DE102023101041A1

DE102023101041A1 - Nitratsalz-kathodenadditive und verfahren zu deren verwendung und bildung

Info

Publication number: DE102023101041A1
Application number: DE102023101041.7A
Authority: DE
Inventors: Yifan Zhao; Xingcheng Xiao
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: US20240047673A1; CN117525401A

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine elektrochemische Zelle zur Verfügung, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle schließt eine erste Elektrode mit einem ersten elektroaktiven Material, eine zweite Elektrode mit einem zweiten elektroaktiven Material und eine dazwischen angeordnete Trennschicht ein. Das zweite elektroaktive Material schließt eine Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln ein, wobei mindestens ein Anteil der elektroaktiven Materialpartikel eine Oberflächenbeschichtung aufweist, die ein Nitratsalz enthält. Das erste elektroaktive Material kann ein Lithiummetall enthalten, und die elektrochemische Zelle kann ferner ein Lösungsmittel auf Carbonatbasis enthalten.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung bereit, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Es besteht Bedarf an fortgeschrittenen Energiespeichervorrichtungen und -systemen, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systemen (z. B. 12-V-Start-Stopp-Systemen), batteriegestützten Systemen, Hybridelektrofahrzeugen („HEVs“) und Elektrofahrzeugen („EVs“). Typische Lithium-Ionen-Batterien umfassen mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode und die andere Elektrode als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein mit einem flüssigen oder festen Elektrolyten gefüllter Separator angeordnet sein. Der Elektrolyt ist geeignet, Lithiumionen zwischen den Elektroden zu leiten, und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. Im Fall von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten (oder Festkörperseparator) enthalten, kann der Festkörperelektrolyt (oder Festkörperseparator) die Elektroden physisch trennen, so dass ein eigener Separator nicht erforderlich ist.
Zur Herstellung von Komponenten für eine Lithium-Ionen-Batterie können viele verschiedene Materialien verwendet werden. Bei bestimmten Varianten kann die negative Elektrode ein lithiumhaltiges Material, z. B. metallisches Lithium, enthalten, so dass die elektrochemische Zelle als Lithium-Metall-Batterie oder -Zelle angesehen wird. Lithiumhaltige Materialien, wie metallisches Lithium, weisen verschiedene potenzielle Vorteile auf, darunter die höchste theoretische Kapazität und das niedrigste elektrochemische Potenzial. Daher zählen Lithium-Metall-Batterien zu den vielversprechendsten Kandidaten für Systeme zur Speicherung hoher Energiemengen. Lithium-Metall-Batterien weisen jedoch auch potenzielle Nachteile, wie z. B. eventuell unzuverlässige oder verringerte Leistung und einen potenziellen vorzeitigen elektrochemischen Zellausfall, auf. So kann es beispielsweise zu Nebenreaktionen zwischen dem metallischen Lithium und dem Elektrolyten kommen, was die Bildung einer Festelektrolyt-Grenzfläche (solid-electrolyte interface, SEI) und/oder die kontinuierliche Zersetzung des Elektrolyten und/oder den Verbrauch von aktivem Lithium auf unerwünschte Weise fördert. Daher wäre es wünschenswert, Materialien für den Einsatz in Lithium-Ionen-Hochleistungsbatterien zu entwickeln, die Nebenreaktionen des Lithiummetalls reduzieren oder unterdrücken.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Kurzfassung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Schutzumfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf positive Elektrodenadditive, auf Elektroden und elektrochemische Zellen, die diese enthalten, sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein elektroaktives Material zur Verwendung mit einer elektrochemischen Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Das elektroaktive Material kann eine Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln enthalten, wobei mindestens ein Anteil der elektroaktiven Materialpartikel eine Oberflächenbeschichtung aufweist, die ein Nitratsalz enthält.
In einem Aspekt kann das Nitratsalz ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Lithiumnitrat (LiNO₃), Cäsiumnitrat (CsNO₃), Kaliumnitrat (KNO₃), Rubidiumnitrat (RbNO₃), Magnesiumnitrat (Mg(NO₃)₂) und Kombinationen davon.
In einem Aspekt kann der zumindest eine Anteil der elektroaktiven Materialpartikel, die die Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln definieren, ein Material enthalten, das dargestellt wird durch: LiM¹ _xm² _yM³ _zM⁴ _(1-x-y-z)O₂ wobei M¹, M², M³, und M⁴ jeweils ein Übergangsmetall sind, das unabhängig voneinander ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, 0 ≤ x ≤1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ z ≤ 1.
In einem Aspekt kann die durchschnittliche Partikelgröße der elektroaktiven Materialpartikel der Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln größer oder gleich etwa 1 Mikrometer bis kleiner oder gleich etwa 20 Mikrometer sein, und die Oberflächenbeschichtung kann eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich etwa 0,1 Mikrometer bis kleiner oder gleich etwa 10 Mikrometer aufweisen.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste Elektrode, die ein erstes elektroaktives Material enthält, eine zweite Elektrode, die ein zweites elektroaktives Material enthält, und eine Trennschicht, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, enthalten. Das zweite elektroaktive Material kann eine Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln enthalten, wobei mindestens ein Anteil der elektroaktiven Materialpartikel eine Oberflächenbeschichtung aufweist, die ein Nitratsalz enthält.
In einem Aspekt kann das Nitratsalz ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Lithiumnitrat (LiNO₃), Cäsiumnitrat (CsNO₃), Kaliumnitrat (KNO₃), Rubidiumnitrat (RbNO₃), Magnesiumnitrat (Mg(NO₃)₂) und Kombinationen davon.
In einem Aspekt kann eine Massenbeladung des Nitratsalzes in der Oberflächenbeschichtung größer oder gleich etwa 0,1 mg/cm² bis kleiner oder gleich etwa 10 mg/cm² sein.
In einem Aspekt kann der Anteil der elektroaktiven Materialpartikel mit der Oberflächenbeschichtung gleichmäßig über die zweite Elektrode verteilt sein.
In einem Aspekt kann die Oberflächenbeschichtung eine durchgehende Beschichtung mit einer durchschnittlichen Dicke von größer oder gleich etwa 0,1 Mikrometer bis kleiner oder gleich etwa 10 Mikrometer sein, und eine durchschnittliche Partikelgröße der elektroaktiven Materialpartikel der Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln kann größer oder gleich etwa 1 Mikrometer bis kleiner oder gleich etwa 20 Mikrometer sein.
In einem Aspekt kann die zweite Elektrode eine Vielzahl von Poren und eine Porosität von größer oder gleich etwa 20 Volumenprozent bis kleiner oder gleich etwa 50 Volumenprozent aufweisen.
In einem Aspekt kann die zweite Elektrode ferner einen Elektrolyten enthalten, der mit dem zweiten elektroaktiven Material in Kontakt steht. Der Elektrolyt kann ein Lösungsmittel enthalten, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon.
In einem Aspekt enthält der zumindest eine Anteil der elektroaktiven Materialpartikel, die die Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln definieren, ein Material, das dargestellt wird durch: LiM¹ _xm² _yM³ _zM⁴ _(1-x-y-z)O₂ wobei M¹, M², M³, und M⁴ jeweils ein Übergangsmetall sind, das unabhängig voneinander ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, 0 ≤ x ≤1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ z ≤ 1.
In einem Aspekt kann das erste elektroaktive Material ein Lithiummetall enthalten.
In einem Aspekt kann die elektrochemische Zelle ferner einen Elektrolyten enthalten, der mit dem ersten elektroaktiven Material und dem zweiten elektroaktiven Material in Kontakt steht. Der Elektrolyt kann ein Lösungsmittel enthalten, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials zur Verwendung mit einer elektrochemischen Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Das Verfahren kann das Inkontaktbringen einer Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln mit einer Vorläuferlösung, die größer oder gleich etwa 0,5 M eines Nitratsalzes enthält, um eine Beimischung zu bilden, und das Trocknen der Beimischung umfassen, um Oberflächenbeschichtungen auf mindestens einem Anteil der elektroaktiven Materialpartikeln zu bilden, die die Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln definieren.
In einem Aspekt kann das Nitratsalz ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Lithiumnitrat (LiNO₃), Cäsiumnitrat (CsNO₃), Kaliumnitrat (KNO₃), Rubidiumnitrat (RbNO₃), Magnesiumnitrat (Mg(NO₃)₂) und Kombinationen davon.
In einem Aspekt kann das Inkontaktbringen das Eintauchen der elektroaktiven Materialpartikel der Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln in die Vorläuferlösung umfassen.
In einem Aspekt können die elektroaktiven Materialpartikel der Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln für einen Zeitraum von größer oder gleich etwa 1 Minute bis kleiner oder gleich etwa 5 Stunden in die Vorläuferlösung eingetaucht werden.
In einem Aspekt kann das Inkontaktbringen das Aufsprühen der Vorläuferlösung auf die freiliegenden Oberflächen der elektroaktiven Materialpartikel der Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln beinhalten.
In einem Aspekt kann die Trocknung einen Vakuumtrocknungsprozess mit einer Temperatur von größer oder gleich etwa 20 °C bis kleiner oder gleich etwa 130 °C beinhalten.
Weitere Anwendungsgebiete werden sich aus der vorliegenden Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Kurzfassung dienen nur 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 ist eine Veranschaulichung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einem oder mehreren Nitratsalz-Kathodenadditiven gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Veranschaulichung von beispielhaften positiven elektroaktiven Materialpartikeln, die eine Nitratsalz-Partikelbeschichtung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthalten;
3 ist eine grafische Veranschaulichung der Impedanz einer beispielhaften Zelle mit einem oder mehreren Nitratsalz-Kathodenadditiven gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
4 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung von Nitratsalz-Partikelbeschichtungen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
5A ist eine grafische Veranschaulichung, die die Flächenkapazität einer beispielhaften Zelle mit einem oder mehreren Nitratsalz-Kathodenadditiven gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
5B ist eine grafische Veranschaulichung, die die Kapazitätserhaltung einer beispielhaften Zelle mit einem oder mehreren Nitratsalz-Kathodenadditiven gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.

Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen die entsprechenden Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Da Ausführungsbeispiele vorgesehen sind, ist dies eine sorgfältige Offenbarung, die Fachleuten den vollen Umfang vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Der Fachmann wird feststellen, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass Ausführungsbeispiele in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Die hier verwendeten Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ schließen auch die Pluralformen ein, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ 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 dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z. B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher beinhaltet die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Prozessschritte angibt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Prozessschritten 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 Prozessschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Prozessschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausführungsform eingeschlossen sein können.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der bestimmten erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit diesem oder dieser „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie bzw. es sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit diesem oder dieser verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hierin verwendet sein 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, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste/r“, „zweite/r“ und andere nummerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden besprochen werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der Ausführungsbeispiele abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin 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 veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen, die etwa den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „etwa“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „etwa“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Etwa“ bedeutet sowohl, dass der aufgeführte Zahlenwert exakt oder genau ist, als auch, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, etwa oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „etwa“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner oder gleich 4 %, optional kleiner oder gleich 3 %, optional kleiner oder gleich 2 %, optional kleiner oder gleich 1 %, optional kleiner oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional kleiner 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 Teilbereiche.
Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Technologie bezieht sich auf elektrochemische Zellen, die ein oder mehrere Nitratsalz-Kathodenadditive enthalten, sowie auf Verfahren zur Bildung und Verwendung von diesen. Solche Zellen können in Fahrzeug- oder Kraftfahrzeuganwendungen (z. B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) eingesetzt werden. Die vorliegende Technologie kann jedoch auch in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, zum Beispiel (nicht einschränkend) in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z. B. Häusern, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Büroausrüstungen und -möbeln sowie in Maschinen für Industrieausrüstungen, in landwirtschaftlichen Geräten, Landmaschinen oder Schwermaschinen. Obwohl die veranschaulichten Beispiele nachstehend eine einzelne positive Elektrode, Kathode und eine einzelne Anode im Detail beinhalten, wird der Fachmann erkennen, 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 einer oder mehreren Oberflächen davon oder angrenzend an dieselben angeordnet sind.
Eine beispielhafte und schematische Veranschaulichung 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 beiden Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 stellt eine elektrische Trennung zwischen den Elektroden 22, 24 bereit, d. h. er verhindert den physischen Kontakt. Der Separator 26 stellt außerdem einen minimalen Widerstandspfad für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von verwandten Anionen während der Zyklisierung der Lithiumionen bereit. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und/oder der positiven Elektrode 24 vorliegen kann, so dass ein durchgängiges Elektrolytnetzwerk gebildet wird. Bei bestimmten Varianten kann der Separator 26 aus einem Festkörperelektrolyten oder einem halbfesten Elektrolyten (z. B. einem Gelelektrolyten) gebildet sein. Der Separator 26 kann zum Beispiel durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytpartikeln definiert sein. Im Falle von Festkörperbatterien und/oder halbfesten Batterien können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytpartikeln enthalten. Die Vielzahl von Festkörperelektrolytpartikeln, die im Separator 26 enthalten sind oder diesen definieren, kann gleich oder verschieden von der Vielzahl von Festkörperelektrolytpartikeln sein, die in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 enthalten sind.
Ein erster Stromkollektor 32 (z. B. ein negativer Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der erste Stromkollektor 32 kann zusammen mit der negativen Elektrode 22 als negative Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Obwohl nicht veranschaulicht, wird der Fachmann feststellen, dass bei bestimmten Varianten negative Elektroden 22 (auch als negative elektroaktive Materialschichten bezeichnet) auf einer oder mehreren parallelen Seiten des ersten Stromkollektors 32 angeordnet sein können. In ähnlicher Weise wird der Fachmann feststellen, dass bei anderen Varianten eine negative elektroaktive Materialschicht auf einer ersten Seite des ersten Stromkollektors 32 und eine positive elektroaktive Materialschicht auf einer zweiten Seite des ersten Stromkollektors 32 angeordnet sein kann. In jedem Fall kann der erste Stromkollektor 32 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -sieb oder ein Streckmetall sein, das Kupfer oder ein anderes geeignetes elektrisch leitfähiges Material umfasst, das dem Fachmann bekannt ist.
Ein zweiter Stromkollektor 34 (z. B. ein positiver Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der zweite Stromkollektor 34 kann zusammen mit der positiven Elektrode 24 als eine positive Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Obwohl nicht veranschaulicht, wird der Fachmann feststellen, dass bei bestimmten Varianten positive Elektroden 24 (auch als positive elektroaktive Materialschichten bezeichnet) auf einer oder mehreren parallelen Seiten des zweiten Stromkollektors 34 angeordnet sein können. In ähnlicher Weise wird der Fachmann feststellen, dass bei anderen Varianten eine positive elektroaktive Materialschicht auf einer ersten Seite des zweiten Stromkollektors 34 und eine negative elektroaktive Materialschicht auf einer zweiten Seite des zweiten Stromkollektors 34 angeordnet sein können. In jedem Fall kann der zweite Elektrodenstromkollektor 34 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -sieb oder Streckmetall sein, das Aluminium oder ein anderes geeignetes elektrisch leitfähiges Material umfasst, das dem Fachmann bekannt ist.
Der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 können freie Elektronen sammeln und zu bzw. von einem externen Stromkreis 40 transportieren. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Verbrauchervorrichtung 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 durch reversierbare elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen wird (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden) und die negative Elektrode 22 ein geringeres Potenzial als die positive Elektrode aufweist, einen elektrischen Strom erzeugen. Die chemische Potenzialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch eine Reaktion, z. B. die Oxidation von interkaliertem Lithium, an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 in Richtung der positiven Elektrode 24 überführt. 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 interkaliertes Lithium zu bilden. Wie vorstehend 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 Verbrauchervorrichtung 42 geleitet werden, bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 verringert ist.
Die Batterie 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle an die Lithium-Ionen-Batterie 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die beim Entladen der Batterie auftreten. Das Anschließen einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z. B. die nicht-spontane Oxidation von interkaliertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 und durch den Separator 26 zur negativen Elektrode 22 zurück, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z. B. interkaliertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Batterieentladevorgangs aufzufüllen. So 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 zyklisiert werden. Die externe Stromquelle, die zum Aufladen der Batterie 20 verwendet werden kann, hängt von der Größe, der Bauweise und dem jeweiligen Verwendungszweck der Batterie 20 ab. Einige besondere und beispielhafte externe Stromquellen beinhalten unter anderem einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, der über eine Wandsteckdose und eine Kfz-Wechselstromlichtmaschine an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist.
In vielen Lithium-Ionen-Batteriekonfigurationen 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. mit einer Dicke von mehreren Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger) hergestellt und zu elektrisch parallel geschalteten Schichten zusammengebaut, um ein geeignetes elektrische Energie und Leistung lieferndes Paket zu erhalten. Unter verschiedenen Gesichtspunkten kann die Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht abgebildet, aber dennoch dem Fachmann bekannt sind. Die Batterie 20 kann beispielsweise ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen, Laschen, Batteriepole und andere herkömmliche Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, einschließlich zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26. Die Batterie 20, die in 1 dargestellt ist, enthält einen flüssigen Elektrolyten 30 und zeigt repräsentative Konzepte für den Batteriebetrieb. Die vorliegende Technologie gilt jedoch auch für Festkörperbatterien und/oder halbfeste Batterien, die Festkörperelektrolyten und/oder Festkörperelektrolytpartikel und/oder halbfeste Elektrolyten und/oder elektroaktive Festkörperpartikel enthalten, die, wie Fachleuten bekannt ist, andere Ausführungen aufweisen können.
Die Größe und Form der Batterie 20 kann je nach der speziellen Anwendung, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und elektronische Handgeräte sind zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Spezifikationen hinsichtlich Größe, Kapazität und Leistungsabgabe ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallel geschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Verbrauchervorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom für eine Verbrauchervorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Verbrauchervorrichtung 42 kann durch den elektrischen Strom versorgt werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn sich die Batterie 20 entlädt. Während es sich bei der elektrischen Verbrauchervorrichtung 42 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Vorrichtungen handeln kann, enthalten einige besondere Beispiele einen Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder -geräte. Bei der Verbrauchervorrichtung 42 kann es sich auch um eine stromerzeugende Einrichtung handeln, die die Batterie 20 zum Zweck der Speicherung elektrischer Energie auflädt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 enthalten, z. B. in ihren Poren, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, sei es in fester, flüssiger oder gelierter Form, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten, kann in der Lithium-Ionen-Batterie 20 verwendet werden. Bei bestimmten Aspekten kann beispielsweise der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z. B. > 1 M) sein, die ein Lithiumsalz umfasst, das in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch von organischen Lösungsmitteln gelöst ist. 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, beinhaltet Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄), Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF₂(C₂O₄)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (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 sein, die unter anderem verschiedene Alkylcarbonate, wie z. B. zyklische Carbonate (z. B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC) und dergleichen), lineare Carbonate (z. B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und dergleichen), aliphatische Carbonsäureester (z. B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat und dergleichen), γ-Lactone (z. B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton und dergleichen), Kettenstruktur-Ether (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 enthalten.
Der poröse Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator mit einem Polyolefin enthalten. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (von einem einzigen Monomerbestandteil abgeleitet) oder ein Heteropolymer (von mehr als einem Monomerbestandteil abgeleitet) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Ist ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich derjenigen eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Ist das Polyolefin ein Heteropolymer, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In bestimmten Aspekten kann es sich bei dem Polyolefin um Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder ein Gemisch aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Filme aus PE und/oder PP handeln. Im Handel erhältliche Membranen 26 für poröse Polyolefin-Separatoren enthalten CELGARD^® 2500 (einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (dreischichtiger Polypropylen-/Polyethylen-/Polypropylen-Separator), die von Celgard LLC bezogen werden können.
Ist der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator, kann es sich um ein einschichtiges oder ein mehrschichtiges Laminat handeln, das entweder im Trocken- oder Nassprozess hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzelne 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 sich gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken, und beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus gleichartigen oder verschiedenen Polyolefinen zusammengesetzt sein, um den mikroporösen polymeren Separator 26 zu bilden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie z. B. Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamid, Polyimid, Polyamid-Polyimid-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das dazu geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können ferner als Faserschicht in den Separator 26 aufgenommen sein, um dazu beizutragen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 ferner eines oder mehrere von einem keramischen Material und einem hitzebeständigen Material enthalten. Beispielsweise kann der Separator 26 auch mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beigemischt werden, oder eine oder mehrere Oberflächen des Separators 26 können mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beschichtet werden. Bei bestimmten Varianten kann das keramische Material und/oder das hitzebeständige Material auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das keramische Material kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon. Das hitzebeständige Material kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Nomex, Aramid und Kombinationen daraus.
Es sind verschiedene herkömmlich erhältliche Polymere und handelsübliche Produkte zur Bildung des Separators 26 sowie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können, denkbar. In jedem Fall kann der Separator 26 eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich etwa 1 Mikrometer (µm) bis kleiner oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Fällen optional größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 20 µm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der in dem porösen Separator 26 angeordnete Elektrolyt 30, der in 1 veranschaulicht ist, durch einen Festkörper-Elektrolyten („SSE“) und/oder einen halbfesten Elektrolyten (z. B. ein Gel) ersetzt werden, der sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Der Festkörperelektrolyt und/oder halbfeste Elektrolyt kann beispielsweise zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der Festkörper-Elektrolyt und/oder halbfeste Elektrolyt ermöglicht den Transfer von Lithiumionen und sorgt gleichzeitig für eine mechanische Trennung und elektrische Isolierung zwischen der negativen und der positiven Elektrode 22, 24. Als nicht-einschränkendes Beispiel kann der Festkörperelektrolyt und/oder halbfeste Elektrolyt eine Vielzahl von Füllstoffen enthalten, wie beispielsweise LiTi₂(PO₄)₃, LiGe₂(PO₄)₃, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li₃xLa_2/3-xTiO₃, Li₃PO₄, Li₃N, Li₄GeS₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₂S-P₂S₅, Li₆PS₅Cl, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅I, Li₃OCl, Li_2,99 Ba_0,005ClO, oder Kombinationen davon. Der halbfeste Elektrolyt kann einen Polymerwirt und einen flüssigen Elektrolyten enthalten. Der Polymerwirt kann zum Beispiel Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethacrylnitril (PMAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Kombinationen davon beinhalten. In bestimmten Varianten kann sich der halbfeste oder gelartige Elektrolyt auch in der positiven Elektrode 24 und/oder den negativen Elektroden 22 befinden.
Die negative Elektrode (die auch als negative elektroaktive Materialschicht bezeichnet werden kann) 22 ist aus einem Lithium-Wirtsmaterial gebildet, das als negativer Pol einer Lithium-Ionen-Batterie fungieren kann. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl von negativen elektroaktiven Materialpartikeln definiert sein. Solche negativen elektroaktiven Materialpartikel können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z. B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der negativen Elektrode 22 enthalten sein. In bestimmten Varianten kann die negative Elektrode 22 beispielsweise eine Vielzahl von Festkörperelektrolytpartikeln enthalten. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (einschließlich der einen oder mehreren Schichten) eine Dicke von größer oder gleich etwa 0 nm bis kleiner oder gleich etwa 500 µm, optional größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 500 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 10 µm bis kleiner oder gleich etwa 200 µm, aufweisen.
In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 ein lithiumhaltiges negatives elektroaktives Material, wie z. B. eine Lithiumlegierung und/oder ein Lithiummetall, enthalten. In bestimmten Varianten kann die negative Elektrode 22 beispielsweise durch eine Lithium-Metallfolie definiert werden. Bei anderen Varianten kann die negative Elektrode 22 nur als Beispielkohlenstoffhaltige negative elektroaktive Materialien (wie Graphit, Hartkohle, Weichkohle, und dergleichen) und/oder metallische negative elektroaktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen, und dergleichen) enthalten. Bei weiteren Varianten kann die negative Elektrode 22 ein negatives elektroaktives Material auf Siliziumbasis enthalten. In noch weiteren Varianten kann die negative Elektrode 22 eine Verbundelektrode sein, die eine Kombination von negativen elektroaktiven Materialien enthält. Die negative Elektrode 22 kann zum Beispiel ein erstes negatives elektroaktives Material und ein zweites negatives elektroaktives Material enthalten. In bestimmten Varianten kann das Verhältnis zwischen dem ersten negativen elektroaktiven Material und dem zweiten negativen elektroaktiven Material größer oder gleich etwa 5:95 bis kleiner oder gleich etwa 95:5 sein. Bei dem ersten negativen elektroaktiven Material kann es sich um ein volumenvergrößerndes negatives elektroaktives Material handeln, z. B. Silizium, Aluminium, Germanium und/oder Zinn. Das zweite negative elektroaktive Material kann ein kohlenstoffhaltiges negatives elektroaktives Material (z. B. Graphit, Hartkohle und/oder Weichkohle) sein. In bestimmten Varianten kann das negative elektroaktive Material beispielsweise einen Verbundwerkstoff auf Kohlenstoff-Silizium-Basis enthalten, der z. B. etwa 10 Gew.-% SiO_x (wobei 0 ≤ x ≤ 2) und etwa 90 Gew.-% Graphit enthält. In jedem Fall kann das negative elektroaktive Material vorlithiiert werden.
In bestimmten Varianten kann das negative elektroaktive Material optional mit einem elektronisch leitfähigen Material (d. h. einem leitfähigen Additiv), das einen elektronenleitfähigen Pfad bereitstellt, und/oder einem polymeren Bindemittel, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt werden (z. B. aufgeschlämmt). Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich etwa 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 95 Gew.-% des/der negativen elektroaktiven Materials/Materialien; größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 30 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels enthalten.
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. Elektronisch leitende Materialien können z. B. Materialien auf Kohlenstoffbasis, pulverförmiges Nickel oder andere Metallpartikel oder leitfähige Polymere enthalten. Materialien auf Kohlenstoffbasis können beispielsweise Graphitpartikel, Acetylenschwarz (wie beispielsweise KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstoff-Nanofasern und -Nanoröhrchen (z. B. einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNT)), Graphen (z. B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitfähige Rußpartikel (wie SuperP (SP)) und dergleichen enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind unter anderem Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
Die positive Elektrode 24 ist aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet, das in der Lage ist, einer Lithium-Interkalation und -Deinterkalation, einem Legier- und Entlegiervorgang oder einem Beschichtungs- und Ablösevorgang unterzogen zu werden, während sie als positiver Pol einer Lithium-Ionen-Batterie fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln definiert sein. Solche positiven elektroaktiven Materialpartikel können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z. B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der positiven Elektrode 24 enthalten sein. In bestimmten Varianten kann die positive Elektrode 24 eine Vielzahl von Festkörper-Elektrolytpartikeln enthalten. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine durchschnittliche Dicke größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 µm, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 200 µm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 eine nickelreiche Kathode sein, die ein positives elektroaktives Material enthält, das dargestellt wird durch: LiM¹ _xm² _yM³ _zM⁴ _(1-x-y-z)O₂ wobei M¹, M², M³, und M⁴ jeweils ein Übergangsmetall sind (das beispielsweise unabhängig voneinander ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon), wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ z ≤ 1. Die positive Elektrode 24 kann zum Beispiel NMC enthalten (LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂, wobei 0,6 ≤ x ≤ , 0 ≤ y ≤ 0,4) und/oder NCA (LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂, wobei 0,6 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,4) und/oder NCMA (LiNi_xCo_yMn_zAl_1-x-y-zO₂, wobei 0,6 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,4, 0 ≤ z ≤ 0,4).
Bei anderen Varianten kann die positive Elektrode 24 ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien mit einer Spinellstruktur (wie beispielsweise Lithiummanganoxid (Li_(1+x)Mn₂O₄, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO) und/oder Lithiummangannickeloxid (LiMn_(2-x)Ni_xO₄, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5) (LNMO) (z. B. LiMn_1,5N_10,5O₄)), ein oder mehrere Materialien mit einer Schichtstruktur (z. B. Lithiumkobaltoxid (LiCoO₂) (LCO)); und/oder ein Lithiumeisenpolyanionoxid mit Olivinstruktur (z. B. Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) (LFP), Lithiummanganeisenphosphat (LiMn_2-xFe_xPO₄, wobei 0 < x < 0,3) (LMFP), und/oder Lithiumeisenfluorophosphat (Li₂FePO₄F)) enthalten.
Bei noch anderen Varianten kann die positive Elektrode 24 eine Verbundelektrode sein, die zwei oder mehr positive elektroaktive Materialien enthält. Die positive Elektrode 24 kann zum Beispiel ein erstes positives elektroaktives Material und ein zweites positives elektroaktives Material enthalten. In bestimmten Varianten kann das Verhältnis zwischen dem ersten positiven elektroaktiven Material und dem zweiten positiven elektroaktiven Material größer als oder gleich etwa 1:9 bis kleiner als oder gleich etwa 9:1 sein. Das erste positive elektroaktive Material kann das nickelreiche positive elektroaktive Material enthalten. Das zweite positive elektroaktive Material kann zum Beispiel ein geschichtetes Oxid, dargestellt durch LiMeO₂, enthalten, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon; ein Oxid vom Olivin-Typ, dargestellt durch LiMePO₄, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V), oder Kombinationen davon; ein Oxid vom monoklinen Typ, dargestellt durch Li₃Me₂(PO₄)₃, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon; ein Oxid vom Spinell-Typ, dargestellt durch LiMe₂O₄, wobei Me ein Übergangsmetall, wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon, ist und/oder ein Tavorit, dargestellt durch LiMeSO₄F und/oder LiMePO₄F, wobei Me ein Übergangsmetall, wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon, ist.
In jeder Variante enthält die positive Elektrode 24 ein Nitratsalz. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des Nitratsalzes enthalten. Die Massenbeladung des Nitratsalzes in der positiven Elektrode 24 kann größer oder gleich etwa 0,1 mg/cm² bis kleiner oder gleich etwa 10 mg/cm² und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0,1 mg/cm² bis kleiner oder gleich etwa 5 mg/cm² sein. Das Nitratsalz kann z. B. Lithiumnitrat (LiNO₃), Cäsiumnitrat (CsNO₃), Kaliumnitrat (KNO₃), Rubidiumnitrat (RbNO₃) und/oder Magnesiumnitrat (Mg(NO₃)₂) enthalten und gleichmäßig horizontal und vertikal in der positiven Elektrode 24 verteilt sein. Bei bestimmten Varianten, wie sie beispielsweise in 2 veranschaulicht sind, kann das Nitratsalz Partikelbeschichtungen 27 auf den positiven elektroaktiven Materialpartikeln 25 bilden, die die positive Elektrode 24 definieren.
Bei bestimmten Varianten können die positiven elektroaktiven Materialpartikel 25 durchschnittliche Partikelgrößen von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 20 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 5 µm bis kleiner oder gleich etwa 15 µm aufweisen, und die Partikelbeschichtungen 27 können durchschnittliche Dicken von größer oder gleich etwa 0,1 µm bis kleiner oder gleich etwa 20 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 10 µm aufweisen. Bei bestimmten Varianten können die Partikelbeschichtungen 27 eine im Wesentlichen durchgehende Beschichtung sein, die größer oder gleich etwa 85 %, optional größer oder gleich etwa 90 %, optional größer oder gleich etwa 95 %, optional größer oder gleich etwa 98 %, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 99 % und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 99.% % der gesamten freiliegenden Oberfläche jedes positiven elektroaktiven Materialpartikels 25 abdeckt.
Wichtig ist, dass das Nitratsalz die Leitfähigkeit des positiven elektroaktiven Materials nicht beeinträchtigt. Als Beispiel verzeichnet hier 3 die Impedanz einer ersten positiven Beispielelektrode 310, die beispielsweise nur NMC enthält, einer zweiten positiven Beispielelektrode 320, die beispielsweise NMC und Dimethoxyethan enthält, und einer dritten positiven Beispielelektrode 330, die beispielsweise NMC, Dimethoxyethan und Lithiumnitrat (LiNO₃) enthält, wobei die x-Achse 300 ReZ (Ohm) und die y-Achse 302 -ImZ (Ohm) darstellt. Wie veranschaulicht, weist das Beispiel 330, das das Lithiumnitrat (LiNO₃) enthält, im Vergleich zu den Beispielen 310 und 320 eine geringere Impedanz auf, was zumindest teilweise darauf zurückzuführen ist, dass die Partikelbeschichtung 27 (z. B. die Kathode-Elektrolyt- Grenzfläche (cathode-electrolyte interphase, CEI)) eine höhere Ionenleitfähigkeit aufweist. Die Ionenleitfähigkeit der Partikelbeschichtung 27 kann beispielsweise größer oder gleich etwa 10^-3 S/cm bis kleiner oder gleich etwa 10^-6 S/cm sein.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 weist die positive Elektrode 24, die das Nitrat-Additivsalz enthält, noch immer eine Porosität von größer oder gleich etwa 20 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 50 Vol.-% auf, so dass die positive Elektrode 24 weiterhin den Elektrolyten 30 aufnimmt. Die Nitrat-Additivsalze weisen eine geringere Löslichkeit (z. B. etwa 10^-5 g/ml) in Elektrolyten auf Carbonatbasis auf, was häufig dazu führt, dass solche Nitrat-Additivsalze während der Bildung der Kathode-Elektrolyt-Grenzfläche (CEI) und/oder der Festelektrolyt-Grenzfläche-(SEI) -Schicht schnell verbraucht werden. Der Einbau der Nitrat-Additivsalze als Partikelbeschichtungen 27 in die positive Elektrode 24 ermöglicht es, dass die Nitrat-Additivsalze während des Batteriebetriebs langsam in den Elektrolyten 30 (z. B. Elektrolyt auf Carbonatbasis) freigesetzt (z. B. gelöst) werden (z. B. als Ergebnis der geringen Löslichkeit des Nitratsalzes im Elektrolyten 30 und/oder des Verbrauchs des einen oder der mehreren Additive während der Zyklisierung), was eine längerfristige Stabilisierung jeder gebildeten Kathode-Elektrolyt-Grenzfläche (CEI), wie sie auf einer Oberfläche der positiven Elektrode 24 gebildet wird, und/oder Festelektrolyt-Grenzfläche- (SEI) -Schicht (nicht gezeigt), wie sie z. B. auf einer oder mehreren mit Lithium beschichteten Oberflächen (z. B., einer oder mehreren Oberflächen des Stromkollektors 32 der negativen Elektrode und/oder einer oder mehreren Oberflächen der negativen Elektrode 22) gebildet wird, bereitstellt.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden der Partikelbeschichtung 27 bereit. Bei bestimmten Varianten kann das Nitratsalz beispielsweise zusammen mit den positiven elektroaktiven Materialpartikeln und anderen Elektrodenmaterialien (z. B. leitfähiges Additiv und/oder Bindemittel) aufgeschlämmt und auf dem positiven Elektrodenstromkollektor 34 angeordnet (z. B. gegossen und getrocknet) werden. Die Konzentration des Nitratsalzes in der Elektrodenaufschlämmung kann größer oder gleich etwa 0,1 M sein.
Bei anderen Varianten, wie in 4 veranschaulicht, kann ein Beispielverfahren 400 zur Bildung einer Nitratsalzpartikelbeschichtung auf positiven elektroaktiven Materialpartikeln das Inkontaktbringen 430 einer Vorläuferlösung mit den positiven elektroaktiven Materialpartikeln beinhalten, um eine Beimischung zu bilden. Die positiven elektroaktiven Materialpartikel können in Form einer positiven Elektrode (auch als Schicht aus positivem elektroaktivem Material bezeichnet) (d. h. positive Elektrode 24) vorliegen, die in der Nähe oder angrenzend an eine Oberfläche eines positiven Elektrodenstromkollektors (d. h. positiver Elektrodenstromkollektor 34) angeordnet ist. Bei bestimmten Varianten kann das Verfahren 400 die Bildung der positiven Elektrode 24 beinhalten, indem die positiven elektroaktiven Materialpartikel in der Nähe oder angrenzend an eine Oberfläche eines positiven Elektrodenstromkollektors 34 angeordnet werden.
In verschiedenen Aspekten kann das Inkontaktbringen 430 das Eintauchen der positiven elektroaktiven Materialpartikel (oder der positiven Elektrode) in die Vorläuferlösung beinhalten. Wenn das Inkontaktbringen 430 das Eintauchen der positiven elektroaktiven Materialpartikel (oder der positiven Elektrode) in die Vorläuferlösung umfasst, können die positiven elektroaktiven Materialpartikel (oder die positive Elektrode) für größer oder gleich etwa 1 Minute bis kleiner oder gleich etwa 5 Stunden in die Vorläuferlösung eingetaucht werden. Bei anderen Varianten kann das Inkontaktbringen 430 das Aufsprühen der Vorläuferlösung auf freiliegende Oberflächen der positiven elektroaktiven Materialpartikel (oder auf eine freiliegende Oberfläche der positiven Elektrode) umfassen. In jedem Fall kann die Vorläuferlösung eine wässrige oder nichtwässrige Lösung sein, die das Nitratsalz (z. B. Lithiumnitrat (LiNO₃), Cäsiumnitrat (CsNO₃), Kaliumnitrat (KNO₃), Rubidiumnitrat (RbNO₃) und/oder Magnesiumnitrat (Mg(NO₃)₂) enthält und eine Salzkonzentration größer oder gleich etwa 0,5 M aufweist. Bei bestimmten Varianten kann das Lösungsmittel Dimethoxyethan, Organophosphate, Dimethylsulfoxid (DMSO), Dimethylacetamid (DMA) und/oder N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) enthalten. Bei bestimmten Varianten kann das Verfahren 300 die Herstellung 420 der Vorläuferlösung umfassen, z. B. durch Inkontaktbringen des Nitratsalzes mit dem Lösungsmittel. Das Herstellen 420 der Vorläuferlösung und das Herstellen der positiven Elektrode können, wie veranschaulicht, gleichzeitig oder nacheinander erfolgen.
Das Verfahren 400 kann ferner das Entfernen 440 des Lösungsmittels aus der Beimischung einschließen, um das Nitratsalz auszufällen und die Nitratsalzpartikelbeschichtung auf positiven elektroaktiven Materialpartikeln zu bilden. In bestimmten Varianten kann das Entfernen 440 einen Vakuumtrocknungsprozess mit einer Temperatur von größer oder gleich etwa 20 °C bis kleiner oder gleich etwa 130 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich etwa 1 Stunde bis kleiner oder gleich etwa 24 Stunden einschließen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann bei bestimmten Varianten das positive elektroaktive Material optional mit einem elektronisch leitfähigen Material (d. h. einem leitfähigen Additiv) vermischt (z. B. aufgeschlämmt) werden, das einen elektronenleitfähigen Pfad und/oder ein polymeres Bindemittelmaterial bereitstellt, das die strukturelle Integrität der positiven Elektrode 24 verbessert. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich etwa 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 97 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials; größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels enthalten. Das in der positiven Elektrode 24 enthaltene leitfähige Additiv und/oder Bindemittel kann dasselbe oder ein anderes sein als das in der negativen Elektrode 22 enthaltene leitfähige Additiv und/oder Bindemittel.
Bestimmte Merkmale der derzeitigen Technologie werden in den folgenden, nicht einschränkenden Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Beispielbatterien und -zellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Eine Beispielzelle 510 kann beispielsweise eine positive Elektrode mit dem Nitratsalz (z. B. Lithiumnitrat (LiNO₃ bei einer Massenbeladung von etwa 0,3 mg/cm²)), ein Dimethoxyethan-Lösungsmittel und positive elektroaktive Materialpartikel, die z. B. NMC622 enthalten, einschließen. Eine erste Vergleichszelle 520 kann eine positive Elektrode enthalten, die nur das Dimethoxyethan-Lösungsmittel und die positiven elektroaktiven Materialpartikel, z. B. NMC622, enthält. Eine zweite Vergleichszelle 530 kann eine positive Elektrode enthalten, die nur die positiven elektroaktiven Materialpartikel, z. B. NMC622, enthält. Die Beispielzelle 510 und auch jede der Vergleichszellen 520, 530 können jeweils einen Elektrolyten enthalten, der z. B. Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und Fluorethylencarbonat (FEC) und Dimethylcarbonat (DMC) einschließt. Die Beispielzelle 510 und auch jede der Vergleichszellen 520, 530 können in den ersten beiden Zyklen jeweils mit C/10 bei mehr oder gleich etwa 3 V bis weniger oder gleich etwa 4,3 V zyklisiert werden, während sie in den übrigen Zyklen mit C/5 geladen und mit C/2 entladen werden.
5A ist eine grafische Veranschaulichung, die die Flächenkapazität einer Beispielzelle 510 im Vergleich zu den Vergleichszellen 520, 530 zeigt, wobei die x-Achse 400 die Zykluszahl und die y-Achse 502 die Flächenkapazität (mAh/cm²) darstellt.
5B ist eine grafische Veranschaulichung, die die Kapazitätserhaltung einer Beispielzelle 510 im Vergleich zu den Vergleichszellen 520, 530 zeigt, wobei die x-Achse 550 die Zykluszahl und die y-Achse 552 die Kapazitätserhaltung (%) darstellt.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient nur der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. 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 sind. Diese können auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Varianten sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzumfang der Offenbarung einbezogen werden.

Claims

Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: eine erste Elektrode, die ein erstes elektroaktives Material umfasst; eine zweite Elektrode, die ein zweites elektroaktives Material umfasst, wobei das zweite elektroaktive Material eine Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln umfasst, wobei mindestens ein Anteil der elektroaktiven Materialpartikel eine Oberflächenbeschichtung aufweist, die ein Nitratsalz umfasst; und eine Trennschicht, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Nitratsalz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Lithiumnitrat (LiNO₃), Cäsiumnitrat (CsNO₃), Kaliumnitrat (KNO₃), Rubidiumnitrat (RbNO₃), Magnesiumnitrat (Mg(NO₃)₂) und Kombinationen davon.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei eine Massenbeladung des Nitratsalzes in der Oberflächenbeschichtung größer oder gleich etwa 0,1 mg/cm² bis kleiner oder gleich etwa 10 mg/cm² ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Anteil der elektroaktiven Materialpartikel, der die Oberflächenbeschichtung aufweist, gleichmäßig über die zweite Elektrode verteilt ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenbeschichtung eine durchgehende Beschichtung mit einer durchschnittlichen Dicke von größer oder gleich etwa 0,1 Mikrometer bis kleiner oder gleich etwa 10 Mikrometer ist und eine durchschnittliche Partikelgröße der elektroaktiven Materialpartikel der Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln größer oder gleich etwa 1 Mikrometer bis kleiner oder gleich etwa 20 Mikrometer beträgt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode eine Vielzahl von Poren und eine Porosität von größer oder gleich etwa 20 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 50 Vol.-% aufweist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode ferner einen Elektrolyten umfasst, der in Kontakt mit dem zweiten elektroaktiven Material steht, wobei der Elektrolyt ein Lösungsmittel umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon besteht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Anteil der elektroaktiven Materialpartikel, die die Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln definieren, ein Material umfasst, das durch dargestellt wird: LiM¹ _xm² _yM³ _zM⁴ _(1-x-y-z)O₂ wobei M¹, M², M³, und M⁴ jeweils ein Übergangsmetall sind, das unabhängig voneinander ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, 0 ≤ x ≤1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ z ≤ 1.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das erste elektroaktive Material ein Lithiummetall umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, die ferner einen Elektrolyten umfasst, der mit dem ersten elektroaktiven Material und dem zweiten elektroaktiven Material in Kontakt steht, wobei der Elektrolyt ein Lösungsmittel umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon besteht.