DE102023113358A1 - Hydrophobe schutzmaterialien für sekundärbatterien - Google Patents

Hydrophobe schutzmaterialien für sekundärbatterien Download PDF

Info

Publication number
DE102023113358A1
DE102023113358A1 DE102023113358.6A DE102023113358A DE102023113358A1 DE 102023113358 A1 DE102023113358 A1 DE 102023113358A1 DE 102023113358 A DE102023113358 A DE 102023113358A DE 102023113358 A1 DE102023113358 A1 DE 102023113358A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
coating
lifepo
metal fluoride
cathode
fef
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
DE102023113358.6A
Other languages
English (en)
Inventor
Soo KIM
Sookyung Jeong
Tae Kyoung Kim
Ki Tae Park
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.)
Rivian IP Holdings LLC
Original Assignee
Rivian IP Holdings 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 Rivian IP Holdings LLC filed Critical Rivian IP Holdings LLC
Publication of DE102023113358A1 publication Critical patent/DE102023113358A1/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
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • 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
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404—Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/136—Electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1397—Processes of manufacture of electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/582—Halogenides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/5825—Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/628—Inhibitors, e.g. gassing inhibitors, corrosion inhibitors
    • 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
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/117—Inorganic material
    • H01M50/119—Metals
    • 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
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/124—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/1243—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure characterised by the internal coating on the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • 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)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

Diese Offenbarung richtet sich im Allgemeinen an Beschichtungsmaterialien für Kathodenaktivmaterialien, die in Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) nützlich sind. Die Beschichtungen schließen ein Metallfluorid (MFx), ein Lithiummetallfluorid (Li-M-F) oder beides, ein, die mit Kathodenmaterialien wie LiFePO4stabil sind und beim Schutz vor Batterieabbaumaterialien (d. h. HF, LiF, PF5-und LiOH) behilflich sind.

Description

  • GEBIET
  • Diese Offenbarung richtet sich im Allgemeinen an Beschichtungsmaterialien für Kathodenaktivmaterialien, die in Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) nützlich sind. Die Beschichtungen schließen ein Metallfluorid (MFx), ein Lithiummetallfluorid (Li-M-F) oder beides, ein, die mit Kathodenmaterialien wie LiFePO4 stabil sind und beim Schutz vor Batterieabbaumaterialien (d. h. HF, LiF, PF5 - und LiOH) behilflich sind.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Die vorliegende Technologie richtet sich an Kathodenzusammensetzungen, einschließlich metallfluorid- und/oder lithium-metallfluorid-haltigen Beschichtungen, die Stabilität mit Kathoden bereitstellen (z. B. Kathoden, die LiFePO4 enthalten). Die vorliegende Technologie geht den aktuellen Bedarf an Beschichtungen mit Eigenschaften, die dem aktuellen Stand der Technik überlegen sind, an. Diese und andere Gesichtspunkte und Implementierungen werden nachstehend ausführlich erläutert.
  • Die vorstehenden Informationen und die folgende ausführliche Beschreibung schließen veranschaulichende Beispiele für verschiedene Gesichtspunkte und Implementierungen ein und stellen einen Überblick oder Rahmen für das Verständnis der Art und des Charakters der beanspruchten Gesichtspunkte und Implementierungen bereit. Die Zeichnungen stellen eine Darstellung und ein weiteres Verständnis der verschiedenen Gesichtspunkte und Implementierungen bereit und sind in diese Spezifikation aufgenommen und bilden einen Teil davon. Die vorstehenden Informationen und die folgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen schließen veranschaulichende Beispiele ein und sollten nicht als einschränkend angesehen werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 zeigt drei unterschiedliche D/G-Verhältnis für Raman-Messungen, wobei das niedrigere D/G-Verhältnis erwünscht ist, um die Menge an Kohlenstoffderivaten zu reduzieren, was zu einer geringeren Wasserstoffbindung mit H2O führt.
    • 2 zeigt eine Veranschaulichung der H2O-Adsorption an LiFePO4. Ein höheres D/G-Verhältnis, das zu einer erhöhten Menge an Kohlenstoffderivaten führt, weist eine erhöhte Affinität von H2O auf. Auch kann der exponierte LiFePO4-Bereich, der keine einheitliche Kohlenstoffbeschichtungen aufweist, entweder eine -OH-Terminierung bilden oder H2O mit schwacher Wasserstoffbindung anziehen.
    • 3 zeigt die chemische Reaktion zwischen AlF3 und LiFePO4. Die x-Achse zeigt den molaren Anteil von AlF3, wobei x = 0 100 % LiFePO4 ist und x = 1 100 % AlF3 ist. Die y-Achse beschreibt die Reaktionsenthalpie in eV/Atom. Die Reaktionsenthalpie zwischen AlF3 und LiFePO4 ist recht hoch, was die Zersetzungsreaktion weniger günstig macht (d. h. AlF3 kann als Schutzbeschichtungskandidaten für LiFePO4 verwendet werden, ohne zu viel der Kathodenmaterialien zu verbrauchen).
    • 4 ist eine schematische Veranschaulichung verschiedener Ausführungsformen der Kathodenzusammensetzungen der vorliegenden Technologie, die eine diskontinuierliche Beschichtung einschließen, wie in der vorliegenden Offenbarung erörtert
    • 5 ist eine schematische Veranschaulichung verschiedener Ausführungsformen der Kathodenzusammensetzungen der vorliegenden Technologie, die ein erstes Beschichtungsmaterial und ein zweites Beschichtungsmaterial einschließen, wie in der vorliegenden Offenbarung erörtert.
    • 6 zeigt eine Elektrode mit LiFePO4-Kathodenpulvern, die einer lokalen Umgebung ausgesetzt sind (d. h. wo umgebende Feuchtigkeit/H2O-Moleküle adsorbiert werden), die zu Agglomeration (links) und modifizierten LiFePO4-Kathodenmaterialien ohne Agglomeration (rechts) führten.
    • 7 ist eine Veranschaulichung einer Querschnittsansicht eines Elektrofahrzeugs gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
    • 8 ist eine Darstellung eines veranschaulichenden Batteriepacks gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
    • 9 ist eine Darstellung eines veranschaulichenden Batteriemoduls gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
    • 10, 11 und 12 sind Querschnittsveranschaulichungen verschiedener Batterien gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen beschrieben. Es ist zu beachten, dass die spezifischen Ausführungsformen nicht als eine erschöpfende Beschreibung oder als Einschränkung auf die hierin erörterten breiteren Gesichtspunkte gedacht sind. Ein Gesichtspunkt, der in Verbindung mit einer bestimmten Ausführungsform beschrieben wird, ist nicht notwendigerweise auf diese Ausführungsform beschränkt und kann mit jeder anderen Ausführungsform praktiziert werden.
  • Wie hierin verwendet, wird „etwa“ von Durchschnittsfachleuten verstanden und variiert in gewissem Ausmaß abhängig von dem Kontext, in dem es verwendet wird. Falls es Verwendungen eines Begriffs gibt, der dem Durchschnittsfachmann nicht klar ist, bedeutet in dem Kontext, in dem es verwendet wird, „etwa“ bis zu plus oder minus 10 % des bestimmten Begriffs.
  • Der Ausdruck „und/oder“, wie in der vorliegenden Offenbarung verwendet, ist so zu verstehen, dass er einen der angegebenen Elemente einzeln oder eine Kombination von zwei oder mehr davon einschließt - zum Beispiel würde „A, B und/oder C“ „A, B, C, A und B, A und C, B und C“ oder die Kombination von A, B und C" bedeuten.
  • Die Verwendung der Begriffe „ein/eine“ und „der/die/das“ und ähnliche Bezugnahmen im Kontext der Beschreibung der Elemente (insbesondere im Kontext der folgenden Ansprüche) sind so auszulegen, dass sie sowohl den Singular als auch den Plural abdecken, sofern hierin nicht anders angegeben oder eindeutig durch den Kontext widersprüchlich. Die Angabe von Wertebereichen hierin soll lediglich als Schnellverfahren der individuellen Bezugnahme auf jeden separaten Wert dienen, der innerhalb des Bereichs fällt, sofern hierin nicht anders angegeben, und jeder separate Wert wird in die Patentschrift aufgenommen, als sei er hierin einzeln angegeben. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in jeder geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern hierin nicht anders angegeben oder anderweitig durch den Kontext eindeutig widersprüchlich. Die Verwendung eines beliebigen und aller Beispiele oder beispielhafter Sprache (z. B. „wie“), die hierin bereitgestellt sind, soll lediglich die Ausführungsformen besser beleuchten und stellt keine Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche dar, sofern nicht anders angegeben. Keine Sprache in der Patentschrift ist so auszulegen, dass sie ein nicht beanspruchtes Element als wesentlich angibt.
  • Eine Möglichkeit, um einen Abbau in Lithium-Ionen-Batterien („LIBs“) zu verhindern, besteht darin, eine Schutzbeschichtung auf den Elektrodenaktivmaterialien zu benutzen, insbesondere um Hinblick auf die in den Batterien verwendeten Kathodenaktivmaterialien. Die Kathodenzersetzung kann während des strukturellen Phasenübergangs (d. h. wenn sich Lithium-Ionen aus dem Elektrodenmaterial (aus-)einführen) auftreten und/oder wenn in Kontakt mit anderen Komponenten der LIBs, wie den Elektrolyten und den Stromabnehmern. Veranschaulichende im Handel erhältliche Kathodenaktivmaterialien schließen LiFePO4 (auch als LFP-Materialien bezeichnet), LiMn1-xFePO4 (auch als LMFP-Materialien bezeichnet), LiCoO2 (auch als LCO-Materialien bezeichnet), Li(NiaMnbCoc)O2 (auch als LiNMC-Materialien bezeichnet), Li(NiaCobAlc)O2 (auch als LiNCA-Materialien bezeichnet), Li(NidCoeMnfAlg+)O2 (auch als LiNCMA-Materialien bezeichnet) und Li(MnαNiβ)2O4 (auch als LNMO-Materialien bezeichnet) ein, sind aber nicht darauf beschränkt, wobei 0 < x < 1, a + b + c = 1, d + e + f + g = 1 und α + β = 1.
  • Im Allgemeinen sehen Beschichtungen auf Kathodenaktivmaterial vor: 1) Bildung einer modifizierten Festelektrolytschnittstelle (SEI), die hilft, die Schnittstelle zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten zu stabilisieren; 2) Verbesserungen bei der Elektrolytbenetzung, um eine gleichmäßige Li+-Ioneneinführung und -ausführung sicherzustellen; und 3) Unterdrückung von Oberflächenphasenübergängen von Kathodenmaterial (d. h. Oberflächenzersetzung) als eine physische Barriere.
  • In der Regel werden Beschichtungen vom Metalloxidtyp verwendet, um den rauen Betriebsbedingungen innerhalb der LIBs standzuhalten. LiFePO4 neigt dazu, Feuchtigkeit aus der Umgebung aufgrund ihres hohen Oberflächenbereichs (z. B. zusammengesetzt aus nanogroßen Primärpartikeln und ihren Aggregaten) zu adsorbieren. Es gibt zwei Mechanismen, welche die Wasseradsorption beschleunigen können. Der erste Mechanismus beinhaltet die Wasserstoffbindungsbildung in den Oberflächensauerstoffgruppen von LiFePO4, insbesondere in dem unbeschichteten Bereich, in dem keine Kohlenstoffbeschichtung vorhanden ist. Der zweite Mechanismus kann die Kohlenstoffbeschichtungseigenschaften, die Verteilung von sp2 vs. sp3-Kohlenstoff, beinhalten. 1 zeigt drei unterschiedliche Raman-Spektroskopiemessungen, wobei sich die Intensitätsverhältnisse für die Absorptionen des D-Bandes (~1350 cm-1) und G-Bandes (~1580 cm-1) unter den LiFePO4-Proben unterscheiden. Das D-Band wird häufig als sp3-Typ-Kohlenstoff bezeichnet und das G-Band wird sp2-gebundener Kohlenstoff bezeichnet. Wenn das D/G-Verhältnis kleiner als 1 ist (d. h. höhere G-Bandintensität), bedeutet dies, dass mehr sp2-Typ-Kohlenstoff vorliegt. Wenn das D/G-Verhältnis größer als 1 ist (d. h. höhere D-Bandintensität), bedeutet dies, dass mehr sp3-Kohlenstoff sowie eine große Menge an Kohlenstoffderivaten und oberflächenfunktionellen Gruppen wie -COOH, -OH, =O usw. vorliegt. Solche Kohlenstoffdefekte weisen eine höhere Affinität mit H2O auf (sind hydrophiler), was LiFePO4 mehr H2O adsorbieren lässt. Daher wären LiFePO4-Kathodenmaterialien mit gleichförmigerem Kohlenstoff mit einem niedrigeren D/G-Verhältnis am idealsten, welche die geringste Menge an H2O adsorbierten (d. h. hydrophober sind), was zu einer Verringerung oder Beseitigung von problematischer Gelierung und/oder problematischer Agglomeration in Aufschlämmungs- und Elektrodenpräparaten führen kann.
  • Das Erhalten einer gleichförmigen Kohlenstoffbeschichtung auf LiFePO4 ohne Kohlenstoffdefektderivate sind keine leichte Aufgabe. Die Fluorierung kann dazu beitragen, die Hydrophobizität von Oxidmaterialien zu erhöhen, wie schematisch in 2 gezeigt, wobei AlF3-Beschichtungen die Oberfläche hydrophober als pristines LiFePO4 machen, wobei Sauerstoffatome in LiFePO4 wahrscheinlich eine Wasserstoffbindung mit umgebenden Wassermolekülen bilden. Es wurden zum Beispiel gezeigt, dass 5 nm AlF3-Beschichtungen, die über ein chemisches Fällungsverfahren auf eine LiFePO4-Kathode abgeschieden wurden, der Kathode möglicherweise dabei halfen, die Kapazitätsretention bei 60 °C mit einer 1 C-Rate im Vergleich zu pristinen LiFePO4-Kathoden zu erhalten. Darüber hinaus kann das Dotieren des oxidierten Oberflächenabschnitts mit Fluor unter Verwendung einer Flüssigkeit, die ein fluorhaltiges Salz löst, den fluorierten Abschnitt hydrophob machen. Die Oberfläche aus Edelstahl enthält in der Regel Oxidmaterialien wie Fe2O3, Cr2O3 und NiO. Es wurde festgestellt, dass die Fluorierung der Oberflächenoxide in Edelstahl (wie Fe2O3, Cr2O3 und NiO) zu erhöhter H2O-Bindungsenergie (d. h. schwieriger für H2O zu binden, wobei die Oberfläche hydrophober im Vergleich zu der pristinen Oberfläche ist) führte. 3 zeigt die chemische Reaktion zwischen LiFePO4 und AlF3, wobei die energetisch günstigste chemische Reaktion wie folgt ist: 0,545 LiFePO4 + 0,455 AlF3 → 0,273 Fe2PO4F + 0,273 AlPO4 + 0,182 Li3AlF6
  • Die Reaktionsenthalpie (Erxn) ist -0,017 eV/Atom. Dies gibt an, dass, wenn AlF3 als Beschichtung für die LiFePO4-Kathode gewählt wird, AlF3 die Li+-Ionen in LiFePO4 verbrauchen kann, um Li3AlF6 zu bilden. Zusätzlich verliert LiFePO4 Li+-Ionen und nimmt F--Ionen aus AlF3 auf, um Fe2PO4F zu bilden. Schließlich führt verbleibendes PO4 -3 aus LiFePO4 zu der Bildung von AlPO4. Die Reaktionsenthalpie ist zum Glück ziemlich hoch (d. h. nahe null, wenngleich eine negative Zahl), was bedeutet, dass die Zersetzungsreaktion eher langsam und ungünstig ist (d. h. AlF3 arbeitet als Beschichtung für LiFePO4, wie in der Literatur nachgewiesen).
  • Es verbleibt ein Bedarf an beschichteten Kathodenzusammensetzungen (und Batteriesubkomponenten und Batterien), die eine überlegene Leistungsfähigkeit über die von bekannten beschichteten Kathodenmaterialien im Stand der Technik bereitstellte bereitstellen. Somit stellt die vorliegende Technologie in einem Gesichtspunkt eine Kathodenzusammensetzung bereit, die ein Metallfluorid („MFx“) und/oder eine Lithium-Metallfluorid („Li-M-F“)-Beschichtung auf mindestens einem Abschnitt einer Oberfläche eines partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials einschließt, wobei die Beschichtung eine größere LiFePO4-Stabilitätsbewertung einschließt, wenn sie auf die von AlF3 bei 100 % normalisiert wird. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung das Metallfluorid einschließen und kann wahlweise ferner eine größere LiOH-Bewertung einschließen, wenn sie auf die von FeF2 bei 100 % normalisiert wird. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung das Metallfluorid einschließen und kann wahlweise ferner eine größere HF-Bewertung einschließen, wenn sie auf die von Li2NiF4 bei 100 % normalisiert wird und/oder eine größeren PF5--Bewertung, wenn sie auf die von Li2NiF4 bei 100 % normalisiert wird. Somit stellen die hierin beschriebenen Beschichtungen einen äquivalenten oder überlegenen Schutz gegenüber dem von AlF3, FeF2 und/oder Li2NiF4 in den jeweiligen getesteten messbaren Statistiken bereit. Das in der Beschichtung eingeschlossene Metallfluorid und/oder Lithiummetallfluorid kann kristallin (z. B. bei mehr als wenigen Atomlagen) oder amorph (z. B. wenn sehr dünn oder nicht zur Kristallisation neigend) sein.
  • Wie hierin verwendet, werden die LiFePO4-Stabilitätsbewertung, LiOH-Bewertung, PF5--Bewertung und HF-Bewertung basierend auf der Modellreaktion bestimmt, die ausgeführt werden muss, wie in den Arbeitsbeispielen erörtert. Zum Beispiel wird das Molverhältnis von Bestandteilen (MFx oder Li-M-F) zu LiFePO4 zuerst bestimmt (Verhältnis 1). Das Verhältnis wird dann auf das Verhältnis für die Baseline-Reaktion von AlF3 durch Dividieren von Verhältnis 1 (für AlF3) durch Verhältnis 1 (für die MFx oder Li-M-F von Interesse) normalisiert, um bei Wert 1 anzukommen. Die Reaktionsenthalpie (Erxn) in eV/Atom wird dann aus der Berechnung bestimmt, jedoch wird diese dann auf Erxnfür AlF3, Dividieren von Erxn(für MFx oder Li-M-F von Interesse) durch Erxn(für AlF3) normalisiert, um bei Wert 2 anzukommen. Wert 1 und 2 werden dann summiert, sie basieren jedoch auf Molverhältnissen. Um die Werte zu gewichtsbasierten Werten umzuwandeln, wird die Summe dann durch das Molekulargewicht von MFx dividiert oder Li-M-F mit 1000 multipliziert. Die LiFePO4-Stabilitätsbewertung wird dann bestimmt, indem der Gewichtsprozentwert für AlF3 durch den Gewichtsprozentwert von MFx dividiert wird oder Li-M-F mit 100 multipliziert wird. Anders ausgedrückt, die LiFePO4-Stabilitätsbewertung ist eine prozentuale Verbesserung (oder Verringerung) dieser Reaktion gegenüber dem Baseline-AlF3-Wert. Veranschaulichende Berechnungen sind in den Beispielen gezeigt.
  • In jeder Ausführungsform hierin kann das Metallfluorid MgF2, MnF2, FeF2, SrF2, MoF3, LaF3, NdF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Metallfluorid SrF2, LaF3, NdF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Metallfluorid MgF2, MnF2, FeF2, MoF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Lithiummetallfluorid Li3AlF6, Li3ScF6, Li2NiF4, LiYF4, LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Lithiummetallfluorid Li3AlF6, Li3ScF6, Li2NiF4, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung LiYF4, LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung LiFePO4 einschließen. Solche Beschichtungsmaterialien jeder Ausführungsform werden in einer Menge verwendet, die ausreicht, um dem Kathodenmaterial zusätzlichen Schutz bereitzustellen. Dies kann zum Beispiel einschließen, dass das Metallfluorid, das Lithiummetallfluorid oder sowohl das Metallfluorid als auch das Lithiummetallfluorid zu von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 5,0 Gew.-% vorhanden sind. Die Dicke der Beschichtung kann bei der Haltbarkeit ebenfalls eine Rolle spielen, aber sie kann auch eine Behinderung des Stromflusses sein. Dementsprechend kann die Beschichtung eine durchschnittliche Dicke auf dem partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterial von etwa 5 nm bis etwa 2 µm aufweisen. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Unter Bezugnahme auf 4 kann die Beschichtung 2010 in einigen Ausführungsformen diskontinuierliche Regionen 2015 der Beschichtung auf dem partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterial 2020 einschließen. Es versteht sich, dass in der handelsüblichen Beschichtung der partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterialien handelsübliche Beschichtungsmaterialien Hohlräume und andere Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials einschließen können. Da das Beschichtungsmaterial auf das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial abgeschieden wird, kann es nahe Korngrenzen des partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials nukleieren.
  • Unter Bezugnahme auf 5 kann die Beschichtung in einigen Ausführungsformen ein erstes Beschichtungsmaterial 1010 und ein zweites Beschichtungsmaterial 1025 umfassen. Das erste Beschichtungsmaterial 1010 kann diskontinuierliche Regionen 1015 der Beschichtung auf dem partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterial 1020 einschließen, und wobei ein Abschnitt des zweiten Beschichtungsmaterials 1025 in den diskontinuierlichen Regionen 1015 des ersten Beschichtungsmaterials ausgebildet ist. In anderen Ausführungsformen ist ein Abschnitt des zweiten Beschichtungsmaterials 1025 in den diskontinuierlichen Bereichen 1015 des ersten Beschichtungsmaterials 1010 ausgebildet und weist eine größere Dicke auf als andere Abschnitte der Beschichtung, die als Überbeschichtung ausgebildet sind.
  • In einer der vorstehenden Ausführungsformen kann das zweite Beschichtungsmaterial das erste Beschichtungsmaterial überdecken, Hohlräume des ersten Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche des partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials füllen oder sowohl das erste Beschichtungsmaterial überdecken als auch Hohlräume des ersten Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche des partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials füllen, und das zweite Beschichtungsmaterial kann sich von dem ersten Beschichtungsmaterial sowie dem partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterial unterscheiden. Das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial kann ein Einzelkristall sein, polykristallin oder gemischt (z. B. unterschiedliche Größe der Einzelkristalle, Polykristalle oder eine Mischung von Einzel- und Polykristallen), wobei das erste und/oder das zweite Beschichtungsmaterial basierend auf der Größe, Morphologie und/oder Kristallinität anders sein kann.
  • Es versteht sich, dass in der handelsüblichen Beschichtung der partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterialien handelsübliche (d. h. die ersten) Beschichtungsmaterialien Hohlräume und andere Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials einschließen können. Da das zweite Beschichtungsmaterial auf das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial abgeschieden wird, nukleieren diese in der Regel nahe Korngrenzen des ersten Beschichtungsmaterials oder des partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials. Zum Beispiel können sie auf das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial neben dem ersten Beschichtungsmaterial abscheiden. Sie können dann auch die Hohlräume oder unbeschichteten Bereiche aus der ersten Beschichtungsabscheidung füllen und in diesen Bereichen in der Dicke wachsen, wenn die Abscheidung fortschreitet. Wenn das zweite Beschichtungsmaterial auf der Oberseite des ersten Beschichtungsmaterials abgeschieden wird, kann das zweite Beschichtungsmaterial dünner sein. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen eine Dicke des ersten und/oder zweiten Beschichtungsmaterials etwa 5 nm bis etwa 2 µm betragen. Das erste Beschichtungsmaterial kann in diskontinuierlichen Regionen auf der Oberfläche des partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials gebildet sein, und das zweite Beschichtungsmaterial kann in den diskontinuierlichen Regionen des ersten Beschichtungsmaterials gebildet sein. Ein Abschnitt des zweiten Beschichtungsmaterials, der in den diskontinuierlichen Regionen des ersten Beschichtungsbeschichtungsmaterials ausgebildet ist, kann eine größere Dicke aufweisen als andere Abschnitte des zweiten Beschichtungsmaterials, die als Überbeschichtung ausgebildet sind.
  • In jeder Ausführungsform, die ein erstes Beschichtungsmaterial und ein zweites Beschichtungsmaterial einschließt, kann das zweite Beschichtungsmaterial von dem ersten Beschichtungsmaterial und von dem partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterial verschieden sein. In einer der vorstehenden Ausführungsformen kann das erste Beschichtungsmaterial eine Kohlenstoffbeschichtung, eines oder mehrere Metallphosphate (zum Beispiel einschließlich AlPO4), eines oder mehrere Lithiummetallphosphate (z. B. ein Lithiummetallphosphat, wobei das Metall ein Übergangs- oder Nicht-Übergangsmetall/-metalloid ist, mit dem Ausschluss von Edelmetallen, Seltenerdelementen und radioaktiven Elementen, wie LiFePO4), ein Metallfluorid (wie AlF3, MgF2, MnF2, FeF2, SrF2, MoF3, LaF3, NdF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon) und/oder einem Lithiummetallfluorid (wie Li3AlF6, Li3ScF6, Li2NiF4, LiYF4, LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon) einschließen; und das zweite Beschichtungsmaterial kann MgF2, MnF2, FeF2, SrF2, MoF3, LaF3, NdF3, Li3AlF6, Li3ScF6, Li2NiF4, LiYF4, LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen.
  • Wie vorstehend erwähnt, schließt die Kathodenzusammensetzung ein partikelförmiges Bulk-Kathodenaktivmaterial ein. Wie hierin verwendet, ist das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial der Kern des Partikels, der mit einer dünnen Schicht der Metallfluorid- und/oder Lithiummetallfluoridbeschichtung auf der Oberfläche beschichtet ist. Im Allgemeinen kann das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial eines oder mehrere Kathodenaktivmaterialien vom Olivin-Typ (wie LFP und/oder LMFP) einschließen und/oder kann ein nickelreiches Kathodenaktivmaterial einschließen. Kathodenaktivmaterial vom Olivin-Typ kann nanogroße Partikel mit einem relativ hohen Oberflächenbereich sein, wobei H2O aus der Umgebung (z. B. Feuchtigkeit) leicht adsorbieren kann; für nickelreiche Kathodenaktivmaterialien, kann eine Ni-reiche Oberfläche schnell mit Sauerstoff und/oder H2O umgesetzt werden, um zu Ni-reichen carbonatartigen Strukturen zu transformieren, die Prozessprobleme (z. B. Gelierung) während der Aufschlämmungsbildung verursachen können. Veranschaulichende partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterialien schließen Materialien wie Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid („LiNMMC“), Lithium-Nickel-Manganoxid, Lithiumkobaltoxid (LCO), LiNCA, LiNCMA oder Mischungen aus beliebigen zwei oder mehr davon ein. In einigen Ausführungsformen kann das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial Li(NiaMnbCoc)O2 einschließen, wobei 0 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 1, 0 ≤ c ≤ 1 und a+b+c = 1. In einigen Ausführungsformen kann das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial Li(NiaMnbCoc)O2 einschließen, wobei 0 < a < 1, 0 < b < 1, 0 < c < 1 und a+b+c = 1. In jeder Ausführungsform hierin kann das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial LiCoO2, Li(NiaMnbCoc)O2, Li(MnαNiβ)2O4 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen, wobei a+b+c = 1 und α+β = 1. In jeder Ausführungsform hierin kann das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial ein Li-reiches Mn-reiches Material wie Li1+x(NiaMnbCoc)1-xO2 einschließen, wobei 0 < x < 0,4 und a+b+c = 1. In jeder Ausführungsform hierin kann das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial LiCoO2, Li(NiaMnbCoc)O2, Li(MnαNiβ)2O4 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen, wobei 0 < a < 1, 0 ≤ b < 1, 0 ≤ c < 1, a+b+c = 1, 0 ≤ α < 1, 0 < β < 1 und α+β = 1. Wie hierin verwendet, sind nickelreiche Kathoden Kathodenaktivmaterialien, die zu 70 Gew.-% oder mehr Nickel einschließen und Materialien mit mehr als 80 Gew.-% Nickel einschließen können.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer Beschichtung von Metallfluorid und/oder Lithiummetallfluorid auf dem Bulk-Kathodenaktivmaterial können das Metallfluorid und/oder das Lithiummetallfluorid auf andere Oberflächen innerhalb einer Batteriezelle oder innerhalb eines Batteriebeutels oder innerhalb eines Batteriegehäuses beschichtet oder abgeschieden werden. Dementsprechend können in anderen Gesichtspunkten das Metallfluorid und/oder das Lithiummetallfluorid als Beschichtung auf einem Stromabnehmer, auf dem Abscheider, innerhalb eines Beutels oder innerhalb eines Gehäuses verwendet werden.
  • In einem anderen Gesichtspunkt schließt ein Stromabnehmer ein Metall ein, das mindestens teilweise mit einem Metallfluorid und/oder Lithiummetallfluorid beschichtet ist, wobei die Beschichtung eine größere LiFePO4-Stabilitätsbewertung einschließt, wenn sie auf die von AlF3 bei 100 % normalisiert wird. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung das Metallfluorid einschließen und kann wahlweise ferner eine größere LiOH-Bewertung einschließen, wenn sie auf die von FeF2bei 100 % normalisiert wird. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung das Metallfluorid einschließen und kann wahlweise ferner eine größere HF-Bewertung einschließen, wenn sie auf die von Li2NiF4 bei 100 % normalisiert wird und/oder eine größere PF5--Bewertung, wenn sie auf die von Li2NiF4 bei 100 % normalisiert wird. In jeder Ausführungsform hierin kann das Metallfluorid MgF2, MnF2, FeF2, SrF2, MoF3, LaF3, NdF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Metallfluorid SrF2, LaF3, NdF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Metallfluorid MgF2, MnF2, FeF2, MoF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Lithiummetallfluorid Li3AlF6, Li3ScF6, Li2NiF4, LiYF4, LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Lithiummetallfluorid Li3AlF6, Li3ScF6, Li2NiF4, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung LiYF4, LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung LiFePO4 einschließen. In jeder Ausführungsform können etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% des Metallfluorids, des Lithiummetallfluorids oder sowohl des Metallfluorids als auch des Lithiummetallfluorids eingeschlossen sein. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung eine durchschnittliche Dicke auf dem partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterial von etwa 5 nm bis etwa 2 µm einschließen.
  • Der Stromabnehmer kann ein Metall einschließen, das Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan, Edelstahl oder kohlenstoffhaltige Materialien ist. In einigen Ausführungsformen ist das Metall des Stromabnehmers in Form einer Metallfolie. In einigen spezifischen Ausführungsformen ist der Stromabnehmer eine Aluminium (Al)- oder Kupfer (Cu)-Folie. In einigen Ausführungsformen ist der Stromabnehmer eine Metalllegierung, die aus Al, Cu, Ni, Fe, Ti oder einer Kombination davon hergestellt ist. In einigen Ausführungsformen können die Metallfolien mit Kohlenstoff beschichtet sein: z. B. kohlenstoffbeschichtete Al-Folie und dergleichen.
  • Die hierin beschriebenen Materialien sind alle zur Verwendung in elektrochemischen Vorrichtungen vorgesehen, wie, aber nicht beschränkt auf, Lithium-Ionen-Batterien. Dementsprechend stellt die vorliegende Technologie in einem anderen Gesichtspunkt eine elektrochemische Zelle bereit, wie eine Lithium-Ionen-Batterie (z. B. eine Lithium-Sekundärbatterie), die eine Kathode einschließt, die ein partikelförmiges Bulk-Kathodenaktivmaterial und wahlweise einen Stromabnehmer einschließt, und die Lithium-Ionen-Batterie kann wahlweise ein Gehäuse einschließen. Wenn die elektrochemische Zelle eine Lithium-Ionen-Batterie ist, kann die Lithium-Ionen-Batterie wahlweise auch eine Anode, einen Abscheider, einen Elektrolyten oder eine Kombination von zwei oder mehr davon einschließen. Das Gehäuse kann ein Beutel sein, in dem eine Batteriezelle enthalten ist, oder es kann das Gehäuse die Batterie sein, in der die Beutel enthalten sind. In der Lithium-Ionen-Batterie ist eines oder mehrere des Kathodenaktivmaterials, des Stromabnehmers oder einer Innenoberfläche des Gehäuses mindestens teilweise mit einem Metallfluorid und/oder Lithiummetallfluorid beschichtet, wobei die Beschichtung eine größere LiFePO4-Stabilitätsbewertung einschließt, wenn sie auf die von AlF3 bei 100 % normalisiert wird. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung das Metallfluorid einschließen und kann wahlweise ferner eine größere LiOH-Bewertung einschließen, wenn sie auf die von FeF2bei 100 % normalisiert wird. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung das Metallfluorid einschließen und kann wahlweise ferner eine größere HF-Bewertung einschließen, wenn sie auf die von Li2NiF4 bei 100 % normalisiert wird und/oder eine größere PF5--Bewertung, wenn sie auf die von Li2NiF4 bei 100 % normalisiert wird. In jeder Ausführungsform hierin kann das Metallfluorid MgF2, MnF2, FeF2, SrF2, MoF3, LaF3, NdF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Metallfluorid SrF2, LaF3, NdF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Metallfluorid MgF2, MnF2, FeF2, MoF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Lithiummetallfluorid Li3AlF6, Li3ScF6, Li2NiF4, LiYF4, LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann das Lithiummetallfluorid Li3AlFe, Li3ScF6, Li2NiF4, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung LiYF4, LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung LiFePO4 einschließen. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% des Metallfluorids, des Lithiummetallfluorids oder sowohl des Metallfluorids als auch des Lithiummetallfluorids betragen. In jeder Ausführungsform hierin kann die Beschichtung eine durchschnittliche Dicke auf dem partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterial von etwa 5 nm bis etwa 2 µm einschließen.
  • Die Kathoden können zusätzlich zu dem partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterial einen oder mehrere von einem Stromabnehmer, einem leitfähigen Kohlenstoff, einem Bindemittel oder anderen Additiven einschließen. Die Anoden der elektrochemischen Zellen können Lithium einschließen. In einigen Ausführungsformen können die Anoden auch einen Stromabnehmer, einen leitfähigen Kohlenstoff, ein Bindemittel und andere Additive einschließen, wie vorstehend im Hinblick auf die Kathodenstromabnehmer, leitfähigen Kohlenstoff, Bindemittel und andere Additive beschrieben. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode einen Stromabnehmer (z. B. Cu-Folie) mit einer in situ gebildeten Anode (z. B. Li-Metall) auf einer Oberfläche des Stromabnehmers umfassen, die dem Abscheider oder dem Festkörperelektrolyten zugewandt ist, so dass die zusammengesetzte Zelle in einem ungeladenen Zustand kein Anodenaktivmaterial umfasst.
  • Die Kathoden und Anoden können auch jeweils unabhängig voneinander andere Materialien wie leitfähige Kohlenstoffmaterialien, Stromabnehmer, Bindemittel und andere Additive enthalten. Veranschaulichende leitfähige Kohlenstoffspezies schließen Graphit, Ruß, super P-Rußmaterial, Ketjenblack, Acetylen-Black, SWCNT, MWCNT, Graphit, Kohlenstoff-Nanofaser und/oder Graphen, Graphit ein. Veranschaulichende Bindemittel können Polymermaterialien wie Polyvinylidenfluorid („PVDF“), Polyvinylpyrrolidon („PVP“), Styrol-Butadien oder Styrol-Butadien-Kautschuk („SBR“), Polytetrafluorethylen („PTFE“) oder Carboxymethylcellulose („CMC“) einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt. Andere veranschaulichende Bindemittelmaterialien können eines oder mehrere der Folgenden einschließen: Agar-Agar, Alginat, Amylose, Gummiarabicum, Carrageenan, Casein, Chitosan, Cyclodextrine (Carbonyl-beta), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Gummi, Gelatine, Gellangummi, Guargummi, Karayagummi, Cellulose (natürlich), Pektin, Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat (PEDOT-PSS), Polyacrylsäure (PAA), Poly(methylacrylat) (PMA), Poly(vinylalkohol) (PVA), Poly(vinylacetat) (PVAc), Polyacrylnitril (PAN), Polyisopren (PIpr), Polyanilin (PANi), Polyethylen (PE), Polyimid (PI), Polystyrol (PS), Polyurethan (PU), Polyvinylbutyral (PVB), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Stärke, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Tara-Gummi, Traganth-Gummi, Fluoracrylat (TRD202A), Xanthan-Gummi oder Mischungen von beliebigen zwei oder mehreren davon. Der Stromabnehmer kann ein Metall einschließen, das Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan, Edelstahl oder kohlenstoffhaltige Materialien ist. In einigen Ausführungsformen ist das Metall des Stromabnehmers in Form einer Metallfolie. In einigen spezifischen Ausführungsformen ist der Stromabnehmer eine Aluminium (Al)- oder Kupfer (Cu)-Folie. In einigen Ausführungsformen ist der Stromabnehmer eine Metalllegierung, die aus Al, Cu, Ni, Fe, Ti oder einer Kombination davon hergestellt ist.
  • In einer anderen Ausführungsform können die Metallfolien mit Kohlenstoff beschichtet sein: z. B. kohlenstoffbeschichtete Al-Folie und dergleichen.
  • In einem anderen Gesichtspunkt wird ein Prozess zum Herstellen einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellt. Das Verfahren schließt das Mischen eines Metallfluorids und/oder eines lithium-metallfluorid-beschichteten partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials (einer beliebigen Ausführungsform der vorliegenden Technologie) mit leitfähigem Kohlenstoff und einem Bindemittel in einem Lösungsmittel ein, um eine Aufschlämmung zu bilden, Beschichten der Aufschlämmung auf einen Kathodenstromabnehmer zu Entfernen des Lösungsmittels ein.
  • Im Allgemeinen kann die leitfähige Kohlenstoffspezies Graphit, Ruß, Kohlenstoffnanoröhren und dergleichen einschließen. Veranschaulichende leitfähige Kohlenstoffspezies schließen Graphit, Ruß, super P-Rußmaterial, Ketjenblack, Acetylen-Black, SWCNT, MWCNT, Graphit, Kohlenstoff-Nanofaser und/oder Graphen, Graphit ein.
  • Veranschaulichende Bindemittel können Polymermaterialien wie Polyvinylidenfluorid („PVDF“), Polyvinylpyrrolidon („PVP“), Styrol-Butadien oder Styrol-Butadien-Kautschuk („SBR“), Polytetrafluorethylen („PTFE“) oder Carboxymethylcellulose („CMC“) einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt. Andere veranschaulichende Bindemittelmaterialien können eines oder mehrere der Folgenden einschließen: Agar-Agar, Alginat, Amylose, Gummiarabicum, Carrageenan, Casein, Chitosan, Cyclodextrine (Carbonyl-beta), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Gummi, Gelatine, Gellangummi, Guargummi, Karayagummi, Cellulose (natürlich), Pektin, Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat (PEDOT-PSS), Polyacrylsäure (PAA), Poly(methylacrylat) (PMA), Poly(vinylalkohol) (PVA), Poly(vinylacetat) (PVAc), Polyacrylnitril (PAN), Polyisopren (PIpr), Polyanilin (PANi), Polyethylen (PE), Polyimid (PI), Polystyrol (PS), Polyurethan (PU), Polyvinylbutyral (PVB), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Stärke, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Tara-Gummi, Traganth-Gummi, Fluoracrylat (TRD202A), Xanthan-Gummi oder Mischungen von beliebigen zwei oder mehreren davon. Der Stromabnehmer kann ein Metall einschließen, das Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan, Edelstahl oder kohlenstoffhaltige Materialien ist. In einigen Ausführungsformen ist das Metall des Stromabnehmers in Form einer Metallfolie. In einigen spezifischen Ausführungsformen ist der Stromabnehmer eine Aluminium (Al)- oder Kupfer (Cu)-Folie. In einigen Ausführungsformen ist der Stromabnehmer eine Metalllegierung, die aus Al, Cu, Ni, Fe, Ti oder einer Kombination davon hergestellt ist. In einer anderen Ausführungsform können die Metallfolien mit Kohlenstoff beschichtet sein: z. B. kohlenstoffbeschichtete Al-Folie und dergleichen.
  • Das in der Aufschlämmung verwendete Lösungsmittel kann ein Keton, ein Ether, ein heterocyclisches Keton und/oder destilliertes Wasser sein. Ein veranschaulichendes Lösungsmittel ist N-Methylpyrrolidon („NMP“). Das Lösungsmittel kann entfernt werden, indem das Lösungsmittel bei Umgebungstemperatur oder erhöhter Temperatur oder bei Umgebungsdruck oder reduziertem Druck verdunsten kann. Die Handhabung der Kathode und anderer interner lithium-ionen-batterie-internen Komponenten kann unter einer inerten Atmosphäre (N2, Ar usw.) und/oder unter einer reduzierenden Atmosphäre (z. B. H2) gemäß einigen Ausführungsformen durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen können vakuumunterstützte Wärmebehandlungsbedingungen benutzt werden. Aufgrund der hydrophoben Natur von MFx- und Li-M-F-Beschichtungen können Agglomeration und/oder Gelierung, verursacht durch Adsorption von H2O-Molekülen in die Elektroden signifikant reduziert werden, wie in 6 dargestellt.
  • In jeder Ausführungsform hierin kann eine metallhaltige Vorläuferchemikalie, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Metallnitrate, Chlorid, Sulfat usw. in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel gelöst werden. In einigen Ausführungsformen können LiOH und/oder NH4F der Mischung zugegeben werden. In einigen Ausführungsformen kann die Lösung mit LiFePO4-Vorläufern (einschließlich Kohlenstoffbeschichtungsquellen wie Saccharose oder Citronensäure) bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur mit einer Alterungszeit, die von 5 min bis 24 Stunden variiert, gemischt werden. Nominal-MFx oder Li-M-F können angezielt werden, um von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% der LiFePO4-Pulver zu liegen. Der pH-Wert der Lösung kann durch das Vorhandensein von Säure oder Base gesteuert werden, um gut gemischte Vorläuferverbindungen auszufällen. Die Mischung kann bei erhöhter Temperatur geglüht werden, die ein beliebiger der folgenden Werte oder in einem Bereich von zwei beliebigen der folgenden Werte sein kann: 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C und 1.000 °C. Die Alterungszeit kann beliebige der folgenden Werte oder in einem Bereich von zwei der folgenden Werte aufweisen: 1, 2, 3, 4, 8, 12, 16, 24, 36, 48, 60 und 72 Stunden.
  • In jeder Ausführungsform hierin können verschieden bemessenes MFx oder Li-M-F, enthaltend LiFePO4-Kathodenmaterialien über ein Festkörperverfahren synthetisiert werden. Der primäre Partikelgrößenbereich für LiFePO4 kann beliebige der folgenden Werte oder in einem Bereich von zwei beliebigen der folgenden Werte sein: 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190 und 200 nm. In einigen Ausführungsformen kann der Bereich der sekundären Größe beliebige der folgenden Werte oder in einem Bereich von zwei der folgenden Werte sein: 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 und 20 µm. Ein beispielhaftes, aber nicht einschränkendes Verfahren zum Durchführen einer Festkörpersynthese ist ein Kugelmahlprozess. In einigen Ausführungsformen kann das Festkörperverfahren von einem optionalen Sprühtrocknerverarbeitungsschritt gefolgt werden, um die Trocknung und die Sekundärpartikelbildung zu ermöglichen. Die optimale Menge an Metallfluoriden und/oder Lithiummetallfluoriden und deren chemische Zusammensetzung an der Elektrodenmaterialoberfläche kann durch die sekundären Wärmebehandlungsbedingungen feineingestellt werden, die beliebige der folgenden Werte oder in einem Bereich von zwei der folgenden Werte sein können; 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C und 1.000 °C in Gegenwart von Reduktionsgas wie N2, Ar, H2 oder Gasgemisch davon. Ein Durchschnittsfachmann wird auf der Grundlage der vorliegenden Offenbarung leicht verstehen, dass abhängig von dem bestimmten Kathodenaktivmaterial (z. B. LiNMC, LCO, LiNCA, LiNCMA, LNMO, Li1+x(NiaMnbCoc)1-xO2 oder Mischungen von beliebigen zwei oder mehr davon) Wärmebehandlungsbedingungen das Oxidieren in Gegenwart von oxidierendem Gas wie Luft, O2 oder Gasgemisch davon sein können.
  • In anderen Ausführungsformen können Metallfluorid oder Li-M-F-Beschichtungsmaterialien als Nachbehandlungsschritt auf den synthetisierten Elektrodenaktivmaterialien abgeschieden werden. Nicht einschränkende Beispiele für Abscheidungstechniken schließen chemische Gasphasenabscheidung, Ätztechniken, physikalische Dampfabscheidung, gepulste Laserabscheidungs-, Emulsions-, Sol-Gel-, Atomlagenabscheidungs- und/oder andere Abscheidungstechniken ein. In einigen Ausführungsformen, wie der Atomlagenabscheidung, kann die Wahl der Vorläuferchemikalien auf eine gewisse chemische Zusammensetzung beschränkt sein, wie von einem Durchschnittsfachmann leicht ersichtlich ist.
  • In jeder Ausführungsform hierin kann der Ladegrad von Kathodenmaterialien von etwa 5 mg/cm2 bis etwa 50 mg/cm2 variieren und die Packdichte kann von etwa 1,0 g/cm3 bis etwa 5,0 g/cm3 variieren. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode als Kathode in Li-Ionen-Batterien zusammengesetzt sein, wobei die Anodenmaterialien Li-Metall, Graphit, Si, SiOx, Si-Nanodraht, lithiiertes Si oder eine Mischung davon sein können. In einigen Ausführungsformen kann ein herkömmlicher flüssiger Elektrolyt, einschließlich Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) gelöst in einer Carbonatlösung, verwendet werden. In anderen Ausführungsformen kann ein Festkörperelektrolyt, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, ein Polymer und/oder eine Oxid-, Sulfid- und/oder phosphatbasierte kristalline Struktur den flüssigen Elektrolyten ersetzen. Die Zellkonfiguration kann prismatisch, zylindrisch oder beutelartig sein. Jede Zelle kann ferner zusammen mit dem Gestaltungspack, dem Modul oder dem Stapel mit gewünschter Leistungsabgabe konfiguriert sein.
  • In einem anderen Gesichtspunkt stellt die vorliegende Offenbarung ein Batteriepack bereit, das Kathodenaktivmaterial, die elektrochemische Zelle oder die Lithium-Ionen-Batterie einer der vorstehenden Ausführungsformen umfasst. Der Batteriepack kann eine große Vielfalt von Anwendungen finden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, allgemeine Energiespeicherung oder in Fahrzeugen.
  • In einem anderen Gesichtspunkt kann eine Vielzahl von Batteriezellen, wie vorstehend beschrieben, verwendet werden, um eine Batterie und/oder ein Batteriepack zu bilden, die/der eine große Vielfalt von Anwendungen wie allgemeine Speicherung oder in Fahrzeugen finden kann. Zur Veranschaulichung der Verwendung solcher Batterien oder Batteriepacks in einem Elektrofahrzeug stellt 7 eine beispielhafte Querschnittsansicht 100 eines Elektrofahrzeugs 105 dar, das mit mindestens einem Batteriepack 110 ausgestattet ist. Elektrofahrzeuge 105 können unter anderem Elektro-Trucks, Elektro-SUVs (Sport Utility Vehicles), Elektro-Lieferwagen, Elektro-Automobile, Elektroautos, Elektromotorräder, Elektroroller, Elektro-Pkw, Elektro-Pkw oder -Nutzfahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder andere Fahrzeuge wie See- oder Lufttransportfahrzeuge, Flugzeuge, Hubschrauber, U-Boote, Boote oder Drohnen einschließen. Der Batteriepack 110 kann als Energiespeicherungssystem zum Versorgen eines Gebäudes verwendet werden, wie eines Wohnhauses oder Geschäftsgebäudes. Elektrofahrzeuge 105 können vollelektrisch oder teilweise elektrisch sein (z. B. Plug-in-Hybrid), und ferner können Elektrofahrzeuge 105 vollständig autonom, teilweise autonom oder unbemannt sein. Elektrofahrzeuge 105 können auch von Menschen bedient werden oder nicht autonom sein. Elektrofahrzeuge 105 wie Elektro-Trucks oder -Automobile können bordeigene Batteriepacks 110, Batteriemodule 115 oder Batteriezellen 120 zum Versorgen der Elektrofahrzeuge einschließen. Das Elektrofahrzeug 105 kann ein Chassis 125 (z. B. einen Rahmen, einen inneren Rahmen oder eine Stützstruktur) einschließen. Das Chassis 125 kann verschiedene Komponenten des Elektrofahrzeugs 105 tragen. Das Chassis 125 kann sich über einen vorderen Abschnitt 130 (z. B. einen Motorhaubenabschnitt), einen Karosserieabschnitt 135 und einen hinteren Abschnitt 140 (z. B. einen Kofferraum-, Nutzlast- oder Gepäckraumabschnitt) des Elektrofahrzeugs 105 ziehen. Der Batteriepack 110 kann innerhalb des Elektrofahrzeugs 105 installiert oder platziert sein. Zum Beispiel kann der Batteriepack 110 auf dem Chassis 125 des Elektrofahrzeugs 105 innerhalb eines oder mehrerer des vorderen Abschnitts 130, des Karosserieabschnitts 135 oder des hinteren Abschnitts 140 installiert sein. Der Batteriepack 110 kann mindestens eine Sammelschiene, z. B. ein Stromabnehmerelement, einschließen oder mit diesem verbunden sein. Zum Beispiel können die erste Sammelschiene 145 und die zweite Sammelschiene 150 elektrisch leitfähiges Material einschließen, um die Batteriemodule 115 oder die Batteriezellen 120 mit anderen elektrischen Komponenten des Elektrofahrzeugs 105 zu verbinden oder anderweitig elektrisch zu koppeln, um verschiedene Systeme oder Komponenten des Elektrofahrzeugs 105 mit elektrischer Leistung zu versorgen.
  • 8 stellt einen beispielhaften Batteriepack 110 dar. Bezugnehmend auf 7 kann der Batteriepack 110 unter anderem dem Elektrofahrzeug 105 Leistung bereitstellen. Batteriepacks 110 können jede Anordnung oder jedes Netzwerk elektrischer, elektronischer, mechanischer oder elektromechanischer Vorrichtungen einschließen, um ein Fahrzeug jeglicher Art, wie das Elektrofahrzeug 105, mit Strom zu versorgen. Der Batteriepack 110 kann mindestens ein Gehäuse 205 einschließen. Das Gehäuse 205 kann mindestens ein Batteriemodul 115 oder mindestens eine Batteriezelle 120 sowie weitere Komponenten des Batteriepacks einschließen. Das Gehäuse 205 kann eine Abschirmung an der Unterseite des Batteriemoduls 115 einschließen, um das Batteriemodul 115 vor äußeren Einflüssen zu schützen, beispielsweise wenn das Elektrofahrzeug 105 über unwegsames Gelände (z. B. im Gelände, Gräben, Felsen usw.) gesteuert wird. Der Batteriepack 110 kann mindestens eine Kühlleitung 210 einschließen, die Flüssigkeit durch den Batteriepack 110 als Teil eines Wärme-/Temperaturregel- oder Wärmeaustauschsystems verteilen kann, das auch mindestens eine Kühlplatte 215 einschließen kann. Die Kühlplatte 215 kann in Bezug auf ein oberes Submodul und ein unteres Submodul positioniert werden, sodass sie sich unter anderem zwischen dem oberen und dem unteren Submodul befindet. Der Batteriepack 110 kann eine beliebige Anzahl von Kühlplatten 215 einschließen. Beispielsweise können pro Batteriepack 110 oder pro Batteriemodul 115 eine oder mehrere Kühlplatten 215 vorhanden sein. Mindestens eine Kühlleitung 210 kann mit der Kühlplatte 215 gekoppelt, Teil davon oder unabhängig davon sein.
  • 9 stellt Beispielbatteriemodule 115 dar, und 10 stellt eine Beispielquerschnittsansicht einer Batteriezelle 120 dar. Das Batteriemodul 115 kann mindestens ein Submodul einschließen. Zum Beispiel können die Batteriemodule 115 mindestens ein erstes (z. B. oberes) Submodul 220 oder mindestens ein zweites (z. B. unteres) Submodul 225 einschließen. Mindestens eine Kühlplatte 215 kann zwischen dem oberen Submodul 220 und dem unteren Submodul 225 angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Kühlplatte 215 für den Wärmeaustausch mit einem Batteriemodul 115 konfiguriert sein. Die Kühlplatte 215 kann zwischen dem oberen Submodul 220 und dem unteren Submodul 225 angeordnet oder thermisch gekoppelt sein. Eine Kühlplatte 215 kann auch mit mehr als einem Batteriemodul 115 (oder mehr als zwei Submodulen 220, 225) thermisch gekoppelt sein. Die Batterie-Submodule 220, 225 können zusammen ein Batteriemodul 115 bilden. In manchen Beispielen kann jedes Submodul 220, 225 als ein komplettes Batteriemodul 115 und nicht als ein Submodul betrachtet werden.
  • Die Batteriemodule 115 können jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen 120 einschließen. Die Batteriemodule 115 können innerhalb des Gehäuses 205 des Batteriepacks 110 angeordnet sein. Die Batteriemodule 115 können Batteriezellen 120 einschließen, bei denen es sich zum Beispiel um zylindrische Zellen (z. B. 10) oder prismatische Zellen (z. B. 11) handelt. Das Batteriemodul 115 kann als eine modulare Einheit von Batteriezellen 120 betrieben werden. Beispielsweise kann ein Batteriemodul 115 Strom oder elektrische Leistung von den Batteriezellen 120, die in dem Batteriemodul 115 enthalten sind, sammeln und den Strom oder die elektrische Leistung als Ausgabe des Batteriepacks 110 bereitstellen. Der Batteriepack 110 kann eine beliebige Anzahl von Batteriemodulen 115 einschließen. Beispielsweise kann der Batteriepack ein, zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf oder eine andere Anzahl von Batteriemodulen 115 aufweisen, die in dem Gehäuse 205 angeordnet sind. Es sollte auch angemerkt werden, dass jedes Batteriemodul 115 ein oberes Submodul 220 und ein unteres Submodul 225 einschließen kann, möglicherweise mit einer Kühlplatte 215 zwischen dem oberen Submodul 220 und dem unteren Submodul 225. Der Batteriepack 110 kann eine Vielzahl von Bereichen einschließen oder definieren, in denen das Batteriemodul 115 positioniert werden kann. Die Batteriemodule 115 können quadratisch, rechteckig, rund, dreieckig, symmetrisch oder asymmetrisch sein. In einigen Beispielen können die Batteriemodule 115 unterschiedliche Formen aufweisen, sodass einige Batteriemodule 115 rechteckig und andere Batteriemodule 115 quadratisch sind, neben anderen Möglichkeiten. Das Batteriemodul 115 kann eine Vielzahl von Steckplätzen, Haltern oder Behältern für eine Vielzahl von Batteriezellen 120 einschließen oder definieren.
  • Wie vorstehend angegeben, weisen Batteriezellen 120 eine Vielzahl von Formfaktoren, Formen oder Größen auf. Zum Beispiel können die Batteriezellen 120 einen zylindrischen, rechteckigen, quadratischen, würfelförmigen, flachen oder prismatischen Formfaktor aufweisen. 10, 11 und 12 stellen veranschaulichende Querschnittsansichten von Batteriezellen 120 in solchen verschiedenen Formfaktoren dar. Zum Beispiel ist 10 eine zylindrische Zelle, 11 ist eine prismatische Zelle und 12 ist die Zelle zur Verwendung in einem Beutel. Die Batteriezellen 120 können durch Einsetzen einer gewickelten oder gestapelten Elektrodenrolle (z. B. einer Jellyroll), die einen Abscheider (z. B. Polymerbahn) oder Elektrolytmaterial (z. B. Festkörperelektrolyt) einschließt, in mindestens ein Batteriezellengehäuse 230 eingebaut werden. Das Elektrolytmaterial, z. B. eine ionisch leitfähige Flüssigkeit oder ein anderes Material, kann elektrische Leistung für die Batteriezelle 120 erzeugen oder bereitstellen. In einer Ausführungsform wird der Abscheider während eines Flüssigkeitselektrolytfüllvorgangs nach dem Einsetzen der Jellyroll von einem flüssigen Elektrolyten benetzt. Ein erster Abschnitt des Elektrolytmaterials kann eine erste Polarität aufweisen, und ein zweiter Abschnitt des Elektrolytmaterials kann eine zweite Polarität aufweisen. Das Gehäuse 230 kann verschiedene Formen aufweisen, einschließlich zum Beispiel zylindrisch oder rechteckig. Elektrische Verbindungen können zwischen dem Elektrolytmaterial und den Komponenten der Batteriezelle 120 hergestellt werden. Zum Beispiel können elektrische Verbindungen mit zumindest einem Teil des Elektrolytmaterials an zwei Punkten oder Bereichen der Batteriezelle 120 verbunden werden, zum Beispiel um einen ersten Polaritätsanschluss 235 (z. B. einen positiven oder Anodenanschluss) und einen zweiten Polaritätsanschluss 240 (z. B. einen negativen oder Kathodenanschluss) zu positionieren. Die Polaritätsanschlüsse können aus elektrisch leitfähigem Material bestehen, um elektrischen Strom von der Batteriezelle 120 zu einem elektrischen Verbraucher, wie etwa einer Komponente oder einem System des Elektrofahrzeugs 105, zu leiten.
  • Die Batteriezelle 120 kann in den Batteriemodulen 115 oder Batteriepacks 110 eingeschlossen sein, um Komponenten des Elektrofahrzeugs 105 zu versorgen. Das Batteriezellengehäuse 230 kann in dem Batteriemodul 115, dem Batteriepack 110 oder einem Batteriearray angeordnet sein, das in dem Elektrofahrzeug 105 installiert ist. Das Gehäuse 230 kann unter anderem eine beliebige Form aufweisen, wie unter anderem z. B. zylindrisch mit einer kreisförmigen (z. B. wie dargestellt), elliptischen oder ovulären Basis. Die Form des Gehäuses 230 kann auch prismatisch mit einer polygonalen Grundfläche, wie unter anderem einem Dreieck, einem Quadrat, einem Rechteck, einem Fünfeck und einem Sechseck, sein.
  • Das Gehäuse 230 der Batteriezelle 120 kann ein oder mehrere Materialien mit verschiedener elektrischer Leitfähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit oder eine Kombination davon einschließen. Das elektrisch leitfähige und wärmeleitfähige Material für das Gehäuse 230 der Batteriezelle 120 kann unter anderem ein metallisches Material wie Aluminium, eine Aluminiumlegierung mit Kupfer, Silicium, Zinn, Magnesium, Mangan oder Zink (z. B. Aluminium 1000, 4000 oder 5000 Serie), Eisen, eine Eisen-KohlenstoffLegierung (z. B. Stahl), Silber, Nickel, Kupfer und eine Kupferlegierung einschließen. Das elektrisch isolierende und thermisch leitfähige Material für das Gehäuse 230 der Batteriezelle 120 kann unter anderem ein keramisches Material (z. B. Siliciumnitrid, Siliciumkarbid, Titankarbid, Zirkoniumdioxid, Berylliumoxid usw.) und ein thermoplastisches Material (z. B. Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid oder Nylon) einschließen.
  • Die Batteriezelle 120 kann mindestens eine Anodenschicht 245 einschließen, die innerhalb des Hohlraums 250 angeordnet sein kann, der durch das Gehäuse 230 definiert ist. Die Anodenschicht 245 kann elektrischen Strom in die Batteriezelle 120 aufnehmen und Elektronen während des Betriebs der Batteriezelle 120 ausgeben (z. B. Laden oder Entladen der Batteriezelle 120). Die Anodenschicht 245 kann einen Wirkstoff einschließen.
  • Die Batteriezelle 120 kann mindestens eine Kathodenschicht 255 (z. B. eine Kompositkathodenschicht Verbundkathodenschicht, eine Verbundkathode, eine Kompositkathode oder eine Kathode). Die Kathodenschicht 255 kann innerhalb des Hohlraums 250 angeordnet sein. Die Kathodenschicht 255 kann elektrischen Strom aus der Batteriezelle 120 ausgeben und kann während des Entladens der Batteriezelle 120 Elektronen aufnehmen. Die Kathodenschicht 255 kann auch Lithiumionen während des Entladens der Batteriezelle 120 freisetzen. Umgekehrt kann die Kathodenschicht 255 elektrischen Strom in die Batteriezelle 120 aufnehmen und kann Elektronen während des Ladens der Batteriezelle 120 ausgeben. Die Kathodenschicht 255 kann Lithium-Ionen während des Ladens der Batteriezelle 120 aufnehmen.
  • Die Batteriezelle 120 kann einen Polymerabscheider einschließen, der im Falle von Li-Ionen-Batterien oder einer Festkörperelektrolytschicht 260 im Falle von Festkörperbatterien einen flüssigen Elektrolyten umfasst, der innerhalb des Hohlraums 250 angeordnet ist. Der Abscheider oder die Festkörper-Elektrolytschicht 260 können zwischen der Anodenschicht 245 und der Kathodenschicht 255 angeordnet sein, um die Anodenschicht 245 und die Kathodenschicht 255 zu trennen. Die Flüssigelektrolyt- oder Festkörper-Elektrolytschicht 260 können Ionen zwischen der Anodenschicht 245 und der Kathodenschicht 255 übertragen. Die flüssigen oder festen Elektrolyten können Kationen (z. B. Li+-Ione) während eines Entladevorgangs der Batteriezelle 120 von der Anodenschicht 245 zu der Kathodenschicht 255 übertragen. Die flüssigen oder festen Elektrolyten können Kationen (z. B. Li+-Ione) während des Ladevorgangs der Batteriezelle 120 von der Kathodenschicht 255 zu der Anodenschicht 245 übertragen.
  • 11 ist eine Veranschaulichung einer prismatischen Batteriezelle 120. Die prismatische Batteriezelle 120 kann ein Gehäuse 230 aufweisen, das eine starre Umhüllung definiert. Das Gehäuse 230 kann unter anderem eine polygonale Basis, wie ein Dreieck, Quadrat, Rechteck, Fünfeck aufweisen. Zum Beispiel kann das Gehäuse 230 der prismatischen Batteriezelle 120 einen rechteckigen Rahmen definieren. Die prismatische Batteriezelle 120 kann mindestens eine Anodenschicht 245, mindestens eine Kathodenschicht 255 und mindestens ein Abscheider und ein Elektrolyt oder eine Elektrolytschicht 260 einschließen, die innerhalb des Gehäuses 230 angeordnet sind. Die prismatische Batteriezelle 120 kann eine Vielzahl von Anodenschichten 245, Kathodenschichten 255 und Abscheider- oder Elektrolytschichten 260 einschließen. Zum Beispiel können die Schichten 245, 255, 260 gestapelt oder in der Form einer abgeflachten Spirale vorliegen. Die prismatische Batteriezelle 120 kann eine Anodenlasche 265 einschließen. Die Anodenlasche 265 kann die Anodenschicht 245 kontaktieren und die Energieübertragung zwischen der prismatischen Batteriezelle 120 und einer externen Komponente erleichtern. Zum Beispiel kann die Anodenlasche 265 aus dem Gehäuse 230 austreten oder mit einem positiven Anschluss 235 elektrisch koppeln, um Energie zwischen der prismatischen Batteriezelle 120 und einer externen Komponente zu übertragen.
  • Die Batteriezelle 120 kann auch eine Druckentlüftung 270 einschließen. Die Druckentlüftung 270 kann im Gehäuse 230 angeordnet sein. Die Druckentlüftung 270 kann eine Druckentlastung der Batteriezelle 120 bereitstellen, wenn sich der Druck innerhalb der Batteriezelle 120 erhöht. Zum Beispiel können sich innerhalb des Gehäuses 230 der Batteriezelle 120 Gase ansammeln. Die Druckentlüftung 270 kann einen Weg für die Gase bereitstellen, um das Gehäuse 230 zu verlassen, wenn der Druck innerhalb der Batteriezelle 120 einen Schwellenwert erreicht.
  • Die vorliegende Technologie, obschon im Allgemeinen beschrieben, wird unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele leichter verständlich, die zur Veranschaulichung bereitgestellt sind und nicht als Einschränkung der vorliegenden Technologie gedacht sind.
  • BEISPIELE
  • Allgemein. Methodiken, die auf Grundsätzen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) basieren, können verwendet werden, um vorausgewählte MFx-Verbindungen und Li-M-F-Verbindungen für Beschichtungsmaterialien zu bestimmen. Die DFT-Algorithmen werden verwendet, um die thermodynamische Stabilität der Materialien zu berechnen, um jene Materialien zu identifizieren, die stabile Grundzustandsstrukturen gegenüber Hochenergiestrukturen aufweisen.
  • Die Screening-Strategie setzte die folgenden Kriterien ein, um zusätzliche Schutzbeschichtungsmaterialien zu identifizieren und sie mit AlF3 als veranschaulichendes Beispiel für ein Beschichtungsmaterial zu vergleichen. Die Kriterien schlossen ein: (a) Kathodenstabilität durch Vorhersagen eines Gleichgewichts oder Nicht-Reaktion mit veranschaulichendem Kathodenmaterial LiFePO4; (b) Stabilität gegenüber H2O; und (c) Elektrolytstabilität durch Vorhersagen eines Gleichgewichts oder Nicht-Reaktion mit HF, PF5 -, LiF und LiOH.
  • Hier werden die Methoden der Grundsatz-Dichtefunktionaltheorie (DFT) verwendet, um die Stabilität von AlF3- und LiFePO4-Kathodenmaterialien unter Verwendung der Schnittstellenapp in materialproject.org, einer offenen Zugangsmaterialdatenbank, die der Öffentlichkeit zugänglich ist, zu modellieren.
  • Die chemische Stabilität für 74 MxFy-Verbindungen wurden gegen LiFePO4 getestet, wie in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 zeigt die chemische Reaktion von MFx und seine entsprechende Reaktionsenthalpie bei Kontakt mit LiFePO4. Tabelle 1. Chemische Stabilität MFx mit LiFePO4.
    MFx MW (g/mol) LiFePO4-Stabilität Erxn (eV/Atom)
    LiF 25,94 Stabil 0,000
    NaF 41,99 0,667 NaF + 0,333 LiFePO4 → 0,333 Na-2FePO4F + 0,333 LiF -0,009
    MgF2 62,3 Stabil 0,000
    AlF3 83,98 0,545 LiFePO4 + 0,455 AlF3 → 0,273 Fe2PO4F + 0,273 AlPO4 + 0,182 Li3AlF6 -0,017
    SiF4 104,08 0,545 LiFePO4 + 0,455 SiF4 → 0,182 Fe(PO3)2 + 0,182 Fe2PO4F + 0,273 Li2SiF6+ 0,182 SiO2 -0,044
    KF 58,1 0,5 LiFePO4 + 0,5 KF → 0,5 KFePO4 + 0,5 LiF -0,022
    KF2 77,1 0,1 LiFePO4 + 0,9 KF2 → 0,1 K2LiFeF6 + 0,1 KPF6 + 0,6 KF + 0,2 02 -0,442
    KF3 96,09 0,182 LiFePO4 + 0,818 KF3 → 0,182 K2LiFeF6 + 0,182 KPF6 + 0,273 KF + 0,364 O2 -0,655
    CaF2 78,07 Stabil 0,000
    ScF3 101,95 Stabil 0,000
    TiF 3 104,86 0,44 LiFePO4 + 0,56 TiF3 → 0,16 Li2TiF6 + 0,12 LiTi2(PO4)3 + 0,36 FeF2 + 0,16 TiO2 + 0,08 FeP -0,061
    TiF4 123,86 0,462 LiFePO4 + 0,538 TiF4 → 0,077 Ti4Fe(PO4)6 + 0,231 Li2TiF6 + 0,385 FeF2 -0,058
    VF2 88,94 0,75 LiFePO4 + 0,25 VF2 → 0,25 Li3VFeP2(O4F)2 + 0,125 Fe3(PO4)2 + 0,125 Fe -0,097
    VF3 107,94 0,75 LiFePO4 + 0,25 VF3 → 0,25 Li3VFeP2(O4F)2 + 0,25 Fe2PO4F -0,098
    VF4 126,94 0,6 LiFePO4 + 0,4 VF4 → 0,2 FePO4 + 0,2 Li3VFeP2(O4F)2 + 0,2 FeF3 + 0,2 VF3 -0,122
    VF5 145,93 0,667 LiFePO4 + 0,333 VF5 → 0,222 Li3VFeP2(O4F)2 + 0,037 Fe3P3(O3F)3 + 0,111 VPO5 + 0,37 FeF3 -0,156
    CrF2 89,99 0,8 LiFePO4 + 0,2 CrF2 → 0,1 Fe(PO3)2 + 0,1 P2O3F4 + 0,064 FeP4011 + 0,036 FeP4 + 0,2 Li4CrFe3O8 -0,502
    CrF3 108,99 0,8 LiFePO4 + 0,2 CrF3 → 0,15 Fe(PO3)2 + 0,15 P2O3F4 + 0,023 FeP4O11 + 0,027 FeP4 + 0,2 Li4CrFe3O8 -0,481
    CrF4 127,99 0,752 LiFePO4 + 0,248 CrF4 → 0,162 Fe(PO3)2 + 0,026 FeP2 + 0,059 Cr(PO3)3 + 0,188 Li4CrFe3O8 + 0,198 PF5 -0,551
    CrF5 146,99 0,667 LiFePO4 + 0,333 CrF5 → 0,083 Fe2P3(O3F)3 + 0,102 CrF3 + 0,065 Cr(PO3)3 + 0,167 Li4CrFe3O8 + 0,222 PF5 -0,638
    CrF6 165,99 0,75 LiFePO4 + 0,25 CrF6 → 0,031 P2O3F4 + 0,094 Fe3P3(O3F)3 + 0,062 Cr(PO3)3 + 0,187 Li4CrFe3O8 + 0,219 PF5 -0,692
    MnF2 92,93 0,5 LiFePO4 + 0,5 MnF2 → 0,25 Mn2PO4F + 0,25 Fe2PO4F + 0,5 LiF -0,014
    MnF3 111,93 0,5 LiFePO4 + 0,5 MnF3 → 0,286 FePO4 + 0,214 Mn2PO4F + 0,071 LiMnFeF6 + 0,143 Li3FeF6 -0,083
    MnF4 130,93 0,4 LiFePO4 + 0,6 MnF4 → 0,133 Fe3P3(O3F)3 + 0,2 MnO2 + 0,4 LiMnF4 + 0,133 FeF3 -0,198
    FeF2 93,84 0,5 FeF2 + 0,5 LiFePO4 → 0,5 Fe2PO4F + 0,5 LiF -0,012
    FeF3 112,84 0,4 FeF3 + 0,6 LiFePO4 → 0,3 Fe2PO4F + 0,3 LiFePO4F + 0,1 Li3FeF6 -0,025
    FeF6 169,84 0,75 FeF6 + 0,25 LiFePO4 → 0,25 LiPF6 + FeF3 + 0,5 O2 -0,557
    CoF2 96,93 0,5 LiFePO4 + 0,5 CoF2 → 0,5 LiCoPO4 + 0,5 FeF2 -0,022
    CoF3 96,93 0,5 LiFePO4 + 0,5 CoF3 → 0,167 FePO4 + 0,167 Li3FeF6 + 0,167 Co3(PO4)2 + 0,167 FeF3 -0,137
    NiF2 96,69 0,444 LiFePO4 + 0,556 NiF2 → 0,222 Fe2PO4F + 0,111 Ni3(PO4)2 + 0,222 Li2NiF4 -0,010
    NiF3 115,69 0,1 LiFePO4 + 0,9 NiF3 → 0,1 LiPF6 + 0,1 FeF3 + 0,9 NiF2 + 0,2 O2 -0,330
    CuF2 101,54 0,382 LiFePO4 + 0,618 CuF2 → 0,265 Cu3PO4 + 0,029 Fe2Cu(P2O7)2 + 0,118 LiFe2F6 + 0,088 Li3FeF6 + 0,059 CuO -0,073
    ZnF2 103,39 0,5 ZnF2 + 0,5 LiFePO4 → 0,5 LiZnPO4 + 0,5 FeF2 -0,048
    GaF3 126,72 0,571 GaF3 + 0,429 LiFePO4 → 0,143 Li3GaF6 + 0,429 GaPO4 + 0,429 FeF2 -0,063
    GeF2 110,64 0,636 GeF2 + 0,364 LiFePO4 → 0,182 Fe2PO4F + 0,023 Ge5P6O25 + 0,023 GeP2O7 + 0,182 Li2GeF6 + 0,318 Ge -0,010
    Ge3F8 369,91 0,556 Ge3F8 + 0,444 LiFePO4 → 0,444 FeF2 + 0,056 Ge5P6O25 + 1,111 GeF2 + 0,056 GeP2O7 + 0,222 Li2GeF6 -0,044
    GeF4 148,63 0,556 GeF4 + 0,444 LiFePO4 → 0,444 FeF2 + 0,056 Ge5P6O25 + 0,056 GeP2O7 + 0,222 Li2GeF6 -0,088
    Ge5F12 591,18 0,467 Ge5F12 + 0,533 LiFePO4 → 0,267 Fe2PO4F + 0,033 Ge5P6O25 + 1,867 GeF2+ 0,033 GeP2O7 + 0,267 Li2GeF6 -0,027
    RbF 104,47 0,2 LiFePO4 + 0,8 RbF → 0,133 Rb3PO4 + 0,067 Li3PO4 + 0,2 Rb2FeF4 -0,007
    RbF3 142,46 0,261 LiFePO4 + 0,739 RbF3 → 0,043 Rb2FeF5 + 0,217 Rb2LiFeF6 + 0,043 LiPF6+ 0,217 RbP(OF)2 + 0,304 O2 -0,495
    SrF2 125,62 Stabil 0,000
    SrF3 144,62 0,1 LiFePO4 + 0,9 SrF3 → 0,1 SrFeF5 + 0,1 LiPF6 + 0,8 SrF2 + 0,2 O2 -0,382
    YF3 145,9 0,6 YF3 + 0,4 LiFePO4 → 0,2 Fe2PO4F + 0,2 YPO4 + 0,4 LiYF4 -0,018
    ZrF4 167,22 0,333 LiFePO4 + 0,667 ZrF4 → 0,333 ZrFeF6 + 0,111 LiZr2(PO4)3 + 0,111 Li2ZrF6 -0,041
    Nb2F5 280,8 0,587 Nb2F5 + 0,413 LiFePO4 → 0,413 FeP + 0,462 NbO2F + 0,412 LiNbF6 + 0,025 Nbi2O29 -0,167
    NbF5 187,9 0,609 NbF5 + 0,391 LiFePO4 → 0,043 Nb2(PO4)3 + 0,043 Nb3Fe(PO4)6 + 0,391 LiNbF6 + 0,348 FeF2 -0,078
    MoF3 152,94 0,75 LiFePO4 + 0,25 MoF3 → 0,125 Li3Mo2(PO4)3 + 0,375 Fe3PO4F + 0,375 LiF -0,016
    MoF5 190,93 0,444 LiFePO4 + 0,556 MoF5 → 0,148 Mo2(PO4)3 + 0,222 Li2MoF6 + 0,444 FeF3 + 0,037 MoF3 -0,109
    MoF6 209,93 0,6 LiFePO4 + 0,4 MoF6 → 0,2 Mo2(PO4)3 + 0,2 Li3FeF6 + 0,4 FeF3 -0,119
    InF3 171,81 0,5 LiFePO4 + 0,5 InF3 → 0,5 InPO4 + 0,5 LiF + 0,5 FeF2 -0,022
    SnF2 156,71 0,571 LiFePO4 + 0,429 SnF2 → 0,286 Fe2PO4F + 0,143 Sn3(PO4)2 + 0,571 LiF -0,013
    SnF3 175,71 0,438 LiFePO4 + 0,562 SnF3 → 0,219 Fe2PO4F + 0,094 Sn3PO4F3 + 0,042 LiSn2(PO4)3 + 0,198 Li2SnF6 -0,024
    SnF4 194,7 0,4 LiFePO4 + 0,6 SnF4 → 0,4 FeF2 + 0,4 SnPO4F + 0,2 Li2SnF6 -0,101
    Sn3F8 508,12 0,64 LiFePO4 + 0,36 Sn3F8 → 0,32 Fe3PO4F + 0,24 Sn3PO4F3 + 0,027 LiSn2(PO4)3 + 0,307 Li2SnF6 -0,020
    Sb2F13 490,5 0,5 LiFePO4 + 0,5 Sb2F13 → 0,167 SbPO5 + 0,333 SbP(OF3)2 + 0,5 FeF3 + 0,5 LiSbF6 + 0,25 O2 -0,335
    Sb2F7 376,51 0,333 LiFePO4 + 0,667 Sb2F7 → 0,333 SbPO4 + 0,333 FeF2 + 0,333 LiSbF6 + 0,667 SbF3 -0,030
    SbF4 197,75 0,261 LiFePO4 + 0,739 SbF4 → 0,022 Fe(SbO3)2 + 0,065 Fe3(P2O7)2 + 0,043 FeF2 + 0,261 LiSbF6 + 0,435 SbF3 -0,055
    SbF6 235,75 0,333 LiFePO4 + 0,667 SbF6 → 0,167 SbPO5 + 0,167 SbP(OF3)2 + 0,333 FeF3 + 0,333 LiSbF6 + 0,083 O2 -0,323
    SbF3 178,76 0,667 LiFePO4 + 0,333 SbF3 → 0,333 SbPO4 + 0,333 Fe2PO4F + 0,667 LiF -0,014
    Sb7F29 1403,27 0,727 LiFePO4 + 0,273 Sb7F29 → 0,061 Fe(SbO3)2 + 0,182 Fe3(P2O7)2 + 0,121 FeF3 + 0,727 LiSbF6 + 1,061 SbF3 -0,066
    Sb11F43 2156,29 0,779 LiFePO4 + 0,221 Sb11F43 → 0,065 Fe(SbO3)2 + 0,195 Fe3(P2O7)2 + 0,13 FeF2 + 0,779 LiSbF6 + 1,519 SbF3 -0,052
    CsF 151,9 0,211 LiFePO4 + 0,789 CsF → 0,07 Li3PO4 + 0,053 Cs7Fe4F15 + 0,14 Cs3PO4 -0,003
    BaF2 175,32 Stabil 0,000
    BaF3 194,32 0,1 LiFePO4 + 0,9 BaF3 → 0,1 LiPF6 + 0,8 BaF2 + 0,1 BaFeF5 + 0,2 O2 -0,356
    LaF3 195,9 Stabil 0,000
    CeF3 197,11 0,333 CeF3 + 0,667 LiFePO4 → 0,333 Fe2PO4F + 0,333 CePO4 + 0,667 LiF -0,004
    CeF4 216,11 0,579 CeF4 + 0,421 LiFePO4 → 0,421 LiCeF5 + 0,211 Fe2PO4F + 0,053 CeO2 + 0,105 CeP2O7 -0,010
    NdF3 201,24 Stabil 0,000
    HfF4 254,48 0,571 LiFePO4 + 0,429 HfF4 → 0,571 FeF2 + 0,143 HfP2O7 + 0,143 Hf2P2O9 + 0,571 LiF -0,025
    TaF5 275,94 0,4 LiFePO4 + 0,6 TaF5 → 0,1 Fe(PO3)2 + 0,2 TaPOs + 0,4 LiTaF6 + 0,3 FeF2 -0,089
    WF4 259,83 0,5 WF4 + 0,5 LiFePO4 → 0,5 PWO4F + 0,5 FeF2 + 0,5 LiF -0,118
    WF6 297,83 0,333 WF6 + 0,667 LiFePO4 → 0,111 FeP6(WO8)3 + 0,222 Li3FeF6 + 0,333 FeF2 -0,066
    BiF3 265,98 0,4 LiFePO4 + 0,6 BiF3 →0,2 BiPO4 + 0,4 LiBiF4 + 0,2 Fe2PO4F -0,019
    BiF5 303,97 0,182 LiFePO4 + 0,818 BiF5 → 0,182 LiPF6 + 0,818 BiF3 + 0,182 FeF3 + 0,364 O2 -0,296
  • Jede MFx-Verbindung wurde weiter im Vergleich mit AlF3 auf Stabilität bei Kontakt mit LiFePO4 bewertet, wie in Tabelle 2 veranschaulicht. Es ist wünschenswert, dass eine neue Metallfluoridbeschichtung eine stabilere Schnittstelle mit LiFePO4-Kathodenmaterialien aufweist. Zum Beispiel AlF3:LiFePO4 ist 0,455:0,545 = 0,83. Vorteilhaft ist es, wenn das „Verhältnis“ zwischen den Metallfluoriden zu LiFePO4 niedrig ist - zum Beispiel VF2:LiFePO4 = 0,33, das niedriger ist als die AlF3:LiFePO4-Verhältnis (0,83). LiF, MgF2, CaF2, ScF3, SrF2, BaF2, LaF3 und NdF3 reagieren überhaupt nicht mit LiFePO4-Kathodenmaterialien; Dies bedeutet, dass, wenn diese Verbindungen mit LiFePO4 in Kontakt sind, weder die Verbindung noch das LiFePO4-Kathodenmaterial Zersetzungsreaktionen durchläuft. Alle anderen Metallfluoridmaterialien vs. AlF3 („Verhältnis vs. AlF"„3") sind in der nächsten Spalte in Tabelle 2 gezeigt, wobei es vorteilhaft ist, wenn dieser Wert kleiner als 1 ist (d. h. weniger reaktiv gegenüber LiFePO4). Zum Beispiel ist die Verhältnisbewertung für VF2 0,33/0,83 = 0,40. Ein weiteres Schlüsselkriterium ist die Reaktionsenthalpie ("„E"„rxn"), wobei für die AlF3-Reaktion mit LiFePO4 Erxn= -0,017 eV/Atom ist. Alle Metallfluoridmaterialien werden vs. AlF3 in „Erxn vs. AlF3“ verglichen, wobei es vorteilhaft ist, wenn dieser Wert kleiner als 1 ist (d. h. Schnittstellenreaktion zwischen LiFePO4 und Metallfluorid ist eher ungünstig und weniger günstig als bei AlF3). Zum Beispiel hat NaF einen Erxn- Wert von -0,009 eV/Atom und daher ist „Erxn vs. AlF3" für NaF -0,009/-0,017 = 0,53. Die nächste Spalte, „Summe“ addiert die zwei Werte, die auf AlF3 für Molverhältnis und Reaktionsenthalpie referenziert werden. Da diese Werte basierend auf dem molaren Anteil bewertet werden, werden diese Werte durch Dividieren meines Molekulargewichts in der Spalte „pro mg“ umgerechnet: z. B. 2,00/83,98 × 1.000 = 23,8 für AlF3. Schließlich stellt die „LiFePO4“-Stabilitätsbewertung die prozentuale Verbesserung gegenüber AlF3 für alle Materialien (z. B. 23.8/21,8 × 100 = 109,5 % für MnF2) bereit.
  • Die Verwendung der oben beschriebenen Beurteilung besserer oder vergleichbarer Beschichtungsmaterialien für eine LiFePO4-Kathode kann im Vergleich mit AlF3 bestimmt werden Wie in Tabelle 2 veranschaulicht, reagieren LiF, MgF2, CaF2, ScF3, SrF2, BaF2, LaF3 und NdF3 überhaupt nicht mit LiFePO4-Kathodenmaterialien, d. h. sind ideal für ein Beschichtungsmaterial. Darüber hinaus sind Ge3F8, Ge5F12, MoF3, InF3, SnF2, SnF3, Sn3F8, Sb2F7, SbF3, Sb7F29, Sb11F43, CeF3, CeF4, HfF4, WF6 und BiF3 bessere Beschichtungskandidaten als AlF3 (d. h. mindestens 25 % mehr Schutz pro „LiFePO4-Stabilitätsbewertung“) und MnF2, FeF2, NiF2 und YF3 sind vergleichbar mit AlF3, d. h. größer als 100 %, aber kleiner als 125 % pro „LiFePO4 Stabilitätsbewertung“). Tabelle 2. LiFePO4-Stabilität
    MFx Verhältnis (MFx:LiFePO4) Verhältnis vs. AIF 3 Erxn (eV/Atom) ErxnVS. AlF3 Summe pro mg LiFePO4-Stabilitätsbewertung (%)
    LiF 0,00 (Reagiert nicht) 0,00 0,000 0,00 0,00 0,0 Beste (Unendlich)
    NaF 2,00 2,40 -0,009 0,53 2,93 69,7 34,2
    MgF2 0,00 (Reagiert nicht) 0,00 0,000 0,00 0,00 0,0 Beste (Unendlich)
    AlF3 0,83 1,00 -0,017 1,00 2,00 23,8 100,0
    SiF4 0,83 1,00 -0,044 2,59 3,59 34,5 69,1
    KF 1,00 1,20 -0,022 1,29 2,49 42,9 55,5
    KF2 9,00 10,78 -0,442 26,00 36,78 477,0 5,0
    KF3 4,49 5,38 -0,655 38,53 43,91 457,0 5,2
    CaF2 0,00 (Reagiert nicht) 0,00 0,000 0,00 0,00 0,0 Beste (Unendlich)
    ScF3 0,00 (Reagiert nicht) 0,00 0,000 0,00 0,00 0,0 Beste (Unendlich)
    TiF3 1,27 1,52 -0,061 3,59 5,11 48,8 48,8
    TiF4 1,16 1,39 -0,058 3,41 4,81 38,8 61,4
    VF2 0,33 0,40 -0,097 5,71 6,11 68,6 34,7
    VF3 0,33 0,40 -0,098 5,76 6,16 57,1 41,7
    VF4 0,67 0,80 -0,122 7,18 7,98 62,8 37,9
    VF5 0,50 0,60 -0,156 9,18 9,78 67,0 35,6
    CrF2 0,25 0,30 -0,502 29,53 29,83 331,5 7,2
    CrF3 0,25 0,30 -0,481 28,29 28,59 262,4 9,1
    CrF4 0,33 0,40 -0,551 32,41 32,81 256,3 9,3
    CrF5 0,50 0,60 -0,638 37,53 38,13 259,4 9,2
    CrF6 0,33 0,40 -0,692 40,71 41,11 247,6 9,6
    MnF2 1,00 1,20 -0,014 0,82 2,02 21,8 109,5
    MnF3 1,00 1,20 -0,083 4,88 6,08 54,3 43,8
    MnF4 1,50 1,80 -0,198 11,65 13,44 102,7 23,2
    FeF2 1,00 1,20 -0,012 0,71 1,90 20,3 117,4
    FeF3 1,50 1,80 -0,025 1,47 3,27 29,0 82,2
    FeF6 0,33 0,40 -0,557 32,76 33,16 195,3 12,2
    CoF2 1,00 1,20 -0,022 1,29 2,49 25,7 92,6
    CoF3 1,00 1,20 -0,137 8,06 9,26 95,5 24,9
    NiF2 1,25 1,50 -0,010 0,59 2,09 21,6 110,3
    NiF3 9,00 10,78 -0,330 19,41 30,19 261,0 9,1
    CuF2 1,62 1,94 -0,073 4,29 6,23 61,4 38,8
    ZnF2 1,00 1,20 -0,048 2,82 4,02 38,9 61,2
    GaF3 1,33 1,59 -0,063 3,71 5,30 41,8 56,9
    GeF2 1,75 2,09 -0,010 0,59 2,68 24,2 98,3
    Ge3F8 0,80 0,96 -0,044 2,59 3,54 9,6 248,5
    GeF4 0,80 0,96 -0,088 5,18 6,13 41,3 57,7
    Ge5F12 0,88 1,05 -0,027 1,59 2,64 4,5 533,8
    RbF 4,00 4,79 -0,007 0,41 5,20 49,8 47,8
    RbF3 2,83 3,39 -0,495 29,12 32,51 228,2 10,4
    SrF2 0,00 (Reagiert nicht) 0,00 0,000 0,00 0,00 0,0 Beste (Unendlich)
    SrF3 9,00 10,78 -0,382 22,47 33,25 229,9 10,4
    YF3 1,50 1,80 -0,018 1,06 2,86 19,6 121,7
    ZrF4 2,00 2,40 -0,041 2,41 4,81 28,8 82,8
    Nb2F5 1,42 1,70 -0,167 9,82 11,53 41,0 58,0
    NbF5 1,56 1,87 -0,078 4,59 6,45 34,3 69,3
    MoF3 0,33 0,40 -0,016 0,94 1,34 8,8 271,7
    MoF5 1,25 1,50 -0,109 6,41 7,91 41,4 57,5
    MoF6 0,67 0,80 -0,119 7,00 7,80 37,1 64,1
    InF3 1,00 1,20 -0,022 1,29 2,49 14,5 164,2
    SnF2 0,75 0,90 -0,013 0,76 1,66 10,6 224,2
    SnF3 1,28 1,54 -0,024 1,41 2,95 16,8 141,9
    SnF4 1,50 1,80 -0,101 5,94 7,74 39,7 59,9
    Sn3F8 0,56 0,67 -0,020 1,18 1,85 3,6 654,0
    Sb2F13 1,00 1,20 -0,335 19,71 20,90 42,6 55,9
    Sb2F7 2,00 2,40 -0,030 1,76 4,16 11,0 215,5
    SbF4 2,83 3,39 -0,055 3,24 6,63 33,5 71,1
    SbF6 2,00 2,40 -0,323 19,00 21,40 90,8 26,2
    SbF3 0,50 0,60 -0,014 0,82 1,42 8,0 299,3
    Sb7F29 0,38 0,45 -0,066 3,88 4,33 3,1 771,4
    Sb11F43 0,28 0,34 -0,052 3,06 3,40 1,6 1511,0
    CsF 3,74 4,48 -0,003 0,18 4,66 30,6 77,7
    BaF2 0,00 (Reagiert nicht) 0,00 0,000 0,00 0,00 0,0 Beste (Unendlich)
    BaF3 9,00 10,78 -0,356 20,94 31,72 163,2 14,6
    LaF3 0,00 (Reagiert nicht) 0,00 0,000 0,00 0,00 0,0 Beste (Unendlich)
    CeF3 0,50 0,60 -0,004 0,24 0,83 4,2 563,3
    CeF4 0,73 0,87 -0,010 0,59 1,46 6,8 352,7
    NdF3 0,00 (Reagiert nicht) 0,00 0,000 0,00 0,00 0,0 Beste (Unendlich)
    HfF4 0,75 0,90 -0,025 1,47 2,37 9,3 255,7
    TaF5 1,50 1,80 -0,089 5,24 7,03 25,5 93,5
    WF4 1,00 1,20 -0,118 6,94 8,14 31,3 76,0
    WF6 0,50 0,60 -0,066 3,88 4,48 15,0 158,3
    BiF3 1,50 1,80 -0,019 1,12 2,91 11,0 217,4
    BiF5 4,49 5,38 -0,296 17,41 22,80 75,0 31,8
  • Auf ähnliche Weise wie für LiFePO4 beschrieben, wurde die Reaktivität zwischen MFx und H2O bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 veranschaulicht, wodurch Metallfluoride identifiziert werden, die gegen H2O schützender sind: LiF, MgF2, AlF3, CaF2, ScF3, MnF2, FeF2, NiF2, SrF2, YF3, MoF3, InF3, SnF2, SnF3, Sn3F8, SbF3, BaF2, LaF3, CeF3, CeF4, NdF3 und BiF3 reagieren nicht mit H2O; Ge3F8, GesF12, Sb2F7, Sb7F29, Sb11F43, HfF4 und WF6 weisen eine Zersetzungsreaktion mit H2O auf. Tabelle 3, H2O-Stabilität
    MFx H2O-Stabilität
    LiF
    MgF2
    AlF3
    CaF2
    ScF3
    MnF2 Stabil (reagiert nicht mit H2O)
    FeF2
    NiF2
    SrF2
    YF3
    MoF3
    InF3
    SnF2
    SnF3
    Sn3F8
    SbF3
    BaF2
    LaF3
    CeF3
    CeF4
    NdF3
    BiF3
    Ge3F8 0,25 Ge3F8 + 0,75 H2O → 0,125 Ge5F12 + 0,5 H3OF + 0,125 GeO2
    Ge5F12 0,143 Ge5F12 + 0,857 H2O → 0,571 GeF2 + 0,571 H3OF + 0,143 GeO2
    Sb2F7 0,526 H2O + 0,474 Sb2F7 → 0,211 SbH5(OF3)2 + 0,684 SbF3 + 0,053 SbO2
    Sb7F29 0,899 H2O + 0,101 Sb7F29 → 0,36 SbH5(OF3)2 + 0,258 SbF3 + 0,09 SbO2
    Sb11F43 0,917 H2O + 0,083 Sb11F43 → 0,367 SbH5(OF3)2 + 0,45 SbF3 + 0,092 SbO2
    HfF4 0,75 H2O + 0,25 HfF4 → 0,25 HfH6O3F4
    WF6 0,1 WF6 + 0,9 H2O → 0,1 WO3 + 0,6 H3OF
  • HF kann sich im flüssigen Elektrolyten bilden, wenn Restwasser/Feuchtigkeit vorhanden ist, um mit LiPF6-Salz in der Batteriezelle zu reagieren: LiPF6 + H2O ↔ POF3 + 2HF + LiF. HF ist eine Säure, die Teilkomponenten in der Batteriezelle abbauen kann. Insbesondere LiFePO4 kann mit HF in den Reaktionen reagieren, die in Tabelle 4 veranschaulicht sind. Tabelle 4 veranschaulicht, dass in allen Verhältnissen zwischen HF und LiFePO4, LiFePO4-Kathodenmaterial in andere Spezies zersetzt wird; daher gehen Kathodenmaterialien zusammen mit ihrer Kapazität zum (Aus-)Einführen von LI+-Ionen verloren. Tabelle 4. HF-vermittelte Zersetzungsreaktionen von LiFePO4.
    Molanteil HF Chemische Reaktionen Erxn (eV/Atom)
    0,000 HF → HF 0,000
    0,040 0,04 LiFePO4 + 0,96 HF → 0,04 LiPF6 + 0,16 H6OF4 + 0,04 FeF2 -0,138
    0,059 0,059 LiFePO4 + 0,941 HF → 0,235 H4OF3 + 0,059 LiPF6 + 0,059 FeF2 -0,149
    0,077 0,077 LiFePO4 + 0,923 HF → 0,308 H3OF + 0,077 LiPF6 + 0,077 FeF2 -0,156
    0,200 0,2 LiFePO4 + 0,8 HF → 0,2 LiHF2 + 0,2 PH3O4 + 0,2 FeF2 -0,137
    0,333 0,333 LiFePO4 + 0,667 HF → 0,333 LiP(HO2)2 + 0,333 FeF2 -0,109
    0,500 0,5 LiFePO4 + 0,5 HF → 0,25 LiP(HO2)2 + 0,25 Fe3PO4F + 0,25 LiF -0,074
    1,000 LiFePO4 → LiFePO4 0,000
  • In der Regel werden oxid- oder PO4-basierte Beschichtungen chemisch in eine fluoridhaltige Verbindung umgewandelt, indem HF gespült wird, wobei solche umgewandelten Materialien eine stabile Kathodenfeststoffelektrolytschnittstelle bilden können („c“-„SEI“). Für hydrophobe Beschichtungsmaterialien für Kathodenmaterialien wie LiFePO4 sind Materialien, die gegenüber HF stabil sind (d. h. Bereitstellen einer physischen Barriere durch Verwendung als eine Beschichtung) wünschenswerter als chemische Fänger. Die HF-Reaktivität wurde daher für identifizierte MFx-Verbindungen bestimmt und die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. LiF, CaF2, SnF2, Sn3F8, SbF3 und BaF2 reagierten nachweislich mit HF. Tabelle 5. HF-Stabilität.
    MFx HF-Reaktion Verhältnis Erxn
    LiF 0,5 HF 0,5 LiF ---+ 0,5 LiHF2 1,00 -0,110
    MgF2 Stabil 0,00 0,000
    AlF3 Stabil 0,00 0,000
    CaF2 0,333 CaF2 + 0,667 HF → 0,333 CaH2F4 2,00 -0,099
    ScF3 Stabil 0,00 0,000
    MnF2 Stabil 0,00 0,000
    FeF2 Stabil 0,00 0,000
    NiF2 Stabil 0,00 0,000
    SrF2 Stabil 0,00 0,000
    YF3 Stabil 0,00 0,000
    MoF3 Stabil 0,00 0,000
    InF3 Stabil 0,00 0,000
    SnF2 0,25 SnF2 + 0,75 HF → 0,25 SnF3 + 0,25 H3F2 3,00 -0,021
    SnF3 Stabil 0,00 0,000
    Sn3F8 0,25 Sn3F8 + 0,75 HF → 0,75 SnF3 + 0,25 H3F2 3,00 -0,008
    SbF3 0,929 HF + 0,071 SbF3 → 0,071 SbH7F12 + 0,143 H3F2 0,08 -0,005
    BaF2 0,143 BaF2 + 0,857 HF → 0,143 BaH6F8 5,99 -0,142
    LaF3 Stabil 0,00 0,000
    CeF3 Stabil 0,00 0,000
    CeF4 Stabil 0,00 0,000
    NdF3 Stabil 0,00 0,000
    BiF3 Stabil 0,00 0,000
  • PF5 - ist eine Spezies, die sich aus dem LiPF6-Salzabbau bildet: LiPF6 ↔ LiF + PF5 -. Ähnlich wie HF, wird PF5 - Batteriesubkomponenten wie LiFePO4 zersetzen (siehe Tabelle 6). Somit wurde, ähnlich der Bestimmung der HF-Reaktivität, des PF5 --Reaktivität für MO(OH) -Kandidaten bestimmt, wobei eine ideale MFx-Beschichtung als physische Barriere gegenüber PF5 - wirken sollte Wie in Tabelle 7 veranschaulicht, waren alle MFx-Verbindungen, die gegenüber HF stabil waren, auch gegenüber PF5 stabil. Tabelle 6. PF5 --Zersetzungsreaktionen von LiFePO4.
    Molanteil LiFePO4 PF5 --Reaktionen Erxn [eV/Atom]
    0,000 PF5 → PF5 0,000
    0,429 0,429 LiFePO4 + 0,571 PF5 → 0,286 Fe(PO3)2 + 0,143 FeF2 + 0,429 LiPF6 -0,067
    0,750 0,75 LiFePO4 + 0,25 PF5 → 0,5 Fe(PO3)2 + 0,25 FeF2 + 0,75 LiF -0,061
    0,800 0,8 LiFePO4 + 0,2 PF5 → 0,4 Fe(PO3)2 + 0,2 Fe2PO4F + 0,8 LiF -0,052
    0,857 0,857 LiFePO4 + 0,143 PF5 → 0,429 Fe2PO4F + 0,571 LiPO3 + 0,286 LiF -0,041
    0,909 0,909 LiFePO4 + 0,091 PF5 → 0,273 Fe2PO4F + 0,364 Li2FeP2O7 + 0,182 LiF -0,028
    1,000 LiFePO4 → LiFePO4 0,000
    Tabelle 7. PF5 --Reaktionen mit MFx-Beschichtungskandidaten.
    MFx PF5-Stabilität
    MgF2, AlF3, ScF3, MnF2, FeF2, NiF2, SrF2, YF3, MoF3, InF3, SnF3, LaF3, CeF3, CeF4, NdF3, BiF3 Stabil
  • Die Elektrolytzersetzung führt zur Bildung der gewünschten Festelektrolytschnittstelle (SEI). Die SEI besteht hauptsächlich aus LiF, Li2O, Li2CO3 und anderen unlöslichen Produkten. Die Anreicherung der SEI mit LiF ist seit Kurzem zur Verbesserung der Li-Zyklierbarkeit sehr beliebt. Hier ist es wünschenswert, dass die Beschichtungen kein LiF verbrauchen, sodass sie für die SEI-Bildung verfügbar bleiben. Ähnlich wie bei der oben erörterten Bestimmung der HF-Reaktivität und PF5 --Reaktivität wurde die LiF-Reaktivität für MFx-Verbindungenbestimmt und die Ergebnisse sind in Tabelle 8 bereitgestellt. Wie in Tabelle 8 veranschaulicht, reagiert 0,25 AlF3 mit 0,75 LiF, um 0,25 Li3AlF6 zu bilden, während MgF2, MnF2, FeF2, SrF2, MoF3, LaF3, CeF3 und NdF3 bei Kontakt mit LiF stabil sind. Somit haben, wie hierin und in den Ansprüchen verwendet, MgF2, MnF2, FeF2, SrF2, MoF3, LaF3, CeF3 und NdF3 eine größere „LiF-Bewertung“ als AlF3. Tabelle 8, LiF-Reaktionen mit MFx-Verbindungen.
    MFx LiF-Reaktion
    MgF2 Stabil
    AlF3 0,75 LiF + 0,25 AlF3 → 0,25 Li3AlF6
    ScF3 0,25 ScF3 + 0,75 LiF → 0,25 Li3ScF6
    MnF2 Stabil
    FeF2 Stabil
    NiF2 0,667 LiF + 0,333 NiF2 → 0,333 Li2NiF4
    SrF2 Stabil
    YF3 0,5 YF3 + 0,5 LiF → 0,5 LiYF4
    MoF3 Stabil
    InF 3 0,5 LiF + 0,5 InF3 → 0,5 LiInF4
    SnF3 0,5 SnF3 + 0,5 LiF → 0,25 Li2SnF6 + 0,25 SnF2
    LaF3 Stabil
    CeF3 Stabil
    CeF4 0,5 CeF4 + 0,5 LiF → 0,5 LiCeF5
    NdF3 Stabil
    BiF3 0,5 BiF3 + 0,5 LiF → 0,5 LiBiF4
    LiOH kann auch an der Oberfläche von Kathodenmaterialien vorhanden sein, je nach Wahl der Li-Salz-Vorläufer. Das Vorhandensein von LiOH führt zur Bildung von H2O innerhalb der Zelle, und dies kann anschließend HF bilden. Für die meisten LiFePO4, kann LiOH als Li+-Salz eingeschlossen sein, da Li2CO3 in der Regel nicht vollständig im Temperaturbereich zersetzt wird, in dem LiFePO4 synthetisiert wird. Zum Beispiel reagiert LiFePO4 mit LiOH gemäß folgender Reaktion mit einer Erxn von -0,054 eV/Atom: 0,333 LiFePO4 + 0,667 LiOH → 0,333 FeO + 0,333 Li3PO4 + 0,333 H2O. Ähnlich wie LiF ist es wünschenswert, dass keine LiOH-Reaktion bei Kontakt mit MFx-Verbindungen erfolgt, um die Bildung von H2O zu vermeiden. Somit wurde, ähnlich der vorstehend erörterten Bestimmung der LiFePO4-Stabilität, FH-Reaktivität und PF5 --Reaktivität die LiOH-Reaktivität für MFx-Verbindungendann für den Fall von FeF2 normalisiert (da AlF3 als nicht stabil gegenüber LiF bestimmt wurde, wie vorstehend erörtert), um schließlich eine „LiOH-Bewertung“ bereitzustellen, wie in Tabelle 9 angegeben. Wie in Tabelle 9 gezeigt, ist SrF2 gegenüber LiOH stabil, LaF3 und NdF3 sind jeweils deutlich stabiler als FeF2, und MgF2, MnF2 und MoF3 weisen eine vergleichbare LiOH-Stabilität wie FeF2 (89,5 bis 106,8 % vs. FeF2) auf; CeF3 wurde als H2-Gas als Nebenprodukt freisetzend bestimmt. Tabelle 9. LiOH-Stabilität für gewisse MFx-Verbindungen.
    MFx LiOH-Reaktion Verhältnis Verhältnis vs. FeF2 Erxn Erxn VS. FeF2 Summe pro mg LiOH-Bewertung
    MgF2 0,333 MgF2 + 0,667 LiHO → 0,333 Mg(HO)2 + 0,667 LiF 2,00 1,00 -0,050 0,49 1,49 23,84 89,4
    MnF2 0,667 LiHO + 0,333 MnF2 → 0,333 MnO + 0,333 H2O + 0,667 LiF 2,00 1,00 -0,088 0,85 1,85 19,95 106,8
    FeF2 0,333 FeF2 + 0,667 LiHO → 0,333 FeO + 0,333 H2O + 0,667 LiF 2,00 1,00 -0,103 1,00 2,00 21,31 100,0
    SrF2 Stabil 0,00 0,00 0,000 0,00 0,00 0,00 Beste (Unendlich)
    MoF3 0,75 LiHO + 0,25 MoF3 → 0,187 MOO2 + 0,375 H2O + 0,75 LiF + 0,063 Mo 3,00 1,50 -0,161 1,56 3,06 20,03 106,4
    LaF3 0,667 LiHO + 0,333 LaF3 → 0,333 H2O + 0,50 0,25 -0,054 0,52 0,77 3,95 539,2
    0,333 LaOF + 0,667 LiF
    CeF3 0,25 CeF3 + 0,75 LiHO → 0,3 H2O + 0,75 LiF + 0,05 Ce5O9 + 0,075 H2 3,00 1,50 -0,097 0,94 2,44 12,39 172,0
    NdF3 0,75 LiHO + 0,25 NdF3 → 0,25 Nd(HO)3 + 0,75 LiF 3,00 1,50 -0,029 0,28 1,78 8,85 240,7
  • Vorläufig identifizierte ternäre Li-M-F-Verbindungen sind nachstehend in Tabelle 10 zusammen mit dem zugehörigen Molekulargewicht und Bandlücke („E"„g") gezeigt, wobei mehrere von Tabelle 8 sind (wo gewisse MFx-Verbindungenmit LiF umgesetzt werden, um ternäre Li-M-F-Verbindungen zu bilden) und andere auf der Zusammensetzungssuche basieren, die binäre Metallfluoride verlängert, die nachweislich die besten Kandidaten sind. Tabelle 10. Li-M-F-Verbindungen zum weiteren Screening als LiFePO4-Beschichtungskandidaten.
    Li-M-F-Verbindung MW Eg (eV)
    Li3AlF6 161,79 7,690
    Li3ScF6 179,77 6,616
    Li2NiF4 148,57 5,086
    LiYF4 171,84 7,837
    LiInF4 197,75 4,023
    Li2SnF6 246,58 5,009
    LiCeF5 242,05 2,276
    LiBiF4 291,92 4,877
    LiMnF4 137,87 1,852
    LiMnF6 175,87 0,000
    Li2MnFs 163,81 1,843
    Li2MnF6 182,81 2,684
    Li2FeF6 183,72 0,313
    LiFe2F6 232,62 1,887
    LiFeF6 176,78 1,257
    Li3FeF6 190,66 3,984
    Li2MoF6 223,81 2,274
    Ähnlich wie bei der Beurteilung für MFx-Verbindungenwurde jede Li-M-F-Verbindung im Vergleich mit AlF3 auf Stabilität bei Kontakt mit LiFePO4 weiter bewertet, wie in Tabelle 11 veranschaulicht. Wie durch die „LiFePO4-Stabilitätsbewertung“ veranschaulicht, wiesen in Tabelle 11 11 von 17 Li-M-F-Verbindungen eine größere „LiFePO4-Stabilitätsbewertung“ als AlF3 auf. Diese 11 Li-M-F-Verbindungen wurden für die Reaktivität mit H2O weiter bewertet und festgestellt, dass diese nicht mit H2O reagieren. Tabelle 11. LiFePO4-Stabilität mit gewissen Li-M-F-Verbindungen.
    Li-M-F-Verbindung LiFePO4-Reaktion Verhältnis (Li-M-F:LiFePO4) Verhältnis vs. AlF3 Erxn (eV/Atom) Erxn V S. AlF3 Summe pro mg LiFePO4-Stabilitätsbewertung (%)
    Li3AlF6 Stabil 0,00 0,00 0,000 0,00 0,00 0,00 Beste (Unendlich)
    Li3 ScF6 Stabil 0,00 0,00 0,000 0,00 0,00 0,00 Beste (Unendlich)
    Li2NiF4 0,333 Li2NiF4 + 0,667 LiFePO4 → 0,333 LiNiPO4 + 0,333 Fe2PO4F + LiF 0,50 0,60 -0,004 0,24 0,83 5,61 424,1
    LiYF4 Stabil 0,00 0,00 0,000 0,00 0,00 0,00 Beste (Unendlich)
    LiInF4 0,667 LiFePO4 + 0,333 LiInF4 → 0,333 Fe2PO4F + 0,333 InPO4 + LiF 0,50 0,60 -0,014 0,82 1,42 7,19 331,1
    Li2SnF6 0,75 LiFePO-4 + 0,25 Li2SnF6 → 0,375 Fe2PO4F + 0,125 LiSn2(PO4)3 + 1,125 LiF 0,33 0,40 -0,010 0,59 0,99 4,00 594,7
    LiCeF5 0,727 LiFePO4 + 0,273 LiCeF5 → 0,364 Fe2PO4F + 0,091 CeO2 + 0,182 CeP2O7 + LiF 0,38 0,45 -0,004 0,24 0,69 2,83 841,4
    LiBiF4 0,333 LiBiF4 + 0,667 LiFePO4 → 0,333 BiPO4 + 0,333 Fe2PO4F + LiF 0,50 0,60 -0,005 0,29 0,89 3,06 778,5
    LiMnF4 0,5 LiFePO4 + 0,5 LiMnF4 → 0,25 Mn2PO4F + 0,25 Li3FeF6 + 0,25 LiFePO4F 1,00 1,20 -0,059 3,47 4,67 33,86 70,3
    LiMnF6 0,182 LiFePO4 + 0,818 LiMnF6 → 4,49 5,38 -0,271 15,94 21,32 121,25 19,6
    0,818 LiMnF4 + 0,182 LiPF6 + 0,182 FeF3 + 0,364 O2
    Li2MnF5 0,5 LiFePO4 + 0,5 Li2MnF5 → 0,25 Mn2PO4F + 0,25 Li3FeF6 + 0,25 LiFePO4F + 0,5 LiF 1,00 1,20 -0,048 2,82 4,02 24,55 97,0
    Li2MnF6 0,6 LiFePO4 + 0,4 Li2MnF6 → 0,2 LiMnPO4F + 0,1 Mn2PO4F + 0,3 Li3FeF6 + 0,3 LiFePO4F 0,67 0,80 -0,085 5,00 5,80 31,72 75,1
    Li2FeF6 0,25 LiFePO4 + 0,75 Li2FeF6 → 0,083 Fe2P3(O3F)3 + 0,25 FeF3 + 0,583 Li3FeF6+ 0,125 O2 3,00 3,59 -0,180 10,59 14,18 77,19 30,9
    LiFe2F6 0,6 LiFePO4 + 0,4 LiFe2F6 → 0,5 Fe2PO4F + 0,1 LiFePO4F + 0,3 Li3FeF6 0,67 0,80 -0,016 0,94 1,74 7,48 318,4
    LiFeF6 0,182 LiFePO4 + 0,818 LiFeF6 → 0,182 LiPF6 + 0,727 FeF3 + 0,273 Li3FeF6 + 0,364 O2 4,49 5,38 -0,357 21,00 26,38 149,24 16,0
    Li3FeF6 0,667 LiFePO4 + 0,333 Li3FeF6 → 0,333 Fe2PO4F + 0,333 LiFePO4F + 1,333 LiF 0,50 0,60 -0,003 0,18 0,78 4,07 585,6
    Li2MoF6 0,4 Li2MoF6 + 0,6 LiFePO4 → 0,2 LiMo2(PO4)3 + 0,6 FeF2 + 1,2 LiF 0,67 0,80 -0,020 1,18 1,98 8,82 269,9
  • Die 11 Li-M-F-Verbindungen mit einer größeren „LiFePO4-Stabilitätsbewertung“ als AlF3wurden für die Reaktivität mit H2O weiter bewertet und festgestellt, dass diese nicht mit H2O reagieren. Die HF-Reaktivität wurde auch für die 11 Li-M-F-Verbindungen bestimmt, bei denen, weil AlF3gegenüber HF stabil ist, Li2NiF4 als Referenzmaterial verwendet wurde, um eine „HF-Bewertung“ bereitzustellen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 12 gezeigt. Tabelle 12, HF-Stabilität mit Li-M-F-Kandidatenverbindungen.
    Li-M-F HF-Reaktion Verhältnis (Li-M-F:HF) Verhältnis vs. Li2NiF4 Erxn (eV/Atom) Erxn vs. Li2NiF4 Summe pro mg HF-Bewertung
    Li3AlF6 0,25 Li3AlF6 + 0,75 HF → 0,75 LiHF2 + 0,25 AlF3 0,33 0,67 -0,061 0,81 1,48 9,15 147,2
    Li3ScF6 0,25 Li3ScF6 + 0,75 HF → 0,75 LiHF2 + 0,25 ScF3 0,33 0,67 -0,080 1,07 1,73 9,64 139,6
    Li2NiF4 0,333 Li2NiF4 + 0,667 HF → 0,667 LiHF2 + 0,333 NiF2 0,50 1,00 -0,075 1,00 2,00 13,46 100,0
    LiYF4 0,5 HF + 0,5 LiYF4 → 0,5 LiHF2 + 0,5 YF3 1,00 2,00 -0,030 0,40 2,40 13,97 96,4
    LiInF4 0,5 HF + 0,5 LiInF4 → 0,5 InF3 + 0,5 LiHF2 1,00 2,00 -0,045 0,60 2,60 13,15 102,4
    Li2SnF6 Stabil 0,00 0,00 0,000 0,00 0,00 0,00 Beste (Unendlich)
    LiCeF5 0,5 HF + 0,5 LiCeF5 → 0,5 CeF4 + 0,5 LiHF2 1,00 2,00 -0,041 0,55 2,55 10,52 127,9
    LiBiF4 0,5 LiBiF4 + 0,5 HF → 0,5 BiF3 + 0,5 LiHF2 1,00 2,00 -0,038 0,51 2,51 8,59 156,8
    LiFe2F6 0,5 HF + 0,5 LiFe2F6 → 0,5 FeF2 + 0,5 LiHF2 + 0,5 FeF3 1,00 2,00 -0,028 0,37 2,37 10,20 131,9
    Li3FeF6 0,75 HF + 0,25 Li3FeF6 → 0,75 LiHF2 + 0,25 FeF3 0,33 0,67 -0,064 0,85 1,52 7,97 168,9
    Li2MoF6 0,333 Li2MoF6 + 0,667 HF → 0,167 MoF5 + 0,167 MoF3 + 0,667 LiHF2 2,00 4,00 -0,016 0,21 4,21 18,83 71,5
  • Für die 10 Li-M-F-Verbindungen mit einer HF-Bewertung von 100 % oder mehr wurde die LiF-Reaktivität bestimmt und es wurde festgestellt, dass LiFe2F6 mit LiF reagiert. Für die gegenüber LiF stabilen 9 Li-M-F-Verbindungen wurde die PF5 --Reaktivität für diese Li-M-F-Kandidaten im Vergleich zu Li2NiF4 bestimmt, um eine „PF5-Bewertung“ (ähnlich der Bestimmung der HF-Bewertung) bereitzustellen, wie in Tabelle 13 veranschaulicht. Ferner wurde ähnlich der Bestimmung der LiFePO4-Stabilität, HF-Reaktivität und PF5 --Reaktivität die LiOH-Reaktivität für die 9 Li-M-F-Verbindungen bestimmt, dann auf den Fall Li2NiF4 normalisiert, um eine „LiOH-Bewertung“ bereitzustellen, wie in Tabelle 14 angegeben. Tabelle 13. PF5-Stabilität der Li-M-F-Kandidatenverbindungen.
    Li-M-F PFs-Reaktion Verhältnis Verhältnis vs. Li2NiF4 Erxn (eV/Atom) Erxnvs. Li2NiF4 Summe pro mg PF5 --Bewertung
    Li3AlF6 0,25 Li3AlF6 + 0,75 PF5 → 0,75 LiPF6 + 0,25 AlF3 0,33 0,67 -0,038 0,83 1,49 9,23 145,9
    Li3ScF6 0,25 Li3ScF6 + 0,75 PF5 → 0,75 LiPF6 + 0,25 ScF3 0,33 0,67 -0,048 1,04 1,71 9,51 141,5
    Li2NiF4 0,333 Li2NiF4 + 0,667 PF5 → 0,667 LiPF6 + 0,333 NiF2 0,50 1,00 -0,046 1,00 2,00 13,46 100,0
    LiYF4 0,5 PF5 + 0,5 LiYF4 → 0,5 LiPF6 + 0,5 YF3 1,00 2,00 -0,022 0,48 2,48 14,42 93,3
    LiInF4 0,5 PF5 + 0,5 LiInF4 → 0,5 LiPF6 + 0,5 InF3 1,00 2,00 -0,032 0,70 2,70 13,63 98,8
    Li2SnF6 Stabil 0,00 0,00 0,000 0,00 0,00 0,00 Beste (Unendlich)
    LiCeF5 0,5 PF5 + 0,5 LiCeF5 → 0,5 CeF4 + 0,5 LiPF6 1,00 2,00 -0,030 0,65 2,65 10,96 122,9
    LiBiF4 0,5 LiBiF4 + 0,5 PF5 → 0,5 BiF3 + 0,5 LiPF6 1,00 2,00 -0,027 0,59 2,59 8,86 151,9
    Li3FeF6 0,5 PF5 + 0,5 LiFe2F6 → 0,5 LiPF6 + 0,5 FeF2 + 0,5 FeF3 0,33 0,67 -0,022 0,48 1,14 6,01 224,2
    Tabelle 14. LiOH-Stabilität der Li-M-F-Kandidatenverbindungen
    Li-M-F LiOH-Reaktion Verhältnis Verhältnis vs. Li2NiF4 Erxn (eV/Atom) Erxn vs. Li2NiF4 Summe pro mg LiOH-Bewertung
    Li3AlF6 0,25 Li3AlF6 + 0,75 LiHO → 0,25 H2O + 0,25 AlHO2 + 1,5 LiF 0,33 0,17 -0,076 0,85 1,02 6,31 213,4
    Li3ScF6 0,25 Li3ScF6 + 0,75 LiHO → 0,25 H2O + 0,25 ScHO2 + 1,5 LiF 0,33 0,17 -0,068 0,76 0,93 5,18 260,0
    Li2NiF4 0,333 Li2NiF4 + 0,667 LiHO → 0,333 NiO + 0,333 H2O + 1,333 LiF 2,00 1,00 -0,089 1,00 2,00 13,46 100,0
    LiYF4 0,75 LiHO + 0,25 LiYF4 → 0,25 YHO2 + 0,25 H2O + LiF 3,00 1,50 -0,045 0,51 2,01 11,67 115,3
    LiInF4 0,75 LiHO + 0,25 LiInF4 → 0,25 In(HO)3 + LiF 3,00 1,50 -0,151 1,70 3,20 16,17 83,3
    Li2SnF6 0,8 LiHO + 0,2 Li2SnF6 → 0,4 H2O + 1,2 LiF + 0,2 SnO2 4,00 2,00 -0,152 1,71 3,71 15,04 89,5
    LiCeF5 0,2 LiCeF5 + 0,8 LiHO → 0,2 CeO2 + 0,4 H2O + LiF 4,00 2,00 -0,152 1,71 3,71 15,32 87,9
    LiBiF4 0,25 LiBiF4 + 0,75 LiHO → 0,375 H2O + LiF + 0,125 Bi2O3 3,00 1,50 -0,097 1,09 2,59 8,87 151,7
    Li3FeF6 0,75 LiHO + 0,25 Li3FeF6 → 0,25 H2O + 1,5 LiF + 0,25 FeHO2 3,00 1,50 -0,107 1,20 2,70 14,17 95,0
  • Während gewisse Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, versteht es sich, dass Änderungen und Modifikationen darin gemäß dem gewöhnlichen Stand der Technik vorgenommen werden können, ohne von der Technologie in ihren breiteren Gesichtspunkten, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, abzuweichen.
  • Die hierin veranschaulichend beschriebenen Ausführungsformen können in geeigneter Weise in Abwesenheit eines beliebigen Elements oder Elementen, Einschränkung oder Einschränkungen, die hierin nicht spezifisch offenbart sind, praktiziert werden. Somit sollen zum Beispiel die Begriffe „umfassend“, „einschließlich“, „enthaltend“ usw. weitreichend und ohne Einschränkung gelesen werden. Zusätzlich wurden die hierin eingesetzten Begriffe und Ausdrücke als Begriffe der Beschreibung und nicht als Einschränkung eingesetzt, und es besteht keine Absicht bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke, jegliche Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Abschnitte davon auszuschließen, aber es wird erkannt, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Technologie möglich sind. Zusätzlich wird der Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ so verstanden, dass er diese Elemente einschließt, die spezifisch angegeben sind und jene zusätzlichen Elemente, welche die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften der beanspruchten Technologie nicht wesentlich beeinträchtigen. Der Ausdruck „bestehend aus“ schließt jedes Element aus, das nicht spezifiziert ist.
  • Die vorliegende Offenbarung darf hinsichtlich der in dieser Anmeldung beschriebenen bestimmten Ausführungsformen nicht eingeschränkt werden. Viele Modifikationen und Variationen können vorgenommen werden, ohne von ihrem Geist und Schutzumfang abzuweichen, wie es für Fachleute ersichtlich ist. In ihrer Funktion äquivalente Verfahren und Zusammensetzungen innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung, zusätzlich zu den hierin aufgezählten, werden dem Fachmann aus den vorstehenden Beschreibungen ersichtlich. Solche Modifikationen und Variationen sind als in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallend bezweckt. Die vorliegende Offenbarung soll nur durch die Begriffe der beigefügten Ansprüche zusammen mit dem vollen Schutzumfang von Äquivalenten begrenzt werden, auf die solche Ansprüche berechtigt sind. Es versteht sich, dass diese Offenbarung nicht auf bestimmte Verfahren, Reagenzien, Verbindungen, Zusammensetzungen oder Vorrichtungen beschränkt ist, die selbstverständlich variieren können. Es versteht sich auch, dass die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen dient und nicht einschränkend sein soll.
  • Zusätzlich wird, wenn Merkmale oder Gesichtspunkte der Offenbarung in Form von Markush-Gruppen beschrieben werden, der Fachmann erkennen, dass die Offenbarung dadurch auch im Hinblick auf jedes einzelne Glied oder Untergruppe von Elementen der Markush-Gruppe beschrieben wird.
  • Wie von einem Fachmann verstanden wird, umschließen für beliebige und alle Zwecke, insbesondere hinsichtlich der Bereitstellung einer schriftlichen Beschreibung, alle hierin offenbarten Bereiche auch beliebige und alle möglichen Unterbereiche und Kombinationen von Unterbereichen davon. Jeder aufgeführte Bereich kann leicht als ausreichend beschreibend erkannt werden und ermöglichen, dass der gleiche Bereich in mindestens gleiche Hälften, Drittel, Viertel, Fünftel, Zehntel usw. zerlegt wird. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann jeder hierin erörterte Bereich leicht in ein unteres Drittel, ein mittleres Drittel und ein oberes Drittel usw. zerlegt werden. Wie auch von einem Fachmann verstanden wird, schließt alle Sprache, wie „bis zu“, „mindestens“, „größer als“, „kleiner als“ und dergleichen die angegebene Zahl ein und bezieht sich auf Bereiche, die anschließend in Unterbereiche unterteilt werden können, wie vorstehend erörtert. Schließlich schließt, wie von einem Fachmann verstanden wird, ein Bereich jedes einzelne Glied ein.
  • Alle Veröffentlichungen, Patentanmeldungen, eingereichte Patente und andere Dokumente, auf die in dieser Patentschrift Bezug genommen wird, werden hierin durch Bezugnahme darauf aufgenommen, als ob jede einzelne Veröffentlichung, Patentanmeldung, eingereichtes Patent oder anderes Dokument ausdrücklich und einzeln angegeben würde, um durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen zu sein. Definitionen, die im Text enthalten sind, der durch Bezugnahme eingeschlossen wird, wird in dem Umfang ausgeschlossen, in dem er Definitionen in dieser Offenbarung widerspricht.
  • Andere Ausführungsformen sind in den folgenden Ansprüchen dargelegt.

Claims (20)

  1. Kathodenzusammensetzung, umfassend ein partikelförmiges Bulk-Kathodenaktivmaterial, das eine Beschichtung auf einer Oberfläche des partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials umfasst, wobei die Beschichtung ein Metallfluorid, ein Lithiummetallfluorid oder sowohl ein Metallfluorid als auch ein Lithiummetallfluorid umfasst; wobei die Beschichtung eine größere LiFePO4-Stabilitätsbewertung umfasst, wenn sie auf die von AlF3 bei 100 % normalisiert wird.
  2. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ein Metallfluorid umfasst und ferner eine größere LiOH-Bewertung umfasst, wenn sie auf die von FeF2 bei 100 % normalisiert wird.
  3. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ein Lithiummetallfluorid umfasst und ferner umfasst: eine größere HF-Bewertung, wenn sie auf die von Li2NiF4 bei 100 % normalisiert wird; oder eine größere PF5 --Bewertung, wenn sie auf die von Li2NiF4 bei 100 % normalisiert wird; oder sowohl eine größere HF-Bewertung, wenn sie auf die von Li2NiF4 bei 100 % normalisiert wird, als auch und eine größere PF5-Bewertung, wenn sie auf die von Li2NiF4 bei 100 % normalisiert wird.
  4. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung SrF2, LaF3, NdF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon umfasst.
  5. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung MgF2, MnF2, FeF2, MoF3 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon umfasst.
  6. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung Li3AlF6, Li3ScF6, Li2NiF4, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon umfasst.
  7. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung LiYF4, LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5 oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon umfasst.
  8. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Kathodenzusammensetzung etwa zu 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% das Metallfluorids, das Lithiummetallfluorids oder sowohl das Metallfluorids als auch das Lithiummetallfluorids umfasst.
  9. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine durchschnittliche Dicke auf dem Bulk-Kathodenaktivmaterial von etwa 5 nm bis etwa 2 µm umfasst.
  10. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ein erstes Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche des partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials und ein zweites Beschichtungsmaterial, welches das erste Beschichtungsmaterial überschichtet, umfasst, wobei: das erste Beschichtungsmaterial, das zweite Beschichtungsmaterial oder sowohl das erste Beschichtungsmaterial als auch das zweite Beschichtungsmaterial das Metallfluorid, das Lithiummetallfluorid oder sowohl das Metallfluorid als auch ein Lithiummetallfluorid umfassen.
  11. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 10, wobei das erste Beschichtungsmaterial eine Kohlenstoffbeschichtung umfasst und das zweite Beschichtungsmaterial MgF2, MnF2, FeF2, SrF2, MoF3, LaF3, NdF3, Li3AlF6,Li3ScF6, Li2NiF4, LiYF4,LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung von zwei oder mehr davon umfasst.
  12. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 10, wobei das erste Beschichtungsmaterial, das zweite Beschichtungsmaterial oder sowohl das erste Beschichtungsmaterial als auch das zweite Beschichtungsmaterial eine Kohlenstoffbeschichtung umfassen.
  13. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 10, wobei das erste Beschichtungsmaterial AlF3 umfasst und das zweite Beschichtungsmaterial MgF2, MnF2, FeF2, SrF2, MoF3, LaF3, NdF3, Li3AlF6, Li3ScF6, Li2NiF4, LiYF4, LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung von zwei oder mehr davon umfasst.
  14. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial eines oder mehrere Kathodenaktivmaterialien vom Olivin-Typ, ein nickelreiches Kathodenaktivmaterial oder eines oder mehrere Kathodenaktivmaterialien vom Olivin-Typ und ein nickelreiches Kathodenaktivmaterial umfasst.
  15. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial LiFePO4-Typ vom Olivin-Typ, LiMn1-xFePO4 vom Olivin-Typ, wobei 0 < x < 1, oder sowohl LiFePO4 vom Olivin-Typ als auch LiM1-xFePO4 vom Olivin-Typ, wobei 0 < x < 1, umfasst.
  16. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid („NMC“)-Kathodenmaterial ist.
  17. Kathodenzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterial LiCoO2, Li(NiaMnbCoc)O2, Li1+x(NiaMnbCoc)1-xO2 oder Li(MnαNiβ)2O4 ist, wobei 0 < a < 1, 0 < b < 1, 0 < c < 1, a+b+c = 1, 0 < α < 1, 0 < β < 1 und α+β = 1.
  18. Lithium-Ionen-Batterie, umfassend: eine Kathode, umfassend ein partikelförmiges Bulk-Kathodenaktivmaterial und wahlweise einen Stromabnehmer; und wahlweise ein Gehäuse; wobei: ein oder mehrere partikelförmige Bulk-Kathodenaktivmaterialien, der Stromabnehmer oder eine Innenoberfläche des Gehäuses mindestens teilweise mit einem Metallfluorid, einem Lithiummetallfluorid oder einer Kombination aus einem Metallfluorid und einem Lithiummetallfluorid beschichtet sind, wobei die Beschichtung eine größere LiFePO4-Stabilitätsbewertung umfasst, wenn sie auf die von AlF3 bei 100 % normalisiert wird.
  19. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 15, wobei die Beschichtung MgF2, MnF2, FeF2, SrF2, MoF3, LaF3, NdF3, Li3AlF6,Li3ScF6, Li2NiF4, LiYF4,LiInF4, Li2SnF6, LiCeF5, LiBiF4, Li3FeF6 oder eine Mischung von zwei oder mehr davon umfasst.
  20. Verfahren zum Fertigen einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie, wobei der Prozess umfasst: Mischen eines partikelförmigen Bulk-Kathodenaktivmaterials, das eine Oberflächenbeschichtung mit leitfähigem Kohlenstoff und einem Bindemittel in einem Lösungsmittel umfasst, um eine Aufschlämmung zu bilden, wobei die Oberflächenbeschichtung ein Metallfluorid, ein Lithiummetallfluorid oder sowohl ein Metallfluorid als auch ein Lithiummetallfluorid umfasst; Beschichten der Aufschlämmung auf einen Kathodenstromabnehmer und Entfernen des Lösungsmittels; wobei: die Oberflächenbeschichtung eine größere LiFePO4-Stabilitätsbewertung umfasst, wenn sie auf die von AlF3 bei 100 % normalisiert wird.
DE102023113358.6A 2022-05-27 2023-05-22 Hydrophobe schutzmaterialien für sekundärbatterien Pending DE102023113358A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/827,177 US20230387390A1 (en) 2022-05-27 2022-05-27 Protective hydrophobic materials for secondary batteries
US17/827,177 2022-05-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102023113358A1 true DE102023113358A1 (de) 2023-11-30

Family

ID=88696750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102023113358.6A Pending DE102023113358A1 (de) 2022-05-27 2023-05-22 Hydrophobe schutzmaterialien für sekundärbatterien

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230387390A1 (de)
KR (1) KR20230166044A (de)
CN (1) CN117133885A (de)
DE (1) DE102023113358A1 (de)

Also Published As

Publication number Publication date
CN117133885A (zh) 2023-11-28
US20230387390A1 (en) 2023-11-30
KR20230166044A (ko) 2023-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2569249B1 (de) Verfahren zur einkapselung von metalloxiden mit graphen und die verwendung dieser materialien
EP3208869B1 (de) Wiederaufladbare elektrochemische zelle
DE102018100278A1 (de) Poröse zellulosesubstrate für lithium-ionen-batterieelektroden
DE102018216045B4 (de) Positivelektrodenmaterial und dieses verwendende Lithiumsekundärbatterie
DE112011105969T5 (de) Lithiumsekundärbatterie
DE102015103598A1 (de) Lithium-Ionen-Sekundärbatterie
DE10218510B4 (de) Herstellungsfrische negative Elektrode für einen wiederaufladbaren Akkumulator, Akkumulator und Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode
EP3703161A1 (de) Wiederaufladbare batteriezelle mit einem aktiven elektrodendepolarisator
EP3771011A2 (de) Auf so2-basierender elektrolyt für eine wiederaufladbare batteriezelle und wiederaufladbare batteriezellen damit
DE102018214809A1 (de) Negativelektrode für eine Lithiumionensekundärzelle, Lithiumionensekundärzelle und Verfahren für ein Erzeugen einer Lithiumionensekundärzelle
DE102017215146A1 (de) POSITIVES AKTIVMATERIAL ZUR VERWENDUNG IN EINER SEKUNDÄREN LITHIUM-IONEN-Zelle und -BATTERIE
DE102023113338A1 (de) Ternäre oxidmaterialien für ni-reiche kathodenmaterialien für wiederaufladbare batterien
DE102023113224A1 (de) Beschichtungsprozess für kathodenmaterialien für wiederaufladbare batterien
DE102018117170A1 (de) Batteriezelle mit vergrössertem laschenbereich und verfahren und vorrichtung zum herstellen derselben
WO2018077937A1 (de) Neue bindersysteme für silicium-haltige kompositelektroden für lithium-ionen-batterien
DE102023113358A1 (de) Hydrophobe schutzmaterialien für sekundärbatterien
DE102023113845A1 (de) VERSCHLEIßRESISTENTE BESCHICHTUNG FÜR KATHODEN
EP0977291B1 (de) Positivelektrode von Lithium-Ionen-Zellen für Hochlastanwendungen
DE112019007013T5 (de) Positive Elektrode für Lithium-Ionen-Batterie sowie Lithium-Ionen-Batterie
DE102023112008A1 (de) Opferadditivmaterialien zum herstellen von überschüssigen li-ionen in wiederaufladbaren batterien
DE102023113326A1 (de) Kathodenmaterialien auf ölbasis mit verbesserter leitfähigkeit
DE102023116918A1 (de) Mikron- und submikron-grosse lithium-eisen-phosphat-partikel und verfahren zum herstellen derselben
DE102023121727A1 (de) Systeme und verfahren zum reduzieren oder verhindern der bildung von manganmetallen
DE102023121597A1 (de) Verwenden von funktionsgruppen in leitenden mitteln für mn-basierte kathodenmaterialien
DE102023113322A1 (de) Schutzbeschichtungen für kathodenpulver

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R082 Change of representative

Representative=s name: GRUENECKER PATENT- UND RECHTSANWAELTE PARTG MB, DE