DE102023121727A1

DE102023121727A1 - Systeme und verfahren zum reduzieren oder verhindern der bildung von manganmetallen

Info

Publication number: DE102023121727A1
Application number: DE102023121727.5A
Authority: DE
Inventors: Soo KIM; Sookyung Jeong; Tae Kyoung Kim; Ki Tae Park
Original assignee: Rivian IP Holdings LLC
Current assignee: Rivian IP Holdings LLC
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2023-08-14
Publication date: 2024-05-16
Also published as: US20240162479A1; CN118039824A

Abstract

Hierin ist eine Batteriezelle und eine Elektrode bereitgestellt. Die Batteriezelle kann eine Komponente einschließen. Die Batteriezelle kann MxFyeinschließen, das in der Komponente angeordnet ist, wobei M ein von Mn verschiedenes Metallelement ist und 1 ≤ x ≤ 3 und 1 ≤ y ≤ 3 ist. Die Elektrode kann ein Anodenaktivmaterial einschließen. Die Elektrode kann eine feste Elektrolyt-Zwischenschicht auf dem Anodenaktivmaterial einschließen. Die Festelektrolyt-Interphase kann MxMn(O1-yFy)zeinschließen, sodass M ein von Mn verschiedenes Metallelement ist und x ≥ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und z ≥ 3 ist.

Description

EINFÜHRUNG
Batterien können unterschiedliche Leistungskapazitäten für Lade- und Entladeleistung aufweisen, um Maschinen zu betreiben.
KURZDARSTELLUNG
Bei direkter Exposition an der Elektrodenoberfläche in Kontakt mit Flüssigelektrolyten kann sich Mangan aus manganhaltigen Kathoden lösen (in Form von Mn²⁺ _(aq.)) und ferner reagieren, um Manganmetall (Mn⁰) an der Anode zu bilden, was zu einer Verschlechterung der Batterie führt. Somit besteht nach wie vor ein Bedarf an Vorrichtungen, Systemen und Verfahren, die die Leistung von Zellen verbessern können, die manganhaltige Kathoden umfassen.
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf eine Batteriezelle gerichtet. Die Batteriezelle kann eine Komponente einschließen. Die Batterie kann ein Metallfluorid M_xF_y einschließen, das in der Komponente angeordnet ist, wobei M ein anderes Metallelement als Mn ist (wie Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce, oder Al), 1 ≤ x ≤ 3 und 1 ≤ y ≤ 3. In manchen Gesichtspunkten handelt es sich bei dem Metallfluorid M_xF_y um eines oder mehrere von KF, BaF₂ und NaF. In manchen Gesichtspunkten umfasst die Komponente einen Elektrolyten und M_xF_y ist in dem Elektrolyten vorhanden. In manchen Gesichtspunkten umfasst die Komponente eine Anode und M_xF_y ist auf die Anode beschichtet. In manchen Gesichtspunkten umfasst die Komponente eine Anode und M_xF_y ist in die Anode integriert. In manchen Gesichtspunkten, in denen die Komponente eine Beschichtung oder ein Additiv umfasst, umfasst die Beschichtung oder das Additiv weniger als 5 Gew.-% M_xF_y.
Gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte kann die Batteriezelle eine Festelektrolyt-Interphase umfassen und die Menge an Mn⁰ in der Festelektrolyt-Interphase kann geringer sein als die Menge an Mn⁰ in einer Festelektrolyt-Interphase einer Batteriezelle ohne M_xF_y. Gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte kann die Batteriezelle eine Festelektrolyt-Zwischenphase umfassen und die Festelektrolyt-Zwischenphase kann eine ternäre Mn²⁺-haltige Metallfluoridverbindung umfassen, die durch eine Reaktion zwischen M_xF_y und MnF₂ gebildet wird. In manchen Gesichtspunkten ist die Menge der ternären Metallfluoridverbindung in der Festelektrolyt-Interphase größer als die Menge der ternären Metallfluoridverbindung in einer Festelektrolyt-Interphase einer Batteriezelle ohne M_xF_y. Zusätzlich oder alternativ kann gemäß diesem Gesichtspunkt die Mn-Auflösung aus einer Mn-haltigen Kathode eine ternäre Mn²⁺-haltige Metallfluoridverbindung durch eine Reaktion zwischen M_xF_y und Mn aus der Mn-haltigen Kathode bilden.
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf eine Elektrode gerichtet. Die Elektrode kann ein Anodenaktivmaterial einschließen. Die Elektrode kann eine Festelektrolyt-Zwischenschicht auf dem Anodenaktivmaterial einschließen. Die Festelektrolyt-Interphase kann M_xMn(O_1-yF_y)_z, einschließen, wobei M ein von Mn verschiedenes Metallelement (wie Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce oder Al), x ≥ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und z ≥ 3 ist. In manchen Gesichtspunkten umfasst M_xMn(O_1-yF_y)_z $M_{x}^{1} Mn {(O_{1 - y} F_{y})}_{z}$
und das Anodenaktivmaterial umfasst ferner $M_{a}^{2} F_{b},$
wobei 1 ≤ a ≤ 3 und 1 ≤ b ≤ 3 ist. In manchen Gesichtspunkten ist M¹ ausgewählt aus K, Na und Ba. In manchen Gesichtspunkten ist M² ausgewählt aus Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce und Al. In manchen Gesichtspunkten ist M_xMn(O_1-yF_y)_z eines oder mehrere von K₂MnF₄, KMnF₃, BaMnF₄ und NaMnF₃ und deren Oxyfluoridverbindungen (O_1-yF_y). In manchen Gesichtspunkten ist M_xMn(O_1-yF_y)_z eines oder mehrere von K₂MnF₄, KMnF₃, BaMnF₄ und NaMnF₃.
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf ein Verfahren gerichtet. Das Verfahren kann das Anordnen von M_xF_y in einer Komponente einer Batteriezelle einschließen, wobei M ein von Mn verschiedenes Metallelement (wie Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce oder Al) ist, 1 ≤ x ≤ 3 und 1 ≤ y ≤ 3. In manchen Gesichtspunkten ist M_xF_y eines oder mehrere von KF, BaF₂ und NaF. In manchen Gesichtspunkten umfasst die Komponente einen Elektrolyten und das Verfahren umfasst das Anordnen von M_xF_y in dem Elektrolyten. In manchen Gesichtspunkten umfasst die Komponente eine Anode und das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Beschichtung, umfassend M_xF_y auf der Anode. In manchen Gesichtspunkten umfasst die Komponente eine Anode und das Verfahren umfasst das Integrieren von M_xF_y in die Anode. In manchen Gesichtspunkten, in denen die Komponente eine Beschichtung oder ein Additiv umfasst, umfasst die Beschichtung oder das Additiv weniger als 5 Gew.-% M_xF_y.
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf ein Elektrofahrzeug gerichtet. Das Elektrofahrzeug kann eine Batterie einschließen. Die Batterie kann eine Komponente einschließen. Die Batterie kann M_xF_y einschließen, das in der Komponente angeordnet ist, wobei M ein anderes Metallelement als Mn (wie Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce oder Al) und 1 ≤ x <_ 3 und 1 ≤ y ≤ 3 ist. In manchen Gesichtspunkten ist M_xF_y eines oder mehrere von KF, BaF₂ und NaF.
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf ein Elektrofahrzeug gerichtet. Das Elektrofahrzeug kann eine Batterie einschließen. Die Batterie kann eine Elektrode einschließen. Die Elektrode kann ein Anodenaktivmaterial einschließen. Die Elektrode kann eine Festelektrolyt-Interphase (SEI) auf dem Anodenaktivmaterial einschließen. Die Festelektrolyt-Interphase kann M_xMn(O_1-yF_y)_z, einschließen, sodass M ein von Mn verschiedenes Metall (wie Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce oder Al), x ≥ 1, 0 ≤ y < 1 und z ≥ 3 ist. In manchen Gesichtspunkten ist M_xMn(O_1-yF_y)_z eines oder mehrere von K₂MnF₄, KMnF₃, BaMnF₄, NaMnF₃ und deren Oxyfluoridverbindungen (O_1-yF_y).
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf ein System gerichtet. Das System kann eine Batterie einschließen. Die Batterie kann eine Komponente einschließen. Die Batterie kann M_xF_y einschließen, das in der Komponente angeordnet ist, wobei M ein anderes von Mn verschiedenes Metall (wie Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce oder Al), 1 ≤ x ≤ 3 und 1 ≤ y ≤ 3 ist. In manchen Gesichtspunkten ist M_xF_y eines oder mehrere von KF, BaF₂ und NaF.
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf ein System gerichtet. Das System kann eine Elektrode einschließen. Die Elektrode kann ein Anodenaktivmaterial einschließen. Die Elektrode kann eine Festelektrolyt-Zwischenschicht auf dem Anodenaktivmaterial einschließen. Die Festelektrolyt-Interphase kann M_xMn(O_1-yF_y)_z einschließen, wobei M ein von Mn verschiedenes Metall (wie Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce oder Al) und x ≥ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und z ≥ 3 ist. In manchen Gesichtspunkten ist M_xMn(O_1-yF_y)_z eines oder mehrere von K₂MnF₄, KMnF₃, BaMnF₄ und NaMnF₃ und deren Oxyfluoridverbindungen (O_1-yF_y).
Diese und andere Gesichtspunkte und Implementierungen werden nachstehend ausführlich erläutert. Die vorstehenden Informationen und die folgende ausführliche Beschreibung schließen veranschaulichende Beispiele für verschiedene Gesichtspunkte und Implementierungen ein und stellen einen Überblick oder Rahmen für das Verständnis der Art und des Charakters der hierin offenbarten Einrichtungen, Systeme und Verfahren bereit. Die Zeichnungen stellen eine Darstellung und ein weiteres Verständnis der verschiedenen Gesichtspunkte und Implementierungen bereit und sind Bestandteil der vorliegenden Offenbarung. Die vorstehenden Informationen und die folgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen schließen veranschaulichende Beispiele ein und sollten nicht als einschränkend angesehen werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Gleiche Bezugszeichen und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen geben gleiche Elemente an. Aus Gründen der Übersichtlichkeit muss nicht jede Komponente in jeder Zeichnung beschriftet sein. In den Zeichnungen gilt:

1 stellt eine Querschnittsansicht eines Elektrofahrzeugs gemäß einer beispielhaften Implementierung dar.
2A stellt ein Batteriepack gemäß einer beispielhaften Implementierung dar.
2B stellt ein Batteriemodul gemäß einer beispielhaften Implementierung dar.
2C stellt eine Querschnittsansicht einer Batteriezelle gemäß einer beispielhaften Implementierung dar.
2D stellt eine Querschnittsansicht einer Batteriezelle gemäß einer beispielhaften Implementierung dar.
2E stellt eine Querschnittsansicht einer Batteriezelle gemäß einer beispielhaften Implementierung dar.
3 stellt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Batteriezelle gemäß einer beispielhaften Implementierung dar.
4 stellt Kristallstrukturen von ternären Metallfluoriden gemäß einer beispielhaften Implementierung dar.
5 stellt ein Diagramm von Festelektrolyt-Interphasen gemäß einer beispielhaften Implementierung dar.
6 stellt Nyquist-Diagramme einer Steuerelektrode und einer verbesserten Elektrode dar und veranschaulicht die Ergebnisse, die durch eine beispielhafte Implementierung erzielt werden könnten.
7 stellt ein Verfahren zum Reduzieren oder Verhindern der Bildung von Manganmetall gemäß einer beispielhaften Implementierung dar.
8 stellt ein Verfahren zum Bereitstellen einer Batteriezelle gemäß einer beispielhaften Implementierung dar.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es folgen detaillierte Beschreibungen verschiedener Konzepte in Bezug auf und Implementierungen von Verfahren, Vorrichtungen und Systemen zum Reduzieren oder Verhindern der Bildung von Manganmetall. Die verschiedenen Konzepte, die vorstehend vorgestellt und nachstehend ausführlicher erläutert werden, lassen sich auf zahlreiche Arten implementieren.
Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf Einrichtungen, Systeme und Verfahren zum Reduzieren oder Verhindern der Bildung von Manganmetall in einer Batterie. Mangan aus manganhaltigen Kathoden kann sich in flüssigen Elektrolyten in Form von Mn²⁺ _(aq.) lösen und an der Anode zu Manganmetall (Mn⁰) reagieren, was zu einer Verschlechterung der Batterie führt. Zum Beispiel können gelöste Manganionen mit HF, das in einem Elektrolyten vorhanden ist, reagieren, um MnF₂ in einer Festelektrolyt-Zwischenphase einer Batterie zu bilden, und eine weitere Reduktion von MnF₂ innerhalb der elektrochemischen Zelle kann zur Bildung und Abscheidung von Manganmetall an der Anode führen. Ein solches Manganmetall kann die Polarisierung der Anode erhöhen und den Impedanzwiderstand der Batterie erhöhen. Dieses Problem kann in jeder Batterie auftreten, die eine Mn-haltige Kathode umfasst. Da das Problem auf die Auflösung von Mn²⁺ zurückzuführen ist, kann es insbesondere in einer Batterie auftreten, die eine Mn²⁺-haltige Kathode umfasst. Das Problem kann auch in einer Batterie auftreten, die eine Mn³⁺-haltige Kathode umfasst, wobei das Mn³⁺ Disproportionierungsreaktion zu Mn²⁺ und Mn⁴⁺ unterliegt. Eine kontinuierliche elektrochemische Reduktion einer Mn⁴⁺-haltigen Kathode, Mn⁴⁺ kann elektrochemisch zu Mn³⁺ reduzieren. Mn⁴⁺ ist im Allgemeinen eine stabilere Spezies in solchen Batterien unter typischen Betriebsbedingungen, verglichen mit Mn²⁺- oder Mn³⁺-Kathoden. Somit umfasst die Batterie gemäß einigen Gesichtspunkten eine LiMn_aFe_1-aPO₄ (LMFP)-Kathode, wobei 0 ≤ a ≤ 1 ist. In einer LMFP-Kathode weist Mn-Metall eine Oxidationsstufe von 2⁺ auf. In manchen Gesichtspunkten umfasst die Batterie eine LiMn₂O₄-Kathode. In einer LiMn₂O₄-Kathode weist Mn-Metall eine Oxidationsstufe von 3⁺ und 4⁺ auf. In manchen Gesichtspunkten umfasst die Batterie eine Li(Ni_bCo_cMn_1-b-c)O₂-Kathode (NMC oder NMCA). In NMC oder NMCA (A ist Aluminium) weisen die meisten Mn-Metalle eine Oxidationsstufe von 4+ auf.
Zur Lösung dieses Problems wird hierin eine Batteriezelle beschrieben, in der eine binäre, fluoridhaltige Mn²⁺ abfangende Spezies in einer Komponente angeordnet ist. Die binäre fluoridhaltige Mn²⁺ abfangende Spezies kann eine Metallfluoridspezies M_xF_y sein, wobei M ein von Mn verschiedenes Metall (wie Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce oder Al) und 1 ≤ x ≤ 3 und 1 ≤ y ≤ 3 ist. In spezifischen Gesichtspunkten ist M K, Ba oder Na. In weiteren spezifischen Gesichtspunkten ist M_xF_y eines oder mehrere von KF, BaF₂ und NaF. In manchen Ausführungsformen ist ein Teil des Fluors dotiert oder durch Sauerstoff ersetzt.
Die binäre fluoridhaltige Mn²⁺ abfangende Spezies kann mit Mn²⁺ reagieren und eine stabile Mn²⁺-haltige ternäre Spezies (Mn-M-F) bilden. Ohne die hierin beschriebene abfangende Spezies bewegen sich die Mn²⁺-Ionen z. B. zu einer Graphitanode und reagieren zu MnF₂ das an der Oberfläche der Anode abgeschieden werden kann. Die stabile Mn²-haltige ternäre Spezies (Mn-M-F) kann an der Anode abgeschieden werden. Insbesondere kann die Verwendung der hierin beschriebenen binären fluoridhaltigen Mn²⁺ abfangenden Spezies zur Bildung von M_xMn(O_1-yF_y)_z (z. B. an der Anode) führen, wobei x ≥ 1, 0 < y < 1 und z ≥ 3 ist. In spezifischen Gesichtspunkten ist M_xMn(O_1-yF_y)_z eines oder mehrere von K₂MnF₄, KMnF₃, BaMnF₄ und NaMnF₃. M_xMn(O_1-yF_y)_z kann eine oder mehrere Oxyfluoridverbindungen (O_1-yF_y) von K₂MnF₄, KMnF₃, BaMnF₄ und NaMnF₃ sein. In manchen Ausführungsformen kann ein Teil des Fluors dotiert oder durch Sauerstoff ersetzt werden. Zum Beispiel kann bei einer Elektrode mit einem Anodenaktivmaterial, wobei die Elektrode eine Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI) auf dem Anodenaktivmaterial einschließt, die Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI) M_xMn(O_1-yF_y)_z einschließen, wobei M ein von Mn verschiedenes Metall ist und x ≥ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und z ≥ 3 ist.
Die offenbarten Lösungen weisen den technischen Vorteil auf, dass sie die Bildung von Manganmetall in der Batteriezelle reduzieren oder verhindern. Die Lösungen können die von der Anode ausgehende Zellpolarisierung verringern und den Gesamtimpedanzwiderstand der Batterie senken. Die Lösungen können das Nachlassen der Batteriekapazität mit der Zeit reduzieren oder verhindern. Die Lösung kann den plötzlichen Abfall der Batterieleistung reduzieren oder verhindern (z. B. sanfte Beschleunigung bei Elektrofahrzeugen). Die Lösungen können die thermodynamische Tendenz zur Bildung von Manganmetallen reduzieren oder verringern. Weitere Einzelheiten werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert und veranschaulicht.
1 stellt eine beispielhafte Querschnittsansicht 100 eines Elektrofahrzeugs 105 dar, in dem mindestens ein Batteriepack 110 installiert ist. Elektrofahrzeuge 105 können unter anderem Elektro-Trucks, Elektro-SUVs (Sport Utility Vehicles), Elektro-Lieferwagen, Elektro-Automobile, Elektroautos, Elektromotorräder, Elektroroller, Elektro-Pkw, Elektro-Pkw oder -Nutzfahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder andere Fahrzeuge wie See- oder Lufttransportfahrzeuge, Flugzeuge, Hubschrauber, U-Boote, Boote oder Drohnen einschließen. Der Batteriepack 110 kann auch als Energiespeicherungssystem zum Versorgen eines Gebäudes verwendet werden, wie eines Wohnhauses oder Geschäftsgebäudes. Elektrofahrzeuge 105 können vollelektrisch oder teilweise elektrisch sein (z. B. Plug-in-Hybrid), und ferner können Elektrofahrzeuge 105 vollständig autonom, teilweise autonom oder unbemannt sein. Elektrofahrzeuge 105 können auch von Menschen bedient werden oder nicht autonom sein. Elektrofahrzeuge 105, wie Elektro-LKWs oder -Autos, können bordeigene Batteriepacks 110, Batterien 115 oder 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. einen 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. Zum Beispiel kann der Batteriepack 110 auf dem Chassis 125 des Elektrofahrzeugs 105 innerhalb eines oder mehrerer des vorderen Abschnitts 130, des Karosserieabschnitts 135 oder des hinteren Abschnitts 140 installiert sein. Der Batteriepack 110 kann mindestens eine Sammelschiene, z. B. ein Stromkollektorelement, einschließen oder mit diesem verbunden sein. Zum Beispiel können die erste Sammelschiene 145 und die zweite Sammelschiene 150 elektrisch leitfähiges Material einschließen, um die Batterie 115, 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.
2A stellt ein beispielhaftes Batteriepack 110 dar. Bezug nehmend auf 2A kann der Batteriepack 110 unter anderem dem Elektrofahrzeug 105 Leistung bereitstellen. Batteriepacks 110 können jede Anordnung oder jedes Netzwerk elektrischer, elektronischer, mechanischer oder elektromechanischer Vorrichtungen einschließen, um ein Fahrzeug jeglicher Art, wie das Elektrofahrzeug 105, mit Strom zu versorgen. Der Batteriepack 110 kann mindestens ein Gehäuse 205 einschließen. Das Gehäuse 205 kann mindestens ein Batteriemodul 115 oder mindestens eine Batteriezelle 120 sowie weitere Komponenten des Batteriepacks einschließen. Das Batteriemodul 115 kann eine oder mehrere Gruppen von prismatischen Zellen, zylindrischen Zellen, Pouch-Zellen oder anderen Formfaktoren der Batteriezellen 120 sein oder einschließen. Das Gehäuse 205 kann eine Abschirmung an der Unterseite des Batteriemoduls 115 einschließen, um das Batteriemodul 115 und/oder die Zellen 120 vor äußeren Einflüssen zu schützen, zum Beispiel wenn das Elektrofahrzeug 105 über unwegsames Gelände (z. B. im Gelände, Gräben, Felsen usw.) gesteuert wird. Der Batteriepack 110 kann mindestens eine Kühlleitung 210 einschließen, die Flüssigkeit durch den Batteriepack 110 als Teil eines Wärme-/Temperatursteuerungs- oder Wärmeaustauschsystems verteilen kann, das auch mindestens eine thermische Komponente (z.B. Kühlplatte) 215 einschließen kann. Die thermische Komponente 215 kann in Bezug auf ein oberes Submodul und ein unteres Submodul positioniert werden, sodass sie sich unter anderem zwischen dem oberen und dem unteren Submodul befindet. Das Batteriepack 110 kann eine beliebige Anzahl von thermischen Komponenten 215 einschließen. Zum Beispiel können pro Batteriepack 110 oder pro Batteriemodul 115 eine oder mehrere thermische Komponenten 215 vorhanden sein. Mindestens eine Kühlleitung 210 kann mit der thermischen Komponente 215 gekoppelt, Teil davon oder unabhängig davon sein.
2B stellt beispielhafte Batteriemodule 115 dar und 2C, 2D und 2E stellen eine beispielhafte Querschnittsansicht einer Batteriezelle 120 dar. Das Batteriemodul 115 kann mindestens ein Submodul einschließen. Zum Beispiel können die Batteriemodule 115 mindestens ein erstes (z. B. oberes) Submodul 220 oder mindestens ein zweites (z. B. unteres) Submodul 225 einschließen. Mindestens eine thermische Komponente 215 kann zwischen dem oberen Submodul 220 und dem unteren Submodul 225 angeordnet sein. Zum Beispiel kann eine thermische Komponente 215 für den Wärmeaustausch mit einem Batteriemodul 115 konfiguriert sein. Die thermische Komponente 215 kann zwischen dem oberen Submodul 220 und dem unteren Submodul 225 angeordnet oder thermisch gekoppelt sein. Eine thermische Komponente 215 kann auch mit mehr als einem Batteriemodul 115 (oder mehr als zwei Submodulen 220, 225) thermisch gekoppelt sein. Die thermischen Komponenten 215, die aneinander angrenzend gezeigt sind, können zu einer einzelnen thermischen Komponente 215 kombiniert werden, die die Größe eines oder mehrerer Submodule 220 oder 225 überspannt. Die thermische Komponente 215 kann unter anderem unterhalb des Submoduls 220 und über dem Submodul 225, zwischen den Submodulen 220 und 225, auf einer oder mehreren Seiten der Submodule 220, 225 positioniert werden. Die thermische Komponente 215 kann in Seitenwänden, Querelementen, Strukturträgern und verschiedenen anderen Komponenten des Batteriepacks angeordnet sein, wie in dem vorstehend beschriebenen Batteriepack 110. Die Batterie-Submodule 220, 225 können zusammen ein Batteriemodul 115 bilden. In manchen Beispielen kann jedes Submodul 220, 225 als ein komplettes Batteriemodul 115 und nicht als ein Submodul betrachtet werden.
Die Batteriemodule 115 können jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen 120 einschließen. Die Batteriemodule 115 können innerhalb des Gehäuses 205 des Batteriepacks 110 angeordnet sein. Die Batteriemodule 115 können Batteriezellen 120 einschließen, bei denen es sich zum Beispiel um zylindrische Zellen oder prismatische Zellen handelt. Das Batteriemodul 115 kann als eine modulare Einheit von Batteriezellen 120 betrieben werden. Zum Beispiel kann ein Batteriemodul 115 Strom oder elektrische Leistung von den Batteriezellen 120, die in dem Batteriemodul 115 enthalten sind, sammeln und den Strom oder die elektrische Leistung als Ausgabe des Batteriepacks 110 bereitstellen. Der Batteriepack 110 kann eine beliebige Anzahl von Batteriemodulen 115 einschließen. Zum Beispiel kann der Batteriepack ein, zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf oder eine andere Anzahl von Batteriemodulen 115 aufweisen, die in dem Gehäuse 205 angeordnet sind. Es ist auch zu beachten, dass jedes Batteriemodul 115 ein oberes Submodul 220 und ein unteres Submodul 225 einschließen kann, möglicherweise mit einer thermischen Komponente 215 zwischen dem oberen Submodul 220 und dem unteren Submodul 225. Das Batteriepack 110 kann eine Vielzahl von Bereichen einschließen oder definieren, in denen das Batteriemodul 115 und/oder die Zellen 120 positioniert werden kann. Die Batteriemodule 115 können quadratisch, rechteckig, rund, dreieckig, symmetrisch oder asymmetrisch sein. In manchen Beispielen können die Batteriemodule 115 unterschiedliche Formen aufweisen, sodass manche Batteriemodule 115 rechteckig und andere Batteriemodule 115 quadratisch sind, neben anderen Möglichkeiten. Das Batteriemodul 115 kann eine Vielzahl von Steckplätzen, Haltern oder Behältern für eine Vielzahl von Batteriezellen 120 einschließen oder definieren. Es ist zu beachten, dass die hierin veranschaulichten Darstellungen und Beschreibungen nur als Beispiele bereitgestellt werden und nicht als einschränkend zu verstehen sind. Zum Beispiel können die Batteriezellen 120 ohne Batteriemodule 220 und 225 in das Batteriepack 110 eingesetzt werden. Die Batteriezellen 120 können unter anderem in dem Batteriepack 110 in einer Zelle-zu-Pack-Konfiguration ohne Module 220 und 225 angeordnet sein.
Batteriezellen 120 weisen eine Vielzahl von Formfaktoren, Formen oder Größen auf. Zum Beispiel können die Batteriezellen 120 einen zylindrischen, rechteckigen, quadratischen, würfelförmigen, flachen, Pouch-, länglichen oder prismatischen Formfaktor aufweisen. Wie in 2C dargestellt, kann die Batteriezelle 120 zum Beispiel zylindrisch sein. Wie in 2D dargestellt, kann die Batteriezelle 120 zum Beispiel prismatisch sein. Wie in 2E dargestellt, kann die Batteriezelle 120 zum Beispiel einen Pouch-Formfaktor einschließen. Die Batteriezellen 120 können zusammengebaut werden, indem zum Beispiel eine gewickelte oder gestapelte Elektrodenrolle (z. B. einer Jelly Roll) einschließlich eines Elektrolytmaterials in mindestens ein Batteriezellengehäuse 230 eingesetzt wird. Das Elektrolytmaterial, z. B. ein elektrisch leitfähiges Fluid oder ein anderes Material, kann elektrochemische Reaktionen an den Elektroden unterstützen, um elektrische Leistung für die Batteriezelle zu erzeugen, zu speichern oder bereitzustellen, indem es die Leitung von Ionen zwischen einer positiven und einer negativen Elektrode ermöglicht. Die Batteriezelle 120 kann eine Elektrolytschicht einschließen, wobei die Elektrolytschicht ein Festelektrolytmaterial sein kann oder einschließen kann, das Ionen leiten kann. Zum Beispiel kann die Festelektrolytschicht Ionen leiten, ohne ein separates flüssiges Elektrolytmaterial zu empfangen. Das Elektrolytmaterial, z. B. ein elektrisch leitfähiges Fluid oder ein anderes Material, kann die Ionenleitung zwischen den Elektroden unterstützen, um elektrische Leistung für die Batteriezelle 120 zu erzeugen oder bereitzustellen. 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 zu den Elektroden mit zumindest einem Teil des Elektrolytmaterials an zwei Punkten oder Bereichen der Batteriezelle 120 gebildet 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 bilden. Die Polaritätsanschlüsse können aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt sein, um elektrischen Strom von der Batteriezelle 120 zu einem elektrischen Verbraucher, wie einer Komponente oder einem System des Elektrofahrzeugs 105, zu leiten.
Zum Beispiel kann die Batteriezelle 120 mindestens eine Lithium-Ionen-Batteriezelle einschließen. In Lithium-Ionen-Batteriezellen können Lithiumionen beim Laden und Entladen der Batteriezelle zwischen einer positiven und einer negativen Elektrode übertragen werden. Zum Beispiel kann die Batteriezellenanode Lithium oder Graphit einschließen, und die Batteriezellenkathode kann ein lithiumbasiertes Oxidmaterial einschließen. Das Elektrolytmaterial kann in der Batteriezelle 120 angeordnet sein, um die Anode und Kathode voneinander zu trennen und die Übertragung von Lithiumionen zwischen der Anode und Kathode zu erleichtern. Es ist zu beachten, dass die Batteriezelle 120 auch in Form einer Festkörperbatteriezelle ausgebildet sein kann, die feste Elektroden und feste Elektrolyte verwendet. Festelektroden oder Elektrolyte können anorganische Festelektrolytmaterialien (z. B. Oxide, Sulfide, Phosphide, Keramiken), feste Polymerelektrolytmaterialien, hybride Festkörperelektrolyte oder eine beliebige Kombination davon einschließen. In manchen Implementierungen kann die Festelektrolytschicht polyanionisches oder oxidbasiertes Elektrolytmaterial (z. B. Superionische Lithium-Leiter (LISICONs), superionische Natrium-Leiter (NASICONs), Perowskite mit der Formel ABO₃ (A = Li, Ca, Sr, La und B = Al, Ti), Granat-Typ mit der Formel A₃B₂(XO₄)₃ (A = Ca, Sr, Ba und X = Nb, Ta), Lithium-Phosphor-Oxy-Nitrid (Li_xPO_yN_z) einschließen. In manchen Implementierungen kann die Festelektrolytschicht einen glasartigen, keramischen und/oder kristallinen Elektrolyten auf Sulfidbasis (z. B. Li₃PS₄, L1₇P₃S₁₁, Li₂S-P₂S₅, Li₂S-B₂S₃, SnS-P₂S₅, Li₂S-SiS₂, Li₂S-P₂S₅, Li₂S-GeS₂, Li₁₀GeP₂S₁₂) und/oder auf Sulfid-basierende Lithium-Argyrode mit der Formel Li₆PS₅X (X = Cl, Br) wie Li₆PS₅Cl) einschließen. Darüber hinaus kann die Festelektrolytschicht unter anderem ein Polymerelektrolytmaterial (z. B. ein Hybrid- oder Pseudofestelektrolyt), beispielsweise Polyacrylnitril (PAN), Polyethylenoxid (PEO), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) einschließen.
Die Batteriezelle 120 kann in den Batteriemodulen 115 oder Batteriepacks 110 eingeschlossen sein, um Komponenten des Elektrofahrzeugs 105 zu versorgen. Das Batteriezellengehäuse 230 kann in dem Batteriemodul 115, dem Batteriepack 110 oder einem Batteriearray angeordnet sein, das in dem Elektrofahrzeug 105 installiert ist. Das Gehäuse 230 kann eine beliebige Form aufweisen, wie zylindrisch mit einer kreisförmigen (z. B. wie unter anderem in 2C dargestellt), elliptischen oder ovulären Basis, um nur einige zu nennen. Die Form des Gehäuses 230 kann unter anderem auch prismatisch mit einer polygonalen Grundfläche sein, wie in 2D gezeigt. Wie in 2E gezeigt, kann das Gehäuse 230 unter anderem einen Pouch-Formfaktor einschließen. Das Gehäuse 230 kann andere Formfaktoren einschließen, wie unter anderem ein Dreieck, ein Quadrat, ein Rechteck, ein Fünfeck und ein Sechseck. In manchen Implementierungen kann der Batteriepack keine Module einschließen (z. B. modulfrei). Zum Beispiel kann der Batteriepack eine „modulfreie“ oder „Zelle-zu-Pack“-Konfiguration aufweisen, wobei die Batteriezellen direkt in einem Batteriepack ohne Anordnung in einem Modul angeordnet sind.
Das Gehäuse 230 der Batteriezelle 120 kann ein oder mehrere Materialien mit verschiedener elektrischer Leitfähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit oder eine beliebige Kombination davon einschließen. Das elektrisch leitfähige und wärmeleitfähige Material für das Gehäuse 230 der Batteriezelle 120 kann unter anderem ein metallisches Material wie Aluminium, eine Aluminiumlegierung mit Kupfer, Silicium, Zinn, Magnesium, Mangan oder Zink (z. B. Aluminium 1000, 4000 oder 5000 Serie), Eisen, eine Eisen-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 usw.) und ein thermoplastisches Material (z. B. Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid oder Nylon) einschließen. In Beispielen, in denen das Gehäuse 230 der Batteriezelle 120 prismatisch (z. B. wie unter anderem in 2D dargestellt) oder zylindrisch (z. B. wie unter anderem in 2C dargestellt) ist, kann das Gehäuse 230 ein starres oder halbstarres Material einschließen, sodass das Gehäuse 230 starr oder halbstarr ist (z. B. nicht leicht verformt oder in eine andere Form oder einen anderen Formfaktor manipuliert werden kann). In Beispielen, in denen das Gehäuse 230 einen Pouch-Formfaktor (z. B. wie unter anderem in 2E dargestellt) einschließt, kann das Gehäuse 230 ein flexibles, verformbares oder nicht starres Material einschließen, sodass das Gehäuse 230 gebogen, verformt oder in einen anderen Formfaktor oder eine andere Form manipuliert werden kann.
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 ein erstes Redoxpotential einschließen. Die Anodenschicht 245 kann elektrischen Strom in die Batteriezelle 120 aufnehmen und während des Betriebs der Batteriezelle 120 (z. B. Laden oder Entladen der Batteriezelle 120) Elektroden abgeben. Die Anodenschicht 245 kann eine aktive Substanz einschließen. Die aktive Substanz kann zum Beispiel eine Aktivkohle oder ein mit leitfähigen Materialien durchsetztes Material (z. B. künstliches oder natürliches Graphit oder eine Mischung davon), Lithiumtitanat (Li₄Ti₅O₁₂) oder ein auf Silicium basierendes Material (z. B. Siliciummetall, -oxid, -carbid, vorlithiiert) oder andere Lithiumlegierungsanoden (Li-Mg-, Li-Al-, Li-Ag-Legierung usw.) oder Kompositanoden bestehend aus Lithium und Kohlenstoff, Silicium und Kohlenstoff oder anderen Verbindungen einschließen. Die aktive Substanz kann graphitischen Kohlenstoff (z. B. geordneten oder ungeordneten Kohlenstoff mit sp²-Hybridisierung), eine Li-Metall-Anode oder eine Kohlenstoffverbundanode auf Siliziumbasis oder andere Anoden aus Lithiumlegierungen (Li-Mg-, Li-Al-, Li-Ag-Legierung usw.) oder Verbundanoden aus Lithium und Kohlenstoff, Silizium und Kohlenstoff oder anderen Verbindungen einschließen. In einigen Beispielen kann ein Anodenmaterial innerhalb eines Stromkollektormaterials gebildet werden. Zum Beispiel kann eine Elektrode einen Stromkollektor (z. B. Kupferfolie) mit einer in situ gebildeten Anode (z. B. Li-Metall) auf einer Oberfläche des Stromkollektors umfassen, die dem Separator oder dem Festkörperelektrolyten zugewandt ist. In derartigen Beispielen umfasst die zusammengesetzte Zelle kein Anodenaktivmaterial in einem ungeladenen Zustand.
Die Batteriezelle 120 kann mindestens eine Kathodenschicht 255 (z. B. eine Kompositkathodenschicht, Verbindungskathodenschicht, eine Verbindungskathode, eine Kompositkathode oder eine Kathode) einschließen. Die Kathodenschicht 255 kann ein zweites Redoxpotential einschließen, das sich von dem ersten Redoxpotential der Anodenschicht 245 unterscheiden kann. 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 während des Entladens der Batteriezelle 120 auch Lithiumionen aufnehmen. Umgekehrt kann die Kathodenschicht 255 elektrischen Strom in die Batteriezelle 120 aufnehmen und kann während des Ladens der Batteriezelle 120 Elektroden ausgeben. Die Kathodenschicht 255 kann während des Ladens der Batteriezelle 120 Lithiumionen freisetzen.
Die Batteriezelle 120 kann eine Schicht 260 einschließen, die innerhalb des Hohlraums 250 angeordnet ist. Die Schicht 260 kann eine Festelektrolytschicht einschließen. Die Schicht 260 kann einen Separator einschließen, der von einem Flüssigelektrolyten benetzt wird. Die Schicht 260 kann ein Polymermaterial einschließen. Die Schicht 260 kann einen Polymerseparator einschließen. Die Schicht 260 kann zwischen der Anodenschicht 245 und der Kathodenschicht 255 angeordnet sein, um die Anodenschicht 245 und die Kathodenschicht 255 zu trennen. Der Polymerseparator kann Anode und Kathode bei einem Kurzschluss in der Zelle physisch trennen. Ein Separator kann mit einem Flüssigelektrolyten benetzt werden. Der Flüssigelektrolyt kann in die Anodenschicht 245 diffundieren. Der Flüssigelektrolyt kann in die Kathodenschicht 255 diffundieren. Im Falle eines Festelektrolyten kann die Schicht 260 den Transfer von Ionen (z. B. Li⁺-Ionen) zwischen der Anodenschicht 245 und der Kathodenschicht 255 unterstützen. Die Schicht 260 kann während des Endladevorgangs der Batteriezelle 120 Li⁺-Kationen von der Anodenschicht 245 zu der Kathodenschicht 255 übertragen. Die Schicht 260 kann im Falle eines Festelektrolyten während des Ladevorgangs der Batteriezelle 120 Lithiumionen von der Kathodenschicht 255 zu der Anodenschicht 245 übertragen. Wenn sie von einem Flüssigelektrolyten benetzt werden, können Ionen (z. B. Li⁺-Ionen) durch die Schicht 260 (z. B. polymere Separatorschicht) zwischen der Anodenschicht 245 und der Kathodenschicht 255 diffundieren. Die Li⁺-Kationen können während des Entladevorgangs der Batteriezelle 120 durch die Schicht 260 von der Anodenschicht 245 zu der Kathodenschicht 255 diffundieren. Während des Ladevorgangs der Batteriezelle 120 können die Lithiumionen durch die Schicht 260 von der Kathodenschicht 255 zu der Anodenschicht 245 diffundieren.
Das Redoxpotential von Schichten (z. B. das erste Redoxpotential der Anodenschicht 245 oder das zweite Redoxpotential der Kathodenschicht 255) kann basierend auf einer Chemie der jeweiligen Schicht oder einer Chemie der Batteriezelle 120 variieren. Zum Beispiel können Lithium-Ionen-Batterien eine LFP-Chemie (Lithium-Eisen-Phosphat), eine LMFP-Chemie (Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat), eine NMC-Chemie (Nickel-Mangan-Kobalt-Chemie), eine NCA-Chemie (Nickel-Kobalt-Aluminium-Chemie), eine OLO-Chemie (Over Lithiated Oxide) oder eine LCO-Chemie (Lithium-Kobalt-Oxid-Chemie) für eine Kathodenschicht (z. B. die Kathodenschicht 255) einschließen. Lithium-Ionen-Batterien können eine Graphit-Chemie, eine Silicium-Graphit-Chemie oder eine Lithium-Metall-Chemie für die Anodenschicht (z. B. die Anodenschicht 245) einschließen.
Zum Beispiel können bei einer Kathodenschicht (z. B. bei der Kathodenschicht 255) Lithium-Ionen-Batterien ein Olivinphosphat (LiMPO₄, M = Fe und/oder Co und/oder Mn und/oder Ni)), LISICON- oder NASICON-Phosphate (Li₃M₂(PO₄)₃ und LiMPO₄O_x, M = Ti, V, Mn, Cr und Zr), zum Beispiel Lithiumeisenphosphat (LFP), Lithiumeisenmanganphosphat (LMFP), geschichtete Oxide (LiMO₂, M = Ni und/oder Co und/oder Mn und/oder Fe und/oder Al und/oder Mg), NMC (Nickel-Mangan-Kobalt)-Chemie, eine NCA (Nickel-Kobalt-Aluminium)-Chemie oder eine LCO (Lithium-Kobalt-Oxid)-Chemie sowie lithiumreiche Schichtoxide (Li_1+xM_1-xO₂) (Ni und/oder Mn und/oder Co), (OLO oder LMR), Spinell (LiMn₂O₄) und Hochspannungsspinelle (LiMm_1.5Ni_0.5O₄), ungeordnetes Steinsalz, Fluorphosphate Li₂FePO₄F (M = Fe, Co, Ni) und Fluorsulfate wie LiMSO₄F (M = Co, Ni, Mn) einschließen. Bei einer Anodenschicht (z. B. bei der Anodenschicht 245) können Lithium-Ionen-Batterien eine Graphitchemie, eine Silizium-Graphit-Chemie oder eine Lithium-Metall-Chemie einschließen. Zum Beispiel kann eine Kathodenschicht mit einer LFP-Chemie ein Redoxpotential von 3,4 V gegenüber Li/Li⁺ aufweisen, während eine Anodenschicht mit einer Graphit-Chemie ein Redoxpotential von 0,2 V gegenüber Li/Li⁺ aufweisen kann.
Elektrodenschichten können Anodenaktivmaterial oder Kathodenaktivmaterial, üblicherweise zusätzlich zu einem leitfähigen Kohlenstoffmaterial, einem Bindemittel, oder anderen Additiven als eine Beschichtung auf einem Stromkollektor (Metallfolie) einschließen. Die chemische Zusammensetzung der Elektrodenschichten kann das Redoxpotential der Elektrodenschichten beeinflussen. Zum Beispiel können Kathodenschichten (z. B. die Kathodenschicht 255) Lithium-Übergangsmetall-Oxid mit einen mittleren bis hohen Nickelgehalt (50 bis 80 % oder gleich 80 % Ni), wie ein teilchenförmiges Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid („LiNMC“), ein Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid („LiNCA“), ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-AluminiumOxid („LiNMCA“) oder Lithium-Metallphosphate wie Lithium-Eisen-Phosphat („LFP“) und Lithium-Manganionen-Phosphat („LMFP“) einschließen. Anodenschichten (z. B. die Anodenschicht 245) können leitfähige Kohlenstoffmaterialien wie Graphit, Ruß, Kohlenstoffnanoröhren und dergleichen einschließen. Anodenschichten können zum Beispiel Super P-Ruß, Ketjen-Schwarz, Acetylen-Schwarz, SWCNT, MWCNT, Graphit, Kohlenanofaser oder Graphen einschließen.
Elektrodenschichten können auch chemische Bindungsmaterialien (z. B. Bindemittel) einschließen. Bindemittel können Polymermaterialien wie Polyvinylidenfluorid („PVDF“), Polyvinylpyrrolidon („PVP“), Styrol-Butadien oder Styrol-Butadien-Kautschuk („SBR“), Polytetrafluorethylen („PTFE“) oder Carboxymethylcellulose („CMC“) einschließen. Bindemittelmaterialien können einschließen: Agar-Agar, Alginat, Amylose, Gummiarabicum, Carrageenan, Casein, Chitosan, Cyclodextrine (Carbonyl-beta), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Gummi, Gelatine, Gellan-Gummi, Guar-Gummi, Karaya-Gummi, Cellulose (natürlich), Pektin, Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat (PEDOT-PSS), Polyacrylsäure (PAA), Poly(methylacrylat) (PMA), Poly(vinylalkohol) (PVA), Poly(vinylacetat) (PVAc), Polyacrylnitril (PAN), Polyisopren (PIpr), Polyanilin (PANi), Polyethylen (PE), Polyimid (PI), Polystyrol (PS), Polyurethan (PU), Polyvinylbutyral (PVB), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Stärke, Styrol-Butadien-Gummi (SBR), Tara-Gummi, Traganth-Gummi, Fluoracrylat (TRI7202A), Xanthan-Gummi oder Mischungen von beliebigen zwei oder mehreren davon.
Stromkollektormaterialien (z. B. eine Stromkollektorfolie, an die ein elektrodenaktives Material laminiert wird, um eine Kathodenschicht oder eine Anodenschicht zu bilden), können ein Metallmaterial einschließen. Zum Beispiel können Stromkollektormaterialien Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan, rostfreien Stahl oder kohlenstoffhaltige Materialien einschließen. Das Stromkollektormaterial kann als eine Metallfolie ausgebildet sein. Zum Beispiel kann das Stromkollektormaterial eine Folie aus Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) sein. Das Stromkollektormaterial kann eine Metalllegierung sein, die aus Al, Cu, Ni, Fe, Ti oder einer beliebigen Kombination davon hergestellt ist. Das Stromkollektormaterial kann eine Metallfolie sein, die mit einem Kohlenstoffmaterial beschichtet ist, wie kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolie, kohlenstoffbeschichtete Kupferfolie oder ein anderes kohlenstoffbeschichtetes Folienmaterial.
Die Schicht 260 kann ein flüssiges Elektrolytmaterial einschließen oder daraus hergestellt sein. Zum Beispiel kann die Schicht 260 mindestens eine Schicht aus Polymermaterial (z. B. Polypropylen, Polyethylen oder anderes Material) sein oder einschließen, das mit einer flüssigen Elektrolytsubstanz benetzt ist (z. B. gesättigt, getränkt ist, diese aufnimmt). Das flüssige Elektrolytmaterial kann ein Lithiumsalz einschließen, das in einem Lösungsmittel gelöst ist. Das Lithiumsalz für das flüssige Elektrolytmaterial für die Schicht 260 kann unter anderem zum Beispiel Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) und Lithiumperchlorat (LiClO₄) einschließen. Das Lösungsmittel kann unter anderem zum Beispiel Dimethylcarbonat (DMC), Ethylencarbonat (EC) und Diethylcarbonat (DEC) einschließen. Der Flüssigelektrolyt ist nicht notwendigerweise in der Nähe der Schicht 260 angeordnet, sondern kann auf verschiedene Weise in die Batteriezellen 120 eingefüllt werden. Auf der anderen Seite kann die Schicht 260 ein Festelektrolytmaterial einschließen oder daraus hergestellt sein, wie ein keramisches Elektrolytmaterial, Polymerelektrolytmaterial oder ein glasartiges Eektrolytmaterial oder unter anderem oder eine beliebige Kombination davon.
In manchen Implementierungen kann der Festelektrolytfilm mindestens eine Schicht aus einem Festelektrolyten einschließen. Festelektrolytmaterialien der Festelektrolytschicht können anorganische Festelektrolytmaterialien (z. B. Oxide, Sulfide, Phosphide, Keramiken), feste Polymerelektrolytmaterialien, hybride Festkörperelektrolyte oder eine beliebige Kombination davon einschließen. In manchen Implementierungen schließt die Festelektrolytschicht polyanionisches oder oxidbasiertes Elektrolytmaterial (z. B. Superionische Lithium-Leiter (LISICONs), superionische Natrium-Leiter (NASICONs), Perowskite mit der Formel ABO₃ (A = Li, Ca, Sr, La und B = Al, Ti), Granat-Typ mit der Formel A₃B₂(XO₄)₃ (A = Ca, Sr, Ba und X = Nb, Ta), Lithium-Phosphor-Oxy-Nitrid (Li_xPO_yN_z) ein. In manchen Implementierungen kann die Festelektrolytschicht einen glasartigen, keramischen und/oder kristallinen Elektrolyten auf Sulfidbasis (z. B. Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li₂S-P₂S₅, Li₂S-B₂S₃, SnS-P₂S₅, Li₂S-SiS₂, Li₂S-P₂S₅, Li₂S-GeS₂, Li₁₀GeP₂S₁₂) und/oder auf Sulfid-basierende Lithium-Argyrode mit der Formel Li₆PS₅X (X = Cl, Br) wie Li₆PS₅Cl) einschließen. Darüber hinaus kann die Festelektrolytschicht unter anderem ein Polymerelektrolytmaterial (z. B. ein Hybrid- oder Pseudofestelektrolyt), beispielsweise Polyacrylnitril (PAN), Polyethylenoxid (PEO), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) einschließen.
In Beispielen, in denen die Schicht 260 ein flüssiges Elektrolytmaterial einschließt, kann die Schicht 260 ein nicht-wässriges polares Lösungsmittel einschließen. Das nichtwässrige polare Lösungsmittel kann ein Carbonat wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Dimethylcarbonat oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. Die Schicht 260 kann mindestens ein Additiv einschließen. Die Additive können Vinylidencarbonat, Fluorethylencarbonat, Ethylpropionat, Methylpropionat, Methylacetat, Ethylacetat oder eine Mischung aus zwei oder mehreren davon sein oder einschließen. Die Schicht 260 kann ein Lithiumsalzmaterial einschließen. Das Lithiumsalz kann Lithiumperchlorat, Lithiumhexafluorphosphat, Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid, Lithiumbis(trifluorsulfonyl)imid oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehr davon sein. Das Lithiumsalz kann in der Schicht 260 von mehr als 0 M bis etwa 1,5 M vorhanden sein. Sobald in der Batteriezelle 120 angeordnet, kann der Flüssigelektrolyt vorhanden sein und die innerhalb der Batteriezelle 120 vorhandenen Batterieteilkomponenten berühren. Die Batterieteilkomponenten können die Kathode, die Anode, den Separator, den Stromkollektor usw. einschließen.
3 stellt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Batteriezelle 120 dar. Der Abschnitt der dargestellten Batteriezelle 120 kann eine Anoden-Graphitelektrode einschließen. Die Batteriezelle 120 kann eine oder mehrere Elektroden 305 einschließen. Die Elektrode 305 kann die Anodenschicht 245 oder die Kathodenschicht 255 einschließen. Die Elektrode 305 kann innerhalb des durch das Gehäuse 230 definierten Hohlraums 250 angeordnet sein. Die Elektrode 305 kann eine Anode oder eine Kathode einschließen. Die Anode kann Graphitmaterialien (z. B. künstlichen oder natürlichen Graphit oder gemischte Materialien) einschließen. Die Kathode kann Lithiummanganeisenphosphat (LMFP), Lithiumionenmanganoxid (LMO), LiMO₂, Li_1+xM_1-xO₂ oder Li₂MnO₃ enthaltende Kathodenmaterialien einschließen, wobei 0 ≤ x ≤ 0,4 ist. Zum Beispiel kann die Kathode eine Mn-reiche LiMO₂- und Li_1+xM_1-xC₂-Schichtkathode einschließen. In manchen Gesichtspunkten schließt die Kathode das Material LiMn_aFe_1-aPO₄ (LMFP) ein, wobei 0 ≤ a ≤ 1 ist. In manchen Gesichtspunkten schließt die Kathode ein LiMn₂O₄-Material ein. In manchen Gesichtspunkten schließt die Kathode ein LiNi_0.5Mn_1.5O₄-Spinellmaterial ein. Die Elektrode 305 kann Lithiumeisenphosphat, Lithiummanganeisenphosphat, Lithiumnickelmangankobaltoxid, Graphit, überlithiierte Schichtoxide, Lithiummangannickeloxid oder eine Kombination davon einschließen. Die Elektrode 305 kann ein Anodenaktivmaterial oder ein Kathodenaktivmaterialien einschließen.
Die Batteriezelle 120 kann eine oder mehrere Komponenten einschließen. Die Komponente kann die Elektrode 305 einschließen. Die Elektrode 305 kann die Anode einschließen. Die Anode kann die Anodenschicht 245 einschließen. Die Komponente kann einen oder mehrere Elektrolyte 310 einschließen. Die Komponente kann eine oder mehrere Beschichtungen einschließen. Die Komponente kann ein oder mehrere Additive einschließen. Wie vorstehend angemerkt, kann sich gelöstes Mn²⁺ (z. B. Manganionen) von der Kathoden- oder Kathodenseite der Batteriezelle 120 zur Anoden- oder Anodenseite der Batteriezelle 120 bewegen (z. B. diffundieren). Das gelöste Mn²⁺ kann MnF₂ bilden. Zum Beispiel kann Mn²⁺ mit HF reagieren, um MnF₂ und H₂ zu bilden. Das gelöste Mn²⁺ kann gemäß Gleichung 1 mit HF reagieren: Mn²⁺ + 2HF → MnF₂↓ + H₂↑ (1).
Mn²⁺ kann bei etwa 1,8 V zu Manganmetall (z. B. metallisches Mangan, Mn_(s), Mn⁰) reduzieren. Somit kann durch die Reduktion von Mn²⁺ Manganmetall gebildet werden. Zum Beispiel kann die Reduktion von Mn²⁺ zu einer Abscheidung von Manganmetall an der Anode führen. Solche Manganmetallabscheidungen auf der Anodenseite können zu einer Polarisierung der Zelle, einem Verlust der Batteriekapazität und einer erhöhten Impedanz führen. Zum Beispiel kann Manganmetall die Polarisierung der Anode erhöhen. Die Reduktion von Mn²⁺ kann bei -1,185 V gegen die Standard-Wasserstoffelektrode (SHE) erfolgen. Die Reduktion von Mn²⁺kann bei 1,8 V gegen Li/Li⁺ erfolgen. Die Differenz zwischen dem Li/Li⁺-Potenzial und SHE beträgt -3,05 V.

Die technischen Lösungen der vorliegenden Offenbarung können eine solche Bildung von Manganmetall verhindern, reduzieren oder unterdrücken. Zum Beispiel bezieht sich eine hierin beschriebene technische Lösung auf die Verwendung einer Mn²⁺ abfangenden Spezies. Die Mn²⁺ abfangende Spezies kann eine binäre Metallfluorid-Spezies (M_xF_y) sein. In manchen Gesichtspunkten kann die binäre Metallfluorid Mn²⁺ abfangende Spezies eine stabile ternäre Metallfluoridverbindung bilden, die Mn²⁺ (M-Mn-F) einschließt (z. B. enthält). Tabelle 1 stellt eine Auflistung geeigneter Metalle für die binäre Metallfluorid Mn²⁺ abfangende Spezies und Beispiele für entsprechende stabile Mn²⁺-haltige ternäre Fluoridverbindungen (M-Mn-F) bereit.

M	Spannung vs. Graphit	M-Mn-F
Li	-0,2	LiMnF₆ (Mn⁵⁺), Li₂MnF₆ (Mn⁴⁺), LiMn₈F₃₃ (Mn⁴⁺), LiMn₂F₉ (Mn⁴⁺), Li₂MnF₆ (Mn⁴⁺), LiMnF₄ (Mn³⁺)
K	-0,09	KMnF₄ (Mn³⁺), K₂MnF₄ (Mn²⁺), KMnF₃ (Mn²⁺), K₂MnF₆ (Mn⁴⁺)
Ba	-0,07	Ba₂Mn₂F₁₁ (Mn^3.5+), BaMnF₄ (Mn²⁺)
Ca	-0,03	CaMnF₆ (Mn⁴⁺)
Na	0,13	NaMnF₃ (Mn²⁺), Na₅Mn₃F₁₄ (Mn³⁺)
La	0,46	--
J	0,47	--
Mg	0,47	MgMnF₆ (Mn⁴⁺)
Ce	0,5	--

Wie aus der Tabelle hervorgeht, können die stabilen Mn²⁺-haltigen ternären Fluoridverbindungen (M-Mn-F) die chemische Formel M_xMn(O_1-yF_y)_z aufweisen, wobei M ein von Mn verschiedenes Metallelement (z. B. Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce oder Al) ist, x ≥ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und z ≥ 3. Zusätzlich oder alternativ kann die Verwendung der binären Mn²⁺ abfangenden Spezies (M_xF_y) zur Bildung von M_xMn(O_1-yF_y)_z führen, z. B. durch die Bildung eines oder mehrerer Zwischenprodukte. Spezifische Beispiele für quaternäre Spezies von M_xMn(O_1-yF_y)_z schließen Oxyfluoride ein (die als Mn-M-F-O dargestellt werden könnten), wobei M ein anderes Metall als Mn ist, wie K, Na oder Ba. In M_xMn(O_1-yF_y)_z, x > 1,0 < y ≤ 1 und z ≥ 3. Zum Beispiel kann y weniger als 0,2 betragen. Die Oxyflouride können bei der Reaktion mit O^2- und O^--Radikalen, die innerhalb der Batteriezelle 120 vorhanden sein können, während der elektrochemischen Zersetzung gebildet werden. In einer anderen Ausführungsform können Sauerstoffverunreinigungen bereits in den M_xF_y-Vorläufern vorhanden sein. Da die gemeinsame Oxidationsstufe von F -1 und O -2 ist, kann die Oxidationsstufe des Metalls beim Übergang durch Anionensubstitutionen beeinflusst werden.
Somit kann die Batteriezelle 120 eine binäre Metallfluorid Mn²⁺ abfangende Spezies (M_xF_y) einschließen, die in einer Komponente angeordnet ist, wobei M ein von Mn verschiedenes Metall ist (z. B. ein von einem Mn-Kation verschiedenes Metallkation). M kann ausgewählt werden aus Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce und Al. In manchen Gesichtspunkten wird M ausgewählt aus K, Ba und Na (z. B. K⁺, Ba²⁺, oder Na⁺). In der Formel M_xF_y ist 1 ≤ x ≤ 3 und 1 ≤ y ≤ 3. Zum Beispiel ist in manchen Implementierungen von M_xF_y, M K, x = 1 und y = 1 (KF) oder M ist Ba, x = 1 und y = 2 (BaF₂) oder M ist Na, x = 1 und y = 1 (NaF). Somit kann die Batteriezelle 120 eines oder mehrere einschließen von KF, BaF₂ und NaF.
Die binäre, Mn²⁺ abfangende Metallfluoridspezies M_xF_y kann in dem Elektrolyten 310 angeordnet sein. In solchen Implementierungen kann M_xF_y in dem Elektrolyten 310 als Additivsalz angeordnet sein. Zum Beispiel kann eines oder mehrere von KF, BaF₂ und NaF als Additivsalz in dem Elektrolyten 310 gelöst werden. In manchen Gesichtspunkten schließt der Elektrolyt 310 weniger als 5 Gew.-% von M_xF_y ein. In manchen Ausführungsformen kann der Elektrolyt 310 M_xF_y einschließen, wie etwa in einem Bereich von 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-%. Zum Beispiel kann der Elektrolyt 310 0,1 Gew.-% M_xF_y, 0,2 Gew.-% M_xF_y, 0,3 Gew.-% M_xF_y, 0,4 Gew.-% M_xF_y, 0,5 Gew.-% M_xF_y, 0,6 Gew.-% M_xF_y, 0,7 Gew.-% M_xF_y, 0,8 Gew.-% M_xF_y, 0,9 Gew.-% M_xF_y, 1,0 Gew.-% M_xF_y, 1,1 Gew.-% M_xF_y, 1,2 Gew.-% M_xF_y, 1,3 Gew.-% M_xF_y, 1,4 Gew.-% M_xF_y, 1,5 Gew.-% M_xF_y, 1,6 Gew.-% M_xF_y, 1,7 Gew.-% M_xF_y, 1,8 Gew.-% M_xF_y, 1,9 Gew.-% M_xF_y, 2,0 Gew.-% M_xF_y, 2,5 Gew.-% M_xF_y, 3 Gew.-% M_xF_y, 3,5 Gew.-% M_xF_y, 4 Gew.-% M_xF_y, 4,5 Gew.-% M_xF_y oder 5 Gew.-% M_xF_y oder jeden Wert dazwischen einschließen.
Zusätzlich oder alternativ kann die binäre Mn²⁺ abfangende Metallfluoridspezies M_xF_y in oder auf der Anode angeordnet sein. Zum Beispiel kann M_xF_y (wie eines oder mehrere von KF, BaF₂ oder NaF) in einer Beschichtung auf der Anode angeordnet sein (z. B. eine Anodenbeschichtung). In solchen Implementierungen kann die Beschichtung weniger als 5 Gew.-% M_xF_y einschließen. Zum Beispiel kann die Beschichtung weniger als 5 Gew.-% M_xF_y, weniger als 4 Gew.-% M_xF_y, weniger als 3 Gew.-% M_xF_y., weniger als 2 Gew.-% M_xF_y oder weniger als 1 Gew.-% M_xF_y einschließen. Zum Beispiel kann die Beschichtung 0,5 Gew.-% M_xF_y, 1 Gew.-% M_xF_y, 1,5 Gew.-% M_xF_y, 2 Gew.-% M_xF_y, 2,5 Gew.-% M_xF_y, 3 Gew.-% M_xF_y, 3,5 Gew.-% M_xF_y, 4 Gew.-% M_xF_y oder 4,5 Gew.-% M_xF_y einschließen. In manchen Ausführungsformen kann die Beschichtung M_xF_y einschließen, wie etwa in einem Bereich von 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-%. Zum Beispiel kann die Beschichtung 0,1 Gew.-% M_xF_y, 0,2 Gew.-% M_xF_y, 0,3 Gew.-% M_xF_y, 0,4 Gew.-% M_xF_y, 0,5 Gew.-% M_xF_y, 0,6 Gew.-% M_xF_y, 0,7 Gew.-% M_xF_y, 0,8 Gew.-% M_xF_y 0,9 Gew.-% M_xF_y, 1,0 Gew.-% M_xF_y, 1,1 Gew.-% M_xF_y, 1,2 Gew.-% M_xF_y, 1,3 Gew.-% M_xF_y, 1,4 Gew.-% M_xF_y, 1,5 Gew.-% M_xF_y, 1,6 Gew.-% M_xF_y, 1,7 Gew.-% M_xF_y, 1,8 Gew.-% M_xF_y, 1,9 Gew.-% M_xF_y, 2,0 Gew.-% M_xF_y, 2,5 Gew.-% M_xF_y, 3 Gew.-% M_xF_y, 3,5 Gew.-% M_xF_y, 4 Gew.-% M_xF_y, 4,5 Gew.-% M_xF_y oder 5 Gew.-% M_xF_y oder jeden Wert dazwischen einschließen.
Zusätzlich oder alternativ kann M_xF_y (wie eines oder mehrere von KF, BaF₂ oder NaF) in das Anodenmaterial integriert werden. Zum Beispiel kann M_xF_y eine Komponente einer Aufschlämmungsmischung sein, die zur Herstellung der Anode verwendet wird. In solchen Implementierungen kann die Aufschlämmungsmischung weniger als 5 Gew.-% M_xF_y einschließen. Zum Beispiel kann die Aufschlämmungsmischung weniger als 5 Gew.-% M_xF_y, weniger als 4 Gew.-% M_xF_y, weniger als 3 Gew.-% M_xF_y, weniger als 2 Gew.-% M_xF_y oder weniger als 1 Gew.-% M_xF_y einschließen. Zum Beispiel kann die Aufschlämmungsmischung 0,5 Gew.-% M_xF_y, 1 Gew.-% M_xF_y, 1,5 Gew.-% M_xF_y, 2 Gew.-% M_xF_y, 2,5 Gew.-% M_xF_y, 3 Gew.-% M_xF_y, 3,5 Gew.-% M_xF_y, 4 Gew.-% M_xF_y oder 4,5 Gew.-% M_xF_y einschließen. In manchen Ausführungsformen kann die Aufschlämmungsmischung M_xF_y, einschließen, wie etwa in einem Bereich von 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-%. Zum Beispiel kann die Aufschlämmungsmischung 0,1 Gew.-% M_xF_y, 0,2 Gew.-% M_xF_y, 0,3 Gew.-% M_xF_y, 0,4 Gew.-% M_xF_y, 0,5 Gew.-% M_xF_y, 0,6 Gew.-% M_xF_y, 0,7 Gew.-% M_xF_y, 0,8 Gew.-% M_xF_y, 0,9 Gew.-% M_xF_y, 1,0 Gew.-% M_xF_y, 1,1 Gew.-% M_xF_y, 1,2 Gew.-% M_xF_y, 1,3 Gew.-% M_xF_y, 1,4 Gew.-% M_xF_y, 1,5 Gew.-% M_xF_y, 1,6 Gew.-% M_xF_y, 1,7 Gew.-% M_xF_y, 1,8 Gew.-% M_xF_y, 1,9 Gew.-% M_xF_y, 2,0 Gew.-% M_xF_y, 2,5 Gew.-% M_xF_y, 3 Gew.-% M_xF_y, 3,5 Gew.-% M_xF_y, 4 Gew.-% M_xF_y, 4,5 Gew.-% M_xF_y oder 5 Gew.-% M_xF_y oder jeden Wert dazwischen einschließen. In einigen Ausführungsformen kann M_xF_y mit dem Anodenaktivmaterial beschichtet oder gemischt werden, um die Aufschlämmung der Zellelektrode vorzubereiten. M_xF_y kann auf der Anodenelektrode beschichtet oder auf physikalischem oder chemischem Wege abgeschieden werden. Zusätzlich kann M_xF_y während der elektrochemischen Aktivierung, der Zellbildung und/oder des Zellzyklus gebildet werden.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Anodenmaterial, das M_xF_y umfasst, bei der Herstellung von Batterieelektroden durch physikalische Zugabe zu den Aufschlämmungsmaterialien hergestellt werden. Ein weiteres Beispiel schließt die Nachbehandlung der Elektroden mit dem Zielmetallvorläufer durch F₂-Gasbehandlung oder chemische Behandlung ein. Innerhalb der elektrochemischen Zelle kann die Zellbildung durch Bereitstellen von zusätzlichem M_xF_y in einem Elektrolyten ferner zersetzt werden, um eine Festelektrolyt-Interphase (SEI) während der elektrochemischen Aktivierung, Bildung oder des Zyklus der Batteriezelle zu bilden. Die Variation der Abschaltspannung, des Spannungsimpulses, der C-Rate bei unterschiedlichem Strom und/oder des Ladezustands (SOC) kann sich ebenfalls auf die SEI-Bildung auswirken. Die Bildung des ersten Zyklus der Batteriezelle 120 kann das Durchführen eines ersten Lade- und/oder Entladevorgangs der Batteriezelle 120 einschließen.
Wie vorstehend angemerkt, kann in manchen Ausführungsformen die binäre Mn²⁺ abfangende Metallfluoridspezies M_xF_y mit MnF₂ reagieren, um eine stabile ternäre Mn²⁺-haltige Metallfluoridspezies (Mn-M-F) zu bilden, wie vorstehend beschrieben, oder in einigen Ausführungsformen eine Oxyfluoridspezies (z. B. M_xMn(O_1-yF_y)_z). Zum Beispiel kann KF mit MnF₂ reagieren, um K₂MnF₄ zu bilden; KF kann mit MnF₂ reagieren, um KMnF₃ zu bilden; BaF₂ kann mit MnF₂ reagieren, um BaMnF₄ zu bilden; NaF kann mit MnF₂ reagieren, um NaMnF₃, zu bilden, usw. Es ist zu beachten, dass die Verwendung der binären Mn²⁺ abfangenden Spezies (M_xF_y) bei Vorhandensein einer reaktiven Sauerstoffspezies (die z. B. als Verunreinigung oder Dotierstoff oder als elektrochemische Reduktion von O₂-Gas in O^2-/O^-vorhanden sein kann) zur Bildung von M_xMn(O_1-yF_y)_z, (einschließlich Oxyfluoriden) führen kann, z. B. durch die Bildung eines oder mehrerer im Elektrolyt zersetzter Zwischenprodukte, die Sauerstoffspezies enthalten.

4 stellt die Kristallstrukturen 400 einer ternären Metallfluoridverbindung dar, die Mn²⁺ (M-Mn-F) wie hierin offenbart, einschließt (z. B. enthält). Wie vorstehend offenbart, kann die ternäre Mn-M-F-Spezies eine oder mehrere von K₂MnF₄, KMnF₃, BaMnF₄ und NaMnF₃ sein. Tabelle 2 unten listet auch äquivalente Salze, die Spannung des Metalls (M) gegen Graphit, die eingestellten Spannungen und ΔVs auf. Ein Vergleich der Spannungsdifferenz (ΔV) zeigt, dass die ternären Mn-M-F-Spezies eine geringere Spannungsdifferenz aufweisen als die Mn²-Reduktion zu Mn⁰, was zur Unterdrückung der Bildung von metallischem Mn beitragen kann. Darüber hinaus können die in 4 gezeigten ternären Verbindungen im Vergleich zu reinem MnF₂ eine andere bindungsbrechende Natur aufweisen. Während die Mn-F-Bindung nur in MnF₂ vorhanden ist, können alle Verbindungen in 4 zusätzliche M-Mn- und M-F-Bindungen aufweisen. Der Elektronegativitätsunterschied zwischen Mn und F beträgt 2,5, wobei die Elektronegativitätswerte von Mn und F 1,5 bzw. 4,0 betragen. Die Elektronegativität von K, Ba und Na beträgt 0,8, 0,9 bzw. 0,9. Somit sind die neuen M-Mn-Bindungen polare kovalente Bindungen. Darüber hinaus sind neue M-F-Bindungen stärker ionisch als die Mn-F-Bindung. Änderungen der chemischen Bindungen können sich ferner auf den Bindungsbruch, die Löslichkeit, die Phasentransformation und die elektrochemische Reaktion auswirken.

Ternäre Verbindung	Äquivalente Salze	M vs. Graphit	Angepasste Spannung	ΔV
K₂MnF₄	2KF + MnF₂	-0,09	-0,09 * (2/3) + 1,65 * (1/3) = 0,49	-1,16
KMnF₃	KF + MnF₂	-0,09	-0,09 * (1/2) + 1,65 * (1/2) = 0,78	-0,87
BaMnF₄	BaF₂ + MnF₂	-0,07	-0,07 * (1/2) + 1,65 * (1/2) = 0,79	-0,86
NaMnF₃	NaF + MnF₂	0,13	0,13 * (1/2) + 1,65 * (1/2) = 0,89	-0,76

5 stellt ein Diagramm 500 von Festelektrolyt-Interphasen (SEIs) einer Batteriezelle, wie hierin beschrieben, dar, wobei eine binäre Mn²⁺ abfangende Metallfluorid-Spezies M_xF_y, wie hierin beschrieben, in dem Elektrolyten bereitgestellt wird. Während des Zyklus reagiert das M_xF_y in dem Elektrolyten mit MnF₂, das ebenfalls in dem Elektrolyten vorhanden ist (z. B. infolge der Auflösung von Mangan aus der Kathode), um eine ternäre Mn-M-F-Spezies zu bilden, wie hierin beschrieben, was zu einer Festelektrolyt-Interphase 505 führt, die die ternäre Mn-M-F-Spezies einschließt. Die Mn-Auflösung aus einer Mn-haltigen Kathode kann eine ternäre Mn²⁺-haltige Metallfluoridverbindung durch eine Reaktion zwischen M_xF_y und Mn aus der Mn-haltigen Kathode bilden. Aufgrund der Mn²⁺-Abfangwirkung durch die binäre Mn²⁺ abfangende Metallfluorid-Spezies M_xF_y wird die Bildung von Manganmetall (Mn⁰) aufgrund von Änderungen der lokalen Struktur reduziert. Daher kann die Mn⁰-Menge in der Festelektrolyt-Interphase 505 geringer als die Menge an Mn⁰ in einer Festelektrolyt-Interphase einer Batteriezelle sein, die nicht mit M_xF_y bereitgestellt wird. Das heißt, die Menge an Mn⁰ in einer Festelektrolyt-Interphase einer Batteriezelle ohne M_xF_y kann größer sein als die Menge an Mn⁰ in der Festelektrolyt-Interphase 505, wie hierin beschrieben.
Die Batteriezelle 120 kann die Festelektrolyt-Interphase 505 einschließen. Die Festelektrolyt-Zwischenphase 505 kann sich auf dem Anodenaktivmaterial befinden (z. B. darauf angeordnet sein). Wie hierin beschrieben, kann das Anodenaktivmaterial zusätzlich oder alternativ zu einer in dem Elektrolyten vorhandenen binären Mn²⁺ abfangenden Metallfluoridspezies M_xF_y eine binäre Mn²⁺ abfangende Metallfluoridspezies M_xF_y einschließen, wie hierin beschrieben. Wie ebenfalls vorstehend beschrieben, kann die Festelektrolyt-Interphase 505 eine ternäre Metallfluorid-Spezies (Mn-M-F) oder Metalloxyfluorid (M_xMn(O_1-yF_y)_z) einschließen. Zum Beispiel kann die Festelektrolyt-Grenzfläche eine oder mehrere von K₂MnF₄, KMnF₃, BaMnF₄ und NaMnF₃ einschließen. Die Festelektrolyt-Grenzfläche kann aus einer oder mehreren von Oxyfluoridverbindungen (O_1-yF_y) von K₂MnF₄, KMnF₃, BaMnF₄ und NaMnF₃ bestehen, einschließlich Kombinationen von zwei oder mehreren davon.
Somit kann in manchen Gesichtspunkten die Festelektrolyt-Interphase 505 M_xMn(O_1- _yF_y)_z einschließen, wobei M ein von Mn verschiedenes Metall wie K, Na oder Ba und x ≥ 1, y = 1 und z ≥ 3 ist. Spezifische Beispiele für ternäre Spezies von M_xMn(O_1-yF_y)_z schließen ein, dass M gleich K ist, x = 2, y = 1 und z = 4; wobei M gleich K ist, x = 1, y = 1 und z = 3; wobei M gleich Ba ist, x = 1, y = 1 und z = 4 und wobei M gleich Na ist, x = 1, y = 1 und z = 3. Spezifische Beispiele für quaternäre Spezies von M_xMn(O_1-yF_y)_z schließen Oxyfluoride ein (die als Mn-M-F-O dargestellt werden könnten), wobei M ein anderes Metall als Mn ist, wie K, Na oder Ba. In M_xMn(O_1-yF_y)_z, x > 1,0 < y < 1 und z ≥ 3. Zum Beispiel ist y = 0,5.
Wie vorstehend beschrieben, kann in manchen Ausführungsformen die binäre Mn²⁺ abfangende Metallfluoridspezies M_xF_y mit MnF₂ reagieren, um eine stabile ternäre Mn²⁺-haltige Metallfluoridspezies (Mn-M-F) zu bilden, wie hierin beschrieben, oder Metalloxyfluoridspezies: z. B. M_xMn(O_1-yF_y)_z. In solchen Implementierungen kann die Menge der stabilen ternären Mn²⁺-haltigen Metallfluorid-Spezies (Mn-M-F) in der Festelektrolyt-Interphase 505 größer sein als die Menge einer solchen Spezies, die in einer Festelektrolyt-Interphase einer Batteriezelle vorhanden ist, die nicht mit einer binären Mn²⁺ abfangenden Metallfluorid-Spezies M_xF_y bereitgestellt wird. Das heißt, die Menge an ternären Mn²⁺-haltigen Metallfluoridspezies (Mn-M-F, z. B. M_xMn(O_1-yF_y)_z) in einer Festelektrolyt-Interphase einer Batteriezelle ohne M_xF_y kann geringer sein als die Menge in einer Festelektrolyt-Interphase 505, wie hierin beschrieben. Wie vorstehend beschrieben, kann die binäre Mn²⁺ abfangende Metallfluorid-Spezies M_xF_y während der Bildung der Batteriezelle 120 in die Festelektrolyt-Interphase 505 auf der Anode integriert werden.
Zusätzlich oder alternativ wird die ternäre Mn²⁺-haltige Metallfluorid-Spezies (Mn-M-F) als $M_{x}^{1} Mn {(O_{1 - y} F_{y})}_{z}$
dargestellt, wobei M¹ ein von Mn verschiedenes Metall wie K, Na oder Ba ist und das Anodenaktivmaterial $M_{a}^{2} F_{b}$
als eine binäre Mn²⁺ abfangende Metallfluoridspezies einschließen kann, wobei M² ein von Mn verschiedenes Metall ist, wie eines oder mehrere ausgewählt aus Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce und Al. In der Formel $M_{a}^{2} F_{b}$
ist 1 ≤ x ≤ 3 und 1 ≤ y ≤ 3.
6 stellt Nyquist-Diagramme 600 einer Kontrollbatteriezelle und einer verbesserten Batteriezelle dar, die verbesserte Eigenschaften veranschaulichen, die in einer Batteriezelle, wie hierin beschrieben, erreicht werden können. Wie vorstehend beschrieben, kann eine Batteriezelle, wie hierin beschrieben, eine oder mehrere von K₂MnF₄, KMnF₃, BaMnF₄ und NaMnF₃ (oder deren Oxyfluoride) in der Festelektrolyt-Interphase 505 einschließen. Daher kann eine Batteriezelle, wie hierin beschrieben, eine geringere Polarisierung aufweisen als eine Kontrollbatteriezelle (z. B. eine Batteriezelle, die keine binäre Mn²⁺ abfangende Metallfluoridspezies M_xF_y umfasst, wie hierin als in einer Komponente der Batteriezelle angeordnet beschrieben). Zum Beispiel kann eine Batteriezelle, wie hierin beschrieben, im Vergleich zu einer Kontrollbatteriezelle eine erhöhte Ionenleitfähigkeit und/oder einen reduzierten Ladungstransferwiderstand und eine reduzierte Impedanz aufweisen. Die in 6 dargestellten Nyquist-Diagramme 600 veranschaulichen Änderungen der Impedanzeigenschaften, die beobachtet werden können, wenn eine verbesserte Batteriezelle im Vergleich zu einer gesteuerten Batteriezelle eine erhöhte Ionenleitfähigkeit und/oder einen reduzierten Ladungstransferwiderstand aufweist. Diese Verbesserungen spiegeln sich in dem kleineren Halbkreis für die „verbesserte“ Batteriezelle in 6 in den niedrigen Frequenzbereichen wider.
7 stellt ein Verfahren 700 zum Reduzieren oder Verhindern der Bildung von Manganmetall in einer Batteriezelle, wie hierin beschrieben, dar. Das Verfahren 700 kann das Anordnen einer binären Mn²⁺ abfangenden Metallfluoridspezies M_xF_y, wie hierin beschrieben, in der Batteriezelle 120 (VORGANG 705) einschließen. Zum Beispiel kann das Verfahren 700 das Bereitstellen von M_xF_y in einer Komponente einer Batteriezelle 120 einschließen, sodass M_xF_y in dem Elektrolyten bereitgestellt wird, M_xF_y in einer Anodenbeschichtung bereitgestellt wird oder M_xF_y in das Anodenmaterial integriert wird. M_xF_y kann in dem Elektrolyten vorhanden sein, sodass es z. B. in dem Elektrolyten aufgelöst ist. Das Verfahren 700 kann auch das Anordnen von M_xF_y in einer Beschichtung oder einem Additiv einschließen, das auf der Anode angeordnet ist. Das Verfahren 700 kann auch das Bereitstellen einer Batteriezelle 120 mit einer ternären Metallfluoridverbindung wie hierin beschrieben (Mn-M-F) einschließen. Die Batteriezelle 120 kann eine Festelektrolyt-Interphase 505 einschließen. Die Festelektrolyt-Interphase 505 kann eine ternäre Metallfluoridverbindung wie hierin beschrieben (Mn-M-F) einschließen. Zusätzlich oder alternativ kann die Festelektrolyt-Interphase 505 M_xMn(O_1-yF_y)_z einschließen, wobei M ein von Mn verschiedenes Metall wie K, Na oder Ba ist. In M_xMn(O_1-yF_y)_z, x ≥ 1,0 ≤ y ≤ 1 und z ≥ 3. Spezifische Beispiele von M_xMn(O_1-yF_y)_z schließen ein, dass M gleich K ist, x = 2, y = 1 und z = 4; wobei M gleich K ist, x = 1, y = 1 und z = 3; wobei M gleich Ba ist, x = 1, y = 1 und z = 4 und wobei M gleich Na ist, x = 1, y = 1 und z = 3. Die Festelektrolyt-Interphase 505 kann Oxyfluoride einschließen.
8 stellt ein Verfahren 800 zum Bereitstellen einer Batteriezelle 120 (VORGANG 805) dar. Die Batteriezelle 120 kann eine Komponente einschließen, wobei eine binäre Mn²⁺ abfangende Metallfluoridart M_xF_y, wie hierin beschrieben, in der Komponente angeordnet ist. Die Batteriezelle 120 kann eine Elektrode 305 einschließen.
Die Elektrode 305 kann ein Anodenaktivmaterial einschließen. Die Elektrode 305 kann eine Festelektrolyt-Interphase 505 auf dem Anodenaktivmaterial einschließen. Die Festelektrolyt-Interphase 505 kann M_xMn(O_1-yF_y)_z einschließen, wobei M ein von Mn verschiedenes Metall wie K, Na oder Ba ist. In M_xMn(O_1-yF_y)_z, x ≥ 1, 0 < y < 1 und z ≥ 3. Spezifische Beispiele von M_xMn(O_1-yF_y)_z schließen ein, dass M gleich K ist, x = 2, y = 1 und z = 4; wobei M gleich K ist, x = 1, y = 1 und z = 3; wobei M gleich Ba ist, x = 1, y = 1 und z = 4 und wobei M gleich Na ist, x = 1, y = 1 und z = 3. Die Festelektrolyt-Interphase 505 kann Oxyfluoride einschließen.
Nachdem nun manche veranschaulichende Implementierungen beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass das Vorstehende veranschaulichend und nicht einschränkend ist, da es als Beispiel dargestellt wurde. Insbesondere können, obwohl viele der hierin vorgestellten Beispiele spezifische Kombinationen von Verfahrenshandlungen oder Systemelementen beinhalten, diese Handlungen und Elemente auf andere Weise kombiniert werden, um die gleichen Ziele zu erreichen. Handlungen, Elemente und Merkmale, die in Verbindung mit einer Implementierung erläutert werden, sind nicht dazu gedacht, eine ähnliche Rolle in anderen Implementierungen oder Implementierungen auszuschließen.
Die hierin verwendete Ausdrucksweise und Terminologie dient der Beschreibung und sollte nicht als einschränkend angesehen werden. Die Verwendung von „einschließen“ „umfassen“ „aufweisen“ „enthalten“ „beinhalten“ „gekennzeichnet durch“ „dadurch gekennzeichnet, dass“ und Variationen davon hierin sind dazu gedacht, die nachfolgend aufgeführten Punkte, deren Äquivalente und zusätzliche Punkte sowie alternative Implementierungen, die ausschließlich aus den nachfolgend aufgeführten Punkten bestehen, einzubeziehen. In einer Implementierung bestehen die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren aus einem, jeder Kombination von mehr als einem oder allen der beschriebenen Elemente, Handlungen oder Komponenten.
Alle Verweise auf Implementierungen oder Elemente oder Vorgänge der Systeme und Verfahren, auf die hierin im Singular Bezug genommen wird, können auch Implementierungen einschließlich einer Vielzahl dieser Elemente einschließen, und alle Bezugnahmen auf eine Implementierung oder ein Element oder einen Vorgang im Plural können auch Implementierungen einschließen, die nur ein einzelnes Element einschließen. Verweise in der Singular- oder Pluralform sind nicht dazu gedacht, die vorliegend offenbarten Systeme oder Verfahren, ihre Komponenten, Vorgänge oder Elemente auf einzelne oder mehrere Konfigurationen einzuschränken. Verweise darauf, dass ein Vorgang oder Element auf einer Information, einem Vorgang oder einem Element basiert, können Implementierungen einschließen, bei denen der Vorgang oder das Element zumindest teilweise auf einer Information, einem Vorgang oder einem Element basiert.
Jede hierin offenbarte Implementierung kann mit jeder anderen Implementierung oder Ausführungsform kombiniert werden, und Verweise auf „eine Implementierung“, „manche Implementierungen“, „eine Implementierung“ oder dergleichen schließen sich nicht notwendigerweise gegenseitig aus und sollen darauf hinweisen, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Implementierung beschrieben werden, auch in mindestens einer Implementierung oder Ausführungsform eingeschlossen sein kann. Die hierin verwendeten Begriffe beziehen sich nicht notwendigerweise alle auf dieselbe Implementierung. Jede Implementierung kann mit jeder anderen Implementierung, einschließlich oder ausschließlich, kombiniert werden, die in irgendeiner Weise mit den hierin offenbarten Gesichtspunkten und Implementierungen konsistent ist.
Verweise auf „oder“ können als allumfassend ausgelegt werden, sodass jeder mit „oder“ verwendete Begriff einen einzelnen, mehrere oder alle beschriebenen Begriffe angeben kann. Verweise auf mindestens einen Begriff aus einer konjunktiven Liste von Begriffen können als ein einschließendes ODER aufgefasst werden, um einen einzelnen, mehrere oder alle beschriebenen Begriffe anzugeben. Zum Beispiel kann ein Verweis auf „mindestens eines von“ „A“ und „B“ sowohl nur „A“, nur „B“ als auch sowohl „A“ als auch „B“ einschließen. Diese Verweise, die in Verbindung mit „umfassen“ oder einer anderen offenen Terminologie verwendet werden, können zusätzliche Elemente einschließen.
Wenn technische Merkmale in den Zeichnungen, der ausführlichen Beschreibung oder den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, wurden diese Bezugszeichen eingeschlossen, um die Verständlichkeit der Zeichnungen, der ausführlichen Beschreibung und der Ansprüche zu erhöhen. Dementsprechend weisen weder die Bezugszeichen noch ihr Fehlen eine einschränkende Wirkung auf den Umfang der einzelnen Anspruchselemente auf.
Modifikationen der beschriebenen Elemente und Handlungen wie Variationen der Größen, Abmessungen, Strukturen, Formen und Proportionen der verschiedenen Elemente, Werte der Parameter, Montageanordnungen, Verwendung von Materialien, Farben, Ausrichtungen können auftreten, ohne dass die Lehren und Vorteile des hierin offenbaren Gegenstands wesentlich beeinträchtigt werden. Zum Beispiel können Elemente, die als einstückig ausgebildet sind, aus mehreren Teilen oder Elementen zusammengesetzt sein, die Position der Elemente kann umgekehrt oder auf andere Weise variiert werden, und die Art oder Anzahl einzelner Elemente oder Positionen kann geändert oder variiert werden. Weitere Ersetzungen, Modifikationen, Änderungen und Auslassungen können ebenfalls in der Konstruktion, den Betriebsbedingungen und der Anordnung der offenbarten Elemente und Vorgänge vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Zum Beispiel können Beschreibungen positiver und negativer elektrischer Eigenschaften umgekehrt werden. Als negative Elemente beschriebene Elemente können stattdessen als positive Elemente konfiguriert sein, und Elemente die als positive Elemente beschrieben werden, können stattdessen als negative Elemente konfiguriert sein. Zum Beispiel können Elemente, die als eine erste Polarität aufweisend beschrieben werden, stattdessen eine zweite Polarität aufweisen, und Elemente, die als eine zweite Polarität aufweisend beschrieben werden, können stattdessen eine erste Polarität aufweisen. Ferner schließen relativ parallele, senkrechte, vertikale oder andere Positionierungs- oder Ausrichtungsbeschreibungen Variationen innerhalb von +/-10 % oder +/-10 Grad des reinen vertikalen, parallelen oder senkrechten Positionierens ein. Verweise auf „ungefähr“, „im Wesentlichen“ oder andere Gradangaben schließen Variationen von +/-10 % vom angegebenen Maß, der Einheit oder dem Bereich von ein, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Gekoppelte Elemente können elektrisch, mechanisch oder physikalisch miteinander gekoppelt sein, direkt oder mit dazwischenliegenden Elementen. Der Schutzumfang der hierin beschriebenen Systeme und Verfahren wird somit eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die vorstehende Beschreibung angegeben, und Änderungen, die innerhalb des Bedeutungs- und Äquivalenzbereichs der Ansprüche liegen, werden darin aufgenommen.

Claims

Batteriezelle, umfassend: eine Komponente; und M_xF_y, das in der Komponente angeordnet ist, wobei M ein von Mn verschiedenes Metallelement ist, 1 ≤ x ≤ 3 und 1 ≤ y ≤ 3 ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei M ausgewählt ist aus Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce und Al.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Komponente einen Elektrolyten umfasst und M_xF_y in dem Elektrolyten vorhanden ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Komponente eine Anode umfasst und M_xF_y auf der Anode beschichtet ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Komponente eine Anode umfasst und M_xF_y in die Anode integriert ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Komponente eine Beschichtung oder ein Additiv umfasst und die Beschichtung oder das Additiv weniger als 5 Gew.-% M_xF_y umfasst.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei M_xF_y eines oder mehrere ist, ausgewählt aus KF, BaF₂ und NaF.
Batteriezelle nach Anspruch 1, umfassend eine Festelektrolyt-Interphase, wobei die Menge an Mn⁰ in der Festelektrolyt-Interphase geringer sein kann als die Menge an Mn⁰ in einer Festelektrolyt-Interphase einer Batteriezelle ohne M_xF_y.
Batteriezelle nach Anspruch 1, umfassend eine Festelektrolyt-Interphase, wobei die Festelektrolyt-Interphase eine ternäre Mn²⁺-haltige Metallfluoridverbindung umfasst, die durch eine Reaktion zwischen M_xF_y und MnF₂ gebildet wird.
Batteriezelle nach Anspruch 9, wobei eine Menge der ternären Metallfluoridverbindung in der Festelektrolyt-Interphase größer als die Menge der ternären Metallfluoridverbindung in einer Festelektrolyt-Interphase einer Batteriezelle ohne M_xF_y ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Mn-Auflösung aus einer Mn-haltigen Kathode eine ternäre Mn²⁺-haltige Metallfluoridverbindung durch eine Reaktion zwischen M_xF_y und Mn aus der Mn-haltigen Kathode bildet.
Elektrode, umfassend: ein Anodenaktivmaterial; und eine Festelektrolyt-Interphase auf dem Anodenaktivmaterial, wobei die Festelektrolyt-Interphase M_xMn(O_1-yF_y)_z umfasst, wobei M ein von Mn verschiedenes Metall ist und x ≥ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und z ≥ 3 ist.
Elektrode nach Anspruch 12, wobei M_xMn(O_1-yF_y)_z $M_{x}^{1} Mn {(O_{1 - y} F_{y})}_{z}$
umfasst und wobei das Anodenaktivmaterial ferner $M_{a}^{2} F_{b}$
umfasst, wobei 1 ≤ a ≤ 3 und 1 ≤ b ≤ 3 ist.
Elektrode nach Anspruch 13, wobei M¹ ausgewählt ist aus K, Na und Ba.
Elektrode nach Anspruch 13, wobei M² ausgewählt ist aus Li, K, Ba, Ca, Na, La, Y, Mg, Ce und Al.
Elektrode nach Anspruch 12, wobei M_xMn(O_1-yF_y)_z eines oder mehrere ist, ausgewählt aus K₂MnF₄, KMnF₃, BaMnF₄ und NaMnF₃.
Verfahren, umfassend das Anordnen von M_xF_y in einer Batteriezelle, wobei M ein von Mn verschiedenes Metallelement ist und 1 ≤ x ≤ 3 und 1 ≤ y ≤ 3 ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei eine Komponente der Batteriezelle einen Elektrolyten umfasst und das Verfahren das Anordnen von M_xF_y in dem Elektrolyten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei eine Komponente der Batteriezelle eine Anode umfasst und das Verfahren das Anordnen von M_xF_y in einer Beschichtung oder einem Additiv auf der Anode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei eine Komponente der Batteriezelle eine Anode umfasst und das Verfahren das Einarbeiten von M_xF_y in das Anodenmaterial umfasst.