DE102023118494A1

DE102023118494A1 - Multiionische wiederaufladbare batterie

Info

Publication number: DE102023118494A1
Application number: DE102023118494.6A
Authority: DE
Inventors: Feng Li; Patrick Pietrasz; Chi Paik
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2022-07-22
Filing date: 2023-07-12
Publication date: 2024-01-25
Also published as: CN117476870A; US20240030406A1; KR20240013667A

Abstract

Ein gemischtes positives Elektrodenmaterial für eine Batterie beinhaltet ein primäres positives Elektrodenmaterial, das Nickel in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 99 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet. Das primäre positive Elektrodenmaterial weist eine Struktur auf, welche die Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen ermöglicht. Das gemischte positive Elektrodenmaterial beinhaltet auch ein sekundäres positives Elektrodenmaterial, das eine Struktur aufweist, die eine Interkalation und Deinterkalation von Natrium-Ionen ermöglicht. Vorteilhafterweise kann das gemischte positive Elektrodenmaterial als das aktive Material der Kathode in einer Batterie verwendet werden.

Description

GEBIET DER TECHNIK
In mindestens einem Aspekt wird ein gemischtes positives Elektrodenmaterial für eine Batterie bereitgestellt.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Lithium-Ionen-Batterien weisen eine erfolgreiche Effizienz auf, die unter einem sorgfältig ausgestalteten System eine hohe Energie und Leistung bietet. Die Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen spezifische Verwendungskriterien auf, bei denen Vorgänge außerhalb ihrer Grenzen die Lebensdauer der Zelle beeinflussen können. Ein Mittel zum Verlängern der Entlade- und Ladespannungsabschaltgrenzen kann eine Erhöhung der Lebensdauer und Energieeffizienz bieten. Ein Redoxpaar oder Sekundärionen, die bei extremen Spannungen und Temperaturen umkehrbar interagieren, können das ursprüngliche Lithium-Ionen-System bewahren.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an Energieausgestaltungen, welche die Lebensdauer und Energieeffizienz von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen.
KURZDARSTELLUNG
In mindestens einem Aspekt wird ein gemischtes positives Elektrodenmaterial für eine Batterie bereitgestellt. Das gemischte positive Elektrodenmaterial beinhaltet ein primäres positives Elektrodenmaterial, das Nickel in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 99 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet. Vorteilhafterweise weist das primäre positive Elektrodenmaterial eine Struktur auf, welche die Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen ermöglicht. Das gemischte positive Elektrodenmaterial beinhaltet auch ein sekundäres positives Elektrodenmaterial, das eine Struktur aufweist, die eine Interkalation und Deinterkalation von Natrium-Ionen ermöglicht.
In einem anderen Aspekt wird eine positive Elektrode für eine wiederaufladbare Batterie bereitgestellt. Die positive Elektrode beinhaltet einen Stromabnehmer und eine elektrochemisch aktive Schicht, die über dem Stromabnehmer angeordnet ist. Die elektrochemisch aktive Schicht beinhaltet ein gemischtes positives Elektrodenmaterial, welches ein primäres positives Elektrodenmaterial aufweist, das Nickel in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 99 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet. Das primäre positive Elektrodenmaterial weist eine Struktur auf, welche die Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen ermöglicht. Die positive Elektrode beinhaltet auch ein sekundäres positives Elektrodenmaterial, das eine Struktur aufweist, die eine Interkalation und Deinterkalation von Natrium-Ionen ermöglicht.
In einem anderen Aspekt wird eine wiederaufladbare Batterie bereitgestellt, die mindestens eine Lithium-Ionen-Batteriezelle beinhaltet. Jede Lithium-Ionen-Batteriezelle beinhaltet eine positive Elektrode, die einen Stromabnehmer und eine elektrochemisch aktive Schicht aufweist, die über dem Stromabnehmer angeordnet ist, wobei die elektrochemisch aktive Schicht ein gemischtes positives Elektrodenmaterial umfasst. Das gemischte positive Elektrodenmaterial beinhaltet ein primäres positives Elektrodenmaterial, das Nickel in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 99 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet. Das primäre positive Elektrodenmaterial weist eine Struktur auf, welche die Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen ermöglicht. Die wiederaufladbare Batterie beinhaltet auch ein sekundäres positives Elektrodenmaterial, das eine Struktur aufweist, die eine Interkalation und Deinterkalation von Natrium-Ionen ermöglicht. Die wiederaufladbare Batterie beinhaltet auch eine negative Elektrode, die ein negatives aktives Material und einen Elektrolyten beinhaltet, der in Kontakt mit der positiven Elektrode und der negativen Elektrode steht.
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 Aufgaben und der Vorteile der vorliegenden Offenbarung soll auf die folgende detaillierte Beschreibung Bezug genommen werden, die in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei Folgendes gilt:

1A. Schematischer Querschnitt einer Elektrode, die ein Aktivmaterial einer Mischelektrode aufweist und auf einer Seite eines Stromabnehmers beschichtet ist.
1B. Schematischer Querschnitt einer Elektrode, die ein Aktivmaterial einer Mischelektrode aufweist und auf beiden Seiten eines Stromabnehmers beschichtet ist.
2. Schematischer Querschnitt einer Batteriezelle, in welche die Elektrode aus 1A integriert ist.
3. Schematischer Querschnitt einer Batterie, in welche die Batteriezelle aus 2 integriert ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun wird detailliert auf gegenwärtig bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, welche 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.
Des Weiteren, sofern nicht in den Beispielen oder 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 Schutzumfangs der Erfindung als durch das Wort „etwa“ modifiziert zu verstehen. Im Allgemeinen ist eine Umsetzung innerhalb der genannten numerischen Grenzen bevorzugt. Zudem 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 Metall-Ion ist und L^- ein negativ geladenes Gegenion ist; R-Gruppen an benachbarten Kohlenstoffatomen können als - OCH₂O- kombiniert sein; 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 substituiert sein durch -OCH₂O-; wenn eine gegebene chemische Struktur einen Substituenten an einer chemischen Einheit (z. B. an einem Aryl, Alkyl usw.) enthält, wird dieser Substituent einer allgemeineren chemischen Struktur zugeschrieben, welche 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 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 Mischungen aus beliebigen zwei oder mehr der Elemente der Gruppe oder Klasse gleich geeignet oder bevorzugt sind; die Beschreibung der Bestandteile in chemischen Ausdrücken bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Hinzufügung zu einer beliebigen Kombination, die in der Beschreibung spezifiziert ist, und schließt nicht unbedingt chemische Interaktionen unter den Bestandteilen einer Mischung aus, sobald sie gemischt ist; 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, ist die Messung einer Eigenschaft 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 in dieser Schrift verwendeten Sinne bedeutet der Ausdruck „etwa“, dass die fragliche Menge oder der fragliche Wert der spezifische festgelegte 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 Wertes 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 Bereiches von +/- 5 % des angegebenen Wertes erlangt werden können.
Im in dieser Schrift verwendeten Sinne bedeutet der Ausdruck „und/oder“, dass entweder alle oder nur eines der Elemente dieser Gruppe vorhanden sein können. Zum Beispiel bedeutet „A und/oder B“ „nur A oder nur B oder sowohl A als auch B“. 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 aufgeführte 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 auftaucht, anstatt unmittelbar auf den Oberbegriff zu folgen, schränkt er nur das in diesem Abschnitt dargelegte Element ein; andere Elemente sind nicht von dem Patentanspruch als Ganzes ausgeschlossen.
Die Formulierung „im Wesentlichen bestehend aus“ beschränkt den Schutzumfang eines Patentanspruchs auf die vorgegebenen Materialien oder Schritte, plus jene, welche die grundlegende(n) und neuartige(n) Eigenschaft(en) des beanspruchten Gegenstands nicht wesentlich beeinflussen.
Die Formulierung „zusammengesetzt aus“ bedeutet „beinhaltend“ oder „bestehend aus“. Typischerweise wird diese Formulierung verwendet, um zu bezeichnen, dass ein Objekt aus einem Material gebildet ist.
In Bezug auf die Ausdrücke „umfassend“, „bestehend aus“ und „im Wesentlichen 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 Verbesserung 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 Charakteristik modifizieren, der bzw. die in der vorliegenden Offenbarung offenbart oder beansprucht wird. In derartigen Fällen kann „im Wesentlichen“ bedeuten, dass der Wert oder die relative Charakteristik, den bzw. die es modifiziert, innerhalb von ± 0 %, 0,1 %, 0,5 %, 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 % oder 10 % des Werts oder der relativen Charakteristik 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 Verbesserung eine untere nicht beinhaltete Grenze, die 5 Prozent der nach „weniger als“ angegebenen Anzahl beträgt. Zum Beispiel beinhaltet „weniger als 20“ eine untere nicht beinhaltete Grenze von 1 in einer Verbesserung. Daher beinhaltet diese Verbesserung von „weniger als 20“ einen Bereich zwischen 1 und 20. In einer anderen Verbesserung 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 ist.
In den in dieser Schrift dargelegten Beispielen können Mengen, Temperatur 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 Wertes auf- oder abgerundet umgesetzt werden. In einer Verbesserung 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 anderen Verbesserung 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 Indizes (z. B. CH₂O) ausgedrückt sind, können die Werte der 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)O_(0,8-1,2). In einer Verbesserung 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 anderen Verbesserung können die Werte der tiefgestellten Indizes plus oder minus 20 Prozent der angegebenen Werte auf zwei signifikante Stellen auf- oder abgerundet sein.
Der Ausdruck „Preußischblau“ bezieht sich auf ein blaues Pigment, das durch Oxidation von Eisen(II)-Ferrocyanidsalzen erzeugt wird, die eine chemischen Formel von Fe³⁺ ₄[Fe²⁺(CN)₆]₃ aufweisen.
Der Ausdruck „Preußischweiß“ bezieht sich auf die vollständig reduzierte und kalzinierte Form von Preußischblau. Ein Beispiel für Preußischweiß weist die chemische Formel Na_1,88(5)Fe[Fe(CN)₆]·0,18 H₂O auf.
Abkürzungen:

„LCO“ bedeutet Lithiumkobaltoxid.
„NCMA“ bedeutet quartäres Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material.
„NCA“ bedeutet ternäres Nickel-Kobalt-Aluminium-Material.
„LFP“ bedeutet Lithiumeisenphosphat.
„LMP“ bedeutet Lithiummanganphosphat.
„LVP“ bedeutet Lithiumvanadiumphosphat.
„LMO“ bedeutet Lithiummanganat.

Unter Bezugnahme auf 1A und 1B sind schematische Darstellungen einer positiven Elektrode bereitgestellt, die ein gemischtes aktives Material der positiven Elektrode beinhaltet. Die positive Elektrode 10 beinhaltet eine gemischte aktive Materialschicht 12 der positiven Elektrode, die ein gemischtes aktives Material der positiven Elektrode beinhaltet, das über einem Stromabnehmer 14 der positiven Elektrode angeordnet ist und typischerweise mit diesem in Kontakt steht. Typischerweise ist der Stromabnehmer 14 der positiven Elektrode eine Metallplatte oder Metallfolie, die aus einem Metall, wie etwa Aluminium, Kupfer, Platin, Zink, Titan und dergleichen, besteht. Aktuell wird Kupfer am häufigsten für den Stromabnehmer der positiven Elektrode verwendet. Das gemischte positive Elektrodenmaterial beinhaltet ein primäres positives Elektrodenmaterial, das Nickel in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 99 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet. Vorteilhafterweise weist das primäre positive Elektrodenmaterial eine Struktur auf, welche die Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen ermöglicht. Das gemischte positive Elektrodenmaterial beinhaltet auch ein sekundäres positives Elektrodenmaterial, das eine Struktur aufweist, die eine Interkalation und Deinterkalation von Natrium-Ionen ermöglicht. 1A zeigt ein Beispiel, bei dem die gemischte aktive Materialschicht 12 der positiven Elektrode über einer einzelnen Fläche des Stromabnehmers 14 angeordnet ist, während 1B ein Beispiel zeigt, bei dem die gemischte aktive Materialschicht 12 der positiven Elektrode über zwei gegenüberliegenden Flächen des Stromabnehmers 14 angeordnet ist.
In einer Variation beinhaltet das primäre positive Elektrodenmaterial Nickel in einer Menge von etwa 35 Gewichtsprozent bis etwa 75 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials. In einigen Verbesserungen beinhaltet das primäre positive Elektrodenmaterial Nickel in einer Menge von mindestens 30 Gewichtsprozent, 35 Gewichtsprozent, 40 Gewichtsprozent, 45 Gewichtsprozent, 50 Gewichtsprozent oder 55 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials und höchstens in aufsteigender Präferenzreihenfolge 99 Gewichtsprozent, 95 Gewichtsprozent, 90 Gewichtsprozent, 85 Gewichtsprozent, 80 Gewichtsprozent oder 70 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials.
Das primäre positive Elektrodenmaterial kann ein beliebiges fachbekanntes Material sein, das als primäres Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Geeignete primäre positive Elektrodenmaterialien beinhalten unter anderem ternäres Nickel-Kobalt-Mangan-Material (NCM), ternäres Nickel-Kobalt-Aluminium-Material (NCA), quartäres Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material (NCMA) oder Kombinationen daraus.
Gleichermaßen kann das sekundäre positive Elektrodenmaterial ein beliebiges Material sein, von dem bekannt ist, dass es Natrium-Ionen interkaliert und deinterkaliert. Geeignete sekundäre positive Elektrodenmaterialien beinhalten unter anderem Preußischweiß, Preußischblau (rhomboedrisches Na₂MnFe(CN)₆), Natriumkobaltoxid (z. B. Na_0,7CoO_2+x), Natriummanganoxid (z. B. Na_0,44MnO₂), Natriummanganoxid (z. B. Na_0,7MnO_2+x), Natriumeisenphosphat (z. B. NaFePO₄), Natriummanganphosphat (NaMnPO₄), Natriumchromoxid (z. B. NaCrO₂), Natriumkobaltphosphat (z. B. NaCoPO₄), Natriumnickelphosphat (z. B. NaNiPO₄) und Kombinationen daraus. Preußischweiß ist besonders nützlich als das sekundäre positive Elektrodenmaterial.
In einer Variation beträgt das Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial von 1:1 bis 99:1. In einer Verbesserung beträgt das Gewichtsverhältnis des sekundären positiven Elektrodenmaterials zu dem primären positiven Elektrodenmaterial von 5:1 bis 99:1. In einigen Verbesserungen beträgt das Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial mindestens in aufsteigender Präferenzreihenfolge 1:1, 2:1, 5:1, 10:1, 15:1, 20:1 oder 30:1 und höchstens in aufsteigender Präferenzreihenfolge 99:1, 90:1, 85:1, 80:1, 70:1 oder 60:1.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine schematische Darstellung einer wiederaufladbaren Batteriezelle, in welche die positive Elektrode aus 1 integriert ist, bereitgestellt. Die Batteriezelle 20 beinhaltet die positive Elektrode 10, wie vorstehend beschrieben, eine negative Elektrode 22 und einen Separator 24, der zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist. Die negative Elektrode 22 beinhaltet einen Stromabnehmer 26 der negativen Elektrode und eine negative aktive Materialschicht 28, die über dem negativen Stromabnehmer angeordnet ist und typischerweise mit diesem in Kontakt steht. Typischerweise ist der Stromabnehmer 26 der negativen Elektrode eine Metallplatte oder Metallfolie, die aus einem Metall, wie etwa Aluminium, Kupfer, Platin, Zink, Titan und dergleichen, besteht. Aktuell wird Kupfer am häufigsten für den Stromabnehmer der negativen Elektrode verwendet. Die Batteriezelle ist in einen Elektrolyten 30 eingetaucht, der durch ein Batteriezellengehäuse 32 umschlossen ist. Der Elektrolyt 30 wird in den Separator 24 aufgesaugt. Mit anderen Worten beinhaltet der Separator 24 den Elektrolyten, wodurch ermöglicht wird, dass sich Lithium-Ionen und Natrium-Ionen zwischen der negativen und der positiven Elektrode bewegen. Der Elektrolyt beinhaltet ein nicht wässriges organisches Lösungsmittel, Lithiumsalz und Natriumsalz. Das nicht wässrige organische Lösungsmittel dient als Medium zum Übertragen von Ionen, die an der elektrochemischen Reaktion einer Batterie teilnehmen.
Unter Bezugnahme auf 3 ist eine schematische Darstellung einer wiederaufladbaren Batterie, in welche die positive Elektrode aus 1 und die Batteriezellen aus 2 integriert sind, bereitgestellt. Die wiederaufladbare Batterie 40 beinhaltet mindestens eine Batteriezelle der Ausgestaltung in 2. Typischerweise beinhaltet die wiederaufladbare Batterie 40 mindestens eine Batteriezelle 20ⁱ der Ausgestaltung aus 2. Jede Batteriezelle 20ⁱ beinhaltet eine positive Elektrode 10, wie vorstehend beschrieben, eine negative Elektrode 22, die ein negatives aktives Material beinhaltet, und einen Elektrolyten 30, wobei i eine ganzzahlige Markierung für jede Batteriezelle ist. Die Markierung i läuft von 1 bis nmax, wobei nmax die Gesamtanzahl der Batteriezellen in der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterie 40 ist. Der Elektrolyt 30 beinhaltet ein nicht wässriges organisches Lösungsmittel, ein Lithiumsalz und ein Natriumsalz. Das nicht wässrige organische Lösungsmittel dient als Medium zum Übertragen von Ionen, die an der elektrochemischen Reaktion einer Batterie teilnehmen. Die Vielzahl von Batteriezellen kann in Reihe, parallel oder in einer Kombination daraus verdrahtet sein. Die Spannungsausgabe von der Batterie 40 wird über Anschlüsse 42 und 44 bereitgestellt.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 trennt der Separator 24 die negative Elektrode 22 physisch von der positiven Elektrode 10, wodurch ein Kurzschluss verhindert wird, während der Transport von Lithium-Ionen und Natrium-Ionen zum Laden und Entladen ermöglicht wird. Daher kann der Separator 24 aus einem beliebigen Material bestehen, das für diesen Zweck geeignet ist. Beispiele für geeignete Materialien, aus denen der Separator 24 bestehen kann, beinhalten unter anderem Polytetrafluorethylen (z. B. TEFLON^®), Glasfaser, Polyester, Polyethylen, Polypropylen und Kombinationen daraus. Der Separator 24 kann entweder in Form eines Gewebes oder eines Vlieses vorliegen. Der Separator 24 kann entweder in Form eines Vlieses oder eines Gewebes vorliegen. Zum Beispiel wird typischerweise ein Polymerseparator auf Polyolefinbasis, wie etwa Polyethylen und/oder Polypropylen, für eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet. Um Hitzebeständigkeit oder mechanische Festigkeit sicherzustellen, kann ein beschichteter Separator eine Beschichtung aus Keramik beinhalten oder es kann ein Polymermaterial verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 beinhaltet der Elektrolyt 30 ein Lithiumsalz und ein Natriumsalz, die in dem nicht wässrigen organischen Lösungsmittel gelöst sind. Daher beinhaltet der Elektrolyt 30 Lithium-Ionen und Natrium-Ionen, die während des Ladens in das aktive Material der positiven Elektrode und während des Entladens in das aktive Anodenmaterial interkaliert werden können. Beispiele für Lithiumsalze beinhalten unter anderem LiPF₆, LiBF₄, LiSbF₆, LiAsF₆, LiC₄F₉SO₃, LiClO₄, LiAlO₂, LiAlCl₄, LiCl, LiI, LiB(C₂O4)₂ und Kombinationen daraus. In einer Verbesserung beinhaltet der Elektrolyt das Lithiumsalz in einer Menge von etwa 0,1 M bis etwa 2,0 M. Beispiele für Natriumsalze beinhalten unter anderem NaBF₄, Na[PF6] und Kombinationen daraus. In einer Verbesserung beinhaltet der Elektrolyt das Lithiumsalz in einer Menge von etwa 0,1 M bis etwa 2,0 M.
In einer Variation ist die wiederaufladbare Batterie dazu konfiguriert, vorwiegend als eine Lithium-Ionen-Batterie betrieben zu werden, und ist die Batteriezelle dazu konfiguriert, als eine Lithium-Ionen-Batteriezelle betrieben zu werden. Daher kann in diesem Szenario ein Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial von 1:1 bis 99:1 betragen und kann ein Gewichtsverhältnis eines Lithiumsalzes zu einem Natriumsalz in dem Elektrolyten von etwa 70:30 bis 99:1 betragen. In einer Verbesserung beträgt das Gewichtsverhältnis des sekundären positiven Elektrodenmaterials zu dem primären positiven Elektrodenmaterial von 5:1 bis 99:1. In einigen Verbesserungen beträgt das Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial mindestens in aufsteigender Präferenzreihenfolge 1:1, 2:1, 5:1, 10:1, 15:1, 20:1 oder 30:1 und höchstens in aufsteigender Präferenzreihenfolge 99:1, 90:1, 85:1, 80:1, 70:1 oder 60:1. Gleichermaßen kann das Gewichtsverhältnis des Lithiumsalzes zu dem Natriumsalz in dem Elektrolyten mindestens in aufsteigender Präferenzreihenfolge 1:1, 2:1, 5:1, 10:1, 15:1, 20:1 oder 30:1 und höchstens in aufsteigender Präferenzreihenfolge 99:1, 90:1, 85:1, 80:1, 70:1 oder 60:1 betragen.
In einer anderen Variation ist die wiederaufladbare Batterie dazu konfiguriert, als eine Natrium-Ionen-Batterie betrieben zu werden, und ist die Batteriezelle dazu konfiguriert, als eine Natrium-Ionen-Batteriezelle betrieben zu werden. Daher beträgt in diesem Szenario das Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial von 1:99 bis 1:3 und beträgt ein Gewichtsverhältnis eines Lithiumsalzes zu einem Natriumsalz in dem Elektrolyten von etwa 1:20 bis 1:3. In einigen Verbesserungen beträgt das Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial mindestens in aufsteigender Präferenzreihenfolge 1:100, 2:100, 5:100, 10:100, 15:100, 20:100 oder 30:100 und höchstens in aufsteigender Präferenzreihenfolge 90:100, 80:100, 70:100, 60:100, 50:100 oder 40:100. Gleichermaßen kann das Gewichtsverhältnis des Lithiumsalzes zu dem Natriumsalz in dem Elektrolyten mindestens in aufsteigender Präferenzreihenfolge etwa 1:100, 2:100, 5:100, 10:100, 15:100, 20:100 oder 30:100 und höchstens in aufsteigender Präferenzreihenfolge 90:100, 80:100, 70:100, 60:100, 50:100 oder 40:100 betragen.
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 und 3 beinhaltet der Elektrolyt ein nicht wässriges organisches Lösungsmittel, ein Lithiumsalz und ein Natriumsalz. Vorteilhafterweise dienst das nicht wässrige organische Lösungsmittel als Medium zum Übertragen von Ionen, und insbesondere können Lithium-Ionen 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 daraus. Beispiele für carbonatbasierte Lösungsmittel beinhalten unter anderem Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Dipropylcarbonat, Methylpropylcarbonat, Ethylpropylcarbonat, Methylethylcarbonat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat und Kombinationen daraus. Beispiele für esterbasierte Lösungsmittel beinhalten unter anderem Methylacetat, Ethylacetat, n-Propylacetat, Methylpropionat, Ethylpropionat, γ-Butyrolakton, Decanolid, Valerolacton, Mevalonolacton, Caprolacton und Kombinationen daraus. Beispiele für etherbasierte Lösungsmittel beinhalten unter anderem Dibutylether, Tetraglym, Diglyme, Dimethoxyethan, 2-Methyltetrahydrofuran, Tetrahydrofuran und dergleichen, und das ketonbasierte Lösungsmittel kann Cyclohexanon und dergleichen beinhalten. Beispiele für alkoholbasierte Lösungsmittel beinhalten unter anderem Methanol, Ethylalkohol, n-Propylalkohol, Isopropylalkohol 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 werden typischerweise formuliert, um die Batterieeffizienz zu optimieren. In einer Verbesserung 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, 2 und 3 können die negative Elektrode und die positive Elektrode durch Verfahren hergestellt werden, die dem Fachmann auf dem Gebiet von Lithium-Ionen-Batterien bekannt sind. Typischerweise wird ein aktives Material (z. B. das gemischte aktive Material der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode) mit einem leitfähigen Material und einem Bindemittel in einem Lösungsmittel (z. B. N-Methylpyrrolidon) zu einer aktiven Materialzusammensetzung gemischt und wird ein Stromabnehmer mit der Zusammensetzung beschichtet. Das Elektrodenherstellungsverfahren ist hinlänglich bekannt und wird daher in der vorliegenden Beschreibung nicht im Detail beschrieben. Das Lösungsmittel beinhaltet N-Methylpyrrolidon und dergleichen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Unter Bezugnahme auf 1, 2 und 3 beinhaltet die aktive Materialschicht 12 der positiven Elektrode das vorstehend beschriebene gemischte aktive Material der positiven Elektrode einschließlich eines Bindemittels, und ein leitfähiges Material. Das Bindemittel kann die Bindungseigenschaften der Partikel des aktiven Materials der positiven Elektrode untereinander und mit dem Stromabnehmer 14 der positiven Elektroden erhöhen. Beispiele für geeignete Bindemittel beinhalten unter anderem Polyvinylalkohol, Carboxylmethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Diacetylcellulose, Polyvinylchlorid, carboxyliertes Polyvinylchlorid, Polyvinylfluorid, ein ethylenoxidhaltiges Polymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyurethan, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyethylen, Polypropylen, Styrol-Butadien-Kautschuk, ein Acrylat-Styrol-Butadien-Kautschuk, ein Epoxidharz, Nylon und dergleichen und Kombinationen daraus. Das leitfähige Material stellt der positiven Elektrode 10 elektrische Leitfähigkeit bereit. Beispiele für geeignete elektrisch leitfähige Materialien beinhalten unter anderem natürliches Graphit, künstliches Graphit, Ruß, Acetylenruß, Ketjen-Ruß, Kohlenstofffasern, Kupfer, Metallpulver, Metallfasern und Kombinationen daraus. Beispiele für Metallpulver und Metallfasern bestehen aus Nickel, Aluminium, Silber und dergleichen.
Unter Bezugnahme auf 1, 2 und 3 beinhaltet die negative aktive Materialschicht 26 ein negatives aktives Material, beinhaltet ein Bindemittel und optional ein leitfähiges Material. Die in dieser Schrift verwendeten negativen aktiven Materialien können diejenigen negativen Materialien sein, die dem Fachmann auf dem Gebiet von Lithium-Ionen-Batterien bekannt sind. Negative aktive Materialien beinhalten unter anderem kohlenstoffbasierte negative aktive Materialien, siliziumbasierte negative aktive Materialien und Kombinationen daraus. Ein geeignetes kohlenstoffbasiertes negatives aktives Material kann Graphit und Graphen beinhalten. Ein geeignetes siliziumbasiertes negatives aktives Material kann mindestens eines beinhalten, das aus Silizium, Siliziumoxid, mit leitfähigem Kohlenstoff auf der Fläche beschichtetem Siliziumoxid und mit leitfähigem Kohlenstoff auf der Fläche beschichtetem Silizium (Si) ausgewählt ist. Zum Beispiel kann Siliziumoxid durch die Formel SiO_z beschrieben werden, wobei z 0,09 bis 1,1 beträgt. Gemische aus kohlenstoffbasierten negativen aktiven Materialien und siliziumbasierten negativen aktiven Materialien können auch für das negative aktive Material verwendet werden.
Das Bindemittel der negativen Elektrode kann die Bindungseigenschaften der Partikel des negativen aktiven Materials untereinander und mit einem Stromabnehmer erhöhen. Das Bindemittel kann ein nicht wässriges Bindemittel, ein wässriges Bindemittel oder eine Kombination daraus sein. Beispiele für nicht wässrige Bindemittel können Polyvinylchlorid, carboxyliertes Polyvinylchlorid, Polyvinylfluorid, ein ethylenoxidhaltiges Polymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyurethan, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyethylen, Polypropylen, Polyamidimid, Polyimid oder eine Kombination daraus 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 daraus. 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, Polyvinylalkohol und Kombinationen daraus.
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 Ausführungsformen zum Implementieren kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein gemischtes positives Elektrodenmaterial für eine Batterie bereitgestellt, das Folgendes aufweist: ein primäres positives Elektrodenmaterial, das Nickel in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 99 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet, wobei das primäre positive Elektrodenmaterial eine Struktur aufweist, welche eine Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen ermöglicht; und ein sekundäres positives Elektrodenmaterial, das eine Struktur aufweist, welche eine Interkalation und Deinterkalation von Natrium-Ionen ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das primäre positive Elektrodenmaterial Nickel in einer Menge von etwa 35 Gewichtsprozent bis etwa 75 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das primäre positive Elektrodenmaterial eine Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Material (NCM), ternärem Nickel-Kobalt-Aluminium-Material (NCA), quartärem Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material (NCMA) oder Kombinationen daraus.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das sekundäre positive Elektrodenmaterial eine Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Preußischweiß, Preußischblau-Natriumcobaltoxid, Natriummanganoxid, Natriummanganoxid, Natriumeisenphosphat, Natriummanganphosphat, Natriumchromoxid, Natriumcobaltphosphat, Natriumnickelphosphat und Kombinationen daraus.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial von 1:1 bis 99:1.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein Gewichtsverhältnis des sekundären positiven Elektrodenmaterials zu dem primären positiven Elektrodenmaterial 5:1 bis 99:1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine positive Elektrode für eine Batterie bereitgestellt, die Folgendes aufweist: einen Stromabnehmer; und eine elektrochemisch aktive Schicht, die über dem Stromabnehmer angeordnet ist, wobei die elektrochemisch aktive Schicht ein gemischtes positives Elektrodenmaterial für eine Batterie umfasst, wobei das gemischte positive Elektrodenmaterial Folgendes umfasst: ein primäres positives Elektrodenmaterial, das Nickel in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 99 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet, wobei das primäre positive Elektrodenmaterial eine Struktur aufweist, welche eine Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen ermöglicht; und ein sekundäres positives Elektrodenmaterial, das eine Struktur aufweist, welche eine Interkalation und Deinterkalation von Natrium-Ionen ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das primäre positive Elektrodenmaterial eine Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Material (NCM), ternärem Nickel-Kobalt-Aluminium-Material (NCA), quartärem Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material (NCMA) oder Kombinationen daraus.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das sekundäre positive Elektrodenmaterial eine Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Preußischweiß, Preußischblau-Natriumcobaltoxid, Natriummanganoxid, Natriummanganoxid, Natriumeisenphosphat, Natriummanganphosphat, Natriumchromoxid, Natriumcobaltphosphat, Natriumnickelphosphat und Kombinationen daraus.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial von 1:1 bis 99:1, sodass die positive Elektrode eine positive Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein Gewichtsverhältnis des sekundären positiven Elektrodenmaterials zu dem primären positiven Elektrodenmaterial 5:1 bis 99:1, sodass die positive Elektrode eine positive Elektrode für eine Natrium-Ionen-Batterie ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine wiederaufladbare Batterie bereitgestellt, die mindestens eine Lithium-Ionen-Batteriezelle aufweist, wobei die Lithium-Ionen-Batteriezelle Folgendes beinhaltet: eine positive Elektrode, die Folgendes umfasst: einen Stromabnehmer; und eine elektrochemisch aktive Schicht, die über dem Stromabnehmer angeordnet ist, wobei die elektrochemisch aktive Schicht ein gemischtes positives Elektrodenmaterial für eine Batterie umfasst, wobei das gemischte positive Elektrodenmaterial Folgendes umfasst: ein primäres positives Elektrodenmaterial, das Nickel in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 99 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet, wobei das primäre positive Elektrodenmaterial eine Struktur aufweist, welche eine Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen ermöglicht; und ein sekundäres positives Elektrodenmaterial, das eine Struktur aufweist, welche eine Interkalation und Deinterkalation von Natrium-Ionen ermöglicht; eine negative Elektrode, die ein negatives aktives Material beinhaltet; und ein Elektrolyt, der mit der positiven Elektrode und der negativen Elektrode in Kontakt steht.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der mindestens einen Lithium-Ionen-Batteriezelle um eine Vielzahl von Batteriezellen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet jede Batteriezelle ferner einen Separator, der zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das primäre positive Elektrodenmaterial eine Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Material (NCM), ternärem Nickel-Kobalt-Aluminium-Material (NCA), quartärem Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material (NCMA) oder Kombinationen daraus.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das sekundäre positive Elektrodenmaterial eine Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Preußischblau-Natriumcobaltoxid, Natriummanganoxid, Natriummanganoxid, Natriumeisenphosphat, Natriummanganphosphat, Natriumchromoxid, Natriumcobaltphosphat, Natriumnickelphosphat und Kombinationen daraus.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner dazu konfiguriert, als Lithium-Ionen-Batterie betrieben zu werden.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial von 1:1 bis 99:1 und beträgt ein Gewichtsverhältnis eines Lithiumsalzes zu einem Natriumsalz in dem Elektrolyten von etwa 70:30 bis 99:1.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner dazu konfiguriert, als Natrium-Ionen-Batterie betrieben zu werden.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial von 1:99 bis 1:3 und beträgt ein Gewichtsverhältnis eines Lithiumsalzes zu einem Natriumsalz in dem Elektrolyten von etwa 1:20 bis 1:3.

Claims

Gemischtes positives Elektrodenmaterial für eine Batterie, wobei das gemischte positive Elektrodenmaterial Folgendes umfasst: ein primäres positives Elektrodenmaterial, das Nickel in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 99 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet, wobei das primäre positive Elektrodenmaterial eine Struktur aufweist, die eine Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen ermöglicht; und ein sekundäres positives Elektrodenmaterial, das eine Struktur aufweist, die eine Interkalation und Deinterkalation von Natrium-Ionen ermöglicht.
Gemischtes positives Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, wobei das primäre positive Elektrodenmaterial Nickel in einer Menge von etwa 35 Gewichtsprozent bis etwa 75 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet.
Gemischtes positives Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, wobei das primäre positive Elektrodenmaterial eine Komponente beinhaltet, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Material (NCM), ternärem Nickel-Kobalt-Aluminium-Material (NCA), quartärem Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material (NCMA) oder Kombinationen daraus.
Gemischtes positives Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, wobei das sekundäre positive Elektrodenmaterial eine Komponente beinhaltet, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Preußischweiß, Preußischblau-Natriumcobaltoxid, Natriummanganoxid, Natriummanganoxid, Natriumeisenphosphat, Natriummanganphosphat, Natriumchromoxid, Natriumcobaltphosphat, Natriumnickelphosphat und Kombinationen daraus.
Gemischtes positives Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, wobei ein Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial von 1:1 bis 99:1 beträgt.
Gemischtes positives Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, wobei ein Gewichtsverhältnis des sekundären positiven Elektrodenmaterials zu dem primären positiven Elektrodenmaterial von 5:1 bis 99:1 beträgt.
Positive Elektrode für eine Batterie, umfassend: einen Stromabnehmer; und eine elektrochemisch aktive Schicht, die über dem Stromabnehmer angeordnet ist, wobei die elektrochemisch aktive Schicht ein gemischtes positives Elektrodenmaterial für eine Batterie umfasst, wobei das gemischte positive Elektrodenmaterial Folgendes umfasst: ein primäres positives Elektrodenmaterial, das Nickel in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 99 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet, wobei das primäre positive Elektrodenmaterial eine Struktur aufweist, die eine Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen ermöglicht; und ein sekundäres positives Elektrodenmaterial, das eine Struktur aufweist, die eine Interkalation und Deinterkalation von Natrium-Ionen ermöglicht.
Positive Elektrode nach Anspruch 7, wobei das primäre positive Elektrodenmaterial eine Komponente beinhaltet, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Material (NCM), ternärem Nickel-Kobalt-Aluminium-Material (NCA), quartärem Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material (NCMA) oder Kombinationen daraus.
Positive Elektrode nach Anspruch 7, wobei das sekundäre positive Elektrodenmaterial eine Komponente beinhaltet, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Preußischweiß, Preußischblau-Natriumcobaltoxid, Natriummanganoxid, Natriummanganoxid, Natriumeisenphosphat, Natriummanganphosphat, Natriumchromoxid, Natriumcobaltphosphat, Natriumnickelphosphat und Kombinationen daraus.
Positive Elektrode nach Anspruch 7, wobei ein Gewichtsverhältnis des primären positiven Elektrodenmaterials zu dem sekundären positiven Elektrodenmaterial von 1:1 bis 99:1 beträgt, sodass die positive Elektrode eine positive Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
Positive Elektrode nach Anspruch 7, wobei ein Gewichtsverhältnis des sekundären positiven Elektrodenmaterials zu dem primären positiven Elektrodenmaterial von 5:1 bis 99:1 beträgt, sodass die positive Elektrode eine positive Elektrode für eine Natrium-Ionen-Batterie ist.
Wiederaufladbare Batterie, umfassend mindestens eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, wobei jede Lithium-Ionen-Batteriezelle Folgendes beinhaltet: eine positive Elektrode, umfassend: einen Stromabnehmer; und eine elektrochemisch aktive Schicht, die über dem Stromabnehmer angeordnet ist, wobei die elektrochemisch aktive Schicht ein gemischtes positives Elektrodenmaterial für eine Batterie umfasst, wobei das gemischte positive Elektrodenmaterial Folgendes umfasst: ein primäres positives Elektrodenmaterial, das Nickel in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 99 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des primären positiven Elektrodenmaterials beinhaltet, wobei das primäre positive Elektrodenmaterial eine Struktur aufweist, die eine Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen ermöglicht; und ein sekundäres positives Elektrodenmaterial, das eine Struktur aufweist, die eine Interkalation und Deinterkalation von Natrium-Ionen ermöglicht; eine negative Elektrode, die ein negatives aktives Material beinhaltet; und einen Elektrolyten, der mit der positiven Elektrode und der negativen Elektrode in Kontakt steht.
Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine Lithium-Ionen-Batteriezelle eine Vielzahl von Batteriezellen ist.
Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 12, wobei jede Batteriezelle ferner einen Separator beinhaltet, der zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist.
Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 12, wobei das primäre positive Elektrodenmaterial eine Komponente beinhaltet, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ternärem Nickel-Kobalt-Mangan-Material (NCM), ternärem Nickel-Kobalt-Aluminium-Material (NCA), quartärem Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Material (NCMA) oder Kombinationen daraus.