DE102023115425A1

DE102023115425A1 - Multifunktionale getragene anode und kathoden

Info

Publication number: DE102023115425A1
Application number: DE102023115425.7A
Authority: DE
Inventors: Eunsung Lee; Feng Li; Chi Paik
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2022-06-28
Filing date: 2023-06-13
Publication date: 2023-12-28
Also published as: US20230420646A1; CN117352674A

Abstract

Ein hybrides Positivelektroden-Aktivmaterial beinhaltet ein erstes Positivelektroden-Aktivpulver und ein zweites Positivelektroden-Aktivpulver. Jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers berührt eine Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivmaterials. Charakteristischerweise ist die durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers kleiner als die durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers.

Description

GEBIET DER TECHNIK
In mindestens einem Aspekt wird eine hybride Elektrode bereitgestellt, die ein hybrides Aktivmaterial beinhaltet.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Kathoden-Aktivmaterialien bieten spezifische Funktionen, um wünschenswerte Zelleffizienzen zu ermöglichen. Diese Funktionen sind typischerweise mit unterschiedlichen Kathodenarten spezifiziert und gehen mit unterschiedlichen Kompromissen oder Lösungen einher. Derartige Kompromisse beinhalten hohe Energie, hohe Energie oder hohe Leistung oder hohe Effizienz oder lange Lebensdauer. Multifunktionale Kathoden sind für besonders anspruchsvolle Automobilanwendungen, wie etwa hohe Energie und hohe Leistung oder hohe Effizienz, sehr gefragt. In jedem Fall ist eine lange Batterielebensdauer ein wünschenswertes Attribut, das einen Wettbewerbsvorteil bereitstellen kann.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an alternativen Batterieelektroden-Ausgestaltungen und insbesondere an alternativen Positivelektroden-Ausgestaltungen.
KURZDARSTELLUNG
In mindestens einem Aspekt wird ein hybrides Positivelektroden-Material bereitgestellt. Das hybride Positivelektroden-Material beinhaltet ein erstes Positivelektroden-Aktivpulver und ein zweites Positivelektroden-Aktivpulver. Jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers berührt eine Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivmaterials. Charakteristischerweise ist die durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers kleiner als die durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers.
In einem weiteren Aspekt wird eine Positivelektrode für eine wiederaufladbare Lithiumionenbatterie bereitgestellt. Die Positivelektrode beinhaltet einen Stromkollektor und eine elektrochemisch aktive Schicht, die über dem Stromkollektor angeordnet ist. Die elektrochemisch aktive Schicht beinhaltet ein hybrides Positivelektroden-Aktivmaterial, das ein erstes Positivelektroden-Aktivpulver und ein zweites Positivelektroden-Aktivpulver aufweist. Jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers berührt eine Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers. Vorteilhafterweise ist die durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers kleiner als die durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers.
In einem weiteren Aspekt wird eine wiederaufladbare Lithiumionenbatterie bereitgestellt. Die wiederaufladbare Lithiumionenbatterie beinhaltet mindestens eine Lithiumionenbatteriezelle. Jede Lithiumionenbatteriezelle beinhaltet eine Positivelektrode, die einen Stromkollektor und eine elektrochemisch aktive Schicht beinhaltet, die über dem Stromkollektor angeordnet ist. Die elektrochemisch aktive Schicht, die ein hybrides Positivelektroden-Aktivmaterial umfasst, beinhaltet ein erstes Positivelektroden-Aktivpulver und ein zweites Positivelektroden-Aktivpulver. Jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers berührt eine Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers. Vorteilhafterweise ist die durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers kleiner als die durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers. Die wiederaufladbare Lithiumionenbatterie beinhaltet zudem eine Negativelektrode, die ein Negativ-Aktivmaterial beinhaltet, und einen Elektrolyten, der die Positivelektrode und die Negativelektrode berührt.
Die vorstehende Kurzdarstellung dient lediglich der Veranschaulichung und soll in keiner Weise einschränkend sein. Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen veranschaulichenden Aspekten, Ausführungsformen und Merkmalen werden weitere Aspekte, Ausführungsformen und Merkmale durch Bezugnahme auf die Zeichnungen und die folgende detaillierte Beschreibung ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein tieferes Verständnis des Wesens, der Objekte und der Vorteile der vorliegenden Offenbarung ist auf die folgende detaillierte Beschreibung Bezug zu nehmen, die in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen zu lesen ist, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei Folgendes gilt:

1A. Schematischer Querschnitt einer Positivelektrode, die ein hybrides Positivelektroden-Aktivmaterial beinhaltet und auf einer Seite eines Stromkollektors beschichtet ist.
1B. Schematischer Querschnitt einer Positivelektrode, die ein hybrides Positivelektroden-Aktivmaterial beinhaltet und auf beiden Seiten eines Stromkollektors beschichtet ist.
2A. Schematischer Querschnitt eines getragenen hybriden Positivelektroden-Aktivmaterials.
2B. Schematischer Querschnitt eines vermischten hybriden Positivelektroden-Aktivmaterials.
2C. Schematischer Querschnitt eines hybriden Positivelektroden-Kern-Hüllen-Aktivmaterials.
3A. Schematischer Querschnitt einer Negativelektrode, die ein hybrides Negativelektroden-Aktivmaterial beinhaltet und auf einer Seite eines Stromkollektors beschichtet ist.
3B. Schematischer Querschnitt einer Negativelektrode, die ein hybrides Negativelektroden-Aktivmaterial beinhaltet und auf beiden Seiten eines Stromkollektors beschichtet ist.
3C. Schematische Darstellung, die größere Partikel, wie etwa LaLiTiO₃, zeigt, die kleinere LTO- oder Graphitpartikel tragen.
4. Schematischer Querschnitt einer Batteriezelle, in die die Elektrode aus 2A integriert ist.
5. Schematischer Querschnitt einer Batterie, in die die Batteriezelle aus 3 integriert ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun wird detailliert auf gegenwärtig bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, die die besten Arten der Umsetzung der Erfindung darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt sind. Die Figuren sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Daher sind in dieser Schrift offenbarte spezifische Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für einen beliebigen Aspekt der Erfindung und/oder als repräsentative Grundlage, um den Fachmann den vielfältigen Einsatz der vorliegenden Erfindung zu lehren.
Mit Ausnahme der Beispiele und sofern nicht an anderer Stelle ausdrücklich anders angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Materialmengen oder Reaktions- und/oder Verwendungsbedingungen angeben, bei der Beschreibung des breitesten Umfangs der Erfindung als durch das Wort „etwa“ modifiziert zu verstehen. Im Allgemeinen ist eine Umsetzung innerhalb der angegebenen numerischen Grenzen bevorzugt. Außerdem gilt Folgendes, es sei denn, das Gegenteil ist ausdrücklich angegeben: alle R-Gruppen (z. B. Ri, wobei i eine ganze Zahl ist) beinhalten Wasserstoff, Alkyl, Niederalkyl, C_1-6-Alkyl, C_6-10-Aryl, C_6-10-Heteroaryl, Alkylaryl (z. B. C_1-8-Alkyl, C_6-10-Aryl), -NO₂, -NH₂, -N(R'R''), - N(R'R''R"')⁺L^-, Cl, F, Br, -CF₃, -CCl₃, -CN, -SO₃H, -PO₃H₂, -COOH, -CO₂R', -COR', -CHO, -OH, -OR', -O^-M⁺, -SO₃ ^-M⁺, -PO₃ ^-M⁺, -COO^-M⁺, -CF₂H, -CF₂R', -CFH₂ und -CFR'R'', wobei R', R'' und R''' C_1-10-Alkyl- oder C_6-18-Arylgruppen sind, M⁺ ein Metallion ist und L^- ein negativ geladenes Gegenion ist; R-Gruppen an benachbarten Kohlenstoffatomen können als - OCH₂O- kombiniert werden; einzelne Buchstaben (z. B. „n“ oder „o“) sind 1, 2, 3, 4 oder 5; in den in dieser Schrift offenbarten Verbindungen kann eine CH-Bindung ersetzt werden durch Alkyl, Niederalkyl, C_1-6-Alkyl, C_6-10-Aryl, C_6-10-Heteroaryl, -NO₂, -NH₂, -N(R'R''), - N(R'R''R''')⁺L^-, Cl, F, Br, -CF₃, -CCl₃, -CN, -SO₃H, -PO₃H₂, -COOH, -CO₂R', -COR', -CHO, -OH, -OR', -O^-M⁺, -SO₃'M⁺, -PO₃'M⁺, -COO^-M⁺, -CF₂H, -CF₂R', -CFH₂ und -CFR'R'', wobei R', R'' und R''' C_1-10-Alkyl- oder C_6-18-Arylgruppen sind, M⁺ ein Metallion ist und L^- ein negativ geladenes Gegenion ist; Wasserstoffatome an benachbarten Kohlenstoffatomen können durch -OCH₂O- ersetzt werden; wobei, wenn eine gegebene chemische Struktur einen Substituenten an einer chemischen Einheit (z. B. an einem Aryl, Alkyl usw.) beinhaltet, dieser Substituent einer allgemeineren chemischen Struktur zugeschrieben wird, die die gegebene Struktur umfasst; Prozent, „Teile von“, und Verhältniswerte beziehen sich auf das Gewicht; der Ausdruck „Polymer“ beinhaltet „Oligopolymer“, „Copolymer“, „Terpolymer“ und dergleichen; Molekulargewichte, die für beliebige Polymere bereitgestellt sind, beziehen sich auf das Gewichtsdurchschnittsmolekulargewicht, es sei denn, es ist etwas anderes angegeben; die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als für einen bestimmten Zweck in Verbindung mit der Erfindung geeignet oder bevorzugt impliziert, dass Gemische aus beliebigen zwei oder mehreren der Elemente der Gruppe oder Klasse gleich geeignet oder bevorzugt sind; die Beschreibung von Bestandteilen mit chemischen Ausdrücken bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt des Hinzufügens zu einer beliebigen in der Beschreibung spezifizierten Kombination und schließt nicht zwangsläufig chemische Interaktionen zwischen den Bestandteilen eines Gemischs aus, sobald diese vermischt sind; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgende Verwendungen derselben Abkürzung in dieser Schrift und gilt entsprechend für normale grammatische Variationen der anfänglich definierten Abkürzung; und, es sei denn, das Gegenteil ist ausdrücklich angegeben, die Messung einer Eigenschaft wird durch dieselbe Technik bestimmt, auf die sich vorstehend oder nachstehend für dieselbe Eigenschaft bezogen wurde/wird.
Es ist zudem zu beachten, dass die in der Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Singularformen „ein“, _„eine“ und „der/die/das“ Pluralbezüge umfassen, sofern der Kontext nicht deutlich etwas anderes angibt. Zum Beispiel soll eine Bezugnahme auf eine Komponente im Singular eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet der Ausdruck „etwa“, dass die fragliche Menge oder der fragliche Wert der festgelegte spezifische Wert oder ein anderer Wert in seiner Nachbarschaft sein kann. Im Allgemeinen soll der Ausdruck „etwa“, wenn er einen bestimmten Wert bezeichnet, einen Bereich innerhalb von +/- 5 % des Werts bezeichnen. Als ein Beispiel bezeichnet die Formulierung „etwa 100“ einen Bereich von 100+/- 5, d. h. den Bereich von 95 bis 105. Im Allgemeinen kann, wenn der Ausdruck „etwa“ verwendet wird, erwartet werden, dass ähnliche Ergebnisse oder Wirkungen gemäß der Erfindung innerhalb eines Bereichs von +/- 5 % des angegebenen Werts erlangt werden können.
Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet der Ausdruck „und/oder“, dass entweder alle oder nur eines der Elemente dieser Gruppe vorhanden sein können. Zum Beispiel soll „A und/oder B“ „nur A oder nur B oder sowohl A als auch B“ bedeuten. Im Fall von „nur A“ deckt der Ausdruck auch die Möglichkeit ab, dass B nicht vorhanden ist, d. h. „nur A, nicht aber B“.
Es versteht sich auch, dass diese Erfindung nicht auf die nachstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, da spezifische Komponenten und/oder Bedingungen natürlich variieren können. Darüber hinaus wird die in dieser Schrift verwendete Terminologie nur zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet und soll in keiner Weise einschränkend sein.
Der Ausdruck „umfassend“ ist synonym zu „beinhaltend“, „aufweisend“, „enthaltend“ oder „gekennzeichnet durch“. Diese Ausdrücke sind einschließend und offen und schließen zusätzliche, nicht genannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
Die Formulierung „bestehend aus“ schließt jedes Element, jeden Schritt oder jeden Inhaltsstoff aus, die nicht in dem Patentanspruch vorgegeben sind. Wenn diese Formulierung in einem Abschnitt des Hauptteils eines Patentanspruchs erscheint, anstatt unmittelbar auf den Oberbegriff zu folgen, schränkt sie nur das in diesem Abschnitt dargelegte Element ein; andere Elemente sind nicht aus dem Anspruch als Ganzes ausgeschlossen.
Die Formulierung „hauptsächlich bestehend aus“ beschränkt den Umfang eines Patentanspruchs auf die vorgegebenen Materialien oder Schritte, plus jene, die die grundlegende(n) und neuartige(n) Eigenschaft(en) des beanspruchten Gegenstands nicht wesentlich beeinflussen.
Die Formulierung „gebildet aus“ bedeutet „beinhaltend“ oder „bestehend aus“. Typischerweise wird diese Formulierung verwendet, um zu bezeichnen, dass ein Objekt aus einem Material ausgebildet ist.
In Bezug auf die Ausdrücke „umfassend“, „bestehend aus“ und „hauptsächlich bestehend aus“, kann, wenn einer dieser drei Ausdrücke in dieser Schrift verwendet wird, der gegenwärtig offenbarte und beanspruchte Gegenstand die Verwendung eines beliebigen der anderen beiden Ausdrücke beinhalten.
Der Ausdruck „eines oder mehrere“ bedeutet „mindestens eines“ und der Ausdruck „mindestens eines“ bedeutet „eines oder mehrere“. Die Ausdrücke „eines oder mehrere“ und „mindestens eines“ beinhalten „Vielzahl“ und „mehrere“ als eine Teilmenge. In einer Verfeinerung beinhaltet „eines oder mehrere“ „zwei oder mehr“.
Der Ausdruck „im Wesentlichen“, „im Allgemeinen“ oder „etwa“ kann in dieser Schrift verwendet werden, um offenbarte oder beanspruchte Ausführungsformen zu beschreiben. Der Ausdruck „im Wesentlichen“ kann einen Wert oder eine relative Eigenschaft modifizieren, der/die in der vorliegenden Offenbarung offenbart oder beansprucht wird. In derartigen Fällen kann „im Wesentlichen“ bedeuten, dass der Wert oder die relative Eigenschaft, den/die es modifiziert, innerhalb von ± 0 %, 0,1 %, 0,5 %, 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 % oder 10 % des Werts oder der relativen Eigenschaft liegt.
Es versteht sich zudem, dass Ganzzahlbereiche ausdrücklich alle dazwischenliegenden ganzen Zahlen beinhalten. Zum Beispiel beinhaltet der Ganzzahlbereich 1-10 ausdrücklich 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10. Gleichermaßen beinhaltet der Bereich 1 bis 100 1, 2, 3, 4, ... 97, 98, 99, 100. Gleichermaßen können, wenn ein beliebiger Bereich erforderlich ist, dazwischenliegende Zahlen, die Inkremente der Differenz zwischen der oberen Grenze und der unteren Grenze geteilt durch 10 sind, als alternative obere oder untere Grenzen genommen werden. Wenn zum Beispiel der Bereich 1,1 bis 2,1 ist, können die folgenden Zahlen 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9 und 2,0 als untere oder obere Grenze ausgewählt werden.
Wenn auf eine numerische Menge Bezug genommen wird, beinhaltet der Ausdruck „weniger als“ in einer Verfeinerung eine untere nicht beinhaltete Grenze, die 5 Prozent der nach „weniger als“ angegebenen Zahl beträgt. Zum Beispiel beinhaltet „weniger als 20“ eine untere nicht beinhaltete Grenze von 1 in einer Verfeinerung . Daher beinhaltet diese Verfeinerung von „weniger als 20“ einen Bereich zwischen 1 und 20. In einer weiteren Verfeinerung beinhaltet der Ausdruck „weniger als“ eine untere nicht beinhaltete Grenze, die in aufsteigender Präferenzreihenfolge 20 Prozent, 10 Prozent, 5 Prozent oder 1 Prozent der nach „weniger als“ angegebenen Zahl beträgt.
In den in dieser Schrift dargelegten Beispielen können Mengen, Temperaturen und Reaktionsbedingungen (z. B. Druck, pH-Wert, Strömungsraten usw.) mit plus oder minus 50 Prozent der angegebenen Werte auf zwei signifikante Stellen des in den Beispielen bereitgestellten Werts auf- oder abgerundet umgesetzt werden. In einer Verfeinerung können Mengen, Temperatur und Reaktionsbedingungen (z. B. Druck, pH-Wert, Strömungsraten usw.) mit plus oder minus 30 Prozent der angegebenen Werte auf zwei signifikante Stellen des in den Beispielen bereitgestellten Werts auf- oder abgerundet umgesetzt werden. In einer weiteren Verfeinerung können Mengen, Temperatur und Reaktionsbedingungen (z. B. Druck, pH-Wert, Strömungsraten usw.) mit plus oder minus 10 Prozent der angegebenen Werte auf zwei signifikante Stellen des in den Beispielen bereitgestellten Werts auf- oder abgerundet umgesetzt werden.
Für alle Verbindungen, die als empirische chemische Formel mit einer Vielzahl von Buchstaben und numerischen tiefgestellten Indizes (z. B. CH₂O) ausgedrückt sind, können die Werte der tiefgestellten Indizes plus oder minus 50 Prozent der angegebenen Werte auf zwei signifikante Stellen auf- oder abgerundet sein. Wenn zum Beispiel CH₂O angegeben ist, eine Verbindung der Formel C(_0,8-1,2)H(_1,6-2,4)0(_0,8-1,2). In einer Verfeinerung können die Werte der tiefgestellten Indizes plus oder minus 30 Prozent der angegebenen Werte auf zwei signifikante Stellen auf- oder abgerundet sein. In noch einer weiteren Verfeinerung können die Werte der tiefgestellten Indizes plus oder minus 20 Prozent der angegebenen Werte auf zwei signifikante Stellen auf- oder abgerundet sein.
Abkürzungen:

„LCO“ bedeutet Lithium-Kobalt-Oxid.
„NCMA“ bedeutet quaternäres Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material.
„NCA“ bedeutet ternäres Nickel-Kobalt-Aluminium-Material.
„LFP“ bedeutet Lithium-Eisen-Phosphat.
„LMP“ bedeutet Lithium-Mangan-Phosphat.
„LVP“ bedeutet Lithium-Vanadium-Phosphat.
„LMO“ bedeutet Lithium-Manganat.

Unter Bezugnahme auf 1A und 1B sind schematische Darstellungen einer Positivelektrode bereitgestellt, die ein gemischtes Positivelektroden-Aktivmaterial beinhaltet. Die Positivelektrode 10 beinhaltet eine Schicht 12 aus gemischtem Positivelektroden-Aktivmaterial, die ein hybrides Positivelektroden-Aktivmaterial beinhaltet, das über dem Positivelektroden-Stromkollektor 14 angeordnet ist und diesen typischerweise berührt. Typischerweise ist der Positivelektroden-Stromkollektor 14 eine Metallplatte oder Metallfolie, die aus einem Metall, wie etwa Aluminium, Kupfer, Platin, Zink, Titan und dergleichen, gebildet ist. Gegenwärtig wird Kupfer am häufigsten für den Positivelektroden-Stromkollektor verwendet. Das hybride Positivelektroden-Material beinhaltet ein erstes Positivelektroden-Aktivpulver und ein zweites Positivelektroden-Aktivpulver. Jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers berührt eine Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers. Vorteilhafterweise ist eine durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers kleiner als eine durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers. 1A zeigt ein Beispiel, bei dem die Schicht 12 aus hybridem Positivelektroden-Aktivmaterial über einer einzelnen Fläche des Stromkollektors 14 angeordnet ist, während 1B ein Beispiel zeigt, bei dem die Schicht 12 aus hybridem Positivelektroden-Aktivmaterial über zwei gegenüberliegenden Flächen des Stromkollektors 14 angeordnet ist.
In einer Variation beträgt die durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers etwa 10 nm bis etwa 1 Mikrometer und weist die durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 1 bis 20 Mikrometern auf.
In einer Variation trägt jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers die Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers, wie in 2A dargestellt. Vorteilhafterweise weist jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine ausreichende Porengröße auf, um zu ermöglichen, dass sich die Partikel des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers darin einlagern, wenn die Partikel in dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver anschwellen. Ein derartiges Anschwellen kann auftreten, wenn die Positivelektrode belastet wird, wie etwa während des Ladens oder Entladens heiß wird. 2 veranschaulicht die LMR-Partikeleinlagerung in NCM unter Belastungsbedingungen.
In einer weiteren Variation ist das erste Positivelektroden-Aktivpulver mit dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver vermischt, wie in 2B dargestellt.
In noch einer weiteren Variation ist eine Hülle, die aus dem ersten Positivelektroden-Aktivpulver gebildet ist, über einem Kern angeordnet, der aus dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver gebildet ist, wie in 2C dargestellt.
In einigen Variationen ist das erste Positivelektroden-Aktivpulver aus einem lithiumdeinterkalierenden/-interkalierenden Aktivmaterial mit hoher Leistung gebildet, während das zweite Positivelektroden-Aktivpulver aus einem Aktivmaterial mit hoher Energie gebildet ist. Zum Beispiel ist das erste Positivelektroden-Aktivpulver aus einer Komponente gebildet, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium-Manganat, dotiertem Lithium-Manganat oder Nickel-Kobalt-Mangan, und/oder ist das zweite Positivelektroden-Aktivpulver aus einem elektrochemisch aktiven Material gebildet, das Nickel in einer Menge von mehr als 60 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers beinhaltet. In einer Verfeinerung beinhaltet das zweite Positivelektroden-Aktivpulver eine Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Material (NCM), ternärem Nickel-Kobalt-Aluminium-Material (NCA), quaternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material (NCMA) und Kombinationen davon.
In noch einer weiteren Variation ist das zweite Positivelektroden-Aktivpulver aus einem Perowskitmaterial gebildet und ist das erste Positivelektroden-Aktivpulver aus einem Lithium-Manganat mit hoher Leistung oder einem elektrochemisch aktiven Material gebildet, das Nickel in einer Menge von mehr als 60 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers beinhaltet.
Unter Bezugnahme auf 3A und 3B sind schematische Darstellungen einer Negativelektrode bereitgestellt, die ein gemischtes Negativelektroden-Aktivmaterial beinhaltet. Die Negativelektrode 10 beinhaltet eine Schicht 12 aus gemischtem Negativelektroden-Aktivmaterial, die ein hybrides Negativelektroden-Aktivmaterial beinhaltet, das über dem Negativelektroden-Stromkollektor 17 angeordnet ist und diesen typischerweise berührt. Typischerweise ist der Negativelektroden-Stromkollektor 17 eine Metallplatte oder Metallfolie, die aus einem Metall, wie etwa Aluminium, Kupfer, Platin, Zink, Titan und dergleichen, gebildet ist. Gegenwärtig wird Aluminium am häufigsten für den Negativelektroden-Stromkollektor verwendet. Das hybride Negativelektroden-Material beinhaltet ein erstes Negativelektroden-Aktivpulver und ein zweites Negativelektroden-Aktivpulver. Jedes Partikel des zweiten Negativelektroden-Aktivpulvers berührt eine Vielzahl von Partikeln des ersten Negativelektroden-Aktivpulvers. Vorteilhafterweise ist die durchschnittliche Partikelgröße des ersten Negativelektroden-Aktivpulvers kleiner als die durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Negativelektroden-Aktivpulvers. 3A zeigt ein Beispiel, bei dem die Schicht 12 aus hybridem Negativelektroden-Aktivmaterial über einer einzelnen Fläche des Stromkollektors 14 angeordnet ist, während 3B ein Beispiel zeigt, bei dem die Schicht 12 aus hybridem Negativelektroden-Aktivmaterial über zwei gegenüberliegenden Flächen des Stromkollektors 17 angeordnet ist. Das hybride Negativ-Material kann eine getragene, vermischte oder Kern-Hüllen- Struktur sein, wie vorstehend für das Positivelektroden-Material beschrieben.
3C zeigt größere Partikel, wie etwa LaLiTiO₃, die kleinere LTO- oder Graphitpartikel tragen, die sich unter Belastungsbedingungen, wie vorstehend beschrieben, in dem größeren Partikel einlagern können.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine schematische Darstellung einer wiederaufladbaren Lithiumionenbatteriezelle, in die die Positivelektrode aus 1 integriert ist, bereitgestellt. Die Batteriezelle 20 beinhaltet die Positivelektrode 10, wie vorstehend beschrieben, die Negativelektrode 22 und einen Separator 24, der zwischen der Positivelektrode und der Negativelektrode eingefügt ist. Die Negativelektrode 22 beinhaltet einen Negativelektroden-Stromkollektor 26 und eine Schicht 28 aus Negativ-Aktivmaterial, die über dem Negativ-Stromkollektor angeordnet ist und diesen typischerweise berührt. Typischerweise ist der Negativelektroden-Stromkollektor 26 eine Metallplatte oder Metallfolie, die aus einem Metall, wie etwa Aluminium, Kupfer, Platin, Zink, Titan und dergleichen, gebildet ist. Gegenwärtig wird Kupfer am häufigsten für den Negativelektroden-Stromkollektor verwendet. Die Batteriezelle ist in einen Elektrolyten 30 eingetaucht, der durch ein Batteriezellengehäuse 32 umschlossen ist. Der Elektrolyt 30 wird in den Separator 24 aufgenommen. Anders ausgedrückt beinhaltet der Separator 24 den Elektrolyten, wodurch ermöglicht wird, dass sich Lithiumionen zwischen der Negativ- und der Positivelektrode bewegen. Der Elektrolyt beinhaltet ein nicht wässriges organisches Lösungsmittel und Lithiumsalz. Das nicht wässrige organische Lösungsmittel dient als Medium zum Übertragen von Ionen, die an der elektrochemischen Reaktion einer Batterie beteiligt sind.
Unter Bezugnahme auf 5 ist eine schematische Darstellung einer wiederaufladbaren Lithiumionenbatteriezelle, in die die Positivelektroden aus 1A und 1B und die Batteriezellen aus 3 integriert sind, bereitgestellt. Die wiederaufladbare Lithiumionenbatterie 40 beinhaltet mindestens eine Batteriezelle der Ausgestaltung in 2. Typischerweise beinhaltet die wiederaufladbare Lithiumionenbatterie 40 mindestens eine Batteriezelle 20ⁱ der Ausgestaltung aus 3. Jede Batteriezelle 20ⁱ beinhaltet eine Positivelektrode 10, wie vorstehend beschrieben, eine Negativelektrode 22, die ein Negativ-Aktivmaterial beinhaltet, und einen Elektrolyten 30, wobei i eine ganzzahlige Kennzeichnung für jede Batteriezelle ist. Die Kennzeichnung i verläuft von 1 bis nmax, wobei nmax die Gesamtanzahl der Batteriezellen in der wiederaufladbaren Lithiumionenbatterie 40 ist. Der Elektrolyt 30 beinhaltet ein nicht wässriges organisches Lösungsmittel und ein Lithiumsalz. Das nicht wässrige organische Lösungsmittel dient als Medium zum Übertragen von Ionen, die an der elektrochemischen Reaktion einer Batterie beteiligt sind. Die Vielzahl von Batteriezellen kann in Reihe, parallel oder in einer Kombination davon verdrahtet sein. Die Spannungsausgabe von der Batterie 40 wird über Anschlüsse 42 und 44 bereitgestellt. In einer weiteren Variation beinhalten die Positivelektrode und/oder die Negativelektrode jeweils unabhängig voneinander mindestens eine Schicht aus perowskitgetragenem Material. In einer weiteren Variation beinhalten die Positivelektrode und/oder die Negativelektrode jeweils unabhängig voneinander mindestens eine Schicht aus perowskitgetragenem Material.
In einer weiteren Variation beinhaltet das Positivelektroden-Aktivmaterial ein Aktivmaterial der Perowskitstruktur (z. B. CaTiO₃ und einer ähnlichen ABX₃-Struktur), das ein anderes Kathodenpartikel mit einer anderen Funktion berührt (z. B. aufnimmt, trägt usw.).
In einer weiteren Variation beinhaltet das Negativ-Aktivmaterial ein Aktivmaterial der Perowskitstruktur (z. B. eine ABX₃-Struktur), das ein anderes Kathodenpartikel mit einer anderen Funktion berührt (z. B. aufnimmt, trägt usw.).
Unter Bezugnahme auf 4 und 5 trennt der Separator 24 die Negativelektrode 22 physisch von der Positivelektrode 10, wodurch ein Kurzschluss verhindert wird, während der Transport von Lithiumionen zum Laden und Entladen ermöglicht wird. Daher kann der Separator 24 aus einem beliebigen Material gebildet sein, das für diesen Zweck geeignet ist. Beispiele für geeignete Materialien, aus denen der Separator 24 gebildet sein kann, beinhalten unter anderem Polytetrafluorethylen (z. B. TEFLON^®), Glasfaser, Polyester, Polyethylen, Polypropylen und Kombinationen davon. Der Separator 24 kann entweder in Form eines Gewebe- oder Vliesstoffs vorliegen. Der Separator 24 kann in Form eines Vlies- oder Gewebestoffs vorliegen. Zum Beispiel wird typischerweise ein Separator aus polyolefinbasiertem Polymer, wie etwa Polyethylen und/oder Polypropylen, für eine Lithiumionenbatterie verwendet. Um Hitzebeständigkeit oder mechanische Festigkeit sicherzustellen, kann ein beschichteter Separator, der eine Beschichtung aus Keramik oder einem Polymermaterial beinhaltet, verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 4 und 5 beinhaltet der Elektrolyt 30 ein Lithiumsalz, das in dem nicht wässrigen organischen Lösungsmittel gelöst ist. Daher beinhaltet der Elektrolyt 30 Lithiumionen, die während des Ladens in das Positivelektroden-Aktivmaterial und während des Entladens in das Anoden-Aktivmaterial interkalieren können. Beispiele für Lithiumsalze beinhalten unter anderem LiPF₆, LiBF₄, LiSbF₆, LiAsF₆, LiC₄F₉SO₃, LiClO₄, LiAlO₂, LiAlCl₄, LiCl, LiI, LiB(C₂O4)₂ und Kombinationen davon. In einer Verfeinerung beinhaltet der Elektrolyt das Lithiumsalz in einer Menge von etwa 0,1 M bis etwa 2,0 M.
Nach wie vor unter Bezugnahme auf 4 und 5 beinhaltet der Elektrolyt ein nicht wässriges organisches Lösungsmittel und ein Lithiumsalz. Vorteilhafterweise dient das nicht wässrige organische Lösungsmittel als Medium zum Übertragen von Ionen und insbesondere können Lithiumionen an der elektrochemischen Reaktion einer Batterie beteiligt sein. Geeignete nicht wässrige organische Lösungsmittel beinhalten carbonatbasierte Lösungsmittel, esterbasierte Lösungsmittel, etherbasierte Lösungsmittel, ketonbasierte Lösungsmittel, alkoholbasierte Lösungsmittel, aprotische Lösungsmittel und Kombinationen davon. Beispiele für carbonatbasierte Lösungsmittel beinhalten unter anderem Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Dipropylcarbonat, Methylpropylcarbonat, Ethylpropylcarbonat, Methylethylcarbonat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat und Kombinationen davon. Beispiele für esterbasierte Lösungsmittel beinhalten unter anderem Methyl-Acetat, Ethyl-Acetat, n-PropylAcetat, Methylpropionat, Ethylpropionat, γ-Butyrolakton, Decanolid, Valerolakton, Mevalonolakton, Caprolakton und Kombinationen davon. Beispiele für etherbasierte Lösungsmittel beinhalten unter anderem Dibutyl-Ether, Tetraglym, Diglyme, Dimethoxyethan, 2-Methyltetrahydrofuran, Tetrahydrofuran und dergleichen und das ketonbasierte Lösungsmittel kann Cyclohexanon und dergleichen beinhalten. Beispiele für ein alkoholbasiertes Lösungsmittel beinhalten unter anderem Methanol, Ethyl-Alkohol, n-Propyl-Alkohol, Isopropyl-Alkohol und dergleichen. Beispiele für das aprotische Lösungsmittel beinhalten unter anderem Nitrile, wie etwa R—CN (wobei R ein linearer, verzweigter oder zyklischer C_2-20-Kohlenwasserstoff ist, der eine Doppelbindung, einen aromatischen Ring oder eine Etherbindung beinhalten kann), Amide, wie etwa Dimethylformamid, Dioxolane, wie etwa 1,3-Dioxolan, Sulfolane und dergleichen. Vorteilhafterweise kann das nicht wässrige organische Lösungsmittel einzeln verwendet werden. In anderen Variationen können Gemische des nicht wässrigen organischen Lösungsmittels verwendet werden. Derartige Gemische sind typischerweise formuliert, um die Batterieeffizienz zu optimieren. In einer Verfeinerung wird ein carbonatbasiertes Lösungsmittel durch Mischen eines zyklischen Carbonats und eines linearen Carbonats hergestellt. In einer Variation kann der Elektrolyt 30 ferner Vinylencarbonat oder eine ethylencarbonatbasierte Verbindung beinhalten, um die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen.
Unter Bezugnahme auf 1, 4 und 5 können die Negativelektrode und die Positivelektrode durch Verfahren gefertigt werden, die dem Fachmann auf dem Gebiet von Lithiumionenbatterien bekannt sind. Typischerweise wird ein Aktivmaterial (z. B. das gemischte Positivelektroden- oder Negativelektroden-Aktivmaterial) mit einem leitfähigen Material und einem Bindemittel in einem Lösungsmittel (z. B. N-Methylpyrrolidon) zu einer aktiven Materialzusammensetzung gemischt und die Zusammensetzung auf einem Stromkollektor beschichtet. Das Elektrodenherstellungsverfahren ist hinlänglich bekannt und wird somit in der vorliegenden Beschreibung nicht im Detail beschrieben. Das Lösungsmittel beinhaltet N-Methylpyrrolidon und dergleichen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Unter Bezugnahme auf 1, 4 und 5 beinhaltet die Schicht 12 aus Positivelektroden-Aktivmaterial das vorstehend beschriebene gemischte Positivelektroden-Aktivmaterial, das ein Bindemittel und ein leitfähiges Material beinhaltet. Das Bindemittel kann die Bindungseigenschaften der Partikel des Positivelektroden-Aktivmaterials untereinander und mit dem Positivelektroden-Stromkollektor 14 erhöhen. Beispiele für geeignete Bindemittel beinhalten unter anderem Polyvinyl-Alkohol, Carboxylmethyl-Cellulose, HydroxypropylCellulose, Diacetyl-Cellulose, Polyvinylchlorid, carboxyliertes Polyvinylchlorid, Polyvinylfluorid, ein ethylenoxidhaltiges Polymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyurethan, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyethylen, Polypropylen, einen Styrol-Butadien-Kautschuk, einen Acrylat-Styrol-Butadien-Kautschuk, ein Epoxidharz, Nylon und dergleichen und Kombinationen davon. Das leitfähige Material stellt der Positivelektrode 10 elektrische Leitfähigkeit bereit. Beispiele für geeignete elektrisch leitfähige Materialien beinhalten unter anderem natürliches Graphit, künstliches Graphit, Ruß, Acetylenruß, Ketjenruß, Kohlenstofffasern, Kupfer, Metallpulver, Metallfasern und Kombinationen davon. Beispiele für Metallpulver und Metallfasern beinhalten Nickel, Aluminium, Silber und dergleichen.
Unter Bezugnahme auf 1, 4 und 5 beinhaltet die Schicht 26 aus Negativ-Aktivmaterial ein Negativ-Aktivmaterial, das ein Bindemittel und optional ein leitfähiges Material beinhaltet. Die in dieser Schrift verwendeten Negativ-Aktivmaterialien können diejenigen Negativ-Materialien sein, die dem Fachmann auf dem Gebiet von Lithiumionenbatterien bekannt sind. Negativ-Aktivmaterialien beinhalten unter anderem kohlenstoffbasierte Negativ-Aktivmaterialien, siliziumbasierte Negativ-Aktivmaterialien und Kombinationen davon. Ein geeignetes kohlenstoffbasiertes Negativ-Aktivmaterial kann Graphit und Graphen beinhalten. Ein geeignetes siliziumbasiertes Negativ-Aktivmaterial kann mindestens eines beinhalten, das aus Silizium, Siliziumoxid, mit leitfähigem Kohlenstoff auf der Oberfläche beschichtetem Siliziumoxid und mit leitfähigem Kohlenstoff auf der Oberfläche beschichtetem Silizium (Si) ausgewählt ist. Zum Beispiel kann Siliziumoxid durch die Formel SiO_z beschrieben sein, wobei z 0,09 bis 1,1 beträgt. Gemische aus kohlenstoffbasierten Negativ-Aktivmaterialien, siliziumbasierten Negativ-Aktivmaterialien können ebenfalls für das Negativ-Aktivmaterial verwendet werden.
Das Negativelektroden-Bindemittel erhöht die Bindungseigenschaften der Partikel des Negativ-Aktivmaterials untereinander und mit einem Stromkollektor. Das Bindemittel kann ein nicht wässriges Bindemittel, ein wässriges Bindemittel oder eine Kombination davon sein. Beispiele für nicht wässriges Bindemittel können Polyvinylchlorid, carboxyliertes Polyvinylchlorid, Polyvinylfluorid, ein ethylenoxidhaltiges Polymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyurethan, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyethylen, Polypropylen, Polyamidimid, Polyimid oder eine Kombination davon sein. Wässrige Bindemittel können kautschukbasierte Bindemittel oder Polymerharzbindemittel sein. Beispiele für kautschukbasierte Bindemittel beinhalten unter anderem Styrol-Butadien-Kautschuke, acrylierte Styrol-Butadien-Kautschuke, Acrylnitril-Butadien-Kautschuke, Acrylkautschuke, Butylkautschuke, Fluorkautschuke und Kombinationen davon. Beispiele für Polymerharzbindemittel beinhalten unter anderem Polyethylen, Polypropylen, Ethylenpropylen-Copolymer, Polyethylenoxid, Polyvinylpyrrolidon, Epichlorhydrin, Polyphosphazen, Polyacrylnitril, Polystyrol, Ethylenpropylendien-Copolymer, Polyvinylpyrrid, chlorsulfoniertes Polyethylen, Latex, ein Polyesterharz, ein Acrylharz, ein Phenolharz, Harz, ein Epoxidharz, Polyvinyl-Alkohol und Kombinationen davon.
Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke beschreibende und keine einschränkenden Ausdrücke und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener umsetzender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein hybrides Positivelektroden-Material bereitgestellt, das Folgendes aufweist: ein erstes Positivelektroden-Aktivpulver; und ein zweites Positivelektroden-Aktivpulver, wobei jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers berührt, wobei eine durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers kleiner als eine durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers ist.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers etwa 10 nm bis etwa 1 Mikrometer und weist die durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 1 bis 20 Mikrometern auf.
Gemäß einer Ausführungsform trägt jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers die Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers.
Gemäß einer Ausführungsform weist jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine ausreichende Porengröße auf, um zu ermöglichen, dass sich die Partikel des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers darin einlagern, wenn die Partikel in dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver anschwellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Positivelektroden-Aktivpulver mit dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver vermischt.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Hülle, die aus dem ersten Positivelektroden-Aktivpulver gebildet ist, über einem Kern angeordnet, der aus dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver gebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Positivelektroden-Aktivpulver aus einem lithiumdeinterkalierenden/-interkalierenden Aktivmaterial mit hoher Leistung gebildet, während das zweite Positivelektroden-Aktivpulver aus einem Aktivmaterial mit hoher Energie gebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Positivelektroden-Aktivpulver aus einer Komponente gebildet, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium-Manganat, dotiertem Lithium-Manganat oder Nickel-Kobalt-Mangan.
Gemäß einer Ausführungsform ist das zweite Positivelektroden-Aktivpulver aus einem elektrochemisch aktiven Material gebildet, das Nickel in einer Menge von mehr als 60 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers beinhaltet.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das zweite Positivelektroden-Aktivpulver eine Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Material (NCM), ternärem Nickel-Kobalt-Aluminium-Material (NCA), quaternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material (NCMA) und Kombinationen davon.
Gemäß einer Ausführungsform ist das zweite Positivelektroden-Aktivpulver aus einem Perowskitmaterial gebildet und ist das erste Positivelektroden-Aktivpulver aus einem Lithium-Manganat mit hoher Leistung oder einem elektrochemisch aktiven Material gebildet, das Nickel in einer Menge von mehr als 60 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers beinhaltet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Positivelektrode für eine wiederaufladbare Lithiumionenbatterie bereitgestellt, die Folgendes aufweist: einen Stromkollektor; und eine elektrochemisch aktive Schicht, die über dem Stromkollektor angeordnet ist, wobei die elektrochemisch aktive Schicht ein hybrides Positivelektroden-Aktivmaterial umfasst, das Folgendes umfasst: ein erstes Positivelektroden-Aktivpulver; und ein zweites Positivelektroden-Aktivpulver, wobei jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers berührt, wobei eine durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers kleiner als eine durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 10 nm bis etwa 1 Mikrometern auf und weist die durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 1 bis 20 Mikrometern auf.
Gemäß einer Ausführungsform trägt jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers die Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers.
Gemäß einer Ausführungsform weist jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine ausreichende Porengröße auf, um zu ermöglichen, dass sich die Partikel des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers darin einlagern, wenn die Partikel in dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver anschwellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine wiederaufladbare Lithiumionenbatterie bereitgestellt, die mindestens eine Lithiumionenbatteriezelle aufweist, wobei jede Lithiumionenbatteriezelle Folgendes beinhaltet: eine Positivelektrode, die Folgendes umfasst: einen Stromkollektor; und eine elektrochemisch aktive Schicht, die über dem Stromkollektor angeordnet ist, wobei die elektrochemisch aktive Schicht ein hybrides Positivelektroden-Aktivmaterial umfasst, das Folgendes umfasst: ein erstes Positivelektroden-Aktivpulver; und ein zweites Positivelektroden-Aktivpulver, wobei jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers berührt, wobei eine durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers kleiner als eine durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers ist; eine Negativelektrode, die ein Negativ-Aktivmaterial beinhaltet; und einen Elektrolyten, der die Positivelektrode und die Negativelektrode berührt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 10 nm bis etwa 1 Mikrometern auf und weist die durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 1 bis 20 Mikrometern auf.
Gemäß einer Ausführungsform trägt jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers die Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers.
Gemäß einer Ausführungsform weist jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine ausreichende Porengröße auf, um zu ermöglichen, dass sich die Partikel des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers darin einlagern, wenn die Partikel in dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver anschwellen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhalten die Positivelektrode und/oder die Negativelektrode mindestens eine Schicht aus perowskitgetragenem Material.

Claims

Hybrides Positivelektroden-Material, umfassend: ein erstes Positivelektroden-Aktivpulver; und ein zweites Positivelektroden-Aktivpulver, wobei jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers berührt, wobei eine durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers kleiner als eine durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers ist.
Hybrides Positivelektroden-Material nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers etwa 10 nm bis etwa 1 Mikrometern beträgt und die durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 1 bis 20 Mikrometern aufweist.
Hybrides Positivelektroden-Material nach Anspruch 1, wobei jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers die Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers trägt.
Hybrides Positivelektroden-Material nach Anspruch 3, wobei jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine ausreichende Porengröße aufweist, um zu ermöglichen, dass sich die Partikel des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers darin einlagern, wenn die Partikel in dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver anschwellen.
Hybrides Positivelektroden-Material nach Anspruch 1, wobei das erste Positivelektroden-Aktivpulver mit dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver vermischt ist.
Hybrides Positivelektroden-Material nach Anspruch 1, wobei eine Hülle, die aus dem ersten Positivelektroden-Aktivpulver gebildet ist, über einem Kern angeordnet ist, der aus dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver gebildet ist.
Hybrides Positivelektroden-Material nach Anspruch 1, wobei das erste Positivelektroden-Aktivpulver aus einem lithiumdeinterkalierenden/-interkalierenden Aktivmaterial mit hoher Leistung gebildet ist, während das zweite Positivelektroden-Aktivpulver aus einem Aktivmaterial mit hoher Energie gebildet ist.
Hybrides Positivelektroden-Material nach Anspruch 1, wobei das erste Positivelektroden-Aktivpulver aus einer Komponente gebildet ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium-Manganat, dotiertem Lithium-Manganat oder Nickel-Kobalt-Mangan.
Hybrides Positivelektroden-Material nach Anspruch 1, wobei das zweite Positivelektroden-Aktivpulver aus einem elektrochemisch aktiven Material gebildet ist, das Nickel in einer Menge von mehr als 60 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers beinhaltet.
Hybrides Positivelektroden-Material nach Anspruch 1, wobei das zweite Positivelektroden-Aktivpulver eine Komponente beinhaltet, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Material (NCM), ternärem Nickel-Kobalt-Aluminium-Material (NCA), quaternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material (NCMA) und Kombinationen davon.
Hybrides Positivelektroden-Material nach Anspruch 1, wobei das zweite Positivelektroden-Aktivpulver aus einem Perowskitmaterial gebildet ist und das erste Positivelektroden-Aktivpulver aus einem Lithium-Manganat mit hoher Leistung oder einem elektrochemisch aktiven Material gebildet ist, das Nickel in einer Menge von mehr als 60 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers beinhaltet.
Positivelektrode für eine wiederaufladbare Lithiumionenbatterie, umfassend: einen Stromkollektor; und eine elektrochemisch aktive Schicht, die über dem Stromkollektor angeordnet ist, wobei die elektrochemisch aktive Schicht ein hybrides Positivelektroden-Aktivmaterial umfasst, das Folgendes umfasst: ein erstes Positivelektroden-Aktivpulver; und ein zweites Positivelektroden-Aktivpulver, wobei jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers berührt, wobei eine durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers kleiner als eine durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers ist.
Positivelektrode nach Anspruch 12, wobei die durchschnittliche Partikelgröße des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 10 nm bis etwa 1 Mikrometern aufweist und die durchschnittliche Partikelgröße des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 1 bis 20 Mikrometern aufweist.
Positivelektrode nach Anspruch 12, wobei jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers die Vielzahl von Partikeln des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers trägt.
Positivelektrode nach Anspruch 14, wobei jedes Partikel des zweiten Positivelektroden-Aktivpulvers eine ausreichende Porengröße aufweist, um zu ermöglichen, dass sich die Partikel des ersten Positivelektroden-Aktivpulvers darin einlagern, wenn die Partikel in dem zweiten Positivelektroden-Aktivpulver anschwellen.