DE102023109948A1 - Festkörperelektrolyte und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Festkörperelektrolyte und verfahren zu deren herstellung Download PDF

Info

Publication number
DE102023109948A1
DE102023109948A1 DE102023109948.5A DE102023109948A DE102023109948A1 DE 102023109948 A1 DE102023109948 A1 DE 102023109948A1 DE 102023109948 A DE102023109948 A DE 102023109948A DE 102023109948 A1 DE102023109948 A1 DE 102023109948A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
equal
lithium
less
particles
solid electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023109948.5A
Other languages
English (en)
Inventor
Xingcheng Xiao
Robert D. Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of DE102023109948A1 publication Critical patent/DE102023109948A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562—Solid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/403—Manufacturing processes of separators, membranes or diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • H01M50/434—Ceramics
    • H01M50/437—Glass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0088—Composites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0088—Composites
    • H01M2300/0091—Composites in the form of mixtures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Vorgesehen ist ein Festkörperelektrolyt für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert. Der Festkörperelektrolyt umfasst eine Sinterschicht, die eine Vielzahl von lithiierten Zeolithteilchen mit Poren und ein lithiumhaltiges Material enthält, das in mindestens einem Teil der Poren der lithiierten Zeolithteilchen angeordnet ist. Zum Beispiel hat jedes lithiierte Zeolithteilchen eine Porosität von größer/gleich etwa 20 Vol.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Vol.-% und das lithiumhaltige Material macht größer/gleich etwa 20 % bis kleiner/gleich etwa 80 % der Gesamtporosität jedes lithiierten Zeolithteilchens aus. In bestimmten Fällen umfasst die Sinterschicht ferner ein superionisches Additiv, das ebenfalls in einem Teil der Poren der lithiierten Zeolithteilchen angeordnet ist, sodass die Sinterschicht eine Ionenleitfähigkeit zwischen etwa 1 × 10-5 S·cm-1 und etwa 1 × 10-1 S·cm-1 aufweist.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen, wie z. B. Lithium-Ionen-Akkumulatoren, können in einer Vielzahl von Produkten eingesetzt werden, einschließlich in Automobilprodukten wie etwa Start-Stopp-Systemen (z. B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), akkumulatorgestützten Systemen („µBAS“), Hybridelektrofahrzeugen und Elektrofahrzeugen. Typische Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen zwei Elektroden und eine Elektrolytkomponente und/oder einen 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 Elektrolyt 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 (z. B. als halbfester Elektrolyt). Bei Festkörperakkumulatoren kann ein Festkörperelektrolyt (oder halbfester Separator) die Elektroden physisch trennen, sodass kein eigener Separator erforderlich ist.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder all ihrer Merkmale.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Festkörper- oder halbfeste Akkumulatoren und insbesondere Festkörperelektrolyten für Festkörper- oder halbfeste Akkumulatoren sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung.
  • In verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung einen Festkörperelektrolyten für eine elektrochemische Zelle vor, die Lithiumionen zyklisiert. Der Festkörperelektrolyt kann eine Sinterschicht umfassen, die eine Vielzahl von lithiierten Zeolithteilchen mit Poren und ein lithiumhaltiges Material enthält, das in mindestens einem Teil der Poren der lithiierten Zeolithteilchen angeordnet ist.
  • In einem Aspekt kann jedes lithiierte Zeolithteilchen eine Porosität von größer/gleich etwa 20 Vol.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Vol.-% aufweisen und das lithiumhaltige Material kann größer/gleich etwa 20 % bis kleiner/gleich etwa 80 % der Gesamtporosität jedes lithiierten Zeolithteilchens ausmachen.
  • In einem Aspekt können die lithiierten Zeolithteilchen, die die Vielzahl festlegen, eine durchschnittliche Teilchengröße von größer/gleich etwa 100 Nanometer bis kleiner/gleich etwa 5 Mikrometer haben und ein durchschnittlicher Porendurchmesser jedes lithiierten Zeolithteilchens kann größer/gleich etwa 0,1 Nanometer bis kleiner/gleich etwa 2 Nanometer sein.
  • In einem Aspekt kann die durchschnittliche Teilchengröße des lithiumhaltigen Materials größer/gleich etwa 0,1 Nanometer bis kleiner/gleich etwa 2 Nanometer sein.
  • In einem Aspekt kann das lithiumhaltige Material ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Lithiumphosphat (Li3PO4), Lithiumnitrat (LiNO3), Lithiumfluorid (LiF), Lithiumoxid (Li2O), Lithiumperoxid (Li2O2), Lithium-Lanthantitanat (La0,5Li0,5TiO3), Thio-LISICON (Li3,25Ge0,25P0,75S4), Sulfid-Glaskeramiken und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die Sinterschicht größer/gleich etwa 20 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Gew.-% der lithiierten Zeolithteilchen und größer/gleich etwa 20 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Gew.-% des lithiumhaltigen Materials umfassen.
  • In einem Aspekt können die lithiierten Zeolithteilchen durch verknüpfte Tetraedereinheiten aus Aluminiumoxid (AlO2) und Siliciumdioxid (SiO2) und Kationen außerhalb des Gerüstes, die zwischen den Tetraedereinheiten dispergiert sind, festgelegt sein. Die Kationen außerhalb des Gerüstes können größer/gleich etwa 10 Gew.-% der Lithiumionen umfassen. Die Tetraedereinheiten aus Aluminiumoxid (AlO2) und Siliciumdioxid (SiO2) können ein Verhältnis von Aluminium zu Silicium von größer/gleich etwa 0,2 aufweisen.
  • In einem Aspekt kann die Sinterschicht außerdem ein superionisches Additiv umfassen, das ebenfalls in einem Teil der Poren der lithiierten Zeolithteilchen angeordnet ist.
  • In einem Aspekt kann die Sinterschicht eine Ionenleitfähigkeit von größer/gleich etwa 1 × 10-5 S·cm-1 bis kleiner/gleich etwa 1 × 10-1 S·cm-1 aufweisen.
  • In einem Aspekt kann die Sinterschicht größer/gleich etwa 20 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Gew.-% des superionischen Additivs umfassen.
  • In einem Aspekt kann das superionische Additiv ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Li10GeP2S12, Li7La3Zr2O12, Li3N, LiB11H14, LiBH4, Li2+xZr1-xMxCl6, (wobei M für In, Sc oder eine Kombination davon steht und 1 Gew.% ≤ x ≤ 40 Gew.-%) und Kombinationen davon.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und einen Festkörperelektrolyten umfassen, der die erste und die zweite Elektrode physisch trennt. Die erste Elektrode kann ein positives elektroaktives Material umfassen. Die zweite Elektrode kann ein negatives elektroaktives Material umfassen. Der Festkörperelektrolyt kann eine Vielzahl von lithiierten Zeolithteilchen mit Poren und ein lithiumhaltiges Material umfassen, das in mindestens einem Teil der Poren in jedem lithiierten Zeolithteilchen angeordnet ist.
  • In einem Aspekt kann jedes lithiierte Zeolithteilchen eine Porosität von größer/- gleich etwa 20 Vol.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Vol.-% aufweisen und das lithiumhaltige Material kann größer/gleich etwa 20 % bis kleiner/gleich etwa 80 % der Gesamtporosität jedes lithiierten Zeolithteilchens ausmachen.
  • In einem Aspekt können die lithiierten Zeolithteilchen durch verknüpfte Tetraedereinheiten aus Aluminiumoxid (AlO2) und Siliciumdioxid (SiO2) und Kationen außerhalb des Gerüstes, die zwischen den Tetraedereinheiten dispergiert sind, festgelegt sein. Die Kationen außerhalb des Gerüstes können größer/gleich etwa 10 Gew.-% der Lithiumionen umfassen. Die Tetraedereinheiten aus Aluminiumoxid (AlO2) und Siliciumdioxid (SiO2) können ein Verhältnis von Aluminium zu Silicium von größer/gleich etwa 0,2 aufweisen.
  • In einem Aspekt kann das lithiumhaltige Material ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Lithiumphosphat (Li3PO4), Lithiumnitrat (LiNO3), Lithiumfluorid (LiF), Lithiumoxid (Li2O), Lithiumperoxid (Li2O2), Lithium-Lanthantitanat (La0,5Li0,5TiO3), Thio-LISICON (Li3,25Ge0,25P0,75S4), Sulfid-Glaskeramiken und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann der Festkörperelektrolyt außerdem größer/gleich etwa 20 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 60 Gew.-% eines superionischen Additivs umfassen, das ebenfalls in Poren der lithiierten Zeolithteilchen angeordnet ist.
  • In einem Aspekt kann das superionische Additiv ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Li10GeP2S12, Li7La3Zr2O12, Li3N, LiB11H14, LiBH4, Li2+xZr1-xMxCl6, (wobei M für In, Sc oder eine Kombination davon steht und 1 Gew.% ≤ x ≤ 40 Gew.-%) und Kombinationen davon.
  • In verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Bildung einer Festkörperelektrolytschicht zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle vor, die Lithiumionen zyklisiert. Das Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen: Erlangung einer Vielzahl von lithiierten Zeolithteilchen mit Poren, wobei die lithiierten Zeolithteilchen ein Zeolithpulver festlegen; Imprägnieren mindestens eines Teils der Poren mit einem lithiumhaltigen Material unter Bildung imprägnierter Lithiumzeolithteilchen; Erhitzen der imprägnierten Lithiumzeolithteilchen auf eine erste Temperatur von größer/gleich etwa 200 °C bis kleiner/gleich etwa 600 °C, um gasförmige Nebenprodukte zu entfernen und ein vorgesintertes Zeolithpulver zu bilden; Beaufschlagen des vorgesinterten Zeolithpulvers mit einem ersten Druck, um ein Pellet zu bilden; und Erhitzen des Pellets auf eine zweite Temperatur von größer/gleich etwa 800 °C bis kleiner/gleich etwa 1200 °C, während ein zweiter Druck von mehr als 0 MPa bis kleiner/gleich etwa 50 MPa angelegt wird, um einen Sinterkörper zu bilden, der die Festkörperelektrolytschicht festlegt.
  • In einem Aspekt kann das lithiumhaltige Material Lithiumphosphat (Li3PO4) umfassen und das Imprägnieren kann das Inkontaktbringen der lithiierten Zeolithteilchen mit einer (NH4)3PO4-Lösung umfassen, sodass die (NH4)3PO4-Lösung in einen Teil der Poren der lithiierten Zeolithteilchen eindringt, und Inkontaktbringen von LiOH mit den lithiierten Zeolithteilchen einschließlich der (NH4)3PO4-Lösung, sodass sich innerhalb des Teils der Poren Li3PO4 bildet, wodurch die imprägnierten Lithiumzeolithteilchen gebildet werden.
  • In einem Aspekt kann das lithiumhaltige Material Lithiumnitrat (LiNO3) umfassen und das Imprägnieren kann das Inkontaktbringen von Lithiumnitrat (LiNO3) mit Wasser unter Bildung einer wässrigen Lösung, das Inkontaktbringen der wässrigen Lösung mit den lithiierten Zeolithteilchen unter Bildung einer Mischung und das Erhitzen der Mischung unter Ausfällung des Lithiumnitrats (LiNO3) in einem Teil der Poren des lithiierten Zeoliths unter Bildung der imprägnierten Lithiumzeolithteilchen umfassen.
  • Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hier gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die konkreten Beispiele in dieser Kurzdarstellung 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 Ausführungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
    • 1 veranschaulicht einen beispielhaften Festkörperakkumulator mit einer Festkörperelektrolytschicht gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer Festkörperelektrolytschicht veranschaulicht, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde; und
    • 3 ist eine grafische Darstellung des Beugungsmusters einer beispielhaften Festkörperelektrolytschicht, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.
  • Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, um diese Offenbarung umfassend darzustellen und dem Fachmann ihren vollen Umfang zu vermitteln. Es werden zahlreiche konkrete Details aufgeführt, wie Beispiele konkreter Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu bieten. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass konkrete Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt sein können und dass keine der Ausführungsformen so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
  • Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht, sollen die hier verwendeten Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ ggf. auch die Pluralformen umfassen. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und geben somit das Vorhandensein von genannten Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten an, schließen aber das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als nicht einschränkend zu verstehen ist und verschiedene hier dargelegte Ausführungsformen beschreiben und beanspruchen soll, kann er 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 umfasst die vorliegende Offenbarung bei jeder beliebigen Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „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 Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausführungsform eingeschlossen sein können.
  • Die hier 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 Durchführungsreihenfolge gekennzeichnet. Sofern nicht anders angegeben, können natürlich auch zusätzliche oder alternative Schritte durchgeführt werden.
  • Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als damit „in Eingriff“ oder „verbunden“ oder als daran „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder direkt damit verbunden oder daran gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als damit „direkt in Eingriff“ oder „direkt verbunden“ oder als daran „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten ähnlich ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Der hier verwendete Begriff „und/oder“ umfasst sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte.
  • Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Sofern vom Kontext nicht eindeutig vorgegeben, implizieren Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe hier keine bestimmte Abfolge oder Reihenfolge. 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 hier der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, neben der in den Figuren dargestellten Ausrichtung auch andere Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems zu umfassen.
  • In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen, die in 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, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, im Stand der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „etwa“ im hier verwendeten Sinne zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Abweichung von kleiner/gleich 5 %, optional kleiner/gleich 4 %, optional kleiner/gleich 3 %, optional kleiner/gleich 2 %, optional kleiner/gleich 1 %, optional kleiner/gleich 0,5 % und in bestimmten Fällen optional kleiner/gleich 0,1 % umfassen.
  • Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des Gesamtbereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Teilbereiche.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun beispielhafte Ausführungsformen ausführlicher beschrieben.
  • Die vorliegende Technologie betrifft Festkörperakkumulatoren, die Festkörperelektrolyten umfassen, die durch Mischkristalle festgelegt sind, die mit lithiumhaltigem Material imprägnierte, lithiierte Zeolithteilchen umfassen, sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung. Festkörperakkumulatoren können wenigstens eine feste Komponente umfassen, z. B. wenigstens eine feste Elektrode, aber bei bestimmten Abwandlungen auch halbfeste oder gelförmige, flüssige oder gasförmige Komponenten. Festkörperakkumulatoren können eine bipolare Stapelbauweise aufweisen, die eine Vielzahl von bipolaren Elektroden umfasst, wobei ein erstes Gemisch aus elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen (und optionalen Festkörperelektrolytteilchen) auf einer ersten Seite eines Stromkollektors angeordnet ist und ein zweites Gemisch aus elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen (und optionalen Festkörperelektrolytteilchen) auf einer zweiten Seite eines Stromkollektors angeordnet ist, die parallel zur ersten Seite verläuft. Das erste Gemisch kann als elektroaktive Festkörpermaterialteilchen Kathodenmaterialteilchen umfassen. Das zweite Gemisch kann als elektroaktive Festkörpermaterialteilchen Anodenmaterialteilchen umfassen. Die Festkörperelektrolytteilchen können in jedem Fall gleich oder unterschiedlich sein.
  • Bei anderen Abwandlungen können die Festkörperakkumulatoren eine monopolare Stapelbauweise mit einer Vielzahl von monopolaren Elektroden aufweisen, wobei ein erstes Gemisch von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen (und optionalen Festkörperelektrolytteilchen) sowohl auf einer ersten Seite als auch auf einer zweiten Seite eines ersten Stromkollektors angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Seite im Wesentlichen parallel verlaufen und ein zweites Gemisch von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen (und optionalen Festkörperelektrolytteilchen) sowohl auf einer ersten Seite als auch auf einer zweiten Seite eines zweiten Stromkollektors angeordnet ist. Das erste Gemisch kann als elektroaktive Festkörpermaterialteilchen Kathodenmaterialteilchen umfassen. Das zweite Gemisch kann als elektroaktive Festkörpermaterialteilchen Anodenmaterialteilchen umfassen. Die Festkörperelektrolytteilchen können in jedem Fall gleich oder unterschiedlich sein.
  • In jedem Fall können die Festkörperakkumulatoren in Energiespeichervorrichtungen wie wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingebaut werden, die in Autotransportanwendungen (z. B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) verwendet werden können. Die vorliegende Technologie kann jedoch auch in anderen elektrochemischen Vorrichtungen verwendet werden, zum Beispiel insbesondere in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Geräten, Gebäuden (z. B. Häusern, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Büroeinrichtung sowie in Maschinen für Industrieausrüstung, in landwirtschaftlichen Geräten, Landmaschinen oder Schwermaschinen. In verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung einen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkumulator vor, der eine hohe Temperaturtoleranz sowie verbesserte Sicherheit und eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit und Lebensdauer aufweist.
  • Eine beispielhafte und schematische Veranschaulichung einer elektrochemischen Festkörperzelleneinheit (auch als „Festkörperakkumulator“ und/oder „Akkumulator“ bezeichnet) 20, die Lithiumionen zyklisiert, ist in 1 dargestellt. Der Akkumulator 20 umfasst eine negative Elektrode (z. B. eine Anode) 22, eine positive Elektrode (z. B. eine Kathode) 24 und eine Elektrolytschicht 26, die einen Raum einnimmt, der zwischen zwei oder mehreren Elektroden 22, 24 festgelegt ist. Die Elektrolytschicht 26 ist eine trennende Festkörperschicht oder Halbfestkörperschicht, die die negative Elektrode 22 physisch von der positiven Elektrode 24 trennt, und kann, wie weiter unten beschrieben, durch einen Mischkristall festgelegt sein, der mit lithiumhaltigem Material imprägnierte, lithiierte Zeolithteilchen umfasst.
  • Ein erster oder negativer Elektrodenstromkollektor 32 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. Der erste Stromkollektor 32 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Kupfer oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes, dem Fachmann bekanntes Material umfasst. Ein zweiter oder positiver Elektrodenstromkollektor 34 kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der zweite Stromkollektor 32 mit der positiven Elektrode 24 kann als positive Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Der zweite Stromkollektor 34 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Aluminium oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes, dem Fachmann bekanntes Material umfasst.
  • Obwohl nicht dargestellt, wird der Fachmann erkennen, dass bei bestimmten Abwandlungen der erste Stromkollektor 32 ein erster bipolarer Stromkollektor sein kann und/oder der zweite Stromkollektor 34 ein zweiter bipolarer Stromkollektor sein kann. Beispielsweise können der erste Stromkollektor 34 und/oder der zweite Stromkollektor 34 plattierte Folien sein, bei der beispielsweise eine Seite (z. B. die erste Seite oder die zweite Seite) des Stromkollektors 32, 34 ein Metall (z. B. ein erstes Metall) und eine andere Seite (z. B. die andere Seite der ersten Seite oder der zweiten Seite) des Stromkollektors 32 ein anderes Metall (z. B. ein zweites Metall) umfasst. Die plattierten Folien können beispielsweise Aluminium-Kupfer (Al-Cu), Nickel-Kupfer (Ni-Cu), Edelstahl-Kupfer (SS-Cu), Aluminium-Nickel (Al-Ni), Aluminium-Edelstahl (AI-SS) und Nickel-Edelstahl (Ni-SS) umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen können der erste Stromkollektor 32 und/oder der zweite Stromkollektor 34 vorbeschichtet sein, z. B. mit Graphen oder Kohlenstoff beschichtete Aluminiumstromkollektoren.
  • In jedem Fall nehmen der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 jeweils freie Elektronen auf und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 40 weg. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den ersten Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Elektrodenstromkollektor 34) verbinden. Der Akkumulator 20 kann während der Entladung durch reversierbare elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden) und die negative Elektrode 22 ein geringeres Potenzial als die positive Elektrode 24 aufweist, einen elektrischen Strom erzeugen (durch Pfeile in 1 angezeigt). Die beim chemischen Potenzial vorhandene Differenz zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 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. Parallel werden Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, durch die Elektrolytschicht 26 zur positiven Elektrode 24 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40 und die Lithiumionen wandern durch die Elektrolytschicht 26 zur positiven Elektrode 24, wo sie abgeschieden, zur Reaktion gebracht oder interkaliert werden können. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und (in Richtung der Pfeile) durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität des Akkumulators 20 verringert ist.
  • Der Akkumulator 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle (z. B. ein Ladegerät) an den Akkumulator 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die bei der Entladung des Akkumulators ablaufen. Die externe Stromquelle, die zum Aufladen des Akkumulators 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Auslegung und besonderer Endanwendung des Akkumulators 20 variieren. Einige besondere und beispielhafte externe Stromquellen sind insbesondere Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, die über eine Wandsteckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen sind, sowie Kfz-Wechselstromlichtmaschinen. Der Anschluss der externen Stromquelle an den Akkumulator 20 fördert eine Reaktion, z. B. eine nicht-spontane Oxidation von interkaliertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, sodass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zur negativen Elektrode 22 zurückfließen, und die Lithiumionen, die sich durch die Elektrolytschicht 26 zurück zur negativen Elektrode 22 bewegen, vereinigen sich wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen sie mit Lithium zum Verbrauch beim nächsten Entladezyklus des Akkumulators auf. Ein vollständiger Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Aufladevorgang, wird als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisiert werden.
  • Obwohl das veranschaulichte Beispiel eine einzelne positive Elektrode 24 und eine einzelne negative Elektrode 22 umfasst, wird der Fachmann erkennen, dass die vorliegenden Lehren auf verschiedene andere Konfigurationen anwendbar sind, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden, sowie auf verschiedene Stromkollektoren und Stromkollektorfolien mit elektroaktiven Teilchenschichten, die auf oder benachbart zu einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet oder darin eingebettet sind. Ebenfalls ist anzumerken, dass der Akkumulator 20 eine Vielzahl anderer Komponenten umfassen kann, die hier zwar nicht dargestellt, dem Fachmann aber dennoch bekannt sind. Zum Beispiel kann der Akkumulator 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen und jegliche andere herkömmliche Komponenten oder Materialien umfassen, die sich innerhalb des Akkumulators 20, einschließlich zwischen der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und/oder der Elektrolytschicht 26 oder um dieselben herum, befinden können.
  • In vielen Anordnungen können jeweils der negative Elektrodenstromkollektor 32, die negative Elektrode 22, die Elektrolytschicht 26, die positive Elektrode 24 und der positive Elektrodenstromkollektor 34 als relativ dünne Schichten (z. B. mit einer Dicke von einigen Mikrometern bis zu einem Millimeter oder weniger) hergestellt und in Schichten, die in einer Reihenanordnung verbunden sind, zusammengebaut werden, um ein geeignetes elektrisches Energie-, Akkumulatorspannungs- und Leistungspaket bereitzustellen, z. B. um einen „SECC“ (Series-Connected Elementary Cell Core, in Reihe angeordneter elementarer Zellenkern) zu erhalten. In verschiedenen anderen Fällen kann der Akkumulator 20 ferner parallel geschaltete Elektroden 22, 24 umfassen, um geeignete elektrische Energie, Akkumulatorspannung und Leistung bereitzustellen, z. B. um einen „PECC“ (Parallel-Connected Elementary Cell Core, parallel angeordneter elementarer Zellkern) zu erhalten.
  • Größe und Form des Akkumulators 20 können je nach den speziellen Anwendungen, für die er ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen der Akkumulator 20 sehr wahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts-, Spannungs-, Energie- und Leistungsspezifikationen ausgelegt wäre. Der Akkumulator 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Akkumulatoren in Reihe oder parallel geschaltet sein, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Der Akkumulator 20 kann einen elektrischen Strom für die Lastvorrichtung 42 erzeugen, die mit dem externen Stromkreis 40 wirkverbunden sein kann. Die Lastvorrichtung 42 kann mit dem elektrischen Strom, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn sich der Akkumulator 20 entlädt, vollständig oder teilweise gespeist werden. Während es sich bei der Lastvorrichtung 42 um beliebig viele bekannte elektrisch betriebene Geräte handeln kann, umfassen einige besondere Beispiele von stromverbrauchenden Geräten insbesondere einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder ein vollelektrisches Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder - geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein Stromerzeugungsgerät sein, das den Akkumulator 20 zum Zwecke der Speicherung elektrischer Energie auflädt.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 sorgt die Elektrolytschicht 26 für eine elektrische Trennung zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24, wodurch ein physischer Kontakt verhindert wird. Die Elektrolytschicht 26 kann durch eine Vielzahl von Lithium-Ionen-Austausch-Zeolithteilchen (d. h. lithiierten Zeolithteilchen) festgelegt sein, die in einer oder mehreren Schichten angeordnet sind, um die dreidimensionale Struktur der Elektrolytschicht 26 festzulegen. Die lithiierten Zeolithteilchen können eine Vielzahl von lithiumhaltigen Materialien umfassen, die in Poren oder Käfigen innerhalb der einzelnen lithiierten Zeolithteilchen angeordnet sind. Beispielsweise kann die durchschnittliche Porosität der lithiierten Zeolithteilchen größer/gleich etwa 1 Vol.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 30 Vol.-% bis kleiner/gleich etwa 60 Vol.-% sein; und die lithiumhaltigen Materialien können größer/gleich etwa 10 % bis kleiner/gleich etwa 100 %, optional größer/gleich etwa 20 % bis kleiner/gleich etwa 80 %, optional größer/gleich etwa 30 % bis kleiner/gleich etwa 60 % und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 50 % bis kleiner/gleich etwa 80 % der Gesamtporosität jedes lithiierten Zeolithteilchens ausmachen. Die lithiumhaltigen Materialien können gleichmäßig im Netzwerk verteilt sein, das jedes lithiierte Zeolithteilchen festlegt.
  • Die lithiierten Zeolithteilchen können Teilchen eines oder mehrerer natürlicher oder synthetischer Zeolithmaterialien umfassen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Der Begriff „Zeolith“ bezieht sich auf ein synthetisches oder natürliches kristallines Material mit einer porösen Gerüststruktur aus Tetraederatomen (z. B. Silicium, Aluminium, Phosphor), die durch Brücken-Sauerstoffatome verbunden sind. Zeolithe können beispielsweise ein dreidimensionales Gerüst aus Tetraedereinheiten aus Aluminiumoxid (AlO2) und Siliciumdioxid (SiO2) umfassen, die durch gemeinsame Sauerstoffatome miteinander verbunden sind. Die Zeolithe umfassen außerdem Kationen außerhalb des Gerüstes (z. B. Wasserstoff, Natrium, Kalium, Kalzium und/oder Ammoniak), die die von jeder Tetraedereinheit eingeführte negative Ladung ausgleichen. Die Begriffe „lithiierte Zeolithteilchen“ und „Lithiumlonen-Austausch-Zeolithteilchen“ bezeichnen Zeolithe, die einem Ionenaustausch mit Lithiumionen unterzogen wurden, sodass im Zeolith eine Vielzahl von Lithiumionen als freie Ionen und/oder als Ionen außerhalb des Gerüstes vorliegt.
  • Die Menge der Kationen außerhalb des Gerüstes (einschließlich der Lithiumionen) hängt zumindest teilweise vom Verhältnis von Silicium zu Aluminium (Si:Al) des spezifischen Zeolithmaterials und der Kationenaustauschkapazität (CEC) des Zeolithmaterials ab. Bei bestimmten Abwandlungen kann der Zeolith ein Verhältnis von Aluminium zu Silicium von größer/gleich etwa 0,01 bis kleiner/gleich etwa 0,5 und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 0,2 bis kleiner/gleich etwa 0,4 aufweisen. In einigen Fällen kann ein Zeolith mit mehr Silicium (z. B. mit einem Silicium-Aluminium-Verhältnis von mehr als 1) erwünscht sein, um die Stabilität des Zeoliths zu verbessern. In anderen Fällen kann ein Zeolith mit mehr Aluminium (z. B. mit einem Verhältnis von Silicium zu Aluminium von weniger als etwa 5) erwünscht sein, um die Funktion als Flusssäurefänger (HF-Fänger) zu verbessern. In verschiedenen Aspekten können die lithiierten Zeolithteilchen größer/gleich etwa 10 Gew.-% Lithiumionen und größer/gleich etwa 70 Gew.-% andere Kationen außerhalb des Gerüstes umfassen.
  • In jedem Fall weisen die lithiierten Zeolithteilchen Hohlräume oder Poren in Form von Käfigen oder Kanälen zwischen den Tetraedern auf, die durch Ringe (8-, 9-, 10- und/oder 12-gliedrige Ringe) aus miteinander verbundenen Sauerstoff- (O), Silicium- (Si) und/oder Aluminium- (Al) Atomen festgelegt sind. Die durchschnittliche Teilchengröße der lithiierten Zeolithteilchen kann größer/gleich etwa 100 Nanometer (nm) bis kleiner/gleich etwa 5 Mikrometer bzw. Mikronen (µm) sein und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 500 Nanometer (nm) bis kleiner/gleich etwa 1 µm, während der durchschnittliche Porendurchmesser der lithiierten Zeolithteilchen größer/gleich etwa 0,1 nm bis kleiner/gleich etwa 2 nm und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 0,5 nm bis kleiner/gleich etwa 1 nm sein kann.
  • Bei bestimmten Abwandlungen können die lithiumhaltigen Materialien in Form von lithiumhaltigen Teilchen vorliegen. Die durchschnittliche Teilchengröße der lithiumhaltigen Teilchen liegt unter dem durchschnittlichen Porendurchmesser der lithiierten Zeolithteilchen. Beispielsweise kann die durchschnittliche Teilchengröße der lithiumhaltigen Teilchen größer/gleich etwa 0,1 nm bis kleiner/gleich etwa 5 nm sein und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 0,5 nm bis kleiner/gleich etwa 2 nm. Bei bestimmten Abwandlungen können die lithiumhaltigen Materialien ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Lithiumphosphat (Li3PO4), Lithiumnitrat (LiNO3), Lithiumfluorid (LiF), Lithiumoxid (Li2O), Lithiumperoxid (Li2O2), Lithium-Lanthantitanat (La0,5Li0,5TiO3), Thio-LISICON (Li3,25Ge0,25P0,75S4), Sulfid-Glaskeramiken (wie Li7P3S11 und Li2S-SiS2-Li3PO4) und Kombinationen davon.
  • Durch die Beimischung von lithiumhaltigem Material wird die Ionenleitfähigkeit der lithiierten Zeolithteilchen verbessert. Bei bestimmten Abwandlungen kann die Elektrolytschicht 26 beispielsweise eine Ionenleitfähigkeit von größer/gleich etwa 1 × 10-5 S·cm-1 bis kleiner/gleich etwa 1 × 10-1 S·cm-1 und in bestimmten Aspekten optional von größer/gleich etwa 1 × 10-4 S·cm-1 bis kleiner/gleich etwa 1 × 10- 2 S·cm-1 aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die Elektrolytschicht 26 außerdem ein superionisches Additiv umfassen, das den einzelnen lithiierten Zeolithteilchen in anderen Poren oder Käfigen beigemischt ist, um die lonenleitfähigkeit der Elektrolytschicht 26 weiter zu verbessern. Die Elektrolytschicht 26 kann beispielsweise größer/gleich etwa 20 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 40 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 60 Gew.-% der lithiierten Zeolithteilchen, größer/gleich etwa 20 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Gew.-%, optional größer/gleich etwa 5 Gew.% bis kleiner/gleich etwa 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 30 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 40 Gew.-% der lithiumhaltigen Materialien und größer/gleich etwa 20 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 40 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 60 Gew.-% des superionischen Additivs umfassen.
  • Zu den superionischen Materialien können beispielsweise sulfidbasierte Festelektrolyten (wie Li10GeP2S12), oxidbasierte Festelektrolyten (wie Li7La3Zr2O12 (LLZO)), nitridbasierte Festelektrolyten (wie Li3N), hydridbasierte Festelektrolyten (wie LiB11H14, LiBH4 und dergleichen) und/oder halogenidbasierte Festelektrolyten (wie Li2+xZr1-xMxCl6 (wobei M In, Sc oder eine Kombination davon ist und 1 Gew.% ≤ x ≤ 40 Gew.-%)) gehören. Die lithiumhaltigen Teilchen und das superionische Additiv können gleichmäßig im Netzwerk verteilt sein, das jedes lithiierte Zeolithteilchen festlegt. Die Elektrolytschicht 26 mit dem superionischen Additiv kann eine Ionenleitfähigkeit von größer/gleich etwa 1 × 10-5 S·cm-1 bis kleiner/gleich etwa 1 × 10-1 S·cm-1 und in bestimmten Aspekten optional von größer/gleich etwa 1 × 10-4 S·cm-1 bis kleiner/gleich etwa 1 × 10-2 S·cm-1 aufweisen.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann die negative Elektrode 22 aus einem Lithiumwirtsmaterial gebildet sein, das in der Lage ist, als Minuspol eines Lithium-Ionen-Akkumulators zu fungieren. Wie dargestellt, kann die negative Elektrode 22 in verschiedenen Aspekten durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen 50 festgelegt sein. Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen 50 können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 22 festzulegen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 auch einen Elektrolyten umfassen, der mit den negativen elektroaktiven Materialteilchen 50 angeordnet ist. Der Elektrolyt kann ein Flüssigelektrolyt, eine halbfeste oder Gelelektrode oder ein Festkörperelektrolyt sein. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 bei bestimmten Abwandlungen, wie dargestellt, eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 in Kombination mit den negativen elektroaktiven Materialteilchen 50 umfassen. Die negative Elektrode 22 kann größer/gleich etwa 30 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 50 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 95 Gew.-% der negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und größer/gleich etwa 0 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 5 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 20 Gew.-% der ersten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 umfassen. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (einschließlich der einen oder mehreren Schichten) eine durchschnittliche Dicke von größer/gleich etwa 0 nm bis kleiner/gleich etwa 500 µm, optional größer/gleich etwa 1 µm bis kleiner/gleich etwa 500 µm und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 10 µm bis kleiner/gleich etwa 200 µm aufweisen.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 lithiierte Zeolithteilchen wie jene, die die Elektrolytschicht 26 festlegen, und zusätzlich oder alternativ dazu sulfidbasierte Teilchen, oxidbasierte Teilchen, metalldotierte oder substituierte Oxidteilchen mit unterschiedlicher Wertigkeit, nitridbasierte Teilchen, hydridbasierte Teilchen, halogenidbasierte Teilchen und/oder boratbasierte Teilchen umfassen.
  • Die sulfidbasierten Teilchen können zum Beispiel ein pseudobinäres Sulfid, ein pseudoternäres Sulfid und/oder ein pseudoquaternäres Sulfid umfassen. Beispielhafte pseudobinäre Sulfidsysteme sind etwa Li2S-P2S5-Systeme (wie z. B. Li3PS4, Li7P3S11 und Li9.6P3S12), Li2S-SnS2-Systeme (wie z. B. Li4SnS4), Li2S-SiS2-Systeme, Li2S-GeS2-Systeme, Li2S-B2S3-Systeme, Li2S-Ga2S3-Systeme, Li2S-P2S3-Systeme und Li2S-Al2S3-Systeme. Beispielhafte pseudoternäre Sulfidsysteme sind etwa Li2O-Li2S-P2S5-Systeme, Li2S-P2S5-P2O5-Systeme, Li2S-P2S5-GeS2-Systeme (wie z. B. Li3,25Ge0,25P0,75S4 und Li10GeP2Si2), Li2S-P2S5-LiX-Systeme (wobei Xfür F, Cl, Br oder I steht) (wie z. B. Li6PS5Br, Li6PS5Cl, L7P2S8I und Li4PS4I), Li2S-As2S5-SnS2-Systeme (wie z. B. Li3,833Sn0,833As0,166S4), Li2S-P2S5-Al2S3-Systeme, Li2S-LiX-SiS2-Systeme (wobei Xfür F, Cl, Br oder I steht), 0,4LiI·0,6Li4SnS4 und Li11Si2PS12. Beispielhafte pseudoquaternäre Sulfidsysteme sind etwa Li2O-Li2S-P2S5-P2O5-Systeme, Li9,54Si1,74P1,44S11,7Cl0,3, Li7P2,9Mn0,1S10,7I0,3 und Li10,35[Sn0,27Si1,08]P1,65S12.
  • Die oxidbasierten Teilchen können eine oder mehrere Granatkeramiken, Oxide vom Typ LISICON, Oxide vom Typ NASICON und Keramiken vom Typ Perowskit umfassen. Die Granatkeramik kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Li7La3Zr2O12, Li6,2Ga0,3La2,95Rb0,05Zr2O12, Li6,85La2,9Ca0,1Zr1,75Nb0,25O12, Li6,25Al0,25La3Zr2O12, Li6,75La3Zr1,75Nb0,25O12 und Kombinationen davon. Die Oxide vom Typ LISICON können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4, Li3+x(P1-xSix)O4 (wobei 0 < x < 1), Li3+xGexV1-xO4 (wobei 0 < x < 1) und Kombinationen davon. Die Oxide vom Typ NASICON können durch LiMM'(PO4)3 festgelegt sein, wobei M und M' unabhängig voneinander aus Al, Ge, Ti, Sn, Hf, Zr und La ausgewählt sind. Bei bestimmten Abwandlungen können die Oxide vom Typ NASICON beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Li1+xAlxGe2-x(PO4)3 (LAGP) (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Li1,4Al0,4Ti1,6(PO4)3, Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, LiTi2(PO4)3, LiGeTi(PO4)3, LiGe2(PO4)3, LiHf2(PO4)3 und Kombinationen davon. Die Keramiken vom Typ Perowskit können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Li3,3La0,53TiO3, LiSr1,65Zr1,3Ta1,7O9, Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3 (wobei x = 0,75y und 0,60 < y < 0,75), Li3/8Sr7/16Nb3/4Zr1/4O3, Li3xLa(2/3-x)TiO3 (wobei 0 < x < 0,25) und Kombinationen davon.
  • Die metalldotierten Oxidteilchen oder die substituierten Oxidteilchen mit unterschiedlicher Wertigkeit können zum Beispiel aluminiumdotiertes (Al-dotiertes) oder niobdotiertes (Nb-dotiertes) Li7La3Zr2O12, antimondotiertes (Sb-dotiertes) Li7La3Zr2O12, galliumdotiertes (Ga-dotiertes) Li7La3Zr2O12, chromdotiertes (Crdotiertes) und/oder mit Vanadium (V) substituiertes LiSn2P3O12, mit Aluminium (AI) substituiertes Li1+x+yAlxTi2-xSiYP3-yO12 (wobei 0 < x < 2 und 0 < y < 3) und Kombinationen davon umfassen. Die nitridbasierten Teilchen können zum Beispiel Li3N, Li7PN4, LiSi2N3 und Kombinationen davon umfassen. Die hydridbasierten Teilchen können zum Beispiel LiBH4, LiBH4-LiX (wobei x = Cl, Br oder I), LiNH2, Li2NH, LiBH4-LiNH2, Li3AlH6 und Kombinationen davon umfassen. Die halogenidbasierten Teilchen können zum Beispiel Lil, Li3InCl6, Li2CdCi4, Li2MgCl4, LiCdI4, Li2ZnI4, Li3OCl, Li3YCl6, Li3YBr6 und Kombinationen davon umfassen. Die boratbasierten Teilchen können zum Beispiel Li2B4O7, Li2O-B2O3-P2O5 und Kombinationen davon umfassen.
  • Bei bestimmten Abwandlungen können die negativen elektroaktiven Materialteilchen 50 ein lithiumhaltiges negatives elektroaktives Material wie etwa eine Lithiumlegierung umfassen. Bei anderen Abwandlungen können die negativen elektroaktiven Materialteilchen 50 nur beispielshalber ein kohlenstoffhaltiges negatives elektroaktives Material (z. B. Graphit, Hartkohle, Weichkohle und dergleichen) und/oder ein metallisches negatives elektroaktives Material (z. B. Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen) umfassen. Bei weiteren Abwandlungen können die negativen elektroaktiven Materialteilchen 50 ein negatives elektroaktives Material auf Siliciumbasis umfassen. Bei weiteren, nicht dargestellten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Verbundelektrode mit einer Kombination aus negativen elektroaktiven Materialien sein. Die negative Elektrode 22 kann zum Beispiel eine erste Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen und eine zweite Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann ein Verhältnis vom ersten negativen elektroaktiven Material, das die erste Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen festlegt, zum zweiten negativen elektroaktiven Material, das die zweite Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen festlegt, größer/gleich etwa 5:95 bis kleiner/gleich etwa 95:5 sein. Bei bestimmten Abwandlungen können das erste und das zweite negative elektroaktive Material unabhängig voneinander ausgewählt sein aus der Gruppe, die beispielsweise Lithium, Lithiumlegierungen, kohlenstoffhaltige negative elektroaktive Materialien (wie Graphit, Hartkohle, Weichkohle und dergleichen), metallische negative elektroaktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen) und negatives elektroaktives Material auf Siliciumbasis umfasst.
  • Obwohl nicht dargestellt, versteht es sich, dass die negative Elektrode 22 bei bestimmten Abwandlungen ferner ein elektronisch leitfähiges Material (also ein leitfähiges Additiv), das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder ein polymeres Bindemittel, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, umfassen kann. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 größer/- gleich etwa 30 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 60 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials, größer/gleich 0 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials und größer/gleich 0 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels umfassen.
  • 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 leitfähige Materialien können z. B. Materialien auf Kohlenstoffbasis, pulverförmiges Nickel oder andere Metallteilchen oder leitfähige Polymere umfassen. Materialien auf Kohlenstoffbasis sind beispielsweise Graphitpartikel, Acetylenschwarz (wie etwa KETCHEN™-Schwarz oder DENK-A™-Schwarz), Kohlenstoff-Nanofasern und -Nanoröhren (z. B. einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNT)), Graphen (z. B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitfähige Industrieruße (wie SuperP (SP)) und dergleichen. Beispielhafte leitfähige Polymere sind 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 es als Pluspol eines Lithium-Ionen-Akkumulators fungiert. Wie dargestellt, kann die positive Elektrode 24 in verschiedenen Aspekten durch eine Vielzahl von positiven elektroaktiven Materialteilchen 60 festgelegt sein. Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen 60 können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 festzulegen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 auch einen Elektrolyten umfassen, der mit den positiven elektroaktiven Materialteilchen 60 angeordnet ist. Der Elektrolyt kann ein Flüssigelektrolyt, eine halbfeste oder Gelelektrode oder ein Festkörperelektrolyt sein. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 bei bestimmten Abwandlungen, wie dargestellt, eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 in Kombination mit den positiven elektroaktiven Materialteilchen 60 umfassen. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 größer/gleich etwa 30 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 50 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 95 Gew.-% der positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und größer/gleich etwa 0 Gew.% bis kleiner/gleich etwa 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 5 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 20 Gew.-% der zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 umfassen. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 (einschließlich der einen oder der mehreren Schichten) eine durchschnittliche Dicke von größer/gleich etwa 1 µm bis kleiner/gleich etwa 500 µm und in bestimmten Aspekten optional von größer/gleich etwa 10 µm bis kleiner/gleich etwa 200 µm aufweisen.
  • Die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 kann mit der ersten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 identisch sein oder sich davon unterscheiden. Bei bestimmten Abwandlungen, wie etwa bei den Festkörperelektrolytteilchen 90, können die Festkörperelektrolytteilchen 92 zum Beispiel lithiierte Zeolithteilchen wie jene, die die Elektrolytschicht 26 festlegen, und zusätzlich oder alternativ dazu sulfidbasierte Teilchen, oxidbasierte Teilchen, metalldotierte oder substituierte Oxidteilchen mit unterschiedlicher Wertigkeit, nitridbasierte Teilchen, hydridbasierte Teilchen, halogenidbasierte Teilchen und/oder boratbasierte Teilchen umfassen.
  • In verschiedenen Aspekten können die positiven elektroaktiven Materialteilchen 60 ein Schichtoxid, dargestellt durch LiMeO2, wobei Me ein Übergangsmetall wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon ist, umfassen. Bei anderen Abwandlungen umfassen die positiven elektroaktiven Materialteilchen 60 ein Oxid vom Olivin-Typ, dargestellt durch LiMePO4, wobei Me ein Übergangsmetall wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon ist. Bei weiteren Abwandlungen umfassen die positiven elektroaktiven Materialteilchen 60 ein Oxid vom monoklinen Typ, dargestellt durch Li3Me2(PO4)3, wobei Me ein Übergangsmetall wie Kobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon ist. Bei weiteren Abwandlungen umfassen die positiven elektroaktiven Materialteilchen 60 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. Bei weiteren Abwandlungen umfassen die positiven elektroaktiven Materialteilchen 60 einen 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.
  • Bei weiteren, nicht dargestellten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 eine Verbundelektrode mit einer Kombination aus positiven elektroaktiven Materialien sein. Die positive Elektrode 24 kann zum Beispiel eine erste Vielzahl positiver elektroaktiver Materialteilchen und eine zweite Vielzahl positiver elektroaktiver Materialteilchen umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann ein Verhältnis vom ersten positiven elektroaktiven Material, das die erste Vielzahl positiver elektroaktiver Materialteilchen festlegt, zum zweiten positiven elektroaktiven Material, das die zweite Vielzahl positiver elektroaktiver Materialteilchen festlegt, größer/gleich etwa 5:95 bis kleiner/gleich etwa 95:5 sein. Bei bestimmten Abwandlungen können das erste und das zweite positive elektroaktive Material unabhängig voneinander ausgewählt sein aus der Gruppe, die beispielsweise Schichtoxide, Oxide vom Olivin-Typ, Oxide vom monoklinen Typ, Oxide vom Spinell-Typ und/oder Tavorit umfasst.
  • Obwohl nicht dargestellt, versteht es sich, dass die positive Elektrode 24 bei bestimmten Abwandlungen, wie die negative Elektrode 22, ferner ein elektronisch leitfähiges Material (also ein leitfähiges Additiv), das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder ein polymeres Bindemittel, das die strukturelle Integrität der positiven Elektrode 24 verbessert, umfassen kann. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 größer/gleich etwa 30 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 60 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 95 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials, größer/gleich 0 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials und größer/gleich 0 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 0,5 Gew.% bis kleiner/gleich etwa 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels umfassen. Das/die in der positiven Elektrode 24 enthaltene(n) leitfähige(n) Additiv(e) und/oder das/die dort enthaltene(n) Bindemittel kann/können mit dem/den in der negativen Elektrode 22 enthaltenen leitfähigen Additiv(en) und/oder Bindemittel(n) identisch sein oder sich davon unterscheiden.
  • Die vorliegende Offenbarung sieht in verschiedenen Aspekten Verfahren zur Bildung von Festkörperelektrolyten vor, die durch einen Mischkristall festgelegt sind, der mit lithiumhaltigem Material imprägnierte, lithiierte Zeolithteilchen umfasst. Wie in 2 dargestellt, beinhaltet beispielsweise ein beispielhaftes Verfahren 200 zur Herstellung eines Festkörperelektrolyten, wie etwa der in 1 dargestellten Festkörperelektrolytschicht 26, die Imprägnierung 220 von lithiierten Zeolithteilchen, die ein Zeolithpulver festlegen, mit einem lithiumhaltigen Material. Bei bestimmten Abwandlungen kann das lithiumhaltige Material ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Lithiumphosphat (Li3PO4), Lithiumnitrat (LiNO3), Lithiumfluorid (LiF), Lithiumoxid (Li2O), Lithiumperoxid (Li2O2), Lithium-Lanthantitanat (La0,5Li0,5TiO3), Thio-LISICON (Li3,25Ge0,25P0,75S4), Sulfid-Glaskeramiken (wie Li7P3S11 und Li2S-SiS2-Li3PO4) und Kombinationen davon. Bei bestimmten Abwandlungen, z. B. wenn das lithiumhaltige Material Lithiumphosphat (Li3PO4) umfasst, kann das Imprägnieren 220 das Inkontaktbringen (z. B. Mischen) von lithiiertem Zeolith mit einer (NH4)3PO4-Lösung umfassen, sodass die (NH4)3PO4-Lösung in die Poren des lithiierten Zeoliths eindringt, sowie das anschließende Filtrieren der Mischung, um überschüssiges (NH4)3PO4 zu entfernen. Sobald der Überschuss an (NH4)3PO4 entfernt ist, kann LiOH allmählich mit dem Gemisch in Kontakt gebracht (z. B. zugegeben) werden, sodass das Lithium mit dem (NH4)3PO4 reagiert, und zwar unter Bildung von Li3PO4 in den Poren des lithiierten Zeoliths. Bei anderen Abwandlungen, wenn beispielsweise das lithiumhaltige Material Lithiumnitrat (LiNO3) umfasst, kann das Imprägnieren 220 das Auflösen von Lithiumnitrat (LiNO3) in Wasser und das anschließende Inkontaktbringen (z. B. Mischen) der wässrigen Lösung mit dem lithiierten Zeolith und das Erhitzen der Mischung, beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 100 °C, umfassen, sodass das Lithiumnitrat (LiNO3) in den Poren des lithiierten Zeoliths ausfällt. Bei jeder Abwandlung kann das Verfahren 200 die Herstellung 210 der lithiierten Zeolithteilchen umfassen. Die lithiierten Zeolithteilchen können z. B. durch Verfahren wie die in U.S. Pat. Nr. 10,615,461 mit dem Titel „Lithium-Ionen-Batterie mit Lithium-Ionen-Austausch-Zeolithteilchen“ beschriebenen, das am 04.04.2020 an Xingcheng Xiao, Sherman H. Zeng, Mei Cai und Mark W. Verbrugge erteilt wurde und auf dessen gesamte Offenbarung hiermit Bezug genommen wird, hergestellt werden.
  • Das Verfahren 200 umfasst ferner das Vorsintern 230 der imprägnierten, lithiierten Zeolithteilchen, um gasförmige Nebenprodukte wie im lithiierten Zeolith adsorbierten Wasserdampf, Ammoniakgas aus dem Ammoniak in der Kationenposition und kleine Käfige im Zeolith und/oder Kohlendioxid aus der Zersetzung von Lithiumcarbonat zu entfernen. Die Entfernung der gasförmigen Nebenprodukte kann dazu beitragen, die Schüttdichte bei nachfolgenden Sinterprozessen zu verbessern, z. B. bei dem weiter unten beschriebenen Sintern 250. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Vorsintern 230 das Erhitzen der imprägnierten, lithiierten Zeolithteilchen auf eine Temperatur von größer/gleich etwa 200 °C bis kleiner/gleich etwa 600 °C, optional größer/gleich etwa 300 °C bis kleiner/gleich etwa 500 °C, und in bestimmten Aspekten optional etwa 500 °C, über einen Zeitraum von größer/gleich etwa 1 Minute bis kleiner/gleich etwa 760 Minuten und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 30 Minuten bis kleiner/gleich etwa 120 Minuten umfassen.
  • Das Verfahren 200 umfasst ferner das Beaufschlagen 240 der vorgesinterten, imprägnierten, lithiierten Zeolithteilchen mit einem Druck, um ein Pellet mit einer ausgewählten und kontrollierten Porosität zu bilden. Der Druck kann größer/gleich etwa 5 MPa bis kleiner/gleich etwa 250 MPa und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 10 MPa bis kleiner/gleich etwa 100 MPa sein und über einen Zeitraum größer/gleich etwa 0,1 Sekunde bis kleiner/gleich etwa 600 Sekunden und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 1 Sekunde bis kleiner/gleich etwa 10 Sekunden angelegt werden. Die angestrebte Porosität des Pellets kann größer/gleich etwa 30 Vol.-% bis kleiner/gleich etwa 70 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional größer/gleich etwa 40 Vol.-% bis kleiner/gleich etwa 60 Vol.-% sein.
  • Das Verfahren 200 umfasst ferner das Sintern 250 des amorphen Pellets unter Bildung eines Mischkristalls, der den Festkörperelektrolyten festlegt. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Sintern 250 das Erhitzen des amorphen Pellets auf eine Temperatur von größer/gleich etwa 800 °C bis kleiner/gleich etwa 1.200 °C, optional größer/gleich etwa 800 °C bis kleiner/gleich etwa 1.000 °C und in bestimmten Aspekten optional etwa 900 °C umfassen, während ein Druck von größer/gleich etwa 0 MPa bis kleiner/gleich etwa 50 MPa angelegt wird. Insbesondere kann das Sintern 250 im vorliegenden Fall bei niedrigeren Temperaturen als bei anderen oxidbasierten Festkörperelektrolyten erfolgen, was zumindest teilweise an der großen Oberfläche der lithiierten Zeolithteilchen liegt. Beispielsweise erfordert die große Oberfläche mehr Oberflächendiffusion und weniger Massendiffusion. Bei bestimmten Abwandlungen können die imprägnierten, lithiierten Zeolithteilchen eine spezifische Oberfläche von größer/gleich etwa 10 m2/g bis kleiner/gleich etwa 500 m2/g aufweisen und die Sintertemperaturen für die anderen oxidbasierten Festkörperelektrolyten sind häufig größer/gleich etwa 1.000 °C bis kleiner/gleich etwa 1.450 °C.
  • 3 ist eine grafische Darstellung, in der das Beugungsmuster des amorphen Pellets 310 mit dem des geformten Festkörperelektrolyten 320 verglichen wird, wobei die x-Achse 300 2 Theta und die y-Achse 302 die Intensität (a. u.) darstellt. Der lithiierte Zeolith behält nach dem Sintern seine Struktur bei. Wie aus der Peakverschiebung und -verbreiterung jedoch hervorgeht, hat sich ein Mischkristall mit kristallinerem Li3PO4 gebildet, dargestellt durch 330.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist weder vollständig, noch soll sie die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese beschränkt, sondern sind gegebenenfalls austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht konkret dargestellt oder beschrieben sind. Sie können auch auf vielerlei Art und Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu verstehen, sondern sind vielmehr in den Anwendungsbereich der Offenbarung einzubeziehen.

Claims (10)

  1. Festkörperelektrolyt für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei der Festkörperelektrolyt Folgendes umfasst: eine Sinterschicht mit einer Vielzahl von lithiierten Zeolithteilchen mit Poren, wobei ein lithiumhaltiges Material in mindestens einem Teil der Poren der lithiierten Zeolithteilchen angeordnet ist.
  2. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 1, wobei jedes lithiierte Zeolithteilchen eine Porosität von größer/gleich etwa 20 Vol.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Vol.-% aufweist und das lithiumhaltige Material größer/gleich etwa 20 % bis kleiner/gleich etwa 80 % der Gesamtporosität jedes lithiierten Zeolithteilchens ausmacht.
  3. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 1, wobei die lithiierten Zeolithteilchen, die die Vielzahl festlegen, eine durchschnittliche Teilchengröße von größer/gleich etwa 100 Nanometern bis kleiner/gleich etwa 5 Mikrometern haben und ein durchschnittlicher Porendurchmesser jedes lithiierten Zeolithteilchens größer/gleich etwa 0,1 Nanometer bis kleiner/gleich etwa 2 Nanometern ist.
  4. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 1, wobei das lithiumhaltige Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Lithiumphosphat (Li3PO4), Lithiumnitrat (LiNO3), Lithiumfluorid (LiF), Lithiumoxid (Li2O), Lithiumperoxid (Li2O2), Lithium-Lanthantitanat (La0,5Li0,5TiO3), Thio-LISICON (Li3,25Ge0,25P0,75S4), Sulfid-Glaskeramiken und Kombinationen davon.
  5. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 1, wobei die Sinterschicht Folgendes umfasst: größer/gleich etwa 20 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Gew.-% der lithiierten Zeolithteilchen; und größer/gleich etwa 20 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Gew.-% des lithiumhaltigen Materials.
  6. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 1, wobei die lithiierten Zeolithteilchen durch verknüpfte Tetraedereinheiten aus Aluminiumoxid (AlO2) und Siliciumdioxid (SiO2) und Kationen außerhalb des Gerüstes, die zwischen den Tetraedereinheiten dispergiert sind, festgelegt sind, wobei die Kationen außerhalb des Gerüstes größer/gleich etwa 10 Gew.-% der Lithiumionen umfassen und die verknüpften Tetraedereinheiten aus Aluminiumoxid (AlO2) und Siliciumdioxid (SiO2) ein Verhältnis von Aluminium zu Silicium von größer/gleich etwa 0,2 aufweisen.
  7. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 1, wobei die Sinterschicht ferner ein superionisches Additiv umfasst, das ebenfalls in einem Teil der Poren der lithiierten Zeolithteilchen angeordnet ist.
  8. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 7, wobei die Sinterschicht eine Ionenleitfähigkeit von größer/gleich etwa 1 × 10-5 S·cm-1 bis kleiner/gleich etwa 1 × 10-1 S·cm-1 aufweist.
  9. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 7, wobei die Sinterschicht größer/gleich etwa 20 Gew.-% bis kleiner/gleich etwa 80 Gew.-% des superionischen Additivs umfasst.
  10. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 7, wobei das superionische Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Li10GeP2S12, Li7La3Zr2O12, Li3N, LiB11H14, LiBH4, Li2+xZr1-xMxCl6 (wobei M für In, Sc oder eine Kombination davon steht und 1 Gew.-% ≤ x ≤ 40 Gew.-%) und Kombinationen davon.
DE102023109948.5A 2022-09-07 2023-04-20 Festkörperelektrolyte und verfahren zu deren herstellung Pending DE102023109948A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/939,460 2022-09-07
US17/939,460 US20240079726A1 (en) 2022-09-07 2022-09-07 Solid-state electrolytes and methods of forming the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102023109948A1 true DE102023109948A1 (de) 2024-03-07

Family

ID=89905634

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102023109948.5A Pending DE102023109948A1 (de) 2022-09-07 2023-04-20 Festkörperelektrolyte und verfahren zu deren herstellung

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20240079726A1 (de)
CN (1) CN117673444A (de)
DE (1) DE102023109948A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118040074A (zh) * 2024-04-11 2024-05-14 蜂巢能源科技股份有限公司 一种半固态锂离子电池及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118040074A (zh) * 2024-04-11 2024-05-14 蜂巢能源科技股份有限公司 一种半固态锂离子电池及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20240079726A1 (en) 2024-03-07
CN117673444A (zh) 2024-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102018119665A1 (de) Carbonatbasiertes elektrolytsystem zur verbesserung oder unterstützung der effizienz von elektrochemischen zellen mit lithiumhaltigen anoden
DE102020125838A1 (de) Flüssigmetall-grenzflächenschichten für festelektrolyte und deren verfahren
DE102019133657A1 (de) Eine wiederaufladbare lithiumionen-batteriechemie mit schnelladefähigkeit und hoher energiedichte
DE102021114604A1 (de) Festkörperbatterie mit gleichmässig verteiltem elektrolyten und verfahren zu deren herstellung
DE102021130557A1 (de) Gel-elektrolyt für festkörperbatterie
DE102022105207A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Festkörperelektrolytschichten
DE102022119823A1 (de) Verfahren zur herstellung von zweidimensionalen anodenmaterialien
DE102022111248A1 (de) Festkörper-Zwischenschicht für Festkörperbatterie
DE102022120235A1 (de) Festkörpersynthese für die herstellung eines geschichteten anodenmaterials
DE102022103138A1 (de) Verfahren zur herstellung bipolarer festkörperbatterien
DE102023109948A1 (de) Festkörperelektrolyte und verfahren zu deren herstellung
DE102021131339A1 (de) Selbstheizende bipolare festkörperbatterie
DE102021114083A1 (de) Bipolare festkörperbatterie mit dicken elektroden
DE102021112569A1 (de) Bipolare festkörperbatterie mit ionengel
DE102022118609A1 (de) Dünner festkörperelektrolyt mit hoher ionenleitfähigkeit
DE102022115316A1 (de) Polymerblocker für festkörperbatterie
DE102022107900A1 (de) Verbund-zwischenschicht für festkörperbatterien auf lithiummetallbasis und verfahren zu deren herstellung
DE102022119279A1 (de) Gel-Polymerelektrolyt mit Sulfolen-Additiv
DE102022103140A1 (de) Bipolarer stromkollektor und verfahren zu dessen herstellung
DE102020125123B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyten
DE102022103141A1 (de) Verfahren zur herstellung von bipolaren festkörperbatterien
DE102021114601A1 (de) In-situ-gelierungsverfahren zur herstellung einer bipolaren festkörperbatterie
DE102022130522B3 (de) Lösungsmittelfreie verfahren zum bilden von festkörperelektroden mit polymeren fasernetzwerken unter verwendung von fibrillationsverarbeitungszusätzen und daraus hergestellte festkörperelektroden
DE102022105203B3 (de) Gelgestützter bipolarer Hochleistungsfestkörperakkumulator
DE102022126191A1 (de) Verfahren zur verringerung des grenzflächenwiderstands bei festkörperakkumulatoren

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed