elektrode auf eine Temperatur umfassen, die unter der Schmelztemperatur sowohl des Lithiums (z.B. liegt der Schmelzpunkt von Lithium bei etwa 180 °C) als auch des Stromkollektors (z.B. liegt der Schmelzpunkt von Kupfer bei etwa 1080 °C) liegt. Beispielsweise kann die Elektrodenanordnung auf eine Temperatur von mehr als oder gleich etwa 120 °C bis weniger als oder gleich etwa 180 °C und in bestimmten Aspekten optional auf mehr als oder gleich etwa 150 °C bis weniger als oder gleich etwa 170 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Sekunden bis weniger als oder gleich etwa 3 Stunden und in bestimmten Aspekten optional auf mehr als oder gleich etwa 10 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 30 Minuten erhitzt werden. In bestimmten Variationen kann die Wärmebehandlung nach der Herstellung erfolgen, und die Spulen können nach der Herstellung und dem Aufwickeln erhitzt werden.
In jedem Fall können während der Wärmebehandlung Lithiumatome durch Festkörperdiffusion in den Stromkollektor eindringen, wobei die Tiefe der Diffusion von der Temperatur der Elektrode und des Stromkollektors sowie von der Zeit abhängt, die Elektrode und Stromkollektor bei der erhöhten Temperatur gehalten werden. Die 3A und 3B zeigen beispielsweise die Diffusion von Lithiumatomen in einen Stromkollektor aus reinem Kupfer bei 170 °C bei verschiedenen Zeitdauern. 3A zeigt die Diffusion der Lithiumatome bei 0 Sekunden (vgl. Referenzlinie 310), 1 Sekunde (vgl. Referenzlinie 312), 5 Sekunden (vgl. Referenzlinie 314), 10 Sekunden (vgl. Referenzlinie 316) und 30 Sekunden (vgl. Referenzlinie 318), wobei die x-Achse 300 den Abstand (nm) und die y-Achse 302 Mol-% Lithium repräsentiert. 3B zeigt die Diffusion der Lithiumatome nach 0 Minuten (Referenzlinie 360), 10 Minuten (Referenzlinie 362), 15 Minuten (vgl. Referenzlinie 364) und 30 Minuten (vgl. Referenzlinie 366), wobei die x-Achse 350 den Abstand (nm) und die y-Achse 352 Mol-% Lithium repräsentiert. In bestimmten Variationen kann die Diffusion des Lithiums von der Folienkornstruktur des Stromkollektors abhängig sein. Zum Beispiel kann Lithium an Metallkorngrenzen schneller/tiefer in den Stromkollektor diffundieren. Stromkollektoren mit dichteren Kornstrukturen (z.B. kleine Körner, viele Korngrenzen) weisen somit ein tieferes Eindringen von Lithium auf. Allerdings diffundiert das Lithium bevorzugt an den Korngrenzen, was zu einer weniger homogenen Lithiumverteilung führen kann.
In jeder Variation kann das Verfahren 200 nach der Wärmebehandlung 230 das Abkühlen 240 der hergestellten Elektrodenanordnung auf Raumtemperatur (z.B. größer oder gleich etwa 20 °C bis kleiner oder gleich etwa 22 °C) umfassen. Wichtig ist, dass ein kurzes Abkühlungsfenster zu schärferen Grenzflächen führen kann, während ein langsames Abkühlungsfenster zu einer diffuseren Grenzfläche führen kann. Das Verfahren 200 kann auch das Ausrichten 250 der hergestellten Elektrodenanordnung relativ zu anderen Zellenkomponenten (z.B. positive Elektrodenanordnung und Separator) umfassen, um eine Zelle zu bilden (oder zusammenzusetzen). In bestimmten Variationen kann das Kühlen 240 und das Ausrichten 250 gleichzeitig erfolgen. In anderen Variationen kann das Kühlen 240 und das Ausrichten 250 nacheinander erfolgen.
In verschiedenen Aspekten kann, wie in 4 dargestellt, ein beispielhaftes Verfahren 400 zum Herstellen einer Elektrodenanordnung, wie die negative Elektrodenanordnung (mit der negativen Elektrode 22 mit dem ersten Stromkollektor 32), wie in 1 dargestellt, ein zweistufiges Verfahren sein, das das Herstellen 410 eines Stromkollektors mit einer Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße und das Anordnen 420 einer Lithiummetallelektrode (mit beispielsweise einer durchschnittlichen Dicke von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 100 µm, optional größer oder gleich etwa 10 µm bis kleiner oder gleich etwa 70 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 20 µm bis kleiner oder gleich etwa 70 µm) auf der Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße des Stromkollektors umfasst.
Die Herstellung des Stromkollektors mit der Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße kann das Aufbringen 412 eines ultradünnen Lithiummetallfilms auf oder in der Nähe der Oberfläche des Stromkollektors umfassen. Der ultradünne Lithiummetallfilm kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Nanometern (nm) bis weniger als oder gleich etwa 110 nm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 nm bis weniger als oder gleich etwa 25 nm, und in bestimmten Aspekten kann das Aufbringen des ultradünnen Lithiummetallfilms auf oder in der Nähe der Oberfläche des Stromkollektors ein Elektroabscheidungsverfahren umfassen.
Die Herstellung des Stromkollektors mit der Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße kann ferner das Erhitzen 414 des so angeordneten ultradünnen Lithiummetallfilms umfassen, so dass das Lithium in seiner Gesamtheit über Festkörperdiffusion in den Stromkollektor diffundiert und den modifizierten Stromkollektor mit der Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße bildet. In bestimmten Variationen kann die ultradünne Lithiummetallfolie im Ausgangszustand (beispielsweise unter Verwendung einer Heizstufe (in einer inerten oder trockenen Atmosphäre) und/oder Infrarot- (oder anderer) Strahlung und/oder Widerstandsheizung (Wechselstrom oder Gleichstrom)) auf eine Temperatur von mehr als oder gleich etwa 120 °C bis weniger als oder gleich etwa 180 °C erhitzt werden, und in bestimmten Aspekten optional auf mehr als oder gleich etwa 150 °C bis weniger als oder gleich etwa 170 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 1 Sekunde bis weniger als oder gleich etwa 1 Stunde, und in bestimmten Aspekten optional auf mehr als oder gleich etwa 5 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 10 Minuten. Wie oben erwähnt, kann die Diffusion des Lithiums in den Vorläufer-Stromkollektor von der Folienkornstruktur des Stromkollektors abhängig sein.
In bestimmten Variationen kann das Verfahren 400 die Abkühlung 430 des Stromkollektors mit einer Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße auf Raumtemperatur (z.B. größer oder gleich etwa 20 °C bis kleiner oder gleich etwa 22 °C) vor dem Aufbringen der Lithiummetallelektrode auf die Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße des Stromkollektors umfassen. In bestimmten Variationen kann das Verfahren 400 nach dem Aufbringen der Lithium-Metallelektrode auf die Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße des Stromkollektors das Ausrichten 440 der gebildeten Elektrodenanordnung relativ zu anderen Zellenkomponenten (z.B. positive Elektrodenanordnung und Separator) umfassen, um eine Zelle zu bilden (oder zusammenzubauen).
In verschiedenen Aspekten kann, wie in 5 dargestellt, ein beispielhaftes Verfahren 500 zur Herstellung einer Elektrodenanordnung, wie die negative Elektrodenanordnung (mit der negativen Elektrode 22 mit dem ersten Stromkollektor 32), wie in 1 dargestellt, ein Schmelzverfahren sein, das das Aufbringen 530 (z.B. Auftragen als Überzug) von geschmolzenem Lithium auf eine oder mehrere Oberflächen eines beheizten Stromkollektors zur Bildung einer Vorläuferanordnung umfasst. In bestimmten Variationen kann das Verfahren 500 das Erzeugen 510 des geschmolzenen Lithiums und/oder das Erwärmen 520 des Stromkollektors umfassen. Das Erzeugen der Lithiumschmelze 510 und das Erwärmen des Stromkollektors 520 können gleichzeitig oder nacheinander erfolgen. Das geschmolzene Lithium kann eine Temperatur von mehr als oder gleich etwa 180 °C bis weniger als oder gleich etwa 250 °C haben. Der Stromkollektor kann erhitzt werden (z.B. unter Verwendung einer Heizstufe (in einer inerten oder trockenen Atmosphäre) und/oder durch Infrarot- (oder andere) Strahlung und/oder Widerstandsheizung (Wechsel- oder Gleichstrom)), um eine vorzeitige Abkühlung zu begrenzen, und kann eine Temperatur von mindestens etwa 120 °C bis höchstens etwa 250 °C und in bestimmten Fällen optional von mindestens etwa 120 °C bis höchstens etwa 180 °C haben.
In verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren 500 ferner das Abkühlen 540 der Vorläuferanordnung, so dass das Lithium in die Stromkollektoren diffundiert und die negative Elektrodenanordnung mit der Mischkristall-Grenzfläche in Nanogröße bildet. Die Vorläuferanordnung kann bei 540 gekühlt werden (z.B. im Freien oder unter Verwendung eines FAC (Forced Air Cooling bzw. Zwangsluftkühlung)-Verfahrens, bei dem Gase wie Argon verwendet werden, die nicht mit Lithium reagieren), und zwar mit einer Kühlgeschwindigkeit, die von der Belüftung, der inneren Wärme, dem Luftstrom usw. abhängt, aber z.B. größer als oder gleich etwa 5 °C/s bis kleiner als oder gleich etwa 50 °C/s sein kann. In bestimmten Variationen kann das Verfahren 500 nach der Abkühlung 540 das Ausrichten 550 der gebildeten Elektrodenanordnung relativ zu anderen Zellenkomponenten (z.B. positive Elektrodenanordnung und Separator) umfassen, um eine Zelle zu bilden (oder zusammenzubauen).
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

Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei das Verfahren umfasst: Erhitzen einer Vorläufer-Elektrodenanordnung, die einen Stromkollektor und einen auf einer oder mehreren Oberflächen des Stromkollektors angeordneten Lithiummetallfilm umfasst, auf eine Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt von Lithium liegt, so dass Lithiumatome aus dem Lithiummetallfilm während des Erhitzens in den Stromkollektor diffundieren und eine Mischkristall-Grenzfläche bilden, die den Stromkollektor und den Lithiummetallfilm chemisch verbindet, um die Elektrodenanordnung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur größer als oder gleich etwa 120 °C bis kleiner als oder gleich etwa 180 °C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Sekunden bis zu weniger als oder gleich etwa 3 Stunden gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lithiummetallfilm eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Mikrometer bis weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verfahren ferner umfasst: Herstellen der Vorläufer-Elektrodenanordnung durch Aufbringen des Lithiummetallfilms auf die eine oder mehreren Oberflächen des Stromkollektors unter Verwendung eines physikalischen Dampfabscheidungsprozesses (PVD), eines Elektroabscheidungsprozesses oder eines Laminierungsprozesses.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lithiummetallfilm ein ultradünner Lithiummetallfilm mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 Nanometern bis weniger als oder gleich etwa 110 Nanometern ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren ferner umfasst: Herstellen der Elektrodenanordnung durch Aufbringen des ultradünnen Lithiummetallfilms auf die eine oder mehreren Oberflächen des Stromkollektors unter Verwendung eines Elektroabscheidungsverfahrens.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die durchschnittliche Dicke eine erste durchschnittliche Dicke ist, der ultradünne Lithiummetallfilm ein erster Lithiummetallfilm ist, und das Verfahren ferner umfasst: nach dem Erhitzen Aufbringen eines zweiten Lithiummetallfilms auf die Mischkristall-Grenzfläche, wobei der zweite Lithiummetallfilm eine zweite durchschnittliche Dicke aufweist, die größer ist als die erste durchschnittliche Dicke.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zweite durchschnittliche Dicke größer als oder gleich etwa 1 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 100 Mikrometer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stromkollektor eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 5 Mikrometern bis weniger als oder gleich etwa 80 Mikrometern aufweist und die Mischkristall-Grenzfläche mehr als oder gleich etwa 0,05 % bis weniger als oder gleich etwa 1,5 % der durchschnittlichen Dicke des Stromkollektors tränkt.