DE102023116918A1

DE102023116918A1 - Mikron- und submikron-grosse lithium-eisen-phosphat-partikel und verfahren zum herstellen derselben

Info

Publication number: DE102023116918A1
Application number: DE102023116918.1A
Authority: DE
Inventors: Soo KIM; Rubayyat Mahbub; Majid Talebiesfandarani; Sun Ung Kim; Sookyung Jeong; Tae Kyoung Kim; Ki Tae Park; Victor Prajapati
Original assignee: Rivian IP Holdings LLC
Current assignee: Rivian IP Holdings LLC
Priority date: 2022-07-01
Filing date: 2023-06-27
Publication date: 2024-01-04
Also published as: US20240006608A1; CN117334898A; KR20240003737A; JP2024007468A

Abstract

Ein Elektrodenaktivmaterial schließt einen Dotierstoff (M²) und ein Lithium-Eisen-Phosphat-Wirtsmaterial ein, wobei das Elektrodenaktivmaterial als LiM² _xFe_1-XPO₄ dargestellt ist; M² ein Übergangsmetall oder Hauptgruppenmetall ist; x 0,01 bis 0,15 beträgt; das Elektrodenaktivmaterial eine erhöhte Ionenleitfähigkeit verglichen mit einem Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO₄) ohne den Dotierstoff aufweist; und das Elektrodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung aufweist, die durch einen D₅₀ größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Technologie bezieht sich allgemein auf wiederaufladbare Lithium-Batterien. Insbesondere bezieht sich die Technologie auf Beschichtungen für Lithium-Eisen-Phosphat-Elektrodenaktivmaterialien.
KURZDARSTELLUNG
In einem Gesichtspunkt schließt ein Elektrodenaktivmaterial einen Dotierstoff (M²) und ein Lithium-Eisen-Phosphat-Wirtsmaterial ein, wobei das Elektrodenaktivmaterial als LiM² _xFe_1-XPO₄ dargestellt ist; M² ein Übergangsmetall oder Hauptgruppenmetall ist; x 0,01 bis 0,15 beträgt; das Elektrodenaktivmaterial eine erhöhte Ionenleitfähigkeit verglichen mit einem Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO₄) ohne den Dotierstoff aufweist; und das Elektrodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung aufweist, die durch einen D₅₀ größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist.
In einem anderen Gesichtspunkt schließt ein Kathodenaktivmaterial eine Kernphase der Formel LiFePO₄ ein; und eine Sekundärphase einer Verbindung der Formel LiM² _zP_pO_p ^, an oder nahe der Oberfläche der Kernphase; wobei z 1, 2 oder 3 ist; p 1, 2, 3 oder 4 ist; p' eine ganze Zahl von etwa 1 bis etwa 16 ist; M² Co, Cr, Gd, In, Mn, V, Zr oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon ist; M² in dem Kathodenaktivmaterial von etwa 0,1 bis etwa 15 Mol-% vorhanden ist; das Kathodenaktivmaterial eine erhöhte Ionenleitfähigkeit verglichen mit LiFePO₄ ohne die Sekundärphase aufweist; und das Kathodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung aufweist, die durch einen D₅₀ größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist.
In einem weiteren Gesichtspunkt schließt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle eine Anodenschicht; eine Kathodenschicht; und einen Separator oder einen festen Elektrolyten zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht ein. In der Lithium-Ionen-Batterie schließt die Kathodenschicht ein partikelförmiges Kathodenaktivmaterial mit einer Kernphase der Formel LiFePO₄ ein; und eine Sekundärphase einer Verbindung der Formel LiM² _zP_pO_p ^, an oder nahe der Oberfläche der Kernphase; wobei z 1, 2 oder 3 ist; p 1, 2, 3 oder 4 ist; p' eine ganze Zahl von etwa 1 bis etwa 16 ist; M² Co, Cr, Gd, In, Mn, V, Zr oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon ist; M² in dem Kathodenaktivmaterial von etwa 0,1 bis etwa 15 Mol-% vorhanden ist; das Kathodenaktivmaterial eine erhöhte Ionenleitfähigkeit verglichen mit LiFePO₄ ohne die Sekundärphase aufweist; und das Kathodenaktivmaterial mit eine Partikelgrößenverteilung aufweist, die durch einen D₅₀ größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist; und die Kathodenschicht einen Ladegrad auf dem Stromabnehmer (z. B. Aluminiumfolie) aufweist, der größer als 15 mg/cm² ist.
In einem zusätzlichen Gesichtspunkt schließt ein Prozess zum Herstellen eines Elektrodenaktivmaterials ein Bilden einer Lösung ein, die eine Lithiumquelle, eine Eisenquelle, eine Dotierstoffquelle und eine Phosphorquelle in einem Lösungsmittel umfasst; Mischen der Lösung bei einem vorbestimmten pH-Wert und für einen Zeitraum, um einen Niederschlag eines Zwischenvorläufers zu bilden; Auffangen des Niederschlags; und Glühen des Niederschlags bei einer erhöhten Temperatur, um eine dotierte Lithium-Eisen-Phosphat (LiM² _xFe_1-xPO₄)-Verbindung zu bilden, wobei M² der Dotierstoff ist und ein Übergangsmetall oder Hauptgruppenmetall umfasst. In einem solchen Prozess ist das LiM² _xFe_1-xPO₄ durch einen D₅₀ größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet; x beträgt 0,01 bis 0,15.
In einem anderen Gesichtspunkt kann eine elektrochemische Zelle eine Anode und eine Kathode einschließen, die jedes der hierin beschriebenen Elektrodenaktivmaterialien einschließt, wie einschließlich ein dotiertes Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat, wobei die Anode und/oder Kathode auch einen leitfähigen Kohlenstoff, ein Bindemittel, einen Stromabnehmer oder beliebige zwei oder mehr davon einschließen können.
In einem anderen Gesichtspunkt wird ein Prozess zum Wiederaufladen einer Lithium-Ionen-Batterie, die eines der hierin beschriebenen dotierten Lithium-Eisen-Phosphat-Materialien einschließt, bereitgestellt, schließt ein Anlegen einer Ladespannung an die Lithium-Ionen-Batterie ein, wobei eine Zeit, die erforderlich ist, um die Lithium-Ionen-Batterie zu laden, kleiner ist als eine Lithium-Ionen-Batterie, die ein undotiertes Lithium-Eisen-Phosphat-Wirtsmaterial umfasst.
In anderen Gesichtspunkten kann eine Batteriezelle in einen Batteriepack integriert sein, der eine Vielzahl von Batteriezellen umfasst. Solche Batterien, Batteriezellen oder Batteriepacks können dann in ein Hybridelektrofahrzeug oder Elektrofahrzeug als Stromquelle integriert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A, 1B, 1C und 1D schließen schematische Veranschaulichungen verschiedener Morphologien von dotiertem oder beschichtetem LiFePO₄ gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein.
2 ist eine schematische Veranschaulichung einer doppelseitig beschichteten Kathodenbeschichtungsschicht auf einem Stromabnehmer, die die Wirkung des Ladegrads und der volumetrischen Energiedichte veranschaulicht.
3 ist eine Veranschaulichung einer Querschnittsansicht eines Elektrofahrzeugs gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
4 ist eine Darstellung eines veranschaulichenden Batteriepacks gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
5 ist eine Darstellung eines veranschaulichenden Batteriemoduls gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
6A, 6B und 6C sind Querschnittsveranschaulichungen verschiedener Batterien, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
7 ist eine schematische Darstellung von LiFePO₄-Kathodenaktivmaterial gemäß den Beispielen
8 ist eine schematische Veranschaulichung, welche die Li⁺-Ionendiffusion in (010)-Richtung in LiFePO₄ gemäß verschiedenen Ausführungsformen beschreibt.
9 ist ein Vergleich der atomaren Struktur von unmodifiziertem (unberührtem; links) und modifiziertem (dotiertem; rechts) LiFePO₄ gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
10 ist eine Veranschaulichung der Energiebarriere der Li⁺-Ionendiffusion zwischen den unberührten und dotierten Kathodenmaterialien in (010)-Richtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
11 ist ein Hybrid-Pulsleistungscharakterisierungstest (HPPC-Test), um den Widerstand gegenüber dem Ladezustand für undotiertes LFP und modifiziertes (z. B. dotiertes) LFP gemäß verschiedenen Ausführungsformen zu messen.
12 ist ein Diagramm von elektrochemischen Impedanzspektroskopiemessungen (EIS-Messungen) für undotiertes LFP und modifiziertes (z. B. dotiertes) LFP gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
13 schließt Diagramme einer Spannung gegenüber einer Entladungskapazität für LFP-Materialien ein, die einen D₅₀ von etwa 100 nm und etwa 1 µm aufweisen, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
14 ist ein Diagramm einer elektronischen Leitfähigkeit über einer Temperatur (1/T) für undotiertes-LFP und modifiziertes (z. B. dotiertes) LFP gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen beschrieben. Es sollte beachtet werden, 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 einer beliebigen anderen Ausführungsform(en) in die Praxis umgesetzt werden.
Wie hierin verwendet, wird „etwa“ von Durchschnittsfachleuten verstanden und variiert in gewissem Maße in Abhängigkeit von dem Kontext, in dem es verwendet wird. Wenn es Verwendungen des Begriffs gibt, die dem Durchschnittsfachmann nicht klar sind, wird in dem Kontext, in dem es verwendet wird, „etwa“ bis zu plus oder minus 10 % des jeweiligen Begriffs bedeuten.
Die Verwendung der Begriffe „ein“, „eine“, „eines“ und „der“, „die“, „das“ und ähnliche Bezugnahmen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Elemente (insbesondere im Kontext der folgenden Ansprüche) sollen so ausgelegt werden, dass sie sowohl den Singular als auch den Plural abdecken, sofern hierin nicht anderweitig angegeben oder diesem eindeutig durch den Kontext widersprochen wird. Die Wiedergabe von Wertebereichen hierin soll lediglich als ein kurzschriftliches Verfahren zur individuellen Bezugnahme auf jeden separaten Wert dienen, der innerhalb des Bereichs fällt, sofern hierin nicht anderweitig angegeben, wobei jeder separate Wert in die Patentschrift aufgenommen wird, als wenn er hierin einzeln angegeben wäre. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern hierin nicht anderweitig angegeben oder diesem anderweitig eindeutig durch den Kontext widersprochen wird. Die hierin bereitgestellte Verwendung eines beliebigen und aller Beispiele oder von beispielhafte Sprache (z. B. „wie“) soll lediglich die Ausführungsformen besser beleuchten und stellt keine Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche dar, sofern nicht anderweitig angegeben. Keine Sprache in der Patentschrift sollte so ausgelegt werden, dass sie ein nicht beanspruchtes Element als wesentlich angibt.
Die LiMO₂ (M = Ni, Mn und/oder Co; d. h. „LiNMC“-Materialien) Kathodenaktivmaterialien werden routinemäßig aufgrund ihrer hohen Energiedichten (d. h., Hochspannung, Hohe Kapazität) in der aktuellen Elektrofahrzeugproduktion verwendet. Da Personenelektrofahrzeuge und/oder mobile elektronische Vorrichtungen (d. h. Telefone, Laptops, Tablets und dergleichen) einen sehr begrenzten Raum für die Platzierung von aufladbaren Batteriepacks aufweisen, ist die Verwendung von Kathodenmaterialien mit höherer Hochenergiedichte bei der Gestaltung solcher Vorrichtungen von hoher Bedeutung. Wenn der Ni-Gehalt in LiNMC-Kathoden zunimmt, wird auch die Batteriewärmestabilität beeinflusst, was zu verschiedenen Sicherheitsproblemen und Bedenken führt.
Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO₄; „LFP“) ist eine Klasse von Kathodenmaterialien, die sich auf LiNMC beziehen, aber vollständig auf der Oxidation und Reduktion des Eisens basieren. Es bietet auch bessere Sicherheitsprofile im Vergleich zu LiNMC-Materialien. Die Energiedichte von LFP ist tendenziell jedoch deutlich niedriger als die von LiNMCbasierten Kathoden. Die durchschnittliche Zellspannung von LFP beträgt etwa 3,2 V im Vergleich zu Graphit, während die durchschnittliche Spannung von LiMO₂(Lithiummetalloxid)-Kathodenmaterialien im Vergleich zu Graphit von etwa 3,4 bis 4,0 V variieren, je nach Metall. Darüber hinaus beträgt die praktische Kapazität von LFP-Materialien etwa 150 mAh/g bis etwa 165 mAh/g, im Vergleich zu LiNMC-Material, das Kapazitäten von etwa 170 mAh/g bis etwa 210 mAh/g aufweist. Wie hierin verwendet, ist die Energiedichte als das Produkt von Spannung und Kapazität definiert; daher wird erwartet, dass die Energiedichte von LFP niedriger als LiNMC-Materialien ist.
LFP-Kathodenmaterialien werden üblicherweise als Nanopartikel hergestellt, um die Li⁺-Ionendiffusionslänge zu verringern. Wenn die LFP-Partikelgröße reduziert wird, ist es jedoch schwieriger, ein Design mit hoher Energiedichte für Elektrofahrzeuganwendungen zu erreichen, da der Ladegrad (mg/cm²) und die Packungsdichte (g/cm³) beide ebenfalls reduziert sind. Dementsprechend ist es aufwändig, die LFP-Partikelgröße auf die zu erhöhen, die einen D₅₀ von etwa 1 µm oder mehr aufweisen. Während diese größeren LFP immer noch eine relativ hohe Kapazität von 140 bis 150 mAh/g bei einer niedrigeren C-Rate (z. B., C/3, normaler Betriebszustand) liefern können, sind deren Ratenfähigkeiten bei höherer C-Rate über 1C signifikant langsam (d. h. Schnelllade-/Entladebedingungen).
Hierin offenbart sind sekundäre Beschichtungsmaterialien für LiFePO₄ (LFP)-Kathodenaktivmaterialien mit größerem Format, um deren Energiedichte zu verbessern. Insbesondere hierin offenbart sind im Handel erhältliche LiFePO₄-Materialien mit einem D₅₀ von mehr als 1 µm, und die mit einer ersten Beschichtung versehen sind, die nicht gleichmäßig sein oder Defekte aufweisen kann, die dann durch die Sekundärbeschichtung gefüllt/adressiert werden. Die resultierenden doppelbeschichteten LFP-Materialien werden erwartungsgemäß eine erhöhte lonenleitfähigkeit im Li⁺-Ionenkanalpfad und eine verbesserte elektronische Leitfähigkeit und Ratenfähigkeiten aufweisen, um eine Schnittstelle zu erreichen, die einen größeren Kontakt zwischen der Kohlenstoffbeschichtung und den Oberflächenmetallatomen des im Handel erhältlichen LFP aufweist.
In einem ersten Gesichtspunkt schließt ein Elektrodenaktivmaterial einen Dotierstoff (M²) und ein Lithium-Eisen-Phosphat-Wirtsmaterial ein, das als LiM² _xFe_1-xPO₄ dargestellt ist. In dem Elektrodenaktivmaterial kann der Dotierstoff ein Übergangsmetall oder Hauptgruppenmetall sein, und das Elektrodenaktivmaterial weist verglichen mit einem Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LiFePO₄) ohne den Dotierstoff eine erhöhte Ionenleitfähigkeit auf, und das Elektrodenaktivmaterial weist eine Partikelgrößenverteilung (PSD) auf, die durch einen D₅₀ größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist. In der vorstehenden Formel beträgt x 0,01 bis 0,15.
Der Dotierstoff, M², kann Co, Cr, Gd, In, Mn, V, Zr oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon sein. In manchen Ausführungsformen ist M² Co²⁺, Co³⁺, Cr²⁺, Cr³⁺, Gd³⁺, In³⁺, Mn²⁺, Mn³⁺, Mn⁷⁺, V²⁺, V³⁺, V⁴⁺, Zr⁴⁺ oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon. Allgemein ist das M² insgesamt in der LiM² _xMn_yFe_1- _x-yPO₄-Verbindung von etwa 1 Mol- % bis etwa 15 Mol- % vorhanden.
Die Morphologie des Elektrodenaktivmaterials kann eine Vielfalt von Formen annehmen. Zum Beispiel kann es kugelförmig, eiförmig, stabförmig, scheibenförmig, sternförmig, rechteckig, ellipsenförmig und dergleichen sein und kann experimentell durch die Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (REM) bestimmt werden. Die Größenverteilungen können im Durchschnitt monomodal (d. h. mit einzelnen Maxima) oder bimodal (d. h. mit zwei Maxima) sein. Insgesamt kann ein Partikelgrößenanalysator verwendet werden, um die PSD zu bestimmen. In manchen Ausführungsformen ist die Partikelgrößenverteilung durch einen D₅₀ von 1 µm bis 5 µm gekennzeichnet. Andere Partikelgrößendeskriptoren können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel weist das Elektrodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung auf, die durch einen D₁₀ von 100 nm bis 0,6 µm gekennzeichnet ist. In manchen Ausführungsformen weist das Elektrodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung auf, die durch einen D₉₀ von 1,7 µm bis 25 µm gekennzeichnet ist.
Unter Bezugnahme auf 1, die verschiedene Morphologien zeigt, können der hierin beschriebene Metalldotierstoff oder die Beschichtungen eine Schicht („Schale“) 1025 auf der Oberfläche eines LiFePO₄-Kernmaterials 1020 (1B) bilden, oder der Metalldotierstoff oder die Beschichtungen können als diskrete Partikel oder „Inseln“ 1030 auf der Oberfläche des LiFePO₄-Materials 1020 bilden, das eine Anzahl von Formen kann, einschließlich der Kugeln oder Stäbe in 1C und 1D. In manchen Ausführungsformen ist das LiFePO₄ 1020 aus handelsüblichen Quellen bezogen und weist eine erste Beschichtungsschicht 1010 auf, die mit Lücken 1015 in der Schicht (1A) diskontinuierlich sein kann. In solchen Ausführungsformen können der hierin beschriebene Metalldotierstoff oder die Metallbeschichtungen die diskontinuierlichen Regionen oder Lücken füllen.
Um das Elektrodenaktivmaterial weiter zu schützen und zusätzliche Ionenleitfähigkeit bereitzustellen; kann das Elektrodenaktivmaterial eine Kohlenstoffbeschichtung einschließen. Die Kohlenstoffbeschichtung kann sp²-hybridisierte, sp³-hybridisierte Kohlenstoffatome oder Kombinationen davon einschließen. Üblicherweise wird das Verhältnis zwischen sp²- und sp³-Typ-Kohlenstoffen durch die Wahl von Kohlenstoffbeschichtungsvorläufern sowie Wärmebehandlungsbedingungen bestimmt. Das genaue Verhältnis zwischen dem sp² und sp³ kann durch Raman-Spektroskopie bestimmt werden, wobei sich das D-Band um 1350 cm^-1 befindet und das G-Band sich um 1620 cm^-1 befindet. Die D- und G-Bänder stellen jeweils Resonanzsignaturen für sp²- und sp³-hybridisierten Kohlenstoff dar. Ein übliches D/G-Intensitätsverhältnis kann von 0,8 bis 1,2 variieren. Untere D/G-Verhältnisse zeigen mehr sp²-artigen Kohlenstoff an, während höhere Verhältnisse mehr sp³-artigen Kohlenstoff anzeigen. Da sp³-artiger Kohlenstoff gesättigt ist und sp²-Kohlenstoff graphenartig ist, bestehend aus C-C-Bindung mit π-Elektronenwolken mit mehr sp²-Kohlenstoff, unterstützt die Beschichtung ein Erhöhen der Gesamtleitfähigkeit der LFP-Kathodenmaterialien.
In einem anderen Gesichtspunkt wird ein Kathodenaktivmaterial bereitgestellt, das eine Kernphase der Formel LiFePO₄ und eine Sekundärphase der Formel LiM² _zP_pO_p ^, an oder nahe der Oberfläche der Kernphase einschließt, wo das Kathodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung aufweist, die durch einen D₅₀ größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist. In diesen Formeln ist z 1, 2 oder 3; p ist 1, 2 oder 3, und p' ist eine ganze Zahl von etwa 1 bis etwa 16. Zusätzlich kann M² Co, Cr, Gd, In, Mn, V, Zr oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon sein. Die Sekundärphase der Formel LiM² _zP_pO_p ^, kann in der Wirtsphase bei weniger als etwa 15 Mol-% vorhanden sein. Interessanterweise weist das Kathodenaktivmaterial eine erhöhte lonenleitfähigkeit verglichen mit LiFePO₄ ohne die Sekundärphase der Formel LiM² _zP_pO_p auf.
Der Dotierstoff, M², kann Co, Cr, Gd, In, Mn, V, Zr oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon sein. In manchen Ausführungsformen ist M² Co²⁺, Co³⁺, Cr²⁺, Cr³⁺, Gd³⁺, In³⁺, Mn²⁺, Mn³⁺, Mn⁷⁺, V²⁺, V³⁺, V⁴⁺ , Zr⁴⁺ oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon. Allgemein ist das M² insgesamt in der LiM² _xMn_yFe_1-x-yPO₄-Verbindung von etwa 1 Mol- % bis etwa 15 Mol-% vorhanden. Wie vorstehend kann das Kathodenaktivmaterial eine Kohlenstoffbeschichtung einschließen.
In dem Kathodenaktivmaterial schließen veranschaulichende Sekundärphasen Li₃Mn₃(PO₄)₄, LiVP₂O₇, LiGd(PO₃)₄, LiMn(PO₃)₄, LiCo(PO₃)₄, Li₃Cr₂(PO₄)₃, LiCo(PO₃)₃, LiCoPO₄, LiV(PO₃)₄, LiZr₂(PO₄)₃, LiCrP₂O₇, LiVPO₅, LiInP₂O₇, LiFePO₄ oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon ₃ ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Sekundärphase kann in der Wirtsphase von etwa 0,01 Mol-% bis etwa 15 Mol-% vorhanden sein. Dies kann, wenn die Sekundärphase in der Wirtsphase vorhanden ist, von etwa 0,01 Mol-% bis etwa 10 Mol-% oder von etwa 0,01 Mol-% bis etwa 5 Mol-% einschließen.
Die Elektrodenaktivmaterialien weisen tendenziell eine partikelförmige Morphologie auf, und in den Partikeln kann die Sekundärphase in der Zusammensetzung bei höheren Konzentrationen nahe der Oberfläche der Partikel im Vergleich zum Kern der Partikel vorhanden sein. Wenn die Grenzflächenenergie zwischen der Sekundärphase und der Wirtsphase kleiner ist (d. h. eine Grenzfläche ist leichter zu bilden), kann die Sekundärphase als ein Nanokomposit mit den Wirtskathodenmaterialien als eine Niederschlagsform vorliegen, anstatt sich in Richtung des Oberflächenbereichs der Partikel zu segregieren.
In manchen Ausführungsformen ist die Partikelgrößenverteilung des Kathodenaktivmaterials durch einen D₅₀ von 1 µm bis 5 µm gekennzeichnet. In anderen Ausführungsformen kann das Elektrodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, die durch einen D₁₀ von 100 nm bis 0,6 µm gekennzeichnet ist. In manchen Ausführungsformen kann das Elektrodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, die durch einen D₉₀ von 1,7 µm bis 25 µm gekennzeichnet ist.
In einem anderen Gesichtspunkt schließt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht und einen Separator oder einen festen Elektrolyten zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht ein. Die Kathodenschicht kann jedes der hierin beschriebenen Elektrodenaktiv- oder Kathodenaktivmaterialien umfassen und kann einen Ladegrad auf dem Stromabnehmer (z. B. A1-Folie) von mehr als 15 mg/cm² aufweisen. In manchen Ausführungsformen weist die Kathodenschicht einen Elektrodenladegrad von 15 mg/cm² bis 25 mg/cm² auf. In anderen Ausführungsformen weist die Kathodenschicht einen Elektrodenladegrad von 18 mg/cm² bis 25 mg/cm² oder von 19 mg/cm² bis 21 mg/cm² auf.
Solche Ladedichten können zu einem höheren Energiedichtedesign führen als in standardmäßigen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zellen. 2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Batteriezellenstapels, einschließlich einer Kathodenaktivmaterialschicht 2010, einer Anodenaktivmaterialschicht 2020 und eines Separators 2030. Der linke Stapel ist eine Standardgröße mit einem Ladegrad von etwa 15 bis 17 mg/cm² und erzeugt bis zu 400 Wh/L. Der rechte Stapel ist eine Veranschaulichung der vorliegenden Strukturen, wobei gemäß manchen Ausführungsformen der höhere Ladegrad größer als 19 mg/cm² ist und mehr als 400 Wh/L bereitstellt.
Hierin werden auch Prozesse zum Herstellen der dotierten Lithium-Eisen-Phosphate (LiM² _xFe_1-xPO₄) bereitgestellt, wobei in einer solchen Formel M² den Dotierstoff darstellt, der ein Übergangsmetall oder Hauptgruppenelement ist. Der Prozess schließt ein Bilden einer Lösung ein, die eine Lithiumquelle, eine Eisenquelle, eine Dotierstoffquelle und eine Phosphorquelle in angemessenen stöchiometrischen Verhältnissen in einem Lösungsmittel einschließt. Die Quellkomponenten und das Lösungsmittel können verschiedene Verbindungen sein oder alternativ eine einzelne Verbindung sein, die als Quelle mehrerer Komponenten fungiert (z. B. kann saures Lösungsmittel wie H₃PO₄ als Phosphorquelle oder Li₃PO₄ kann sowohl als Lithiumquelle als auch Phosphorquelle dienen). Die Lösung wird dann bei einem vorbestimmten pH-Wert und für einen Zeitraum gemischt, der ausreicht, um einen Niederschlag einer Lithium-Metall-Phosphor-Sauerstoff-Zusammensetzung zu bilden, die ein Vorläufer der Lithium-Eisen-Phosphat-Dotierstoff ist. Der Niederschlag wird wachsen gelassen, bis eine Partikelgröße erreicht ist, die durch einen D₅₀ von mehr als oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist. Der Niederschlag wird dann gesammelt und dann einem Glühprozess unterzogen, bei dem die Lithium-Metall-Phosphor-Sauerstoff-Zusammensetzung erhitzt wird, um sie in das Lithiumdotierstoff-Eisen-Phosphat mit einer Partikelgrößenverteilung umzuwandeln, die durch einen D₅₀ von größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist. In der vorstehenden Formel beträgt x 0,01 bis 0,15.
In einem solchen Prozess schließen veranschaulichende Lithiumquellenmaterialien Li₂CO₃, Li₃PO₄, LiOH·H₂O, LiHCO₃ oder eine Mischung davon ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Eisenquelle kann ein Eisenmetall, ein Eisenmetalloxid oder ein Eisensalz sein. Diese können Fe⁰, Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe(NO₃)₂, Fe(NO₃)₃, FeCl₂, FeCl₃, FePO₄, FeSO₄, Fe₂(SO₄)₃ oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon oder einem Hydrat davon einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt.
Die Dotierstoffquelle kann auch das Dotierungsmetall als ein Dotierungsmetalloxid oder als ein Dotierungsmetallsalz sein. Veranschaulichende Dotierstoffquellen schließen M²-Metall, M² _qO_q', M² _q(NO₃)_q', M² _qCl_q', M² _q(PO₄)_q', M² _q(SO₄)_q', oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon, ein, sind aber nicht darauf beschränkt. wobei M² Co, Cr, Gd, In, Mn, V, Zr oder eine Mischung von beliebigen zwei oder mehr davon ist und q und q' einzeln 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 sind.
In dem Prozess wird das Mischen bei einem neutralen bis sauren pH-Wert durchgeführt (d. h. von etwa 1 bis 7). Das Mischen wird auch für eine Zeitdauer durchgeführt, die ausreicht, um einen Niederschlag zu nukleieren und zu bilden. Die Zeitdauer kann in verschiedenen Ausführungsformen von etwa 1 Minute bis 48 Stunden reichen. In einigen Ausführungsformen beträgt sie von etwa 1 Minute bis 24 Stunden, von etwa 1 Minute bis 12 Stunden, von etwa 1 Minute bis 6 Stunden oder von etwa 1 Minute bis etwa 1 Stunde.
Ebenfalls erwähnt wird die Temperatur, bei der das Mischen durchgeführt wird. Auch hier ist die Temperatur ausreichend, um den Niederschlag effizient zu bilden. Die erhöhte Temperatur kann von etwa 50 °C bis etwa 100 °C betragen.
Bei dem Prozess kann das Sammeln des Niederschlags das Sammeln durch Filtration einschließen, gefolgt von Waschen mit einem Lösungsmittel. Veranschaulichende Lösungsmittel schließen Wasser, Alkohole, Ketone und dergleichen ein, sind aber nicht darauf beschränkt.
Das Glühen kann in Luft durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen wird das Glühen in Gegenwart eines Gases durchgeführt, das N₂, H₂, CO, CO₂ oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen kann. Das Glühen kann bei einer erhöhten Temperatur durchgeführt werden. Zum Beispiel bei einer Temperatur von mehr als etwa 200 °C. Dies kann Temperaturen von 200 °C bis 1500 °C, von 400 °C bis 1500 °C, von 200 °C bis 1200 °C, von 400 °C bis 1200 °C, von 200 °C bis 1000 °C, von 600 °C bis 800 °C, von 600 °C bis 750 °C oder von 400 °C bis 1000 °C einschließen.
In einem anderen Gesichtspunkt kann eine elektrochemische Zelle eine Anode und eine Kathode einschließen, die jedes der hierin beschriebenen Elektrodenaktivmaterialien einschließt, wie einschließlich ein dotiertes Lithium-Eisen-Phosphat. In solchen Ausführungsformen können die Anode und/oder die Kathode auch einen leitfähigen Kohlenstoff (zusätzlich zu beliebigen Kohlenstoffbeschichtungen, die eingeschlossen sein können), ein Bindemittel, einen Stromabnehmer oder beliebige zwei oder mehr davon einschließen. Die Kathode kann jedes der Kathodenaktivmaterialien einschließen, wie hierin beschrieben.
Veranschaulichende leitfähige Kohlenstoffspezies schließen Graphit, Ruß, Super-P-Ruß, Ketjen-Schwarz, Acetylen-Schwarz, SWCNT, MWCNT, Graphit, Kohlenanofaser 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), Polyvinylalkohol) (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 liegt das Metall des Stromabnehmers in Form einer Metallfolie vor. 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.
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 Separator oder dem Festkörperelektrolyten zugewandt ist, so dass die zusammengebaute Zelle in einem ungeladenen Zustand kein aktives Anodenmaterial umfasst.
Die elektrochemischen Zellen können auch einen Elektrolyten einschließen. Der Elektrolyt kann ein lösungsbasierter Elektrolyt sein, der üblicherweise ein Lithiumsalz und Carbonat, ionische Flüssigkeit oder Etherlösungsmittel einschließt.
Die hierin beschriebenen elektrochemischen Zellen können eine Lithium-Ionen-Batterie sein.
In einem anderen Gesichtspunkt wird ein Prozess zum Aufladen einer Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellt, der jedes der hierin beschriebenen dotierten Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat-Materialien einschließt. Der Prozess des Wiederaufladens kann ein Anlegen einer Ladespannung an die Lithium-Ionen-Batterie einschließen, wobei eine Zeitdauer, die erforderlich ist, um die Lithium-Ionen-Batterie zu laden, kleiner als eine Lithium-Ionen-Batterie ist, die ein undotiertes Lithium-Eisen-Phosphat einschließt.
In einem anderen Gesichtspunkt stellt die vorliegende Offenbarung einen Batteriepack bereit, der das kathodenaktive Material, 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 einen 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 3 eine veranschaulichende Querschnittsansicht 100 eines Elektrofahrzeugs 105 dar, das mit mindestens einem Batteriepack 110 installiert ist. Das Elektrofahrzeug 105 kann unter anderem einen elektrischen Lastwagen, ein elektrisches SUV (Sport Utility Vehicle), einen elektrischen Lieferwagen, ein Elektro-Automobil, ein Elektroauto, ein Elektromotorrad, einen Elektroroller, einen elektrischen Personenkraftwagen, einen elektrischen Personenlastkraftwagen, ein elektrisches Nutzfahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein anderes Fahrzeug wie ein See- oder Lufttransportfahrzeug, ein Flugzeug, einen Hubschrauber, ein U-Boot, ein Boot oder eine Drohne einschließen. Der Batteriepack 110 kann auch als Energiespeicherungssystem zum Versorgen eines Gebäudes, wie eines Wohnhauses oder eines Geschäftsgebäudes, verwendet werden. Elektrofahrzeuge 105 können vollelektrisch oder teilweise elektrisch sein (z. B. Plug-in-Hybrid), und sie können vollständig autonom, teilweise autonom oder unbemannt sein. Elektrofahrzeuge 105 können auch von Menschen bedient werden oder nicht autonom sein.
Elektrofahrzeuge 105, wie beispielsweise Elektro-LKWs oder -Autos, 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 stützen. Das Chassis 125 kann sich über einen vorderen Abschnitt 130 (z. B. eine Motor- oder Kühlerhaubenabschnitt), 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. Beispielsweise 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. Beispielsweise 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.
In 4 ist ein veranschaulichender Batteriepack 110 dargestellt. Bezugnehmend auf 4 kann der Batteriepack 110 unter anderem dem Elektrofahrzeug 105 Leistung bereitstellen. Batteriepacks 110 können eine beliebige Anordnung oder ein Netzwerk elektrischer, elektronischer, mechanischer oder elektromechanischer Vorrichtungen einschließen, um ein Fahrzeug beliebigen Typs, wie beispielsweise 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 oder unterhalb des Batteriemoduls 115 einschließen, um das Batteriemodul 115 vor äußeren Einflüssen zu schützen, zum Beispiel wenn das Elektrofahrzeug 105 über unwegsames Gelände (z. B. Off-Road, Gräben, Felsen usw.) gefahren wird. Der Batteriepack 110 kann mindestens eine Kühlleitung 210 einschließen, die Fluid durch den Batteriepack 110 als Teil eines Wärme-/Temperatursteuerungs- 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, wie unter anderem zwischen den oberen und unteren Submodulen. 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.
5 stellt veranschaulichende Batteriemodule 115 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 innerhalb des oberen Submoduls 220 und des unteren Submoduls 225 angeordnet oder thermisch dazwischen 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 einigen Ausführungsformen kann jedes Submodul 220, 225 als ein komplettes Batteriemodul 115 anstelle von einem 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, die zylindrische Zellen, prismatische Zellen oder andere Formfaktorzellen sind. Das Batteriemodul 115 kann als eine modulare Einheit von Batteriezellen 120 betrieben werden. Zur Veranschaulichung kann ein Batteriemodul 115 Strom oder elektrische Energie von den Batteriezellen 120, die in das Batteriemodul 115 eingeschlossen sind, sammeln und den Strom oder die elektrische Energie als Ausgang des Batteriepacks 110 bereitstellen. Der Batteriepack 110 kann eine beliebige Anzahl von Batteriemodulen 115 einschließen. Beispielsweise kann das 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, aber 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. 6A, 6B und 6C stellen veranschaulichende Querschnittansichten von Batteriezellen 120 in solchen verschiedenen Formfaktoren dar. Zum Beispiel ist 6A eine zylindrische Zelle, 6B ist eine prismatische Zelle und 6C ist die Zelle zur Verwendung in einem Beutel. Die Batteriezellen 120 können durch Einsetzen einer gewundenen oder gestapelten Elektrodenrolle (z. B. einer Jellyroll) einschließlich eines Elektrolytmaterials in mindestens ein Batteriezellengehäuse 230 zusammengesetzt werden. Das Elektrolytmaterial, z. B. eine ionisch leitfähige Flüssigkeit oder ein anderes Material, kann elektrische Leistung für die Batteriezelle 120 erzeugen oder bereitstellen. 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.
Wie in den 6A bis 6C veranschaulicht, kann das Gehäuse 230 der Batteriezelle 120 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 der 1000er, 4000er oder 5000er Serie), Eisen, eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung (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 unter anderem) 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 Polymerseparator einschließen, der im Falle von Li-Ionen-Batterien einen flüssigen Elektrolyten oder im Falle von Festkörperbatterien eine Elektrolytschicht 260 umfasst, der in dem Hohlraum 250 angeordnet ist. Der Separator 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 flüssigen oder festen Elektrolyten können Kationen (z. B. Li⁺-Ionen) während eines Entladevorgangs der Batteriezelle 120 von der Anodenschicht 245 zu der Kathodenschicht 255 übertragen und während eines Ladens umgekehrt.
6B 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 eine Elektrolytschicht 260 einschließen, die innerhalb des Gehäuses 230 angeordnet sind. Die prismatische Batteriezelle 120 kann eine Vielzahl von Anodenschichten 245, Kathodenschichten 255 und 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 hier allgemein beschriebene vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele leichter verstanden, die zur Veranschaulichung bereitgestellt sind und nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung dienen sollen.
BEISPIELE
Allgemein. Verfahrensweisen basierend auf der First-Principles-Dichtefunktionaltheorie (DFT) können kombiniert mit einem Maschinenlernalgorithmus verwendet werden, um Materialien zu bestimmen, zu verstehen und vorauszuwählen, welche die gewünschten Eigenschaften aufweisen, um die hierin beschriebenen Lithium-Eisen-Phosphat-Materialien zu modifizieren. 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 DFT-Algorithmen können verwendet werden, um auch die elektrochemischen Eigenschaften wie eine durchschnittliche Spannung
zwischen x = x₁ und x₂ in LiM² _xFe_1-xPO₄-Materialien zu bestimmen, unter Verwendung der Gibbs-Energie (ΔG), die aus den internen DFT-Energie (E)-Berechnungen gemäß der folgenden Gleichung erhalten wird: $\bar{V} = - \frac{Δ G}{(x_{2} - x_{1}) n e} \approx - \frac{E_{L i_{x_{2}} M X} - E_{L i_{x_{1}} M X} - n E_{L i}}{(x_{2} - x_{1}) n e}$
Unter Verwendung von DFT wurden verschiedene Kandidatenmaterialien identifiziert. Tabelle 1 ist eine Auflistung potenzieller Kandidaten für dotierte Materialien.

Tabelle 1. Liste von Lithium-Metall-Phosphaten, die zur Einbeziehung als Dotierstoff in oder Beschichtung auf LiFePO₄-Kathodenaktivmaterialien in Betracht gezogen werden können. Die Tabelle schließt die Leitfähigkeit und Betriebsspannung für jede verglichen mit der Referenz LiFePO₄ ein.

Li-M-P-O	σ [S/cm]	*V über* Li/Li** ⁺	Klassifizierung
Li₃Mn₃(PO₄)₄	1,763 × 10^-6	4,82	Hochspannung, ionisch leitfähige Beschichtung
LiVP₂O₇	1,365 × 10^-6	3,87	Mittelhohe Spannung, ionisch leitfähige Beschichtung
LiGd(PO₃)₄	8,721 × 10^-7	N/A	Nicht-redoxaktive, ionisch leitfähige Beschichtung
LiMn(PO₃)₄	7,603 × 10^-7	3,72	Mittelhohe Spannung, ionisch leitfähige Beschichtung
LiCo(PO₃)₄	7,265 × 10^-7	6,19	Hochspannung, ionisch leitfähige Beschichtung
Li₃Cr₂(PO₄)₃	6,167 × 10^-7	4,44	Hochspannung, ionisch leitfähige Beschichtung
LiCo(PO₃)₃	5,335 × 10^-7	5,25	Hochspannung, ionisch leitfähige Beschichtung
LiCoPO₄	3,636 × 10^-7	4,80	Hochspannung, ionisch leitfähige Beschichtung
LiV(PO₃)₄	1,842 × 10^-7	4,71	Hochspannung, ionisch leitfähige Beschichtung
LiZr₂(PO₄)₃	4,190 × 10^-8	N/A	Nicht-redoxaktive, ionisch leitfähige Beschichtung
LiCrP₂O₇	3,306 × 10^-8	4,69	Hochspannung, ionisch leitfähige Beschichtung
LiVPO₅	2,985 × 10^-8	3,66	Mittelhohe Spannung, ionisch leitfähige Beschichtung
LiInP₂O₇	1,186 × 10^-8	N/A	Nicht-redoxaktive, ionisch leitfähige Beschichtung
LiFePO₄	4,452 × 10-¹¹	3,50	Referenz

Die Ionenleitfähigkeit ist ein wichtiges Maß, um zu bestimmen, wie schnell Li⁺-Ionen sich in und aus einer Wirt-Elektrodenstruktur bewegen können. 7 ist eine schematische Veranschaulichung eines LiFePO₄-Kathodenmaterials (M = Fe, Mn, usw.). In der Kathodenstruktur treten die Li⁺-Ionen über die (010)-Richtung ein und aus, d. h. 1D Li⁺-Kanal, in Richtung in/aus der Seite.
8 ist eine schematische Veranschaulichung, welche die Li⁺-Ionendiffusion in den Kathodenmaterialien beschreibt. In den unberührten Kathodenmaterialien durchlaufen Li⁺-Ionen die (010)-Richtung, wobei Li⁺-Ionen von den FeO₆- und PO₄-Polyeder-Einheiten umgeben sind. Wenn ein neuer Dotierstoff an der Metallstelle eingeführt wird, kann die lokale atomare Interaktion zwischen Li⁺-Ionen und den FeO₆-Oktaedern entsprechend beeinflusst werden. Gleichzeitig kann die lokale Strukturverzerrung die Li⁺-Ionendiffusionskanaldicke, -länge und/oder Form signifikant beeinflussen.
9 ist ein Vergleich der atomaren Struktur von unberührten (links) und dotierten (rechts) Kathodenmaterialien. Wie nachstehend gezeigt, wird die lokale Interaktion zwischen FeO₆, PO₄ und Li⁺-Ionen durch eine abrupte strukturelle Verzerrung in dem (Übergangs-) Metalluntergitter beeinflusst. 10 ist eine Veranschaulichung der Energiebarriere der Li⁺-Ionendiffusion zwischen den unberührten und dotierten Kathodenmaterialien in (010)-Richtung. Je niedriger die Energiebarriere ist, desto einfacher ist die Li⁺-Ionendiffusion innerhalb des Materials. 11 ist eine Hybrid-Pulsleistungscharakterisierungsmessung (HPPC-Messung) bei einem unterschiedlichen Ladezustand (SOCs). HPPC-Tests können beim Bestimmen der Leistungsfähigkeit über den nutzbaren Spannungsbereich der EV-Zelle helfen. Ein kurzer Entladeimpuls erzeugt Widerstand (d. h. V = 1*R), der den Lade-/Entladeprozess nachahmt, der bei Beschleunigung und regenerativem Bruch an dem EV auftreten kann. Üblicherweise ist ein geringerer Widerstand günstiger und kann die EV-Beschleunigung und Leistung unterstützen.
12 ist ein Diagramm von elektrochemischen Impedanzspektroskopie-Messungen. In der Figur beziehen sich die Halbkreise (üblicherweise zwei Halbkreise oder einer, wenn einer viel kleiner als ein anderer ist) auf die Beständigkeit der Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) und den Ladungsübertragungswiderstand. Je kleiner die Halbkreise, desto geringer ist die SEI und/oder der Ladungsübertragungswiderstand. In 12 weist LFP einen größeren Halbkreis (Diamant) auf als modifiziertes LFP (Kreis). Eine Warburg-Impedanz ergibt eine gerade Linie mit einer Phase in einem Winkel von 45 Grad. In 12 ist eine gerade Linie für LFP (Diamant) und modifiziertes LFP (Kreis) gezeigt, wo die Halbkreise enden. Eine höhere Steigung zeigt eine bessere Festkörperdiffusion an. Insgesamt weist das modifizierte LFP niedrigere SEI und Ladungstransferwiderstände auf, während die Festkörperdiffusion der unberührten Probe ähnlich ist, wobei der Winkel einander ähnlich ist, um 30 bis 40 Grad. Zusammenfassend liegt der Gesamtwiderstand des modifizierten LFP (Kreis) viel niedriger als des unberührten LFP (Diamant).
13 veranschaulicht die Wirkung der Partikelgröße auf das Diffusionsvermögen. Für das modifizierte LFP ist das Diffusionsvermögen höher (≈10 -¹³m²/s), während das Diffusionsvermögen des unberührten LFP niedriger ist (≈10^-18m²/s). Wenn die durchschnittliche Partikelgröße 100 nm beträgt, macht diese Differenz des Diffusionsvermögens keinen allzu großen Unterschied, um volle Kapazitäten zu erhalten, wie in dem linken Bereich gezeigt. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße jedoch größer ist (z. B. 1 µm), da die Diffusionslänge lang, das Diffusionsvermögen jedoch niedrig ist, ist es möglich, nur einen Bruchteil der Entladekapazität zu erhalten (wie in dem rechten Bereich gezeigt).
14 ist ein Protokoll elektronischer Leitfähigkeit über 1/T (d. h. ein „Arrhenius-Diagramm“). Die Figur zeigt eine starke Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit für verschiedene zu testende LFP-Materialien. Zum Beispiel weist unberührtes LFP die niedrigste elektronische Leitfähigkeit auf, während modifizierte LFPs in allen Temperaturbereichen höhere Leitfähigkeiten aufweisen.
Experimentelles Verfahren. LFP-Vorläufermaterialien werden mit anderen Zielmetalldotierstoffen gemischt, wobei ein lösungsbasierte Ansatz mit einer Mischzeit, die von 5 Min bis 24 Stunden variiert, verwendet wird. Lithiumquellen schließen Li₂CO₃, Li₃PO₄, LiOH, LiHCO₃ oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon ein. Die Metallquellen liegen in Form von reinem Metallpulver, Oxiden (MO_x), Nitraten (M(NO₃)_x), Chloriden (MCl_x), Sulfaten (M(SO₄)_x), usw. vor. Die PO₄-Quellen schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, H₃PO₄, (NH₄)₂HPO₄, NH₄H₂PO₄ ein, um einen neuen M-P-O-Zwischenvorläufer zu bilden. Der pH-Wert der Lösung kann durch das Vorhandensein von Säure/Base und/oder oxidierenden/reduzierenden Mitteln gesteuert werden.
Die Mischung wird dann getrocknet und bei erhöhter Temperatur geglüht. Zum Beispiel bei oder zwischen einem beliebigen Bereich von zwei der folgenden Werte: 50, 75, 100, 125, 150, 200, 400, 500, 600, 700, 800 und 900 °C. Eine Alterungszeit (die Zeit vom Mischen bis zur Isolierung des MPO-Vorläufers) kann beliebige der folgenden Werte oder in einem Bereich von zwei der folgenden Werte sein: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, und 50 Minuten; oder 1, 2, 3, 4, 8, 12, 16 oder 24 Stunden. Das Ändern der Reaktionszeit, des Vorläufers, der Temperaturen und dergleichen beeinflusst die Mischneigung zwischen Fe und einem Dotierstoff in LFP. In der Regel können die reduzierenden Wärmebehandlungsbedingungen durch das Vorhandensein unterschiedlicher Gasmittel gesteuert werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf N₂, H₂, CO, CO₂ oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon, sowie der Quelle von kohlenstoffhaltigem Kohlenwasserstoff, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Saccharose, Glucose, Zitronensäure, Ölsäure, Acetylen-Ruß, Zitronensäure, Oxalsäure, L-Ascorbinsäure oder Mischungen von beliebigen zwei oder mehr davon.
Aktive Materialien, die eine modifizierte, metalldotierte, LFP-basierte Kathode enthalten, können mit leitfähigen Mitteln wie Kohlenstoff/CNT und Bindemittelmaterialien in einer NMP- (N-Methylpyrrolidon-)Lösung gemischt werden, um eine Aufschlämmung zu bilden. Die Aufschlämmung kann dann auf eine kohlenstoffbeschichtete Al-Folie beschichtet und dann im Ofen getrocknet werden, um das NMP zu entfernen. Der Ladegrad von Kathodenmaterialien kann von etwa 10 bis 40 mg/cm² betragen, während die Packungsdichte von 1,5 bis 4,0 g/cm³ variieren kann.
Die Elektroden können als die Kathode in Li-Ionen-Batterien zusammengesetzt sein, wobei die Anodenmaterialien Li-Metall, Graphit, Si, SiO_x, Si-Nanodraht, lithiiertes Si oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon sein einschließen können. Ein herkömmlicher flüssiger Elektrolyt mit einem LiPF₆-Salz, das in einer Carbonatlösung gelöst ist, kann verwendet werden. In einer Ausführungsform kann eine Menge an Opfer-Li-Salz hinzugefügt werden, um den Li-Verlust für die SEI-Bildung auf der Anodenseite aufzunehmen.
In einer anderen Ausführungsform schließt ein Festkörperelektrolyt Oxid-, Sulfid- oder Phosphat-basierte kristalline Materialien als Ersatz für flüssige Elektrolyte ein. 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.
Während bestimmte Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, versteht es sich, dass Änderungen und Modifikationen darin in Übereinstimmung mit einem Durchschnittsfachmann 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 Elemente, Einschränkung oder Einschränkungen, die hierin nicht speziell offenbart sind, praktiziert werden. Somit sollen zum Beispiel die Begriffe „umfassend“, „einschließlich“, „enthalten“ usw. im weitgefassten Sinne und ohne Einschränkung gelesen werden. Zusätzlich wurden die hierin verwendeten Begriffe und Ausdrücke als Beschreibung und nicht als Einschränkung verwendet, und es gibt keine Absicht bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke, irgendwelche Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Abschnitte davon auszuschließen, sondern es wird erkannt, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Technologie möglich sind. Außerdem wird der Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ so verstanden, dass er diejenigen Elemente, die speziell angegeben sind, und diejenigen zusätzlichen Elemente einschließt, die die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften der beanspruchten Technologie nicht wesentlich beeinflussen. Der Ausdruck „bestehend aus“ schließt jedes Element aus, das nicht spezifiziert ist.
Die vorliegende Offenbarung soll hinsichtlich der in dieser Anmeldung beschriebenen besonderen Ausführungsformen nicht beschränkt sein. Viele Modifikationen und Variationen können vorgenommen werden, ohne von ihrem Geist und Umfang abzuweichen, wie es für Fachleute offensichtlich sein wird. Funktionell äquivalente Verfahren und Zusammensetzungen innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung, zusätzlich zu den hierin aufgezählten, sind für den Fachmann aus den vorstehenden Beschreibungen ersichtlich. Solche Modifikationen und Variationen sollen in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen. Die vorliegende Offenbarung soll nur durch die Begriffe der beigefügten Ansprüche zusammen mit dem vollen Schutzumfang von Äquivalenten, zu denen solche Ansprüche berechtigt sind, begrenzt werden. Es versteht sich, dass diese Offenbarung nicht auf bestimmte Verfahren, Reagenzien, Verbindungen oder Zusammensetzungen beschränkt ist, die natürlich variieren können. Es versteht sich auch, dass die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen dient und nicht einschränkend sein soll.
Außerdem wird, wenn Merkmale oder Gesichtspunkte der Offenbarung in Form von Markush-Gruppen beschrieben werden, der Fachmann erkennen, dass die Offenbarung dadurch auch in Bezug auf jedes einzelne Element oder eine einzelne Untergruppe von Elementen der Markush-Gruppe beschrieben wird.
Wie von einem Fachmann verstanden wird, umfassen 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 ohne Weiteres derart erkannt werden, dass er den gleichen Bereich beschreibt und ermöglicht, dass dieser in mindestens gleiche Hälften, Drittel, Viertel, Fünftel, Zehntel usw. zerlegt wird. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann jeder hierin erörterte Bereich ohne Weiteres in ein unteres Drittel, ein mittleres Drittel und ein oberes Drittel usw. unterteilt werden. Wie auch von einem Fachmann zu verstehen ist, schließt jede Redeweise wie „bis zu“, „mindestens“, „größer als,“ weniger 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 Element ein.
Alle Veröffentlichungen, Patentanmeldungen, erteilten Patente und anderen Dokumente, die in dieser Patentschrift genannt sind, werden hierin durch Bezugnahme aufgenommen, als ob für jede einzelne Veröffentlichung, Patentanmeldung, erteilte Patent oder anderes Dokument spezifisch und individuell angegeben wäre, durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen zu werden. Definitionen, die im Text enthalten sind, der durch Bezugnahme eingeschlossen ist, sind in dem Maße ausgeschlossen, dass sie Definitionen in dieser Offenbarung widersprechen.
Andere Ausführungsformen sind in den folgenden Ansprüchen dargelegt.

Claims

Elektrodenaktivmaterial, das einen Dotierstoff (M²) und ein Lithium-Eisen-Phosphat-Wirtsmaterial umfasst, wobei: das Elektrodenaktivmaterial als LiM² _xFe_1-XPO₄ dargestellt wird; M² ein Übergangsmetall oder Hauptgruppenmetall ist; x 0,01 bis 0,15 beträgt; das Elektrodenaktivmaterial eine erhöhte lonenleitfähigkeit verglichen mit einem Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO₄) ohne Dotierstoff aufweist; und das Elektrodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung aufweist, die durch einen D₅₀ größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist.
Elektrodenaktivmaterial nach Anspruch 1, wobei M² Co, Cr, Gd, In, V, Zr oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon ist.
Elektrodenaktivmaterial nach Anspruch 1, wobei M² Co²⁺, Co³⁺, Cr²⁺, Cr³⁺, Gd³⁺, In³⁺, Mn²⁺, Mn³⁺, Mn⁷⁺, V²⁺, V³⁺, V⁴⁺, Zr⁴⁺ oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon ist.
Elektrodenaktivmaterial nach Anspruch 1, wobei der Dotierstoff in der LiM² _xFe_1-xPO₄-Verbindung von etwa 1 Mol-% bis etwa 15 Mol-% vorhanden ist.
Elektrodenaktivmaterial nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Kohlenstoffbeschichtung, die Kohlenstoffatome umfasst, die sp2-hybridisierte, sp3-hybridisierte oder Kombinationen davon sind.
Elektrodenaktivmaterial nach Anspruch 1, wobei der D₅₀ von 1 µm bis 5 µm ist.
Elektrodenaktivmaterial nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung aufweist, die durch einen D₁₀ von 100 nm bis 0,6 µm gekennzeichnet ist.
Elektrodenaktivmaterial nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung aufweist, die durch einen D₉₀ von 1,7 µm bis 25 µm gekennzeichnet ist.
Kathodenaktivmaterial, umfassend: eine Kernphase der Formel LiFePO₄; und eine Sekundärphase einer Verbindung der Formel LiM² _zP_pO_p ^, an oder nahe der Oberfläche der Kernphase; wobei: z 1, 2 oder 3 ist; p 1, 2, 3 oder 4 ist; p' eine ganze Zahl von etwa 1 bis etwa 16 ist; M² Co, Cr, Gd, In, Mn, V, Zr oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon ist; M² in dem Kathodenaktivmaterial von etwa 0,1 bis etwa 15 Mol-% vorhanden ist; das Kathodenaktivmaterial eine erhöhte Ionenleitfähigkeit verglichen mit LiFePO₄ ohne die Sekundärphase aufweist; und das Kathodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung aufweist, die durch einen D₅₀ größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist.
Kathodenaktivmaterial nach Anspruch 9, wobei die Verbindung der Formel LiM² _zP_pO_p': Li₃Mn₃(PO₄)₄, LiVP₂O₇, LiGd(PO₃)₄, LiMn(PO₃)₄, LiCo(PO₃)₄, Li₃Cr₂(PO₄)₃, LiCo(PO₃)₃, LiCoPO₄, LiV (PO₃)₄, LiZr₂(PO₄)₃, LiCrP₂O₇, LiVPO₅, LiInP₂O₇, LiFePO₄ oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon ist.
Kathodenaktivmaterial nach Anspruch 9, ferner umfassend eine Kohlenstoffbeschichtung, die Kohlenstoffatome umfasst, die sp2-hybridisiert, sp3-hybridisiert oder Kombinationen davon sind.
Kathodenaktivmaterial nach Anspruch 9, wobei das Kathodenaktivmaterial ein partikelförmiges Material ist und eine Konzentration der Sekundärphase an einer Oberfläche des Partikels größer ist als an einem Kernabschnitt des Partikels.
Kathodenaktivmaterial nach Anspruch 9, wobei der D₅₀ von 1 µm bis 5 µm ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassend: eine Anodenschicht; eine Kathodenschicht; und einen Separator oder einen festen Elektrolyten zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht; wobei: die Kathodenschicht ein partikelförmiges Kathodenaktivmaterial umfasst, das umfasst: eine Kernphase der Formel LiFePO₄; und eine Sekundärphase einer Verbindung der Formel LiM² _zP_pO_p ^, an oder nahe der Oberfläche der Kernphase; wobei: z 1, 2 oder 3 ist; p 1, 2, 3 oder 4 ist; p' eine ganze Zahl von etwa 1 bis etwa 16 ist; M² Co, Cr, Gd, In, Mn, V, Zr oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon ist; M² in dem Kathodenaktivmaterial von etwa 0,1 bis etwa 15 Mol-% vorhanden ist; das Kathodenaktivmaterial eine erhöhte Ionenleitfähigkeit verglichen mit LiFePO₄ ohne die Sekundärphase aufweist; und das Kathodenaktivmaterial eine Partikelgrößenverteilung aufweist, die durch einen D₅₀ größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist; und die Kathodenschicht einen Ladegrad auf dem Stromabnehmer von mehr als 15 mg/cm² aufweist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 14, wobei die Kathodenschicht einen Elektrodenladegrad von 15 mg/cm² bis 25 mg/cm² aufweist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 14, wobei der D₅₀ von 1 µm bis 5 µm ist.
Prozess zum Herstellen eines Kathodenaktivmaterials, wobei der Prozess umfasst: Bilden einer Lösung, die eine Lithiumquelle, eine Eisenquelle, eine Dotierstoffquelle und eine Phosphorquelle in einem Lösungsmittel umfasst; Mischen der Lösung bei einem vorbestimmten pH-Wert und für einen Zeitraum, um einen Niederschlag eines Zwischenvorläufers zu bilden; Auffangen des Niederschlags; und Glühen des Niederschlags bei erhöhter Temperatur, um eine dotierte Lithium-Eisen-Phosphat-Verbindung (LiM² _xFe_1-xPO₄-Verbindung) zu bilden, wobei M² der Dotierstoff ist und ein Übergangsmetall oder Hauptgruppenmetall umfasst; wobei: die LiM² _xFe_1-xPO₄-Verbindung durch einen D₅₀ größer oder gleich 1 µm gekennzeichnet ist; und x 0,01 bis 0,15 beträgt.
Prozess nach Anspruch 17, wobei die Lithiumquelle Li₂CO₃, Li₃PO₄, LiOH·H₂O, LiHCO₃ oder eine Mischung davon umfasst.
Prozess nach Anspruch 17, wobei die Eisenquelle Fe⁰, Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe(NO₃)₂, Fe (NO₃)₃, FeCl₂, FeCl₃, FePO₄, FeSO₄, Fe₂(SO₄)₃ oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon oder einem Hydrat davon ist und die Dotierstoffquelle M²-Metall, M² _qO_q', M² _q(NO₃)_q', M² _qCl_q', M² _q(PO₄)_q', M² _q(SO₄)_q' oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon umfasst, wobei M² Co, Cr, Gd, In, Mn, V, Zr oder eine Mischung von beliebigen zwei oder mehr davon ist, und q und q' einzeln 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 sind.
Prozess nach Anspruch 17, wobei das Mischen bei einem pH-Wert von 1 bis 7 durchgeführt wird.