DE102023101039A1

DE102023101039A1 - Systeme und verfahren zum bewerten von referenzelektrodenanordnungen für elektrochemische zellen

Info

Publication number: DE102023101039A1
Application number: DE102023101039.5A
Authority: DE
Inventors: Biqiong WANG; Insun Yoon; Fang DAI; Mark W. Verbrugge
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2023-01-17
Publication date: 2024-02-08
Also published as: CN117517989A; US20240044838A1

Abstract

Ein System zum Bewerten einer Eigenschaft einer Referenzelektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch durchlaufen lässt, enthält einen Controller und eine Testzellenanordnung. Die Testzellenanordnung enthält ein Metallgehäuse, das elektrisch an den Controller gekoppelt ist, und eine Testzelle, die innerhalb des Metallgehäuses angeordnet ist. Die Testzelle enthält eine Lithiummetallschicht und eine Separatoranordnung. Die Separatoranordnung enthält eine Separatorschicht, eine auf der Separatorschicht aufgebrachte Stromkollektorschicht und optional eine elektroaktive Schicht, die auf der Separatorschicht aufgebracht ist, so dass die elektroaktive Schicht die Stromkollektorschicht wenigstens teilweise überlappt. Die Stromkollektorschicht befindet sich mit einer elektroaktiven Schicht in direkten physischen Kontakt und ist durch die Separatorschicht elektrisch von der Lithiummetallschicht isoliert.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung bereit, die nicht notwendigerweise Stand der Technik sind.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Referenzelektrodenanordnungen und insbesondere auf Systeme und Verfahren zum Bewerten von Referenzelektrodenanordnungen für elektrochemische Zellen, die eine Arbeitselektrode, eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode enthalten.
Referenzelektrodenanordnungen können in elektrochemischen Zellen verwendet werden, die Lithiumionen zyklisch durchlaufen lassen, um das einzelne elektrische Potential einer negativen Elektrode und/oder einer positiven Elektrode der elektrochemischen Zelle während des zyklischen Durchlaufens zu überwachen.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Schutzumfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System zum Bewerten einer Eigenschaft einer Stromkollektorschicht einer Referenzelektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch durchlaufen lässt. Das System umfasst einen Controller und eine Testzellenanordnung. Die Testzellenanordnung umfasst ein erstes Metallgehäuse und eine Testzelle, die innerhalb eines Innenraums des ersten Metallgehäuses angeordnet ist. Das erste Metallgehäuse umfasst ein Oberteil und ein Unterteil, die gemeinsam den Innenraum des ersten Metallgehäuses definieren. Das Oberteil des ersten Metallgehäuses ist über einen ersten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt, während das Unterteil des ersten Metallgehäuses über einen zweiten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt ist. Die Testzelle umfasst eine erste elektroaktive Schicht, eine erste Lithiummetallschicht und eine zwischen der ersten elektroaktiven Schicht und der ersten Lithiummetallschicht angeordnete Separatoranordnung. Die Separatoranordnung umfasst eine erste Separatorschicht mit einer ersten Hauptoberfläche und eine auf der ersten Hauptoberfläche der ersten Separatorschicht aufgebrachte Stromkollektorschicht. Die Stromkollektorschicht ist durch die erste Separatorschicht elektrisch von der Lithiummetallschicht isoliert. Die Stromkollektorschicht befindet sich mit der ersten elektroaktiven Schicht in direkten physischen Kontakt. Die erste Lithiummetallschicht ist elektrisch an das Oberteil des ersten Metallgehäuses gekoppelt, während die erste elektroaktive Schicht elektrisch an das Unterteil des ersten Metallgehäuses gekoppelt ist.
Die Testzellenanordnung kann ferner einen Metallabstandshalter und ein Vorspannelement umfassen, die zwischen der Testzelle und dem oberen Teil des ersten Metallgehäuses angeordnet sind.
Das Oberteil und das Unterteil des ersten Metallgehäuses können durch eine Dichtung elektrisch voneinander isoliert sein.
Der Controller kann konfiguriert sein, ein zyklisches Testzellen-Voltammogramm durch das Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen der ersten elektroaktiven Schicht und der ersten Lithiummetallschicht, das zyklische Durchlaufen des angelegten elektrischen Potentials zwischen einem Anfangspotential und einem Soll-Potential und das Messen des elektrischen Stroms in der ersten elektroaktiven Schicht, während das angelegte elektrische Potential zwischen dem Anfangspotential und dem Soll-Potential zyklisch durchlaufen wird, zu erzeugen.
Der Controller kann konfiguriert sein, eine Angabe wenigstens einer der Ionenpermeabilität der Stromkollektorschicht, der Kompatibilität der Stromkollektorschicht und der ersten elektroaktiven Schicht oder der elektrochemischen Stabilität der Stromkollektorschicht in der Umgebung der Testzelle bereitzustellen.
Das System kann ferner eine Kontrollzellenanordnung umfassen. Die Kontrollzellenanordnung kann ein zweites Metallgehäuse und eine innerhalb eines Innenraums des zweiten Metallgehäuses angeordnete Kontrollzelle umfassen. Das zweite Metallgehäuse kann ein Oberteil und ein Unterteil umfassen, die gemeinsam den Innenraum des zweiten Metallgehäuses definieren. Das Oberteil des zweiten Metallgehäuses kann über einen dritten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt sein, während das Unterteil des zweiten Metallgehäuses über einen vierten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt sein kann. Die Kontrollzelle kann eine zweite elektroaktive Schicht, eine zweite Lithiummetallschicht und eine zweite Separatorschicht, die zwischen der zweiten elektroaktiven Schicht und der zweiten Lithiummetallschicht und in direkten physischen Kontakt mit diesen angeordnet ist, umfassen. Die zweite Lithiummetallschicht kann elektrisch an das Oberteil des zweiten Metallgehäuses gekoppelt sein, während die zweite elektroaktive Schicht elektrisch an das Unterteil des zweiten Metallgehäuses gekoppelt sein kann.
Der Controller kann konfiguriert sein, ein zyklisches Kontrollzellen-Voltammogramm durch das Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen der zweiten elektroaktiven Schicht und der zweiten Lithiummetallschicht, das zyklische Durchlaufen des angelegten elektrischen Potentials zwischen einem Anfangspotential und einem Soll-Potential und das Messen des elektrischen Stroms in der zweiten elektroaktiven Schicht, während das angelegte elektrische Potential zwischen dem Anfangspotential und dem Soll-Potential zyklisch durchlaufen wird, zu erzeugen.
Es wird ein Verfahren zum Bewerten einer Eigenschaft der Stromkollektorschicht offenbart. Bei dem Verfahren kann ein elektrisches Potential zwischen der ersten elektroaktiven Schicht und der ersten Lithiummetallschicht angelegt werden. Das elektrische Potential kann zwischen einem Anfangspotential und einem Soll-Potential zyklisch durchlaufen werden. Der elektrische Strom in der ersten elektroaktiven Schicht kann gemessen werden, während das elektrische Potential zwischen dem Anfangspotential und dem Soll-Potential zyklisch durchlaufen wird. Ein elektrisches Potential der ersten elektroaktiven Schicht kann berechnet werden. Es kann ein zyklisches Testzellen-Voltammogramm des elektrischen Stroms in der ersten elektroaktiven Schicht gegen das elektrische Potential der ersten elektroaktiven Schicht erzeugt werden. Das zyklische Testzellen-Voltammogramm kann mit einem zyklischen Kontrollzellen-Voltammogramm verglichen werden, um eine Angabe wenigstens einer der lonenpermeabilität der Stromkollektorschicht, der Kompatibilität der Stromkollektorschicht und der ersten elektroaktiven Schicht oder der elektrochemischen Stabilität der Stromkollektorschicht in der Umgebung der Testzelle zu erhalten.
Es wird ein System zum Bewerten einer Eigenschaft einer Referenzelektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch durchlaufen lässt, offenbart. Das System umfasst einen Controller und eine Testzellenanordnung. Die Testzellenanordnung umfasst ein erstes Metallgehäuse und eine Testzelle, die innerhalb eines Innenraums des ersten Metallgehäuses angeordnet ist. Das erste Metallgehäuse umfasst ein Oberteil und ein Unterteil, die gemeinsam den Innenraum des ersten Metallgehäuses definieren. Das Oberteil des ersten Metallgehäuses ist über einen ersten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt, während das Unterteil des ersten Metallgehäuses über einen zweiten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt ist. Die Testzelle umfasst eine erste Lithiummetallschicht, eine elektrisch isolierende Schicht und eine Separatoranordnung, die zwischen der ersten Lithiummetallschicht und der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet ist. Die Separatoranordnung umfasst eine erste Separatorschicht mit einer ersten Hauptoberfläche, eine auf der ersten Hauptoberfläche der ersten Separatorschicht aufgebrachte Stromkollektorschicht und eine erste elektroaktive Schicht, die auf der ersten Hauptoberfläche der ersten Separatorschicht aufgebracht ist, so dass die erste elektroaktive Schicht die Stromkollektorschicht wenigstens teilweise überlappt. Die Stromkollektorschicht befindet sich mit der ersten elektroaktiven Schicht in direkten physischen Kontakt und ist durch die erste Separatorschicht elektrisch von der Lithiummetallschicht isoliert. Die Separatoranordnung erstreckt sich über einen Umfang der elektrisch isolierenden Schicht hinaus, so dass ein zentraler Bereich der ersten elektroaktiven Schicht durch die elektrisch isolierende Schicht physisch von dem Unterteil des ersten Metallgehäuses beabstandet ist und sich ein Umfangsbereich der ersten elektroaktiven Schicht mit dem Unterteil des ersten Metallgehäuses in direkten physischen Kontakt befindet.
Die erste Lithiummetallschicht kann an das Oberteil des ersten Metallgehäuses elektrisch gekoppelt sein, während die erste elektroaktive Schicht an das Unterteil des ersten Metallgehäuses elektrisch gekoppelt sein kann.
Die elektrisch isolierende Schicht kann auf dem Unterteil des ersten Metallgehäuses angeordnet sein, während die Separatoranordnung auf dem Unterteil des ersten Metallgehäuses über der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet sein kann, so dass während des zyklischen Durchlaufens der Testzelle Elektronen in einer Flächenrichtung durch den zentralen Bereich der ersten elektroaktiven Schicht und in einer Querrichtung durch den Umfangsbereich der ersten elektroaktiven Schicht fließen.
Der Controller kann konfiguriert sein, ein zyklisches Testzellen-Voltammogramm durch das Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen der ersten elektroaktiven Schicht und der ersten Lithiummetallschicht, das zyklische Durchlaufen des angelegten elektrischen Potentials zwischen einem Anfangspotential und einem Soll-Potential und das Messen des elektrischen Stroms in der ersten elektroaktiven Schicht, während das angelegte elektrische Potential zwischen dem Anfangspotential und dem Soll-Potential zyklisch durchlaufen wird, zu erzeugen.
Der Controller kann konfiguriert sein, eine Angabe wenigstens einer der elektrochemischen Leistung der Separatoranordnung oder der elektrochemischen Stabilität der Separatoranordnung in der Umgebung der Testzelle bereitzustellen.
Das System kann ferner eine Kontrollzellenanordnung umfassen. Die Kontrollzellenanordnung kann ein zweites Metallgehäuse und eine innerhalb des Innenraums des zweiten Metallgehäuses angeordnete Kontrollzelle umfassen. Das zweite Metallgehäuse kann ein Oberteil und ein Unterteil umfassen, die gemeinsam den Innenraum des zweiten Metallgehäuses definieren. Das Oberteil des zweiten Metallgehäuses kann über einen dritten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt sein, während das Unterteil des zweiten Metallgehäuses über einen vierten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt sein kann. Die Kontrollzelle kann eine zweite Lithiummetallschicht, eine zweite elektroaktive Schicht, die auf einer Stromkollektorfolie angeordnet ist, und eine zweite Separatorschicht, die zwischen der zweiten Lithiummetallschicht und der zweiten elektroaktiven Schicht angeordnet ist, umfassen. Die zweite Lithiummetallschicht kann elektrisch an das Oberteil des zweiten Metallgehäuses gekoppelt sein, während die zweite elektroaktive Schicht über die Stromkollektorfolie elektrisch an das Unterteil des zweiten Metallgehäuses gekoppelt sein kann.
Die Stromkollektorfolie kann sich mit dem Unterteil des zweiten Metallgehäuses in physischem und elektrischem Kontakt befinden.
Es wird ein Verfahren zum Bewerten einer Eigenschaft der Separatoranordnung offenbart. Das Verfahren kann umfassen: Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen der ersten elektroaktiven Schicht und der ersten Lithiummetallschicht, zyklisches Durchlaufen des elektrischen Potentials zwischen einem Anfangspotential und einem Soll-Potential, Messen des elektrischen Stroms in der ersten elektroaktiven Schicht, während das elektrische Potential zwischen dem Anfangspotential und dem Soll-Potential zyklisch durchlaufen wird, Berechnen eines elektrischen Potentials der ersten elektroaktiven Schicht, Erzeugen eines zyklischen Testzellen-Voltammogramms des elektrischen Stroms in der ersten elektroaktiven Schicht gegen das elektrische Potential der ersten elektroaktiven Schicht und Vergleichen des zyklischen Testzellen-Voltammogramms mit einem zyklischen Kontrollzellen-Voltammogramm, um eine Angabe wenigstens einer der elektrochemischen Leistung der Separatoranordnung oder der elektrochemischen Stabilität der Separatoranordnung in der Umgebung der Testzelle zu erhalten.
Das Verfahren kann ferner umfassen: Vergleichen des zyklischen Testzellen-Voltammogramms mit dem zyklischen Kontrollzellen-Voltammogramm, um zu bestimmen, ob die im zyklischen Testzellen-Voltammogramm dargestellten Spannungsspitzen auf die entsprechenden im zyklischen Kontrollzellen-Voltammogramm dargestellten Spannungsspitzen ausgerichtet sind.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken; es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisch durchlaufen lässt, wobei die elektrochemische Zelle eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, eine zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnete Separatorkomponente und eine zwischen der negativen Elektrode und der Separatorkomponente angeordnete Referenzelektrodenanordnung umfasst, wobei die Referenzelektrodenanordnung eine Separatorschicht, eine Referenzelektroden-Stromkollektorschicht und eine elektroaktive Referenzelektrodenschicht umfasst;
2 und 3 schematische Querschnittsansichten eines Systems zum Bewerten einer Eigenschaft einer Stromkollektorschicht, die zur Verwendung in der Referenzelektrodenanordnung nach 1 vorgeschlagen ist, wobei das System einen Controller und eine Testzellenanordnung umfasst, wobei die Testzellenanordnung eine elektrochemische Zwei-Elektroden-Testzelle enthält, die die vorgeschlagene Stromkollektorschicht enthält;
4 ein zyklisches Voltammogramm des Stroms (1) gegen das Potential (V) der elektrochemischen Zwei-Elektroden-Testzelle nach den 2 und 3;
5 ein zyklisches Voltammogramm des Stroms (1) gegen das Potential (V) einer elektrochemischen Zwei-Elektroden-Kontrollzelle;
6 und 7 schematische Querschnittsansichten eines Systems zum Bewerten einer Eigenschaft einer Referenzelektrodenanordnung, die zur Verwendung in der elektrochemischen Zelle nach 1 vorgeschlagen ist, wobei das System einen Controller und eine Testzellenanordnung umfasst, wobei die Testzellenanordnung eine elektrochemische Zwei-Elektroden-Testzelle umfasst, die eine Separatoranordnung enthält;
8 eine schematische Querschnittsansicht einer Kontrollzellenanordnung, die elektrisch an den Controller nach den 6 und 7 gekoppelt ist, wobei die Kontrollzellenanordnung eine elektrochemische Zwei-Elektroden-Kontrollzelle enthält; und
9 zyklische Voltammogramme des Stroms (1) gegen das Potential (V) der elektrochemischen Zwei-Elektroden-Testzelle nach den 6 und 7 und der elektrochemischen Zwei-Elektroden-Kontrollzelle nach 8.

Entsprechende Bezugszeichen geben überall in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen entsprechende Teile an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es sind beispielhafte Ausführungsformen bereitgestellt, so dass diese Offenbarung umfassend ist und den Fachleuten auf dem Gebiet den Schutzumfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Einzelheiten, wie z. B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für die Fachleute auf dem Gebiet ist es offensichtlich, dass spezifische Einzelheiten nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen verkörpert sein können und dass beides nicht ausgelegt werden sollte, um den Schutzumfang der Offenbarung einzuschränken. In einigen Ausführungsformen werden wohlbekannte Prozesse, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck des Beschreibens beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht vorgesehen, einschränkend zu sein. Die Einzahlformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“, wie sie hier verwendet werden, können so vorgesehen sein, dass sie ebenfalls die Mehrzahlformen enthalten, wenn es nicht der Kontext deutlich anders angibt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sind inklusive und spezifizieren deshalb das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen daraus nicht aus. Obwohl die offenen Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ als nicht einschränkende Begriffe zu verstehen sind, die verwendet werden, um verschiedene hier dargelegte Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, können die Begriffe in bestimmten Aspekten alternativ so verstanden werden, dass sie stattdessen ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff sind, wie z. B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus.“ Folglich enthält die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Zutaten, Merkmale, ganze Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritte beschreibt, außerdem spezifisch Ausführungsformen, die aus derartigen beschriebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Zutaten, Merkmalen, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritten bestehen oder im Wesentlichen bestehen. Im Fall von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform irgendwelche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Zutaten, Merkmale, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritte aus, während im Fall von „im Wesentlichen bestehend aus“ irgendwelche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Zutaten, Merkmale, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber irgendwelche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Zutaten, Merkmale, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, in der Ausführungsform enthalten sein können.
Irgendwelche hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Operationen sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise ihre Ausführung in der erörterten oder veranschaulichten Reihenfolge erfordern, wenn sie nicht spezifisch als eine Ausführungsreihenfolge identifiziert ist. Es soll außerdem erkannt werden, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können, wenn es nicht anders angegeben ist.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem weiteren Element oder einer weiteren Schicht bezeichnet wird, kann es bzw. sie direkt auf, in Eingriff mit, 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 im Gegensatz ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem weiteren Element oder einer weiteren Schicht bezeichnet wird, können keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in einer gleichen Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen“ im Gegensatz zu „direkt zwischen“, „benachbart“ im Gegensatz zu „direkt benachbart“ usw.). Der Begriff „und/oder“, wie er hier verwendet wird, enthält Kombinationen aus einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
Obwohl die Begriffe erster, zweiter, dritter 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, wenn es nicht anders angegeben ist. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem weiteren Schritt, einem weiteren Element, einer weiteren Komponente, einem weiteren Bereich, einer weiteren Schicht oder einem weiteren Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie z. B. „erster“, „zweiter“, und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Folge oder Reihenfolge, wenn es nicht durch den Kontext deutlich angegeben ist. Folglich könnte ein erster Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, der im Folgenden erörtert wird, als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie z. B. „vor“, „nach“, „innerer“, „äußerer“, „unterhalb“, „unter“, „tiefer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen können hier zur einfachen Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder eines Merkmals zu einem weiteren Element oder weiteren Elementen oder einem weiteren Merkmal oder weiteren Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht ist. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können vorgesehen sein, um zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung verschiedene Orientierungen der Vorrichtung oder des Systems in Gebrauch oder in Betrieb zu umfassen.
Überall in dieser Offenbarung stellen die Zahlenwerte approximative Maße oder Grenzen an Bereiche dar und umfassen geringfügige Abweichungen sowohl von den angegebenen Werten und Ausführungsformen, die etwa den erwähnten Wert aufweisen, als auch von jenen, die genau den erwähnten Wert aufweisen. Anders als die Arbeitsbeispiele, die am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellt sind, sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Beschreibung einschließlich der beigefügten Ansprüche so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „etwa“ modifiziert sind, ob „etwa“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Etwa“ gibt an, dass der dargelegte Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; approximativ oder angemessen nah beim Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ bereitgestellt ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anders verstanden wird, dann gibt „etwa“, wie es hier verwendet wird, wenigstens Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zum Messen und Verwenden derartiger Parameter ergeben können. „Etwa“ kann z. B. eine Variation von kleiner als oder gleich 5 %, optional kleiner als oder gleich 4 %, optional kleiner als oder gleich 3 %, optional kleiner als oder gleich 2 %, optional kleiner als oder gleich 1 %, optional kleiner als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional kleiner als oder gleich 0,1 % umfassen.
Zusätzlich enthält die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilte Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs einschließlich der für die Bereiche angegebenen Endpunkte und Unterbereiche.
Die Begriffe „Zusammensetzung“ und „Material“, wie sie hier verwendet werden, werden synonym verwendet, um sich umfassend auf eine Substanz zu beziehen, die wenigstens die bevorzugten chemischen Bestandteile, Elemente oder Verbindungen enthält, die aber außerdem zusätzliche Elemente, Verbindungen oder Substanzen, einschließlich Spurenmengen von Verunreinigungen, umfassen kann, wenn es nicht anderes angegeben ist. Eine „X-basierte“ Zusammensetzung oder ein „X-basiertes“ Material bezieht sich allgemein auf Zusammensetzungen oder Materialien, in denen „X“ der größte einzelne Bestandteil der Zusammensetzung oder des Materials auf einer Gewichtsprozentbasis (%) ist. Dies kann sowohl Zusammensetzungen oder Materialien, die mehr als 50 Gewichts-% X enthalten, als auch jene, die weniger als 50 Gewichts-% X enthalten, solange X der größte einzelne Bestandteil der Zusammensetzung oder des Materials basierend auf seinem Gesamtgewicht ist, enthalten.
Der Begriff „Metall“, wie er hier verwendet wird, kann sich auf ein reines elementares Metall oder auf eine Legierung aus einem elementaren Metall und einem oder mehreren anderen Metall- oder Nichtmetallelementen (die als „Legierungs“-Elemente bezeichnet werden) beziehen. Die Legierungselemente können ausgewählt werden, um der Legierung bestimmte wünschenswerte Eigenschaften zu verleihen, die das Basismetallelement nicht aufweist.
Nun werden beispielhafte Ausführungsformen bezüglich der beigefügten Zeichnungen vollständiger beschrieben.
Die vorliegend offenbarten Systeme und Verfahren können verwendet werden, um die Eigenschaften neu entwickelter Referenzelektrodenanordnungen und/oder einzelner Komponenten davon in einer Laborumgebung zu bewerten, ohne die Anordnung vollständiger elektrochemischer Zellen mit einer Drei-Elektroden-Konfiguration zu erfordern.
1 stellt eine perspektivische Explosionsansicht einer elektrochemischen Zelle 10 dar, die eine positive Elektrodenschicht 12, eine negative Elektrodenschicht 14 und eine Referenzelektrodenanordnung 16 enthält, die als eine Referenz zum genauen Messen der einzelnen elektrochemischen Potentiale der positiven Elektrodenschicht 12 und der negativen Elektrodenschicht 14 verwendet werden kann, ohne den Betrieb der elektrochemischen Zelle 10 zu stören. Bei der Anordnung kann die positive Elektrodenschicht 12 auf einer Hauptoberfläche eines positiven Elektrodenstromkollektors 18 angeordnet sein, kann die negative Elektrodenschicht 14 auf einer Hauptoberfläche eines negativen Elektrodenstromkollektors 20 angeordnet sein und kann eine Separatorkomponente 22 zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 angeordnet sein, so dass die positive und die negative Elektrodenschicht 12, 14 elektrisch voneinander isoliert sind. In der Praxis können der positive und der negative Elektrodenstromkollektor 18, 20 außerhalb der elektrochemischen Zelle 10 über eine externe Schaltung 34 elektrisch aneinandergekoppelt sein. Der positive und der negative Elektrodenstromkollektor 18, 20 können über die externe Schaltung 34 elektrisch an eine Leistungsquelle oder eine Last 32 und an einen Controller 36 gekoppelt sein. Die Referenzelektrodenanordnung 16 kann über eine Referenzschaltung 38 elektrisch an den Controller 36 gekoppelt sein.
Die positive Elektrodenschicht 12 ist porös und kann ein oder mehrere elektrochemisch aktive Materialien, die eine reversible Redoxreaktion mit Lithium durchlaufen können, z. B. ein Material, das eine Lithiumeinlagerung und -auslagerung, ein Lithiumlegieren und -ablegieren oder ein Lithiummetallisieren und -entmetallisieren ausreichend durchlaufen kann, umfassen. In einer Form kann die positive Elektrodenschicht 12 ein Einlagerungs-Grundmaterial umfassen, das die reversible Einfügung oder Einlagerung von Lithiumionen durchlaufen kann. In einem derartigen Fall kann das Einlagerungs-Grundmaterial der positiven Elektrodenschicht 12 ein geschichtetes Oxid, das durch die Formel LiMeO₂ dargestellt wird, ein Oxid des O-livin-Typs, das durch die Formel LiMePO₄ dargestellt wird, ein Oxid des Spinell-Typs, das durch die Formel LiMe₂O₄ dargestellt wird, einen Tavorit, der durch eine oder beide der folgenden Formeln LiMeSO₄F oder LiMePO₄F dargestellt wird, oder eine Kombination davon umfassen, wobei Me ein Übergangsmetall (wie z. B. Co, Ni, Mn, Fe, Al, V oder eine Kombination davon) ist. In einer weiteren Form kann die positive Elektrodenschicht 12 ein Umsetzungsmaterial umfassen, das eine Komponente enthält, die eine reversible elektrochemische Reaktion mit Lithium durchlaufen kann, bei der die Komponente eine Phasenänderung oder eine Änderung der kristallinen Struktur durchläuft, die mit einer Änderung des Oxidationszustands einhergeht. In einem derartigen Fall kann das Umsetzungsmaterial der positiven Elektrodenschicht 12 Schwefel, Selen, Tellur, Jod, ein Halogenid (z. B. ein Fluorid oder Chlorid), Sulfid, Selenid, Tellurid, Jodid, Phosphid, Nitrid, Oxid, Oxysulfid, Oxyfluorid, Schwefel-Fluorid, Schwefel-Oxyfluorid oder eine Lithium- und/oder Metallverbindung davon umfassen. Beispiele geeigneter Metalle zur Aufnahme in das Umsetzungsmaterial der positiven Elektrodenschicht 12 enthalten Eisen, Mangan, Nickel, Kupfer und Kobalt. Gemäß den Ausführungsformen kann das elektrochemisch aktive Material der positiven Elektrodenschicht 12 mit einem polymeren Bindemittel vermischt sein, um die positive Elektrodenschicht 12 mit struktureller Integrität zu versehen. Beispiele der polymeren Bindemittel enthalten Polyvinylidenfluorid (PVdF), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM-Kautschuk), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylsäure und Mischungen davon. Die positive Elektrodenschicht 12 kann optional Partikeln eines elektrisch leitfähigen Materials enthalten, das z. B. sehr feine Partikeln von Ruß mit großer Oberfläche umfassen kann.
Die negative Elektrodenschicht 14 kann porös oder nicht porös sein. Gemäß einigen Aspekten kann die negative Elektrodenschicht 14 Lithiummetall (Li-Metall) umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Gemäß einigen Aspekten kann die negative Elektrodenschicht 14 z. B. mehr als 97 Gew.-% Lithium oder mehr als 99 Gew.-% Lithium umfassen und im Wesentlichen ohne Elemente oder Verbindungen sein, die während des Betriebs der elektrochemischen Zelle 10 eine reversible Redoxreaktion mit Lithium durchlaufen. Gemäß anderen Aspekten kann die negative Elektrodenschicht 14 ein oder mehrere elektrochemisch aktive Materialien umfassen, die die reversible Einfügung oder Einlagerung von Lithiumionen bei einem niedrigeren elektrochemischen Potential als die elektrochemisch aktiven Materialien der positiven Elektrodenschicht 12 durchlaufen können, so dass eine elektrochemische Potentialdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 besteht. Das elektrochemisch aktive Material der negativen Elektrodenschicht 14 kann allgemein als Einlagerungs-Grundmaterial bezeichnet werden. Einige Beispiele der Einlagerungs-Grundmaterialien für das elektrochemisch aktive Material der negativen Elektrodenschicht 14 enthalten Materialien auf Kohlenstoffbasis (z. B. Graphit, Aktivkohle, Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen), Lithium, Materialien auf Lithiumbasis, Silizium, Legierungen oder Verbundmaterialien auf Siliziumbasis, Zinnoxid, Aluminium, Indium, Zink, Germanium, Siliziumoxid, Titanoxid, Lithiumtitanat und Kombinationen davon. Die gleichen polymeren Bindemittel (PVdF, EPDM, SBR, CMC, Polyacrylsäure) und elektrisch leitfähigen Partikeln (Ruß mit großer Oberfläche), die in der positiven Elektrodenschicht 12 verwendet werden, können außerdem mit den elektrochemisch aktiven Materialien der negativen Elektrodenschicht 14 zu den gleichen Zwecken vermischt sein.
Der positive und der negative Elektrodenstromkollektor 18, 20 können ein Material umfassen, das freie Elektronen sammeln und reversibel zu und von ihren jeweiligen Elektrodenschichten 12, 14 weiterleiten kann. Der positive und der negative Elektrodenstromkollektor 18, 20 können z. B. ein elektrisch leitfähiges Metall, z. B. ein Übergangsmetall oder eine Legierung davon, umfassen. Gemäß den Ausführungsformen kann der negative Elektrodenstromkollektor 20 Kupfer, Nickel, eine Eisenlegierung (z. B. rostfreien Stahl) oder Titan umfassen, während der positive Elektrodenstromkollektor 18 Aluminium, Nickel oder eine Eisenlegierung (z. B. rostfreien Stahl) umfassen kann. Selbstverständlich können auf Wunsch andere elektrisch leitfähige Metalle verwendet werden.
Die Separatorkomponente 22 ist konfiguriert, die positive und die negative Elektrodenschicht 12, 14 physisch voneinander zu trennen und elektrisch zu isolieren, während sie den freien Fluss von Ionen dazwischen zulässt. Die Separatorkomponente 22 kann ein nicht gewebtes Material umfassen, z. B. ein hergestelltes Blatt, eine hergestellte Bahn oder eine hergestellte Matte aus gerichtet oder zufällig orientierten Fasern. Die Separatorkomponente 22 kann ein mikroporöses polymeres Material, z. B. eine mikroporöse Membran oder einen mikroporösen Film auf Polyolefinbasis, umfassen. Die Separatorkomponente 22 kann z. B. ein einzelnes Polyolefin oder eine Kombination von Polyolefinen, wie z. B. Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Poly(tetrafluorethylen) (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVdF) und/oder Poly(vinylchlorid) (PVC), umfassen. In einer Form kann die Separatorkomponente 22 ein Laminat aus einem oder mehreren polymeren Materialien, wie z. B. ein Laminat aus PE und PP, umfassen. Die Separatorkomponente 22 kann eine Dicke im Bereich von 20 µm bis 30 µm und eine Porosität im Bereich von 35 % bis 50 % aufweisen.
Die Referenzelektrodenanordnung 16 ist konfiguriert, als eine Referenz zum Überwachen des Potentials der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 zu dienen, ohne den Betrieb der elektrochemischen Zelle 10 zu stören, insbesondere ohne den freien Fluss von Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 zu hemmen. Die Referenzelektrodenanordnung 16 umfasst eine Separatorschicht 24 mit einer ersten Hauptoberfläche 26, eine Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28, die auf der ersten Hauptoberfläche 26 der Separatorschicht 24 aufgebracht ist, und eine elektroaktive Referenzelektrodenschicht 30, die auf der ersten Hauptoberfläche 26 der Separatorschicht 24 aufgebracht ist, so dass wenigstens ein Abschnitt der Referenzelektrodenschicht 30 die Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 auf der ersten Hauptoberfläche 26 der Separatorschicht 24 teilweise überlappt. Die Referenzelektrodenanordnung 16 kann zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 angeordnet sein, so dass die Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 und die Referenzelektrodenschicht 30 von der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 durch die Separatorkomponente 22 und die Separatorschicht 24 elektrisch isoliert sind.
Die Separatorschicht 24 ist konfiguriert, die Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 und die Referenzelektrodenschicht 30 von der positiven Elektrodenschicht 12 oder der negativen Elektrodenschicht 14 elektrisch zu isolieren, während sie den freien Fluss von Ionen hindurch zulässt. Die Separatorschicht 24 kann als ein Substrat dienen, auf dem die Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 und die Referenzelektrodenschicht 30 ausgebildet sind, und kann es unterstützen, die Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 und die Referenzelektrodenschicht 30 in der elektrochemischen Zelle 10 zu positionieren. Wie die Separatorkomponente 22 kann die Separatorschicht 24 ein elektrisch isolierendes und ionendurchlässiges mikroporöses Material umfassen. Die Separatorschicht 24 kann z. B. ein mikroporöses polymeres Material umfassen. Die Separatorschicht 24 kann eine Dicke im Bereich von 10 µm bis 20 µm und eine Porosität größer als 40 % und kleiner als 80 % aufweisen.
Die Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 ist konfiguriert, einen elektrisch leitfähigen Weg zwischen der Referenzelektrodenschicht 30 und der Referenzschaltung 38 bereitzustellen, ohne den freien Fluss von Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 der elektrochemischen Zelle 10 zu hemmen. Die Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 kann ein Material umfassen, das freie Elektronen sammeln und reversibel zu und von der Referenzelektrodenschicht 30 weiterleiten kann, ohne den Ionentransport durch die Referenzelektrodenanordnung 16 zu hemmen. Die Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 kann z. B. ein elektrisch leitfähiges Material auf Kohlenstoffbasis oder ein elektrisch leitfähiges Metall, z. B. ein Übergangsmetall oder eine Legierung davon, umfassen. Beispiele der elektrisch leitfähigen Metalle enthalten Kupfer, Nickel, Eisen (z. B. rostfreien Stahl), Titan, Aluminium und/oder Nickel. Selbstverständlich können auf Wunsch andere elektrisch leitfähige Metalle verwendet werden. Die Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 kann auf der ersten Hauptoberfläche 26 der Separatorschicht 24 in einer Dicke in einem Bereich von 10 Nanometern bis 1 Mikrometer aufgebracht sein.
Die Referenzelektrodenschicht 30 überlappt wenigstens teilweise die Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 auf der ersten Hauptoberfläche 26 der Separatorschicht 24 und ist konfiguriert, ein bekanntes, im Allgemeinen konstantes elektrochemisches Potential aufzuweisen, das als eine Referenz beim Messen der einzelnen elektrochemischen Potentiale der positiven und der negativen Elektrodenschichten 12, 14 verwendet werden kann. Als solche umfasst die Referenzelektrodenschicht 30 vorzugsweise ein elektrochemisch aktives Referenzelektrodenmaterial, das während des Betriebs der elektrochemischen Zelle 10, z. B. während wiederholter Lade- und Entladezyklen, ein bekanntes, im Allgemeinen konstantes (oder nicht sehr variierendes) chemisches Potential aufweist. Außerdem kann die Reaktionskinetik des elektrochemisch aktiven Referenzelektrodenmaterials der Referenzelektrodenschicht 30 leicht sein, so dass die kleine Strommenge, die erforderlich ist, um eine Messung der elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrodenschicht 30 und der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 zu erhalten, keine Polarisierung der Referenzelektrodenschicht 30 selbst verursachen sollte. Das elektrochemisch aktive Referenzelektrodenmaterial der Referenzelektrodenschicht 30 kann z. B. Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄, LFP) oder Lithiumtitanoxid (Li₄Ti₅O₁₂, LTO) umfassen. Die Referenzelektrodenschicht 30 kann auf der ersten Hauptoberfläche 26 der Separatorschicht 24 mit einer Dicke in einem Bereich von 200 Nanometern bis 10 Mikrometern aufgebracht sein.
Der Controller 36 ist (i) über den positiven Elektrodenstromkollektor 18 und die externe Schaltung 34 mit der positiven Elektrodenschicht 12, (ii) über den negativen Elektrodenstromkollektor 20 und die externe Schaltung 34 mit der negativen Elektrodenschicht 14 und (iii) über die Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 und die Referenzschaltung 38 mit der Referenzelektrodenschicht 30 elektrisch verbunden. Der Controller 36 kann konfiguriert sein, die Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrodenschicht 12 und der negativen Elektrodenschicht 14 in Echtzeit zu messen, um das elektrochemische Gesamtpotential (Ecell) der elektrochemischen Zelle 10 während des zyklischen Durchlaufens der elektrochemischen Zelle 10 zu bestimmen. Der Controller 36 kann konfiguriert sein, die Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrodenschicht 30 und der positiven Elektrodenschicht 12 zu messen und basierend auf dieser Messung das elektrochemische Potential (Epos) der positiven Elektrodenschicht 12 zu berechnen. Zusätzlich kann der Controller 36 konfiguriert sein, die Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrodenschicht 30 und der negativen Elektrodenschicht 16 zu messen und basierend auf dieser Messung das elektrochemische Potential (Eneg) der negativen Elektrodenschicht 14 zu berechnen. Der Wert des elektrochemischen Gesamtpotentials der elektrochemischen Zelle 10 und der einzelnen elektrochemischen Potentiale der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 kann z. B. durch den Controller 36 verwendet werden, um den Ladezustand (SOC) der elektrochemischen Zelle 10 genau zu bestimmen. Eine genaue Bestimmung des Ladezustands der elektrochemischen Zelle 10 kann verwendet werden, um bestimmte optimale Ladeparameter zu identifizieren, die verwendet werden können, um schnelle Ladegeschwindigkeiten zu erreichen, ohne die Gesamtfunktionalität und/oder die langfristige Zyklusstabilität der elektrochemischen Zelle 10 zu beeinträchtigen. Zusätzlich kann eine genaue Messung des elektrochemischen Potentials der negativen Elektrodenschicht 14 in Echtzeit ermöglichen, dass der Ladeprozess mit der schnellsten Ladegeschwindigkeit ausgeführt wird und beendet wird, bevor eine Lithiumplattierung auftritt.
Die positive und die negative Elektrodenschicht 12, 14, die Separatorkomponente 22 und die Referenzelektrodenanordnung 16 können mit einem (nicht gezeigten) Elektrolyten infiltriert und/oder in Ionenkontakt gebracht sein, der die Permeation von Lithiumionen durch und zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 während des zyklischen Durchlaufens der elektrochemischen Zelle 10 erleichtert. Der Elektrolyt kann formuliert sein, um den Transport von Lithiumionen zwischen der positiven Elektrodenschicht 12 und der negativen Elektrodenschicht 14 während des zyklischen Durchlaufens der elektrochemischen Zelle 10 zu erleichtern. Der Elektrolyt kann sich in der Form einer Flüssigkeit, eines Feststoffs oder eines Gel-Polymerelektrolyts befinden. Der Elektrolyt kann sich in der Form einer Lösung befinden und kann ein oder mehrere Lithiumsalze umfassen, die in einem nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmittel oder einer Mischung aus nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst sind. Beispiele der Lithiumsalze enthalten Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClQ₄), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄), Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB), Lithiumdifluorooxalatoborat (LiBF₂(C₂O₄)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluoromethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethan)sulfonylimid (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiSFI) und Kombinationen davon. Beispiele nichtwässriger aprotischer organischer Lösungsmittel enthalten organische Carbonate, z. B. zyklische Carbonate (z. B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z. B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z. B., Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (z. B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (z. B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z. B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran), 1,3-Dioxolan), Schwefelverbindungen (z. B. Sulfolan) und Kombinationen davon.
Wissenschaftliche Fortschritte und Entdeckungen können neue Materialzusammensetzungen und/oder Herstellungsverfahren von Referenzelektrodenanordnungen für elektrochemische Zellen, wie z. B. die in 1 dargestellte Referenzelektrodenanordnung 16, ans Licht bringen. Vor der Herstellung vollständiger elektrochemischer Zellen mit neu entwickelten Referenzelektrodenanordnungen kann es erwünscht sein, die Referenzelektrodenanordnungen zu testen und/oder neu entwickelte einzelne Komponenten davon in einem Labor oder einer anderen Umgebung im kleinen Maßstab zu testen. Die gegenwärtig offenbarten Systeme und Verfahren können verwendet werden, um die Leistung und/oder die Kompatibilität neu entwickelter Referenzelektrodenanordnungen und/oder einzelner Komponenten davon zu bewerten und darauf bezogene Daten zu erhalten, ohne vollständige elektrochemische Zellen mit einer Drei-Elektroden-Konfiguration, wie z. B. die in 1 dargestellte vollständige elektrochemische Drei-Elektroden-Zelle 10, herstellen zu müssen. Die gegenwärtig offenbarten Systeme und Verfahren verwenden spezifisch entworfene Zellenanordnungen mit Zwei-Elektroden-Konfigurationen, um neu entwickelte Referenzelektrodenanordnungen und/oder einzelne Komponenten davon zu bewerten. Das Verwenden der gegenwärtig offenbarten Zellenanordnungen in Zwei-Elektroden-Konfigurationen erfordert weniger Material und ist weniger kostspielig als das Zusammenbauen vollständiger elektrochemischer Zellen mit Drei-Elektroden-Konfigurationen für anfängliche Testzwecke.
Die 2 und 3 stellen ein System 150 zum Bewerten einer Eigenschaft einer Stromkollektorschicht dar, die auf einer Separatorschicht aufgebracht ist und zur Verwendung in einer Referenzelektrodenanordnung einer elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisch durchlaufen lässt, wie z. B. die in 1 dargestellte elektrochemische Zelle 10, vorgeschlagen ist. Das System 150 umfasst eine Testzellenanordnung 152 und einen Controller 154. Die Testzellenanordnung 152 umfasst ein Metallgehäuse 158, das einen Innenraum 160 definiert, und eine elektrochemische Zwei-Elektroden-Testzelle 162, die innerhalb des Innenraums 160 angeordnet ist und elektrisch an das Metallgehäuse 158 gekoppelt ist. Die Testzellenanordnung 152 kann ferner einen Metallabstandshalter 164 und/oder ein Vorspannelement 166 umfassen, die es unterstützen, die Testzelle 162 innerhalb des Innenraums 160 zu positionieren und den Druck auf die Testzelle 162 aufrechtzuerhalten und einen guten Kontakt zwischen den Komponenten der Testzelle 162 und zwischen der Testzelle 162 und dem Metallgehäuse 158 sicherzustellen. Das Metallgehäuse 158 und die Testzelle 162 der in den 2 und 3 dargestellten Testzellenanordnung 152 sind im Allgemeinen rund, wobei eine derartige Konfiguration oft als eine Knopfzellenkonfiguration bezeichnet wird. Die gegenwärtig offenbarten Zellenanordnungen sind jedoch nicht auf derartige Konfigurationen eingeschränkt und können unterschiedliche Formen aufweisen.
Das Metallgehäuse 158 umfasst ein Oberteil 168 und ein Unterteil 170, die gemeinsam den Innenraum 160 des Metallgehäuses 158 definieren. Das Oberteil 168 und das Unterteil 170 können über eine Dichtung 172 gemeinsam hermetisch abgedichtet sein. Das Metallgehäuse 158 kann aus einem elektrisch leitfähigen und chemisch inerten Metall, z. B. aus rostfreiem Stahl, hergestellt sein. Die Dichtung 172 kann aus einem flexiblen elektrisch isolierenden Material, z. B. aus Gummi, hergestellt sein.
Die Testzelle 162 umfasst eine Arbeitselektrode in der Form einer elektroaktiven Schicht 174, eine Gegenelektrode in der Form einer Lithiummetallschicht 176 und eine Separatoranordnung 178, die zwischen der elektroaktiven Schicht 174 und der Lithiummetallschicht 176 angeordnet ist. In der Anordnung (3) sind die elektroaktive Schicht 174 und die Lithiummetallschicht 176 elektrisch an das Metallgehäuse 158 gekoppelt, während das Metallgehäuse 158 über eine externe Schaltung 156 elektrisch an den Controller 154 gekoppelt ist. In 3 ist die elektroaktive Schicht 174 elektrisch an das Unterteil 170 des Metallgehäuses 158 gekoppelt, ist die Lithiummetallschicht 176 elektrisch an das Oberteil 168 des Metallgehäuses 158 gekoppelt und sind das Oberteil 168 und das Unterteil 170 des Metallgehäuses 158 durch die Dichtung 172 elektrisch voneinander isoliert. Die Separatoranordnung 178 umfasst eine Separatorschicht 180 und eine Stromkollektorschicht 182, die direkt auf der Separatorschicht 180 aufgebracht ist und mechanisch an diese gekoppelt ist.
Die Testzelle 162 ist konfiguriert, die physischen und elektrochemischen Bedingungen nachzuahmen, die durch die Stromkollektorschicht 182 erfahren würden, falls die Stromkollektorschicht 182 in eine Referenzelektrodenanordnung einer vollständigen elektrochemischen Drei-Elektroden-Zelle, wie z. B. der elektrochemischen Zelle 10 nach 1, aufgenommen wäre. Als solche kann die Zusammensetzung der Separatorschicht 180 und der elektroaktiven Schicht 174 im Wesentlichen die gleiche wie die der Separatorschicht 24 bzw. der Referenzelektrodenschicht 30 sein, mit denen die Stromkollektorschicht 182 verwendet wird oder zur Verwendung vorgeschlagen ist.
Durch das System 150 können zyklische Voltammetrie-Experimente an der Testzelle 162 der Testzellenanordnung 152 und an einer Kontrollzelle einer (nicht gezeigten) Kontrollzellenanordnung ausgeführt werden, um die Eigenschaften der Stromkollektorschicht 182 zu bewerten und/oder die Kompatibilität und/oder die elektrochemische Stabilität der Stromkollektorschicht 182 in der Umgebung der Testzelle 162 zu bewerten. Die Kontrollzelle und die Kontrollzellenanordnung können konfiguriert sein, als eine experimentelle Kontrolle zu dienen, so dass eine genaue Bewertung der Stromkollektorschicht 182 ausgeführt werden kann. Als solche kann die Kontrollzelle die gleichen Komponenten enthalten, die im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die der Testzelle 162 angeordnet sind, mit der Ausnahme, dass die Kontrollzelle die zu bewertende Stromkollektorschicht 182 nicht enthalten kann. In einigen Situationen können durch das System 150 vor dem Ausführen zyklischer Voltammetrie-Experimente an der Testzelle 162 zyklische Voltammetrie-Experimente an der Kontrollzelle ausgeführt werden. In einem derartigen Fall können die zyklischen Voltammetrie-Daten, die während der an der Kontrollzelle ausgeführten zyklischen Voltammetrie-Experimente erzeugt werden, für die künftige Bezugnahme beim Bewerten bestimmter Eigenschaften der Stromkollektorschicht 182 im Speicher des Controllers 154 gespeichert werden.
Die zyklischen Voltammetrie-Experimente, die an der Testzelle 162 und an der Kontrollzelle ausgeführt werden, können durch den Controller 154 gesteuert werden. Während der zyklischen Voltammetrie-Experimente kann durch den Controller 154 ein elektrisches Potential zwischen der elektroaktiven Schicht 174 und der Lithiummetallschicht 176 angelegt sein. Das Potential der elektroaktiven Schicht 174 kann durch den Controller 154 basierend auf dem angelegten elektrischen Potential zwischen der elektroaktiven Schicht 174 und der Lithiummetallschicht 176 und dem elektrischen Potential der Lithiummetallschicht 176, die ein konstantes Potential aufrechterhält, berechnet werden. Während der zyklischen Voltammetrie-Experimente wird das Potential der elektroaktiven Schicht 174 (bezüglich desjenigen der Lithiummetallschicht 176) von einem Anfangspotential auf ein Soll-Potential erhöht, wobei dann das Potential der elektroaktiven Schicht 174 in der entgegengesetzten Richtung verringert wird, um das Potential auf das Anfangspotential zurückzuführen. Während das Potential der elektroaktiven Schicht 174 zyklisch durchlaufen wird, kann der elektrische Strom in der elektroaktiven Schicht 174 durch den Controller 154 kontinuierlich, periodisch oder wiederholt gemessen werden und im Speicher gespeichert werden. Der Strom und das Potential der elektroaktiven Schicht 174 werden während der zyklischen Voltammetrie-Experimente durch den Controller 154 aufgezeichnet und können im Speicher des Controllers 154 gespeichert werden. Der Strom und das Potential der elektroaktiven Schicht 174 (die zyklischen voltametrischen Daten), die während der zyklischen Voltammetrie-Experimente aufgezeichnet worden sind, können gegeneinander graphisch dargestellt werden (Strom, 1 gegen Potential, V), um ein zyklisches Voltammogramm zu erhalten. Die zyklischen Voltammogramme können z. B. durch den Controller 154 unter Verwendung der zyklischen Voltammetrie-Daten, die während der an der Kontrollzelle ausgeführten zyklischen Voltammetrie-Experimente erzeugt worden sind, und unter Verwendung der zyklischen Voltammetrie-Daten, die während der an der Testzelle 162 ausgeführten zyklischen Voltammetrie-Experimente erzeugt worden sind, vorbereitet werden.
Ein Vergleich des zyklischen Voltammogramms der Testzelle 162 und des zyklischen Voltammogramms der Kontrollzelle kann sowohl eine Angabe der Ionenpermeabilität der Stromkollektorschicht 182 als auch eine Angabe der Kompatibilität und/oder der elektrochemische Stabilität der Stromkollektorschicht 182 in der Umgebung der Testzelle 162 bereitstellen. 4 stellt ein beispielhaftes zyklisches Voltammogramm 220 des Stroms (1) 200 gegen das Potential (V) 210 der Testzelle 162 dar (die durchgezogenen Linien). 5 stellt ein beispielhaftes zyklisches Voltammogramm 230 des Stroms (1) 200 gegen das Potential (V) 210 der Kontrollzelle dar (die gestrichelten Linien). Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, sind das zyklische Voltammogramm 220 der Testzelle 162 und das zyklische Voltammogramm 230 der Kontrollzelle im Wesentlichen völlig gleich. Das Fehlen identifizierbarer Unterschiede zwischen dem zyklischen Voltammogramm 220 der Testzelle 162 und dem zyklischen Voltammogramm 230 der Kontrollzelle gibt an, dass die Stromkollektorschicht 182 den Fluss von Lithiumionen zwischen der elektroaktiven Schicht 174 und der Lithiummetallschicht 176 nicht hemmt und folglich die Stromkollektorschicht 182 eine ausreichende lonenpermeabilität aufweist, um als eine Referenzelektroden-Stromkollektorschicht in einer Referenzelektrodenanordnung verwendet zu werden. Zusätzlich gibt das Fehlen identifizierbarer Unterschiede zwischen dem zyklischen Voltammogramm 220 der Testzelle 162 und dem zyklischen Voltammogramm 230 der Kontrollzelle an, dass das Vorhandensein der Stromkollektorschicht 182 in der Testzelle 162 die Leistung des zyklischen Durchlaufens der Testzelle 162 (im Vergleich zu der der Kontrollzelle) nicht beeinträchtigt oder ändert, wobei folglich die Stromkollektorschicht 182 mit der Umgebung der Testzelle 162 kompatibel und in der Umgebung der Testzelle 162 elektrochemisch stabil ist.
Falls andererseits das zyklische Voltammogramm 220 der Testzelle 162 wesentlich von dem zyklischen Voltammogramm 230 der Kontrollzelle verschieden war, können derartige Unterschiede angeben, dass die lonenpermeabilität der Stromkollektorschicht 182 gering ist und/oder dass die Stromkollektorschicht 182 mit der Umgebung der Testzelle 162 inkompatibel und/oder in der Umgebung der Testzelle 162 elektrochemisch instabil ist.
Die Dicke der Stromkollektorschicht 182 kann unter Verwendung der Rasterkraftmikroskopie (RKM) bestimmt werden.
Der spezifische elektrische Widerstand der Stromkollektorschicht 182 kann unter Verwendung einer Vier-Punkt-Sondentechnik bestimmt werden.
Die 6 und 7 stellen ein System 250 zum Bewerten einer Eigenschaft einer Stromkollektorschicht und einer Referenzelektrodenschicht, die auf einer Separatorschicht aufgebracht sind und zur Verwendung in einer Referenzelektrodenanordnung einer elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisch durchlaufen lässt, wie z. B. der in 1 dargestellten elektrochemischen Zelle 10, vorgeschlagen sind, dar. Das System 250 ist in vielerlei Hinsicht dem System 150 ähnlich, das oben bezüglich der 2-5 erörtert worden ist, wobei der gemeinsame Gegenstand hier nicht wiederholt werden kann. Das System 250 umfasst eine Testzellenanordnung 252 und einen Controller 254. Die Testzellenanordnung 252 umfasst ein Metallgehäuse 258, das einen Innenraum 260 definiert, und eine elektrochemische Zwei-Elektroden-Testzelle 262, die innerhalb des Innenraums 260 angeordnet ist und elektrisch an das Metallgehäuse 258 gekoppelt ist. Die Testzellenanordnung 252 kann ferner einen Metallabstandshalter 264 und/oder ein Vorspannelement 266 umfassen, die es unterstützen, die Testzelle 262 innerhalb des Innenraums 260 zu positionieren und den Druck auf die Testzelle 262 aufrechtzuerhalten und einen guten Kontakt zwischen den Komponenten der Testzelle 262 und zwischen der Testzelle 262 und dem Metallgehäuse 258 sicherzustellen.
Das Metallgehäuse 258 umfasst ein Oberteil 268 und ein Unterteil 270, die gemeinsam den Innenraum 260 des Metallgehäuses 258 definieren. Das Oberteil 268 und das Unterteil 270 können über eine Dichtung 272 gemeinsam hermetisch abgedichtet sein. Das Metallgehäuse 258 kann aus einem elektrisch leitfähigen und chemisch inerten Metall, z. B. aus rostfreiem Stahl, hergestellt sein. Die Dichtung 272 kann aus einem flexiblen elektrisch isolierenden Material, z. B. Gummi, hergestellt sein.
Die Testzelle 262 umfasst eine Lithiummetallschicht 276, eine elektrisch isolierende Schicht 284 und eine Separatoranordnung 278, die zwischen der Lithiummetallschicht 276 und der elektrisch isolierenden Schicht 284 angeordnet ist. Die Separatoranordnung 278 umfasst eine Separatorschicht 280 mit einer ersten Hauptoberfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche, eine auf der ersten Hauptoberfläche der Separatorschicht 280 aufgebrachte Stromkollektorschicht 282 und eine elektroaktive Schicht 274, die auf der ersten Hauptoberfläche der Separatorschicht 280 aufgebracht ist, so dass die elektroaktive Schicht 274 die Stromkollektorschicht 282 auf der ersten Hauptoberfläche der Separatorschicht 280 wenigstens teilweise überlappt. Wie in den 6 und 7 gezeigt ist, kann in einigen Fällen die Stromkollektorschicht 282 direkt auf der ersten Hauptoberfläche der Separatorschicht 280 aufgebracht sein und mechanisch an diese gekoppelt sein, während die elektroaktive Schicht 274 direkt auf der Stromkollektorschicht 282 aufgebracht sein und mechanisch an diese gekoppelt sein kann. In der Anordnung (7) befindet sich die Stromkollektorschicht 282 mit der elektroaktiven Schicht 274 in direkten physischen Kontakt, wobei sie durch die Separatorschicht 280 von der Lithiummetallschicht 276 elektrisch isoliert ist.
Die Separatoranordnung 278 weist einen Durchmesser (oder eine Breite und eine Länge) auf, der größer als der der elektrisch isolierenden Schicht 284 ist. Als solche erstreckt sich in der Anordnung (7) die Separatoranordnung 278 über einen Umfang 286 der elektrisch isolierenden Schicht 284 hinaus, so dass ein zentraler Bereich der Separatoranordnung 278 durch die elektrisch isolierende Schicht 284 physisch vom Unterteil 270 des Metallgehäuses 258 beabstandet ist und sich ein Umfangsbereich der Separatoranordnung 278 mit dem Unterteil 270 des Metallgehäuses 258 in direkten physischen Kontakt befindet. In 7 ist ein zentraler Bereich der elektroaktiven Schicht 274 durch die elektrisch isolierende Schicht 284 physisch vom Unterteil 270 des Metallgehäuses 258 beabstandet, während sich ein Umfangsbereich der elektroaktiven Schicht 274 mit dem Unterteil 270 des Metallgehäuses 258 in direkten physischen Kontakt befindet. Wenn in einer derartigen Anordnung zyklische Voltammetrie-Experimente an der Testzelle 262 ausgeführt werden, können Lithiumionen geleitet werden, um durch die Separatoranordnung 278 in der Richtung der Pfeile 288 zu fließen. Insbesondere können die Lithiumionen geleitet werden, um durch den zentralen Bereich der elektroaktiven Schicht 274 in einer Flächenrichtung parallel zu einer zugewandten Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht 284 zu fließen, wobei die Lithiumionen geleitet werden können, durch den Umfangsbereich der elektroaktiven Schicht 274 in einer Querrichtung senkrecht zu der zugewandten Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht 284 zu fließen. In dieser Weise kann der Fluss von Lithiumionen durch die Separatoranordnung 278 den Fluss von Lithiumionen durch eine Referenzelektrodenanordnung einer vollständigen elektrochemischen Drei-Elektroden-Zelle, wie z. B. der elektrochemischen Zelle 10 nach 1, nachahmen.
In der Anordnung (7) sind die elektroaktive Schicht 274 und die Lithiummetallschicht 276 elektrisch an das Metallgehäuse 258 gekoppelt, wobei das Metallgehäuse 258 über eine externe Schaltung 256 elektrisch an den Controller 254 gekoppelt ist. In 7 ist die elektroaktive Schicht 274 elektrisch an das Unterteil 270 des Metallgehäuses 258 gekoppelt, ist die Lithiummetallschicht 276 elektrisch an das Oberteil 268 des Metallgehäuses 258 gekoppelt und sind das Oberteil 268 und das Unterteil 270 des Metallgehäuses 258 durch die Dichtung 272 elektrisch voneinander isoliert.
Die Testzelle 262 ist konfiguriert, die physischen und elektrochemischen Bedingungen nachzuahmen, die durch die Separatoranordnung 278 (einschließlich der Separatorschicht 280, der Stromkollektorschicht 282 und der elektroaktiven Schicht 274) erfahren würden, falls die Separatoranordnung 278 als eine Referenzelektrodenanordnung in einer vollständigen elektrochemischen Drei-Elektroden-Zelle, wie z. B. in der elektrochemischen Zelle 10 nach 1, verwendet würde. Als solche kann die Zusammensetzung der Separatorschicht 280, der Stromkollektorschicht 282 und der elektroaktiven Schicht 274 im Wesentlichen die gleiche wie die der Separatorschicht 24, der Referenzelektroden-Stromkollektorschicht 28 bzw. der Referenzelektrodenschicht 30, die zur Verwendung sind oder zur Verwendung vorgeschlagen sind, sein.
Durch den Controller 254 können zyklische Voltammetrie-Experimente an der Testzelle 262 der Testzellenanordnung 252 und an einer Kontrollzelle 362 einer Kontrollzellenanordnung 352 (8) ausgeführt werden, um die Eigenschaften der Separatoranordnung 278 zu bewerten und/oder die Kompatibilität und/oder die elektrochemische Stabilität der Separatoranordnung 278 in der Umgebung der Testzelle 262 zu bewerten. Die Kontrollzelle 362 und die Kontrollzellenanordnung 352 können konfiguriert sein, als eine experimentelle Kontrolle zu dienen, so dass eine genaue Bewertung der Separatoranordnung 278 ausgeführt werden kann. Als solche kann die Kontrollzelle 362 die gleichen Komponenten enthalten, die im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die der Testzelle 262 angeordnet sind, mit der Ausnahme, dass die Kontrollzelle 362 weder die Separatoranordnung 278 noch die elektrisch isolierende Schicht 284 enthalten kann. Die Kontrollzelle 362 und die Kontrollzellenanordnung 352 sind in vielerlei Hinsicht der Testzelle 262 der Testzellenanordnung 252, die oben bezüglich der 6-7 erörtert worden ist, ähnlich, wobei der gemeinsame Gegenstand hier nicht wiederholt werden kann.
Wie in 8 gezeigt ist, kann die Kontrollzellenanordnung 352 ein Metallgehäuse 358, das einen Innenraum 360 definiert, und eine elektrochemische Zwei-Elektroden-Kontrollzelle 362, die innerhalb des Innenraums 360 angeordnet ist und elektrisch an das Metallgehäuse 358 gekoppelt ist, umfassen. Wie die Testzellenanordnung 252 kann die Kontrollzellenanordnung 352 ferner einen Metallabstandshalter 364 und/oder ein Vorspannelement 366 umfassen. Das Metallgehäuse 358 kann ein Oberteil 368 und ein Unterteil 370 umfassen, die gemeinsam den Innenraum 360 des Metallgehäuses 358 definieren. Das Oberteil 368 und das Unterteil 370 können über eine (nicht gezeigte) Dichtung gemeinsam hermetisch abgedichtet sein. Die Kontrollzelle 362 umfasst eine Lithiummetallschicht 376, eine elektroaktive Schicht 374, die auf einer Hauptoberfläche einer Stromkollektorfolie 382 aufgebracht ist, und eine Separatorschicht 380, die zwischen der Lithiummetallschicht 376 und der elektroaktiven Schicht 374 angeordnet ist. Bei der Anordnung sind die elektroaktive Schicht 374 und die Lithiummetallschicht 376 elektrisch an das Metallgehäuse 358 gekoppelt, wobei das Metallgehäuse 358 über eine externe Schaltung 356 elektrisch an den Controller 254 gekoppelt ist. In 8 ist die elektroaktive Schicht 374 über die Stromkollektorfolie 382 elektrisch an das Unterteil 370 des Metallgehäuses 358 gekoppelt, ist die Lithiummetallschicht 376 elektrisch an das Oberteil 368 des Metallgehäuses 358 gekoppelt und sind das Oberteil 368 und das Unterteil 370 des Metallgehäuses 358 durch eine (nicht gezeigte) Dichtung elektrisch voneinander isoliert.
Die zyklischen Voltammetrie-Experimente, die an der Testzelle 262 und an der Kontrollzelle 362 ausgeführt werden, können durch den Controller 254 gesteuert werden. Während der zyklischen Voltammetrie-Experimente, die an der Testzelle 262 ausgeführt werden, kann durch den Controller 254 ein elektrisches Potential zwischen der elektroaktiven Schicht 274 und der Lithiummetallschicht 276 angelegt sein. Das Potential der elektroaktiven Schicht 274 kann durch den Controller 254 basierend auf dem angelegten elektrischen Potential zwischen der elektroaktiven Schicht 274 und der Lithiummetallschicht 276 und dem elektrischen Potential der Lithiummetallschicht 276, die ein konstantes Potential aufrechterhält, berechnet werden. Während der zyklischen Voltammetrie-Experimente, die an der Testzelle 262 ausgeführt werden, wird das Potential der elektroaktiven Schicht 274 (bezüglich desjenigen der Lithiummetallschicht 276) von einem Anfangspotential auf ein Soll-Potential erhöht, wobei dann das Potential der elektroaktiven Schicht 274 in der entgegengesetzten Richtung verringert wird, um das Potential auf das Anfangspotential zurückzuführen. Wenn das Potential der elektroaktiven Schicht 274 zyklisch durchlaufen wird, kann der elektrische Strom in der elektroaktiven Schicht 274 durch den Controller 254 kontinuierlich, periodisch oder wiederholt gemessen werden und im Speicher gespeichert werden. Der Strom und das Potential der elektroaktiven Schicht 274 können während der zyklischen Voltammetrie-Experimente durch den Controller 254 aufgezeichnet werden und können im Speicher des Controllers 254 gespeichert werden. Der Strom und das Potential der elektroaktiven Schicht 274 (die zyklischen voltametrischen Daten), die während der zyklischen Voltammetrie-Experimente aufgezeichnet worden sind, können gegeneinander graphisch dargestellt werden (Strom, 1 gegen Potential, V), um ein zyklisches Voltammogramm der Testzelle 262 zu erhalten. Die gleichen zyklischen Voltammetrie-Experimente, die an der Testzelle 262 ausgeführt worden sind, können an der Kontrollzelle 362 ausgeführt werden, wobei durch den Controller 254 ein elektrisches Potential zwischen der elektroaktiven Schicht 374 und der Lithiummetallschicht 376 anlegt ist. Durch den Controller 254 können z. B. unter Verwendung der zyklischen Voltammetrie-Daten, die während der an der Kontrollzelle 362 ausgeführten zyklischen Voltammetrie-Experimente erzeugt worden sind, und unter Verwendung der zyklischen Voltammetrie-Daten, die während der an der Testzelle 262 ausgeführten zyklischen Voltammetrie-Experimente erzeugt worden sind, zyklische Voltammogramme vorbereitet werden. In einigen Situationen können die zyklischen Voltammetrie-Experimente durch den Controller 254 an der Kontrollzelle 362 vor dem Ausführen der zyklischen Voltammetrie-Experimente an der Testzelle 262 ausgeführt werden. In einem derartigen Fall können die zyklischen voltametrischen Daten, die während der an der Kontrollzelle 362 ausgeführten zyklischen Voltammetrie-Experimente erzeugt worden sind, für die künftige Bezugnahme beim Bewerten bestimmter Eigenschaften der Separatoranordnung 278 im Speicher des Controllers 254 gespeichert werden.
Ein Vergleich des zyklischen Voltammogramms der Testzelle 262 und des zyklischen Voltammogramms der Kontrollzelle 362 kann eine Angabe der elektrochemischen Leistung und/oder der elektrochemischen Stabilität der Separatoranordnung 278 in der Umgebung der Testzelle 262 bereitstellen. 9 stellt ein beispielhaftes zyklisches Voltammogramm 320 des Stroms (1) 300 gegen das Potential (V) 310 der Testzelle 262 (die durchgezogenen Linien) und ein beispielhaftes zyklisches Voltammogramm 330 des Stroms (1) 300 gegen das Potential (V) 310 der Kontrollzelle 362 (die gestrichelten Linien) dar. Wie in 9 gezeigt ist, sind die Spannungsspitzen im zyklischen Voltammogramm 320 der Testzelle 262 und die Spannungsspitzen im zyklischen Voltammogramm 330 der Kontrollzelle 362 im Wesentlichen aufeinander ausgerichtet. Die Ausrichtung der Spannungsspitzen in dem zyklischen Voltammogramm 320 der Testzelle 262 und dem zyklischen Voltammogramm 330 der Kontrollzelle 362 gibt an, dass die Separatoranordnung 278 (die die Separatorschicht 280, die Stromkollektorschicht 282 und die elektroaktive Schicht 274 enthält) als eine Referenzelektrodenanordnung in einer vollständigen elektrochemischen Drei-Elektroden-Zelle, wie z. B. in der elektrochemischen Zelle 10 nach 1, verwendet werden kann, um genaue Messungen des elektrochemischen Potentials der positiven und/oder der negativen Elektrode der elektrochemischen Zelle zu erhalten.
Die vorangehende Beschreibung der Ausführungsformen ist für Veranschaulichungs- und Beschreibungszwecke bereitgestellt worden. Sie ist nicht vorgesehen, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer speziellen Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese Ausführungsform eingeschränkt, sondern sind gegebenenfalls austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn sie nicht spezifisch gezeigt oder beschrieben ist. Dieselben können außerdem in vielen Weisen variiert werden. Derartige Variationen sind nicht als eine Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, wobei vorgesehen ist, dass alle derartigen Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung enthalten sind.

Claims

System zum Bewerten einer Eigenschaft einer Stromkollektorschicht einer Referenzelektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch durchlaufen lässt, wobei das System umfasst: einen Controller; und eine Knopfzellen-Testanordnung, die umfasst: ein erstes Metallgehäuse, das ein Oberteil und ein Unterteil umfasst, die gemeinsam einen Innenraum des ersten Metallgehäuses definieren, wobei das Oberteil des ersten Metallgehäuses über einen ersten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt ist und das Unterteil des ersten Metallgehäuses über einen zweiten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt ist, und eine Testzelle, die innerhalb des Innenraums des ersten Metallgehäuses angeordnet ist, wobei die Testzelle eine erste elektroaktive Schicht, eine erste Lithiummetallschicht und eine zwischen der ersten elektroaktiven Schicht und der ersten Lithiummetallschicht angeordnete Separatoranordnung umfasst, wobei die Separatoranordnung eine erste Separatorschicht mit einer ersten Hauptoberfläche und eine auf der ersten Hauptoberfläche der ersten Separatorschicht aufgebrachte Stromkollektorschicht umfasst, wobei die Stromkollektorschicht durch die erste Separatorschicht elektrisch von der Lithiummetallschicht isoliert ist und sich die Stromkollektorschicht mit der ersten elektroaktiven Schicht in direkten physischen Kontakt befindet, wobei die erste Lithiummetallschicht elektrisch an das Oberteil des ersten Metallgehäuses gekoppelt ist und die erste elektroaktive Schicht elektrisch an das Unterteil des ersten Metallgehäuses gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller konfiguriert ist, durch das Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen der ersten elektroaktiven Schicht und der ersten Lithiummetallschicht, das zyklische Durchlaufen des angelegten elektrischen Potentials zwischen einem Anfangspotential und einem Soll-Potential und das Messen des elektrischen Stroms in der ersten elektroaktiven Schicht, während das angelegte elektrische Potential zwischen dem Anfangspotential und dem Soll-Potential zyklisch durchlaufen wird, ein zyklisches Testzellen-Voltammogramm zu erzeugen.
System nach Anspruch 2, wobei der Controller konfiguriert ist, eine Angabe wenigstens einer der lonenpermeabilität der Stromkollektorschicht, der Kompatibilität der Stromkollektorschicht und der ersten elektroaktiven Schicht oder der elektrochemischen Stabilität der Stromkollektorschicht in der Umgebung der Testzelle bereitzustellen.
System nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine Knopfzellen-Kontrollanordnung, die umfasst: ein zweites Metallgehäuse, das ein Oberteil und ein Unterteil umfasst, die gemeinsam einen Innenraum des zweiten Metallgehäuses definieren, wobei das Oberteil des zweiten Metallgehäuses über einen dritten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt ist und das Unterteil des zweiten Metallgehäuses über einen vierten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt ist; und eine Kontrollzelle, die innerhalb des Innenraums des zweiten Metallgehäuses angeordnet ist, wobei die Kontrollzelle eine zweite elektroaktive Schicht, eine zweite Lithiummetallschicht und eine zweite Separatorschicht, die zwischen der zweiten elektroaktiven Schicht und der zweiten Lithiummetallschicht angeordnet ist und sich mit diesen in direkten physischen Kontakt befindet, umfasst, wobei die zweite Lithiummetallschicht elektrisch an das Oberteil des zweiten Metallgehäuses gekoppelt ist und die zweite elektroaktive Schicht elektrisch an das Unterteil des zweiten Metallgehäuses gekoppelt ist, wobei der Controller konfiguriert ist, durch das Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen der zweiten elektroaktiven Schicht und der zweiten Lithiummetallschicht, das zyklische Durchlaufen des angelegten elektrischen Potentials zwischen einem Anfangspotential und einem Soll-Potential und das Messen des elektrischen Stroms in der zweiten elektroaktiven Schicht, während das angelegte elektrische Potential zwischen dem Anfangspotential und dem Soll-Potential zyklisch durchlaufen wird, ein zyklisches Kontrollzellen-Voltammogramm zu erzeugen.
Verfahren zum Bewerten einer Eigenschaft der Stromkollektorschicht nach Anspruch 1, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen der ersten elektroaktiven Schicht und der ersten Lithiummetallschicht; zyklisches Durchlaufen des elektrischen Potentials zwischen einem Anfangspotential und einem Soll-Potential; Messen des elektrischen Stroms in der ersten elektroaktiven Schicht, während das elektrische Potential zwischen dem Anfangspotential und dem Soll-Potential zyklisch durchlaufen wird; Berechnen eines elektrischen Potentials der ersten elektroaktiven Schicht; Erzeugen eines zyklischen Testzellen-Voltammogramms des elektrischen Stroms in der ersten elektroaktiven Schicht gegen das elektrische Potential der ersten elektroaktiven Schicht; und Vergleichen des zyklischen Testzellen-Voltammogramms mit einem zyklischen Kontrollzellen-Voltammogramm, um eine Angabe wenigstens einer der lonenpermeabilität der Stromkollektorschicht, der Kompatibilität der Stromkollektorschicht und der ersten elektroaktiven Schicht oder der elektrochemischen Stabilität der Stromkollektorschicht in der Umgebung der Testzelle zu erhalten.
System zum Bewerten einer Eigenschaft einer Referenzelektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch durchlaufen lässt, wobei das System umfasst einen Controller; und eine Knopfzellen-Testanordnung, die umfasst: ein erstes Metallgehäuse, das ein Oberteil und ein Unterteil umfasst, die gemeinsam einen Innenraum des ersten Metallgehäuses definieren, wobei das Oberteil des ersten Metallgehäuses über einen ersten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt ist und das Unterteil des ersten Metallgehäuses über einen zweiten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt ist; und eine Testzelle, die innerhalb des Innenraums des ersten Metallgehäuses angeordnet ist, wobei die Testzelle eine erste Lithiummetallschicht, eine elektrisch isolierende Schicht und eine Separatoranordnung, die zwischen der ersten Lithiummetallschicht und der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet ist, umfasst, wobei die Separatoranordnung eine erste Separatorschicht mit einer ersten Hauptoberfläche, eine auf der ersten Hauptoberfläche der ersten Separatorschicht aufgebrachte Stromkollektorschicht und eine erste elektroaktive Schicht, die auf der ersten Hauptoberfläche der ersten Separatorschicht aufgebracht ist, so dass die erste elektroaktive Schicht die Stromkollektorschicht wenigstens teilweise überlappt, umfasst, wobei sich die Stromkollektorschicht mit der ersten elektroaktiven Schicht in direkten physischen Kontakt befindet und von der Lithiummetallschicht durch die erste Separatorschicht elektrisch isoliert ist, wobei sich die Separatoranordnung über einen Umfang der elektrisch isolierenden Schicht hinaus erstreckt, so dass ein zentraler Bereich der ersten elektroaktiven Schicht durch die elektrisch isolierende Schicht physisch vom Unterteil des ersten Metallgehäuses beabstandet ist und sich ein Umfangsbereich der ersten elektroaktiven Schicht mit dem Unterteil des ersten Metallgehäuses in direkten physischen Kontakt befindet, wobei die erste Lithiummetallschicht elektrisch an das Oberteil des ersten Metallgehäuses gekoppelt ist und die erste elektroaktive Schicht elektrisch an das Unterteil des ersten Metallgehäuses gekoppelt ist, und wobei die elektrisch isolierende Schicht auf dem Unterteil des ersten Metallgehäuses angeordnet ist und die Separatoranordnung auf dem Unterteil des ersten Metallgehäuses über der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet ist, so dass während des zyklischen Durchlaufens der Testzelle Elektronen in einer Flächenrichtung durch den zentralen Bereich der ersten elektroaktiven Schicht und in einer Querrichtung durch den Umfangsbereich der ersten elektroaktiven Schicht fließen.
System nach Anspruch 6, wobei der Controller konfiguriert ist, durch das Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen der ersten elektroaktiven Schicht und der ersten Lithiummetallschicht, das zyklischen Durchlaufen des angelegten elektrischen Potentials zwischen einem Anfangspotential und einem Soll-Potential und das Messen des elektrischen Stroms in der ersten elektroaktiven Schicht, während das angelegte elektrische Potential zwischen dem Anfangspotential und dem Soll-Potential zyklisch durchlaufen wird, ein zyklisches Testzellen-Voltammogramm zu erzeugen.
System nach Anspruch 7, wobei der Controller konfiguriert ist, eine Angabe wenigstens einer der elektrochemischen Leistung der Separatoranordnung oder der elektrochemischen Stabilität der Separatoranordnung in der Umgebung der Testzelle bereitzustellen.
System nach Anspruch 6, das ferner umfasst: eine Knopfzellen-Kontrollanordnung, die umfasst: ein zweites Metallgehäuse, das ein Oberteil und ein Unterteil umfasst, die gemeinsam einen Innenraum des zweiten Metallgehäuses definieren, wobei das Oberteil des zweiten Metallgehäuses über einen dritten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt ist und das Unterteil des zweiten Metallgehäuses über einen vierten elektrischen Verbinder elektrisch an den Controller gekoppelt ist; und eine Kontrollzelle, die innerhalb des Innenraums des zweiten Metallgehäuses angeordnet ist, wobei die Kontrollzelle eine zweite Lithiummetallschicht, eine zweite elektroaktive Schicht, die auf einer Stromkollektorfolie angeordnet ist, und eine zweite Separatorschicht, die zwischen der zweiten Lithiummetallschicht und der zweiten elektroaktiven Schicht angeordnet ist, umfasst, wobei die zweite Lithiummetallschicht elektrisch an das Oberteil des zweiten Metallgehäuses gekoppelt ist und die zweite elektroaktive Schicht über die Stromkollektorfolie elektrisch an das Unterteil des zweiten Metallgehäuses gekoppelt ist, und wobei sich die Stromkollektorfolie mit dem Unterteil des zweiten Metallgehäuses in physischem und elektrischem Kontakt befindet.
Verfahren zum Bewerten einer Eigenschaft der Separatoranordnung nach Anspruch 6, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen der ersten elektroaktiven Schicht und der ersten Lithiummetallschicht; zyklisches Durchlaufen des elektrischen Potentials zwischen einem Anfangspotential und einem Soll-Potential; Messen des elektrischen Stroms in der ersten elektroaktiven Schicht, während das elektrische Potential zwischen dem Anfangspotential und dem Soll-Potential zyklisch durchlaufen wird; Berechnen eines elektrischen Potentials der ersten elektroaktiven Schicht; Erzeugen eines zyklischen Testzellen-Voltammogramms des elektrischen Stroms in der ersten elektroaktiven Schicht gegen das elektrische Potential der ersten elektroaktiven Schicht; Vergleichen des zyklischen Testzellen-Voltammogramms mit einem zyklischen Kontrollzellen-Voltammogramm, um zu bestimmen, ob die im zyklischen Testzellen-Voltammogramm dargestellten Spannungsspitzen auf die entsprechenden im zyklischen Kontrollzellen-Voltammogramm dargestellten Spannungsspitzen ausgerichtet sind.