DE102023123123A1

DE102023123123A1 - Elektrodenbeschichtungen und komponenten davon

Info

Publication number: DE102023123123A1
Application number: DE102023123123.5A
Authority: DE
Inventors: Soo KIM; Yumi Kim; Majid Talebiesfandarani; Woochul Shin; 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: 2023-08-28
Publication date: 2024-05-16
Also published as: CN118073541A; JP2024070794A; US20240162439A1

Abstract

Hierin wird eine Kathode bereitgestellt. Die Kathode kann ein kathodenaktives Material einschließen. Die Kathode kann eine Beschichtung einschließen, die auf dem kathodenaktiven Material angeordnet ist. Die Beschichtung kannLixM1−y1My2AFz(OH)ueinschließen, wobei M1ein erstes Metall ist, M2ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1.

Description

EINFÜHRUNG
Batterien können unterschiedliche Leistungskapazitäten zum Laden und Entladen von Strom für ein Betreiben von Maschinen aufweisen.
KURZDARSTELLUNG
Eine Sauerstoffgasentwicklung in der Kathode kann bei hohen Temperaturen zum thermischen Durchgehen führen. In manganhaltigen Kathoden kann delithiiertes Li_1- _xMnPO₄ im Falle eines thermischen Durchgehens zu einer Sauerstoffgasentwicklung bei viel niedrigeren Temperaturen führen als delithiiertes Li_1-xFePO₄. Darüber hinaus löst sich bei direkter Exposition an der Elektrodenoberfläche in Kontakt mit flüssigen Elektrolyten Mangan aus manganhaltigen Kathoden (in Form von Mn²⁺ _(aq.)) und reagieren ferner zur Bildung von Manganmetall (Mn⁰) an der Anode, was zu einer Degradation der Batterie führt. Somit besteht weiterhin ein Bedarf an Einrichtungen, Systemen und Verfahren, die die Leistung von Zellen mit manganhaltigen Kathoden verbessern können.
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf eine Kathode gerichtet. Die Kathode kann ein kathodenaktives Material einschließen. Die Kathode kann eine Beschichtung einschließen, die auf dem kathodenaktiven Material angeordnet ist. Die Beschichtung kann ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
einschließen, wobei M¹ ein erstes Metall ist, M² ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z ≤ 1, und 0 ≤ u ≤ 1. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ist ausgewählt aus Al, Ga, V, Fe, Mn und Ti. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr, und M² ist unabhängig ausgewählt aus M¹ und ist ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr. In einigen Gesichtspunkten ist A PO₄. In einigen Gesichtspunkten ist A ausgewählt aus SO₄, P₂O₇, CO₃ und S₁O₄. In einigen Gesichtspunkten ist ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
eines oder mehrere ausgewählt aus LiFePO₄(OH), LiFePO₄F, Li₂FePO₄F, LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F, LiVPO₄F, Li(Fe_1-yMn_y)SO₄F, LiFeSO₄F, Li₂CoP₂O₇, LiVP₂O₇, Li₂VOP₂O₇, Li₂(Fe_1-yMn_y)P₂O₇, Li₂FeP₂O₇ und LiMnF₂, einschließlich Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon.
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf ein Verfahren gerichtet. Das Verfahren kann ein Anordnen einer Beschichtung auf einem kathodenaktiven Material einer Kathode einschließen. Die Beschichtung kann ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
einschließen, wobei M¹ ein erstes Metall ist, M² ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ist ausgewählt aus Al, Ga, V, Fe, Mn und Ti. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr, und M² ist unabhängig ausgewählt aus M¹ und ist ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr. In einigen Gesichtspunkten ist A PO₄. In einigen Gesichtspunkten ist A ausgewählt aus SO₄, P₂O₇, CO₃ und S₁O₄. In einigen Gesichtspunkten ist ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
eines oder mehrere ausgewählt aus LiFePO₄(OH), LiFePO₄F, Li₂FePO₄F, LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F, LiVPO₄F, Li(Fe_1-yMn_y)SO₄F, LiFeSO₄F, Li₂CoP₂O₇, LiVP₂O₇, Li₂VOP₂O₇, Li₂(Fe_1-yMn_y)P₂O₇, Li₂FeP₂O₇ und LiMnF₂, einschließlich Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon. Gemäß einem dieser Gesichtspunkte kann ein Verfahren ein Kombinieren eines ersten Vorläufers der Beschichtung, eines zweiten Vorläufers der Beschichtung und optional eines dritten Vorläufers der Beschichtung mit einem kathodenaktiven Material umfassen; und Erwärmen der Beschichtungsvorläufer und des kathodenaktiven Materials. In einigen Gesichtspunkten eines beliebigen des Vorstehenden umfasst ein Verfahren ein Kombinieren von FePO4, LiF und einem kathodenaktiven Material; und Erwärmen des FePO4, des LiF und des kathodenaktiven Materials bei einer Temperatur in einem Bereich von 500 °C bis 600 °C. In anderen Gesichtspunkten eines beliebigen des Vorstehenden umfasst ein Verfahren ein Kombinieren von MnSO4·H2O, LiF und einem kathodenaktiven Material; und Erwärmen des MnSO4·H2O, des LiF und des kathodenaktiven Materials bei einer Temperatur in einem Bereich von 300 °C bis 600 °C.
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf ein Elektrofahrzeug gerichtet. Das Elektrofahrzeug kann eine Batterie einschließen. Die Batterie kann eine Kathode einschließen. Die Kathode kann ein kathodenaktives Material einschließen. Die Kathode kann eine Beschichtung einschließen, die auf dem kathodenaktiven Material angeordnet ist. Die Beschichtung kann ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
einschließen, wobei M¹ ein erstes Metall ist, M² ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ist ausgewählt aus Al, Ga, V, Fe, Mn und Ti. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr, und M² ist unabhängig ausgewählt aus M¹ und ist ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr. In einigen Gesichtspunkten ist A PO₄. In einigen Gesichtspunkten ist A ausgewählt aus SO₄, P₂O₇, CO₃ und S₁O₄. In einigen Gesichtspunkten ist ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
eines oder mehrere ausgewählt aus LiFePO₄(OH), LiFePO₄F, Li₂FePO₄F, LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F, LiVPO₄F, Li(Fe_1-yMn_y)SO₄F, LiFeSO₄F, Li₂CoP₂O₇, LiVP₂O₇, Li₂VOP₂O₇, Li₂(Fe_1-yMn_y)P₂O₇, Li₂FeP₂O₇ und LiMnF₂, einschließlich Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon.
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf ein System gerichtet. Das System kann eine Batterie einschließen. Die Batterie kann eine Kathode einschließen. Die Kathode kann ein kathodenaktives Material einschließen. Die Kathode kann eine Beschichtung einschließen, die auf dem kathodenaktiven Material angeordnet ist. Die Beschichtung kann ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
einschließen, wobei M¹ ein erstes Metall ist, M² ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ist ausgewählt aus Al, Ga, V, Fe, Mn und Ti. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr, und M² ist unabhängig ausgewählt aus M¹ und ist ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr. In einigen Gesichtspunkten ist A PO₄. In einigen Gesichtspunkten ist A ausgewählt aus SO₄, P₂O₇, CO₃ und S₁O₄. In einigen Gesichtspunkten ist ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
eines oder mehrere ausgewählt aus LiFePO₄(OH), LiFePO₄F, Li₂FePO₄F, LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F, LiVPO₄F, Li(Fe_1-yMn_y)SO₄F, LiFeSO₄F, Li₂CoP₂O₇, LiVP₂O₇, Li₂VOP₂O₇, Li₂(Fe_1-yMn_y)P₂O₇, Li₂FeP₂O₇ und LiMnF₂, einschließlich Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon.
Mindestens ein Gesichtspunkt ist auf eine Batterie gerichtet. Die Batterie kann eine Kathode einschließen. Die Kathode kann ein kathodenaktives Material einschließen. Die Kathode kann eine Beschichtung einschließen, die auf dem kathodenaktiven Material angeordnet ist. Die Beschichtung kann ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
einschließen, wobei M¹ ein erstes Metall ist, M² ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ist ausgewählt aus Al, Ga, V, Fe, Mn und Ti. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr, und M² ist unabhängig ausgewählt aus M¹ und ist ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr. In einigen Gesichtspunkten ist A PO₄. In einigen Gesichtspunkten ist A ausgewählt aus SO₄, P₂O₇, CO₃ und S₁O₄. In einigen Gesichtspunkten ist ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
eines oder mehrere ausgewählt aus LiFePO₄(OH), LiFePO₄F, Li₂FePO₄F, LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F, LiVPO₄F, Li(Fe_1-yMn_y)SO₄F, LiFeSO₄F, Li₂CoP₂O₇, LiVP₂O₇, Li₂VOP₂O₇, Li₂(Fe_1-yMn_y)P₂O₇, Li₂FeP₂O₇ und LiMnF₂, einschließlich Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon.
Gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte kann M¹ aus Al, Ga, V, Fe, Mn und Ti ausgewählt sein, A kann PO₄ sein, und y = 0. Gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte kann ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
Li_xFePO₄F sein. Gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte kann ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
LiFePO₄F sein. Alternativ kann gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
Li₂FePO₄F sein. Alternativ kann gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
LiMnSO₄F sein. Alternativ kann gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
LiMn_1-yFe_ySO₄F sein. Alternativ kann gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
eines oder mehrere sein, ausgewählt aus LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F und LiMnF₂ und Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon.
Gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte kann eine Kristallstruktur von ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
triklin sein. Alternativ kann gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
in einer Tavorit-Struktur angeordnet werden. Alternativ kann gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte eine Kristallstruktur von Li_XMi__yMyAF_z(OH)_u triplit sein.
Gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte kann Li_XMi__yMyAF_z(OH)_u in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 500 °C thermisch stabil sein.
Gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte kann die Beschichtung konfiguriert sein, um die Auflösung von Mangan aus der Kathode verglichen mit einer Kathode ohne die Beschichtung zu reduzieren.
Gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte kann die Kathode ein oder mehrere Materialien aus LMFP, LMO, LiMO₂, Li_1+x1M_1-x1O₂ und Li₂MnO₃ umfassen.
Diese und andere Gesichtspunkte und Implementierungen werden nachstehend im Detail erläutert. Die vorstehenden Informationen und die folgende detaillierte 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 Veranschaulichung und ein weiteres Verständnis der verschiedenen Gesichtspunkte und Implementierungen bereit und sind in diese Offenbarung aufgenommen und bilden einen Teil davon. Die vorstehenden Informationen und die folgende detaillierte 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 Beispielimplementierung dar.
2A stellt einen Batteriepack gemäß einer Beispielimplementierung dar.
2B stellt ein Batteriemodul gemäß einer Beispielimplementierung dar.
2C stellt eine Querschnittsansicht einer Batteriezelle gemäß einer Beispielimplementierung dar.
2D stellt eine Querschnittsansicht einer Batteriezelle gemäß einer Beispielimplementierung dar.
2E stellt eine Querschnittsansicht einer Batteriezelle gemäß einer Beispielimplementierung dar.
3 stellt eine perspektivische Ansicht einer Elektrode gemäß einer Beispielimplementierung dar.
4 stellt eine perspektivische Ansicht einer Elektrode gemäß einer Beispielimplementierung dar.
5 stellt eine Kristallstruktur von LiFePO₄F gemäß einer Beispielimplementierung dar.
6 stellt ein Diagramm der Manganmenge in einem Kontrollelektrolyten und der Manganmenge in einem Elektrolyten mit einer verbesserten Elektrode, wie hierin offenbart, bei 25 °C dar, gemäß theoretischen Berechnungen basierend auf einer Beispielimplementierung.
7 stellt ein Diagramm der Manganmenge in einem Kontrollelektrolyten und der Manganmenge in einem Elektrolyten mit einer verbesserten Elektrode, wie hierin offenbart, bei 55 °C dar, gemäß theoretischen Berechnungen basierend auf einer Beispielimplementierung.
8 stellt eine Kristallstruktur von LiMnSO₄F gemäß einer Beispielimplementierung dar.
9 zeigt eine thermogravimetrische Analyse (TGA) von LiMnSO₄F, LiMn_0,6Fe_0,4PO₄ und LiMn_0,75Fe_0,25PO₄.
10 stellt eine perspektivische Ansicht einer Elektrode gemäß einer Beispielimplementierung dar.
11 stellt ein Verfahren zum Reduzieren oder Verhindern der Degradation von Kathoden gemäß einer Beispielimplementierung dar.
12 stellt ein Verfahren zum Bereitstellen einer Kathode gemäß einer Beispielimplementierung dar.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es folgen nachstehend detailliertere Beschreibungen verschiedener Konzepte bezüglich und Implementierungen von Verfahren, Einrichtungen und Systemen zum Reduzieren der Degradation von Batterien. Die verschiedenen Konzepte, die vorstehend vorgestellt und nachstehend detaillierter erläutert werden, lassen sich auf zahlreiche Arten implementieren.
Die vorliegende Offenbarung ist auf Einrichtungen, Systeme und Verfahren zum Reduzieren oder Verhindern der Degradation von Batterien gerichtet. Die Kathode kann oxidieren und eine chemische Zersetzungsreaktion durchlaufen. Außerdem kann die Sauerstoffgasentwicklung in der Kathode zu einem thermischen Durchgehen führen.
Die Sauerstoffgasentwicklung in der Kathode kann bei hohen Temperaturen zum thermischen Durchgehen führen. In manganhaltigen Kathoden kann delithiiertes Li_1- _xMnPO₄ im Falle eines thermischen Durchgehens zu einer Sauerstoffgasentwicklung bei viel niedrigeren Temperaturen führen als delithiiertes Li_1-xFePO₄. Während zum Beispiel die lithiierte LiMnPO₄-Phase bis zu sehr hohen Temperaturen stabil sein kann, kann delithiiertes MnPO₄ allmählich eine thermischen Zersetzungsreaktion durchlaufen, wie: 2 MnPO₄ → Mn₂P₂O₇ + ½ O₂(g). Diese Reaktion kann abhängig von der Qualität eines Pulvers, einer Beschaffenheit der Beschichtung, einer lokalen Struktur usw. bei einer Temperatur von über 200 °C oder höher einsetzen.
Außerdem können sich Manganionen aus manganhaltigen Kathoden in flüssigen Elektrolyten lösen (in Form von Mn²⁺ _(aq.)) und an der Anode zum Bilden von Manganmetall (Mn⁰) reagieren, was zu einer Degradation der Batterie führt. Zum Beispiel können die gelösten Manganionen mit in dem Elektrolyten vorhandenem HF reagieren, um in der Festelektrolyt-Zwischenphase der Batterie MnF₂ 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 die Impedanz und/oder den Widerstand der Batterie erhöhen. Diese Probleme können in jeder Batterie auftreten, die eine Mn-haltige Kathode umfasst, wie eine LiMn_aFe_1-aPO₄-Kathode (LMFP-Kathode), wobei 0 ≤ a ≤ 1 ist, oder eine LiMn₂O₄-Kathode (LMO-Kathode).
Zum Bewältigen dieser Probleme ist eine hierein beschriebene technische Lösung eine Kathode, die ein kathodenaktives Material einschließt. Die Kathode kann eine Beschichtung einschließen, die auf dem kathodenaktiven Material angeordnet ist. Die Beschichtung kann ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
einschließen, wobei M¹ ein erstes Metall ist, M² ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ist ausgewählt aus Al, Ga, V, Fe, Mn und Ti. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr, und M² ist unabhängig ausgewählt aus M¹ und ist ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr. In einigen Gesichtspunkten ist A PO₄. In einigen Gesichtspunkten ist A ausgewählt aus SO₄, P₂O₇, CO₃ und S₁O₄. In spezifischen Gesichtspunkten ist ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
eines oder mehrere ausgewählt aus LiFePO₄(OH), LiFePO₄F, Li₂FePO₄F, LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F, LiVPO₄F, Li(Fe_1-yMn_y)SO₄F, LiFeSO₄F, Li₂CoP₂O₇, LiVP₂O₇, Li₂VOP₂O₇, Li₂(Fe_1-yMn_y)P₂O₇, Li₂FeP₂O₇ und LiMnF₂ einschließlich Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon.
Die offenbarten Lösungen weisen einen 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 eine Verringerung der Batteriekapazität mit der Zeit reduzieren oder verhindern. Die Lösungen können die Sauerstoffgasentwicklung in der Kathode reduzieren oder unterdrücken. Weitere Details werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erörtert und veranschaulicht.
1 stellt eine Beispielquerschnittsansicht 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-Trucks 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 einen Beispielbatteriepack 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 oder unterhalb 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 Fluid 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. Der 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 Beispielbatteriemodule 115 dar, und die 2C, 2D und 2E stellen eine Beispielquerschnittsansicht einer Batteriezelle 120 dar. Die Batteriemodule 115 können 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 aneinander angrenzend gezeigten thermischen Komponenten 215 können zu einer einzigen thermischen Komponente 215 kombiniert werden, die sich über die Größe eines oder mehrerer Submodule 220 oder 225 erstreckt. Die thermische Komponente 215 kann neben anderen Möglichkeiten unter dem Submodul 220 und über dem Submodul 225, zwischen den Submodulen 220 und 225 an einer oder mehreren Seiten der Submodule 220 und 225 positioniert werden. Die thermische Komponente 215 kann in Seitenwänden, Querträgern, Strukturelementen neben verschiedenen anderen Komponenten des Batteriepacks angeordnet sein, wie der vorstehend beschriebene 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. Der Batteriepack 110 kann eine Vielzahl von Bereichen zum Positionieren des Batteriemoduls 115 und/oder der Zellen 120 einschließen oder definieren. 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 sollte beachtet werden, die Veranschaulichungen und Beschreibungen hierin zu Beispielzwecken bereitgestellt sind und nicht als einschränkend ausgelegt werden sollten. Die Batteriezellen 120 können zum Beispiel in den Batteriepack 110 ohne die Batteriemodule 220 und 225 eingesetzt werden. Die Batteriezellen 120 können neben anderen Möglichkeiten in dem Batteriepack 110 in einer Zelle-zu-Pack-Konfiguration ohne die Module 220 und 225 angeordnet sein.
Die 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. eine Jelly Roll) einschließlich eines Elektrolytmaterials in mindestens ein Batteriezellengehäuse 230 eingesetzt wird. Das Elektrolytmaterial, z. B. ein ionisch 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 Flüssigelektrolytmaterial aufzunehmen. Das Elektrolytmaterial, z. B. ein ionisch leitfähiges Fluid oder ein anderes Material, kann die Leitung von Ionen zwischen 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 mindestens 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 Festelektrolyt-Materialien (z. B. Oxide, Sulfide, Phosphide, Keramiken), feste Polymerelektrolyt-Materialien, hybride Festkörperelektrolyte oder eine beliebige Kombination davon einschließen. In einigen Implementierungen kann die Festelektrolytschicht polyanionisches oder oxidbasiertes Elektrolytmaterial einschließen (z. B. Lithium-Superionische-Leiter (LISICONs), Natrium-Superionische-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). In einigen Implementierungen kann die Festelektrolytschicht einen glasartigen, keramischen und/oder kristallinen Elektrolyten auf Sulfidbasis einschließen (z. B. Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li₂S-P₂S₅, Li₂S-B₂S₃, SnS-P₂S₅, Li₂S-SiS₂, Li₂S-P₂S₅, Li₂S-GeS₂, Li₁₀GeP₂S₁₂) und/oder Lithium-Argyrodite auf Sulfidbasis mit der Formel Li₆PS₅X (X = Cl, Br) wie Li₆PS₅Cl). Außerdem kann die Festelektrolytschicht unter anderem ein Polymerelektrolyt-Material (z. B. ein Hybrid- oder Pseudo-Festkörper-Elektrolyt) einschließen, zum Beispiel Polyacrylnitril (PAN), Polyethylenoxid (PEO), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyvinylidenfluorid (PVDF).
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 unter anderem zylindrisch mit kreisförmiger (z. B. wie unter anderem in 2C dargestellt), elliptischer oder ovulärer Basis. 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 einigen Implementierungen schließt der Batteriepack möglicherweise keine Module ein (z. B. modulfrei). Der Batteriepack kann zum Beispiel eine modulfreie oder Zelle-zu-Pack-Konfiguration aufweisen, wobei die Batteriezellen direkt in einem Batteriepack ohne Zusammenbau zu 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 gemischt), 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 Verbundanoden 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 Kohlenstoff-Verbundanode auf Siliciumbasis oder andere Anoden aus Lithiumlegierungen (Li-Mg-, Li-Al-, Li-Ag-Legierung usw.) oder Verbundanoden bestehend aus Lithium und Kohlenstoff, Silicium 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 flüssigen Elektrolyten benetzt wird. Die Schicht 260 kann ein Polymermaterial einschließen. Die Schicht 260 kann einen Polymer-Separator 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 Polymer-Separator kann die Anode und die Kathode physisch von einem Zellenkurzschluss trennen. Ein Separator kann mit einem Flüssigelektrolyten benetzt werden. Der Flüssigelektrolyt kann in die Anodenschicht 245 diffundiert werden. Der Flüssigelektrolyt kann in die Kathodenschicht 255 diffundiert werden. Im Falle eines Festelektrolyten kann die Schicht 260 dazu beitragen, Ionen (z. B. Li⁺-Ionen) zwischen der Anodenschicht 245 und der Kathodenschicht 255 zu übertragen. Die Schicht 260 kann während des Endladevorgangs der Batteriezelle 120 Li⁺-Kationen von der Anodenschicht 245 zu der Kathodenschicht 255 übertragen. Im Falle eines Festelektrolyten kann die Schicht 260 während des Ladevorgangs der Batteriezelle 120 Lithium-Ionen von der Kathodenschicht 255 auf die 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. Die Lithium-Ionen können während des Ladevorgangs der Batteriezelle 120 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-Chemie), eine LMFP-Chemie (Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat-Chemie), eine NMC-Chemie (Nickel-Mangan-Kobalt-Chemie), eine NCA-Chemie (Nickel-Kobalt-Aluminium-Chemie), eine OLO-Chemie (Over-Lithiated-Oxide-Chemie) 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 für eine Kathodenschicht (z. B. für die Kathodenschicht 255), Lithium-Ionen-Batterien eine Olivinphosphat-Chemie (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 Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), Lithium-Eisen-Mangan-Phosphat (LMFP), geschichtete Oxide (LiMO₂, M = Ni und/oder Co und/oder Mn und/oder Fe und/oder Al und/oder Mg), eine NMC-Chemie (Nickel-Mangan-Kobalt-Chemie), eine NCA-Chemie (Nickel-Kobalt-Aluminium-Chemie) oder eine LCO-Chemie (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 Spinelle mit hoher Spannung (LiM_1,5Ni_0,5O₄), ungeordnetes Steinsalz, Fluorphosphate wie Li₂FePO₄F (M = Fe, Co, Ni) und Fluorsulfate wie LiMSO₄F (M = Co, Ni, Mn) einschließen. Für eine Anodenschicht (z. B. für die Anodenschicht 245) können Lithium-Ionen-Batterien eine Graphitchemie, eine Silicium-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 anodenaktives Material oder kathodenaktives Material, üblicherweise zusätzlich zu einem leitfähigen Kohlenstoffmaterial, einem Bindemittel, 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 einem 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-Aluminium-Oxid („LiNMCA“) oder Lithium-Metall-Phosphate wie Lithium-Eisen-Phosphat („LFP“) und Lithium-Eisen-Mangan-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-Gummi („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 (TRD202A), 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 Aluminium- (Al) oder Kupfer (Cu) -Folie 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 Flüssigelektrolytmaterial 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 (z. B. gesättigt, getränkt, aufgenommen) ist. Das flüssige Elektrolytmaterial kann ein Lithiumsalz einschließen, das in einem Lösungsmittel gelöst ist. Das Lithiumsalz für das Flüssigelektrolytmaterial für die Schicht 260 kann unter anderem zum Beispiel Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und Lithiumperchlorat (LiClO₄) einschließen. Das Lösungsmittel kann unter anderem zum Beispiel Dimethylcarbonat (DMC), Ethylencarbonat (EC) und Diethylcarbonat (DEC) einschließen. Der Flüssigelektrolyt muss nicht unbedingt in der Nähe der Schicht 260 angeordnet sein, sondern der Flüssigelektrolyt kann auf vielfältige Weise in die Batteriezellen 120 eingefüllt werden. Andererseits 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 einigen Implementierungen schließt der Festelektrolytfilm mindestens eine Schicht aus einem Festelektrolyten ein. Festelektrolytmaterialien der Festelektrolytschicht können anorganische Festelektrolytmaterialien (z. B. Oxide, Sulfide, Phosphide, Keramiken), feste Polymerelektrolytmaterialien, hybride Festkörperelektrolyte oder eine beliebige Kombination davon einschließen. In einigen Implementierungen schließt die Festelektrolytschicht polyanionisches oder oxidbasiertes Elektrolytmaterial ein (z. B. Lithium-Superionische-Leiter (LISICONs), Natrium-Superionische-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 (i_xPO_yN_z). In einigen Implementierungen kann die Festelektrolytschicht einen glasartigen, keramischen und/oder kristallinen Elektrolyten auf Sulfidbasis einschließen (z. B. Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li₂S-P₂S₅, Li₂S-B₂S₃, SnS-P₂S₅, Li₂S-SiS₂, Li₂S-P₂S₅, Li₂S-GeS₂, Li₁₀GeP₂S₁₂) und/oder Lithium-Argyrodite auf Sulfidbasis mit der Formel Li₆PS₅X (X = Cl, Br) wie Li₆PS₅Cl). Außerdem kann die Festelektrolytschicht unter anderem ein Polymerelektrolyt-Material (z. B. ein Hybrid- oder Pseudo-Festkörper-Elektrolyt) einschließen, zum Beispiel Polyacrylnitril (PAN), Polyethylenoxid (PEO), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyvinylidenfluorid (PVDF).
In Beispielen, in denen die Schicht 260 ein Flüssigelektrolytmaterial einschließt, kann die Schicht 260 ein nicht-wässriges polares Lösungsmittel einschließen. Das nicht-wässrige 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 beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. Die Schicht 260 kann ein Lithiumsalz-Material 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 vorliegen. Sobald es in der Batteriezelle 120 angeordnet ist, kann der Flüssigelektrolyt vorliegen und die in der Batteriezelle 120 vorhandenen Batterieteilkomponenten berühren. Die Batterieteilkomponenten können die Kathode, die Anode, den Separator, den Stromkollektor usw. einschließen.
Elektrische Leitfähigkeit ist die Bewegung von Elektronen (e-), wenn ein Strom (I) angelegt wird. Ein Hinzufügen eines leitfähigen Mittels wie Ruß, CNT, Graphen bei den Elektrodenherstellungsschritten oder ein Einbringen einer dünnen Schicht aus Kohlenstoffbeschichtung auf das aktive Kathodenmaterial kann dazu beitragen, die elektrische Leitfähigkeit eines gegebenen Batteriesystems erhöhen. Um eine dünne Schicht aus Kohlenstoffbeschichtung an der Oberfläche aktiver Materialien einzubringen, kann eine Kohlenwasserstoff-Verbindung (C_xH_yO_z-Verbindung), wie Saccharose, Glucose, Zitronensäure, Acetylen-Ruß, Zitronensäure, Oxalsäure, L-Ascorbinsäure, zusammen mit einem gegebenen aktiven Material oder Vorläufer vermengt, gemischt oder gemahlen werden. Wenn diese C-haltigen Vorläufer erwärmt werden, kann die Kohlenstoffquelle an der Teilchenoberfläche der aktiven Materialien verbleiben, während H_yO_z in Form von H₂O oder OH verdampft. In einigen Ausführungsformen können die gasförmigen Spezies CO, CO₂, O₂, NO_x, SO_x, Cl₂, H₂O oder eine Mischung aus beliebigen zwei oder mehreren davon einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt.
Metallphosphatvorläufer (M-P-O-Vorläufer) können mit Li-Salzen an der Oberfläche der aktiven Materialien reagieren und ein oberflächensegregiertes Li-M₂-P-O-Material als Beschichtung bilden. In einigen Ausführungsformen, wenn die Grenzflächenenergie zwischen der Wirtskathode und dem Li-M₂-P-O kleiner ist, kann Li-M₂-P-O in Form von Niederschlägen innerhalb der Wirtskathodenmatrix als Nanoverbund vorliegen. Die hierin beschriebenen Beschichtungen können, wenn sie sich zur Oberfläche hin absetzen, eine reduzierte oder keine Tendenz zum Freisetzen von Mn an der Oberfläche von Kathodenmaterialien aufweisen.
Kathodenaktive Materialien (oder anodenaktive Materialien) können eine Kohlenstoffbeschichtung einschließen. Lithium-Metall-Phosphate schließen in der Regel eine Oberflächen-Kohlenstoffbeschichtung ein, um die Leitfähigkeit des aktiven Materials zu verbessern. Während oder nach der Herstellung des Lithium-Metall-Phosphats kann ein Kohlenstoffbeschichtungsprozess durchgeführt werden, zum Beispiel kann die Pyrolyse einer organischen Substanz auf Lithium-Metall-Phosphat-Teilchen bei erhöhter Temperatur aktive Materialien mit Kohlenstoffbeschichtungen erzeugen, und in einigen Fällen können sekundäre leitfähige Phasen in den aktiven Materialien gebildet werden.
Kathodenaktive Materialien können eine Kohlenstoffbeschichtung einschließen. Eine Kohlenstoffbeschichtung kann in einem Bereich von 0,5 bis 3 Gew.-% oder 0,8 bis 1,6 Gew.-% des aktiven Materials liegen. Zum Beispiel kann 1 Gew.-% Kohlenstoffbeschichtungsmaterial auf 99 Gew.-% des aktiven Materials liegen. Dieses aktive Material kann dann mit leitfähigem Kohlenstoffadditiv (z. B. 3 Gew.-% leitfähiges Kohlenstoffadditiv mit 97 Gew.-% aktivem Material) in der Elektrodenaufschlämmung gemischt werden, die zum Herstellen der Elektrode verwendet wird.
3 und 4 stellen perspektivische Ansichten einer Elektrode 300 dar. Die Elektrode 300 kann die Anodenschicht 245 oder die Kathodenschicht 255 einschließen. Die Elektrode 300 kann innerhalb des Hohlraums 250 angeordnet sein, der durch das Gehäuse 230 definiert ist. Die Elektrode 300 kann eine Anode oder eine Kathode einschließen. Die Anode oder die Kathode können ein oder mehrere aktive Materialteilchen einschließen. Zum Beispiel kann die Kathode ein kathodenaktives Material 305 einschließen. Die Kathode kann ein oder mehrere Materialien einschließen, die aus LMFP, LMO, LiMO₂, Li_1+x1M_1-1O₂ und Li₂MnO₃ ausgewählt sind, wobei 0 ≤ x1 ≤ 1. Zum Beispiel kann die Kathode eine Mn-reiche LiMO₂- und Li_1+x1M_1-x1O₂-geschichtete Kathode einschließen. In einigen Gesichtspunkten schließt die Kathode LiMn_x1Fe_1-x1PO₄-Material (LMFP-Material) ein. In einigen Gesichtspunkten schließt die Kathode LiMn₂O₄-Material ein. In einigen Gesichtspunkten schließt die Kathode LiNi_0,5Mn_1,5O₄-Spinellmaterial ein. Die Elektrode 305 kann Lithium-Eisen-Phosphat, Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat, Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid, Graphit, überlithiierte geschichtete Oxide, Lithium-Mangan-NickelOxid oder eine Kombination davon einschließen. Die Elektrode 305 kann ein anodenaktives Material oder ein kathodenaktives Material einschließen.
Die Kathode kann eine oder mehrere Beschichtungen 310 wie hierin beschrieben einschließen. Die Beschichtung 310 kann auf dem kathodenaktiven Material 305 angeordnet sein. Die Kathode kann eine Beschichtung vom Typ Kern/Hülle einschließen. Die Beschichtung 310 kann eine Schicht („Hülle“) auf der Oberfläche des kathodenaktiven Materials 305 (CAM) oder des „Kem“-Materials bilden, wie in 3 dargestellt. Alternativ kann die Beschichtung 310 eine inselartige Beschichtung einschließen, wie in 4 dargestellt. Zum Beispiel kann die Beschichtung 310 als diskrete Teilchen oder „Inseln“ auf der Oberfläche des kathodenaktiven Materials 305 ausgebildet sein, die eine beliebige Anzahl von Formen annehmen können, einschließlich Kugeln, Ellipsoide oder Stäbe.
In beliebigen Implementierungen (z. B. gemäß 3 oder 4 oder anderweitig) kann die Beschichtung 310, wie hierin offenbart, eine inaktive physikalische Barriere gegen die Manganauflösung bilden oder anderweitig die Auflösung von Mangan aus der Kathode hemmen oder reduzieren, verglichen mit einer Kathode ohne die Beschichtung 310. Die hierin offenbarte Beschichtung 310 kann eine erhöhte thermische Stabilität aufweisen und/oder die Gasentwicklung verglichen mit einer Kathode ohne die Beschichtung 310 hemmen oder reduzieren. Die Beschichtung 310 kann ionisch leitend sein und/oder als Isolator fungieren.
Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass das Ersetzen der PO₄-Anion-Gruppe eines manganhaltigen Kathodenmaterials durch ein Anion wie SO₄, P₂O₇, CO₃ und SiO₄ allgemein die Spannung der Kathode erhöhen kann. Wenn diese Spannung über der oberen Ladeendspannung des normalen Betriebsbereichs der Zelle liegt, bedeutet dies auch, dass die Sauerstoffgasentwicklung an der Oberfläche reduziert werden kann. Ein weiteres Verfahren zum Erhöhen der thermodynamischen Spannung eines Elektrodenmaterials ist die Substitution des Übergangsmetallelements. Unter den 3d-Metallelementen kann der Wechsel von einem frühen Übergangsmetall wie Ti zu Ni allgemein die Spannung erhöhen. Diese Ansätze können zusammen für eine größere Wirkung verwendet werden. Zum Beispiel hat LiFePO₄ ein Potenzial von 3,4 V gegenüber. Li/Li⁺. Durch Ersetzen von Fe durch Mn und PO₄ durch SO₄F steigt das Potenzial auf 3,9 V gegenüber Li/Li⁺ für Li(Fe_1-xMn_x)SO₄F. Beispielsweise kann LiMnSO₄F bis zu 500 °C thermisch stabil sein, ohne Anzeichen von Zersetzung, im Gegensatz zu LiMn_0,6Fe_0,4PO₄ und LiMn_0,75Fe_0,25PO₄. 9 zeigt eine thermogravimetrische Analyse (TGA) von LiMnSO₄F, LiMn_0,6Fe_0,4PO₄ und LiMn_0,75Fe_0,25PO₄, die unter Verwendung der folgenden Parameter bewertet wurde: Isothermisch bei 25 °C für 10 min; Dynamische Rampe von 25 °C auf 500 °C bei 5°/min, unter N₂-Gasstrom bei 20 mL/min. In diesem Kontext kann die thermische Stabilität eine Fähigkeit einschließen, Hitze und/oder Zersetzung unter aufgebrachter Hitze zu widerstehen. Zum Beispiel können sich, wie in dem Diagramm 900 von 9 dargestellt, LiMn_0,6Fe_0,4PO₄ und LiMn_0,75Fe_0,25PO₄ zersetzen, wenn die Temperatur von 0 °C auf 500 °C ansteigt, wobei sich MnPO₄ innerhalb der Kathoden-Wirtsstruktur gemäß Gleichung 1 zersetzen kann: 2MnPO₄ → Mn₂P₂O₇ + ½O₂(_g) (1).
Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird auch davon ausgegangen, dass das Einschließen eines tavoritbasierten Materials wie LiFePO₄F in eine Kathodenbeschichtung die Degradation der Kathode hemmen oder reduzieren kann. LiFePO₄F kann leicht aus FePO₄ und LiF synthetisiert werden (oder aus NH₄F + Li₂CO₃ + FePO₄), und weist eine größere thermodynamische chemische Stabilität auf als LiFePO₄(OH) (eine andere Tavorit-Struktur), die dazu neigt, sich chemisch zu zersetzen bei der Reaktion: LiFePO₄(OH) → 0,111 FeHO₂ + 0,222 Fe₄P₃(HOs)₃ + 0,333 Li₃PO₄ + 0,111 H₂O (2)
LiFePO₄F hat die gleiche Kristallstruktur wie Tavorit, jedoch mit -F-Terminierung. LiFePO₄(OH) kann sich auch bilden, wenn LiFePO₄ über einen längeren Zeitraum Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Siehe 5. LiFePO₄F weist eine höhere Ionenleitfähigkeit auf als LiFePO₄ (LFP).
Somit kann die Beschichtung 310, wie hierin beschrieben, ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
einschließen, wobei M¹ ein erstes Metall ist, M² ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤1, 0 ≤ z ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ist ausgewählt aus Al, Ga, V, Fe, Mn und Ti. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr (z. B. Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, V³⁺ und Cr³⁺) und M² ist unabhängig ausgewählt aus M¹ und ist ausgewählt aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr (z. B. Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, V³⁺ und Cr³⁺), so dass M¹ gleich oder verschieden von M² sein kann. In einigen Gesichtspunkten ist A PO₄. In einigen Gesichtspunkten ist A ausgewählt aus SO₄, P₂O₇, CO₃ und S₁O₄. In einigen Gesichtspunkten ist M¹ ausgewählt aus Al, Ga, V, Fe, Mn und Ti, A ist PO₄, und y = 0. Zum Beispiel ist in einigen Implementierungen von ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
M¹ Fe, A ist PO₄, y = 0, z = 1 und u = 0 (Li_xFePO₄F), oder M¹ ist Fe, A ist PO₄, x = 1, y = 0, z = 1 und u = 0 (LiFePO₄F), oder M¹ ist Fe, A ist PO₄, x = 2, y = 0, z = 1 und u = 0 (Li₂FePO₄F). Somit kann die Beschichtung 310 in einigen Gesichtspunkten eines oder mehrere einschließen von Li_xFePO₄F (wobei 1 ≤ x ≤ 2), LiFePO₄F, Li₂FePO₄F, LiFePO₄(OH), LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F, LiVPO₄F, Li(Fe_1-yMn_y)SO₄F, LiFeSO₄F, Li₂CoP₂O₇, LiVP₂O₇, Li₂VOP₂O₇, Li₂(Fe_1-yMn_y)P₂O₇, Li₂FeP₂O₇ und LiMnF₂, wobei sich der Wert von x, y, z und u von ganzzahligen Zahlen von Null auf nicht-Null einschließlich, aber nicht einschränkend, 1 und 2 ändern kann.
Zusätzlich oder alternativ kann die Beschichtung 310 ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
einschließen, wobei M¹ Mn ist, A SO₄ ist, x = 1, y = 0, z = 1 und u = 0 (LiMnSO₄F), oder M¹ ist Mn, M² ist Fe, A ist SO₄, x = 1, y ≠ 0, z = 1 und u = 0 (LiMn_1-yFe_ySO₄F).
Zusätzlich oder alternativ kann die Beschichtung 310 ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
einschließen, wobei M¹ Mn ist, A ausgewählt ist aus SO₄, P₂O₇, CO₃ und SiO₄, x = 1, y = 0, z = 1 oder 2 und u = 0. Somit kann die Beschichtung 310 eine oder mehrere ausgewählt aus LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F oder LiMnF₂ einschließen, einschließlich Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon. Die Beschichtung 310 kann eine oder mehrere einschließen ausgewählt aus LiFePO₄F, Li₂FePO₄F, LiFePO₄(OH), LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F, LiVPO₄F, Li(Fe_1-xMn_x)SO₄F, LiFeSO₄F, Li₂CoP₂O₇, LiVP₂O₇, Li₂VOP₂O₇, Li₂(Fe_1-xMn_x)P₂O₇, Li₂FeP₂O₇ und LiMnF₂ (einschließlich Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon), wobei sich der Wert von x, y, z und u von ganzzahligen Zahlen von Null auf nicht-Null einschließlich, aber nicht beschränkt auf, 1 und 2 ändern kann.

Wie vorstehend erwähnt, stellt 5 eine Kristallstruktur 500 von LiFePO₄F dar. Die Kristallstruktur von

{Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}

kann triklin sein. Die Kristallstruktur von LiFePO₄F kann triklin sein.

{Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}

kann eine P-1 trikline Raumgruppe haben.

{Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}

kann in einer Tavorit-Kristallstruktur angeordnet werden. Tabelle 1 stellt eine Beispielauflistung der berechneten und in der Literatur angegebenen Gitterparameter für LiFePO₄F bereit. Die berechneten Gitterparameter können unter Verwendung von atomistischen Rechensimulationen bestimmt werden.

*Gitterparameter*	Berechnet	Literatur
a (Å)	5,21	5,30
b (Å)	5,37	5,15
c (Å)	7,40	7,26
α (°)	106,77	107,88
B (°)	108,76	107,34
γ (°)	97,88	98,56
Volumen (Å³)	181,40	173,67

6 und 7 stellen Diagramme 600, 700 der Manganmenge (Mn) in einem Kontrollelektrolyten und der Manganmenge in einem Elektrolyten mit einer verbesserten Elektrode, wie hierin beschrieben (z. B. bereitgestellt mit Beschichtung 310, wie hierin beschrieben) bei 25 °C (6) oder 55 °C (7), basierend auf theoretischen Berechnungen dar. Allgemein nimmt die Mn-Auflösung in Abhängigkeit von der Temperatur zu. Das Vorhandensein einer physikalischen Barriere in einer verbesserten Elektrode, wie hierin beschrieben, kann dazu beitragen, die Mn-Auflösung zu reduzieren, die unter Verwendung von induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektroskopie (ICP-MS) oder ICP-OES (Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectrometry) gemessen werden kann. Die tatsächliche Menge und Messung kann von mehreren Faktoren beeinflusst werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, von der Auslegung und Dicke der Elektrode, der Zusammensetzung des Elektrolyten, dem Salzadditiv in dem Elektrolyten, der Zusammensetzung des Lösungsmittels, der Elektrodenformulierung einschließlich des Kohlenstoffadditivs und des Bindemittels, der elektrochemischen Aktivierung, der Ladeendspannung, der Zyklusbedingung, dem normalen Vorgang der Zelle/Missbrauch/Impulsprüfung, der Lagerbedingung, den Temperaturschwankungen usw. Wie in 6 und 7 dargestellt, ist die Manganmenge in dem Elektrolyten mit einer verbesserten Elektrode, wie hierin beschrieben, nach 1 Woche, 2 Wochen und 3 Wochen geringer als die Manganmenge in der Kontrollelektrode.
8 stellt eine Kristallstruktur 800 von LiMnSO₄F dar. Wenn Lithium (Li) und Mangan (Mn) in einer geordneten Struktur vorliegen, neigt die Kristallstruktur dazu, eine Tavorit-Kristallstruktur zu sein. Wenn das Lithium (Li) und das Mangan (Mn) zufällig verteilt sind und eine ungeordnete Struktur bilden, kann die Kristallstruktur eine Triplit-Kristallstruktur sein. Somit kann zum Beispiel die Kristallstruktur von ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
triplit sein. Zum Beispiel kann die Kristallstruktur von LiMnSO₄F triplit sein, wobei die Unordnung von Li und Mn seine Spannung weiter auf 4,5 bis 4,6 V gegenüber Li/Li⁺ erhöht, was über den normalen Betriebsspannungen von Lithium-Ionen-Batterien liegt. Die Zersetzung des Flüssigelektrolyten findet oberhalb von 4,3 V gegenüber Li/Li⁺ statt, daher wird der meiste Teil der oberen Ladeendspannung um oder über 4,3 V gegenüber Li/Li⁺ festgelegt. Wenn der Elektrolyt so formuliert ist, dass er der Zersetzung durch hohe Spannung widersteht, kann die Ladeendspannung höher sein: z. B. 4,4, 4,5 V und so weiter. LiMnSO₄F in einer Triplit-Struktur mit 4,5 bis 4,6 V gegenüber Li/Li⁺ kann ein vorteilhafter Kandidat für eine inaktive Beschichtung sein. Wenn eine Tendenz zur Ordnung von Li und Mn in LiMnSO₄F besteht, kann es zu einer Tavorit-Struktur werden, und die Betriebsspannung kann auf etwa 4,2 V gegenüber Li/Li⁺ reduziert werden.
10 stellt eine perspektivische Ansicht der Elektrode 300 mit einem ersten Beschichtungsmaterial 1005 und einem zweiten Beschichtungsmaterial 1010 und diskontinuierlichen Bereichen 1015 dar. In Implementierungen solcher Gesichtspunkte kann die Beschichtung 310, wie hierin beschrieben, eines oder beide des ersten Beschichtungsmaterials 1005 und des zweiten Beschichtungsmaterials 1010 sein. Das erste Beschichtungsmaterial 1005 kann diskontinuierliche Bereiche 1015 der Beschichtung auf dem kathodenaktiven Material 305 einschließen, wobei ein Abschnitt des zweiten Beschichtungsmaterials 1010 in den diskontinuierlichen Bereichen 1015 des ersten Beschichtungsmaterials 1005 gebildet ist. In anderen Ausführungsformen ist ein Abschnitt des zweiten Beschichtungsmaterials 1010 in den diskontinuierlichen Bereichen 1015 des ersten Beschichtungsmaterials 1005 gebildet.
Bei der handelsüblichen Beschichtung der kathodenaktiven Materialien können die handelsüblichen Beschichtungsmaterialien (z. B. das erste Beschichtungsmaterial 1005) Hohlräume und andere Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des kathodenaktiven Materials einschließen. Wenn das zweite Beschichtungsmaterial 1010 auf dem kathodenaktiven Material 305 abgelagert wird, kann das zweite Beschichtungsmaterial 1010 in der Nähe der Korngrenzen des ersten Beschichtungsmaterials 1005 oder des kathodenaktiven Materials 305 nukleieren. Zum Beispiel kann sich das zweite Beschichtungsmaterial 1010 auf dem kathodenaktiven Material 305 neben dem ersten Beschichtungsmaterial 1005 ablagern. Das zweite Beschichtungsmaterial 1010 kann dann auch die Hohlräume oder unbeschichteten Bereiche der ersten Beschichtungsablagerung ausfüllen und in diesen Bereichen mit fortschreitender Ablagerung an Dicke zunehmen. Wenn das zweite Beschichtungsmaterial 1010 auf dem ersten Beschichtungsmaterial 1005 abgelagert wird, kann das zweite Beschichtungsmaterial 1010 dünner sein. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen eine Dicke des ersten Beschichtungsmaterials 1005 und/oder zweiten Beschichtungsmaterials 1010 etwa 5 nm bis etwa 2 µm betragen. In einem Beispiel kann die erste Beschichtung ein Kohlenstoffbeschichtungsmaterial sein. In einer anderen Ausführungsform kann die zweite Beschichtung eine oder mehrere ausgewählt aus LiFePO₄F, Li₂FePO₄F, LiFePO₄(OH), LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F, LiVPO₄F, Li(Fe_1- _yMn_y)SO₄F, LiFeSO₄F, Li₂CoP₂O₇, LiVP₂O₇, Li₂VOP₂O₇, Li₂(Fe_1-yMn_y)P₂O₇, Li₂FeP₂O₇ und LiMnF₂ umfassen, einschließlich Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon.
11 stellt ein Verfahren 1100 zum Reduzieren oder Verhindern der Degradation von Kathoden wie hierin offenbart dar. Das Verfahren 1100 kann ein Anordnen einer Beschichtung 310, wie hierin beschrieben, auf dem kathodenaktiven Material 305 der Kathode einschließen (AKTION 1105). Das kathodenaktive Material 305 kann wie hierin beschrieben LMFP, LMO, LiMO₂, Li_1+bM_1-bO₂ und Li₂MnO₃, einschließen, wobei 0 ≤ b ≤ 1. Die Beschichtung 310 kann wie vorstehend erörtert ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
einschließen, wobei M¹ ein erstes Metall ist, M² ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1. In einigen Gesichtspunkten ist ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
eines oder mehrere ausgewählt aus LiFePO₄(OH), LiFePO₄F, Li₂FePO₄F, LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F, LiVPO₄F, Li(Fe_1-yMn_y)SO₄F, LiFeSO₄F, Li₂CoP₂O₇, LiVP₂O₇, Li₂VOP₂O₇, Li₂(Fe_1-yMn_y)P₂O₇, Li₂FeP₂O₇ und LiMnF₂, einschließlich Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon. ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
kann in einer Tavorit-Struktur angeordnet sein. Das Verfahren 1100 kann die Manganmenge, die auf der Oberfläche der Kathode und/oder auf der Oberfläche der Beschichtung 310 vorliegt, verglichen mit einer Kathode, die nicht mit einer Beschichtung 310 bereitgestellt ist, reduzieren. Das Verfahren 1100 kann die in dem Elektrolyten vorliegende Manganmenge verglichen mit einer Batterie mit einer Kathode, die nicht mit einer Beschichtung 310 bereitgestellt ist, reduzieren.
Die Beschichtung 310, wie hierin beschrieben, kann unter ähnlichen Bedingungen wie bei der Synthese von Olivin-Kathoden wie LFP und LMFP hergestellt werden. Die Synthese von ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
kann eine Festkörpersynthese, eine Trockensynthese oder eine Nasssynthese einschließen. Zum Beispiel kann LiFePO₄F durch ein trockenes Festkörperverfahren oder ein nasses Festkörperverfahren synthetisiert werden. LiMnSO₄F kann mit einem trockenen Festkörperverfahren synthetisiert werden.
In einigen Gesichtspunkten kann das Verfahren 1100 ein Kombinieren eines oder mehrerer Vorläufer der Beschichtung 310 (z. B. Beschichtungsvorläufer) und des kathodenaktiven Materials 305 einschließen, um die Beschichtung 310 auf dem kathodenaktiven Material 305 zu bilden. Zum Beispiel kann das Verfahren 1100 ein Kombinieren eines ersten Vorläufers, eines zweiten Vorläufers und optional eines dritten Vorläufers der Beschichtung 310 und des kathodenaktiven Materials 305 einschließen. Wenn die Beschichtung 310 zum Beispiel LiFePO₄F einschließt, kann der erste Vorläufer FePO₄ einschließen, und der zweite Vorläufer kann LiF einschließen, oder der erste Vorläufer kann NH₄F einschließen, der zweite Vorläufer kann Li₂CO₃ einschließen und der dritte Vorläufer kann FePO₄ einschließen. Wenn die Beschichtung 310 als weiteres Beispiel LiMnSO₄F einschließt, kann der erste Vorläufer MnSO₄·H₂O einschließen, und der zweite Vorläufer kann LiF einschließen, oder der erste Vorläufer kann NH₄F einschließen, der zweite Vorläufer kann Li₂CO₃ einschließen und der dritte Vorläufer kann Mn-haltige Vorläufermaterialien einschließen. Andere Lithiumquellen wie Li₂CO₃, LiOH, Li₃PO₄ und/oder LiF-Rohstoffe können verwendet werden, um die chemische Stöchiometrie von ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
zu erfüllen. In einigen Ausführungsformen können alternativ auch andere metallhaltige Vorläufer verwendet werden, die sich bei niedrigeren Temperaturen zersetzen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, Mn(OH)₂, MnCl₃, FeCl₃, Fe(NO₃)₃. Eine weitere Anionensubstitution kann SO₄-, F-, BO₃-, CO₃-haltige chemische Spezies erfordern.
Das Verfahren 1100 kann ein Erwärmen der Beschichtungsvorläufer und des kathodenaktiven Materials 305 einschließen. Zum Beispiel kann das Verfahren 1100 ein Erwärmen des ersten Vorläufers, des zweiten Vorläufers und des optionalen dritten Vorläufers sowie des kathodenaktiven Materials 305 einschließen. Zum Beispiel kann das Verfahren 1100 ein Erwärmen von FePO4, LiF und des kathodenaktiven Materials 305 einschließen, um eine Beschichtung 310 bereitzustellen, die alternativ LiFePO₄F einschließt.
Alternativ kann das Verfahren 1100 ein Erwärmen von NH₄F, Li₂CO₃ und FePO₄ und des kathodenaktiven Materials 305 einschließen, um eine Beschichtung bereitzustellen, die LiFePO₄F einschließt. Das Verfahren 1100 kann ein Erwärmen von MnSO₄·H₂O, LiF und dem kathodenaktiven Material 305 einschließen, um eine Beschichtung 310 bereitzustellen, die LiMnSO₄F einschließt. Alternativ kann das Verfahren 1100 auch ein Erwärmen von NH₄F, Li₂CO₃ und Mn-haltigen Vorläufermaterialien und des kathodenaktiven Materials 305 einschließen, um eine Beschichtung bereitzustellen, die LiMnSO₄F einschließt,
In allen Implementierungen des Verfahrens 1100 kann das Verfahren ein Erwärmen bei einer beliebigen Temperatur und über einen beliebigen Zeitraum einschließen, die zum Bilden der betreffenden Beschichtung wirksam sind, und wird optional in einer reduzierenden Umgebung, wie unter N₂-Gas, durchgeführt. Zum Beispiel kann für eine Beschichtung 310, die LiFePO₄F einschließt, das Erwärmen bei einer Temperatur von 500 °C bis 600 °C unter einer reduzierenden Umgebung über einen Zeitraum von 1 Stunde bis 2 Stunden erfolgen. Als weiteres Beispiel kann für eine Beschichtung 310, die LiMnSO₄F einschließt, das Erwärmen bei einer Temperatur von 300 °C bis 600 °C in einer reduzierenden Umgebung über einen Zeitraum von 2 Stunden 10 Stunden erfolgen. Eine überlithiierende Spezies kann eine stark lithiierende chemische Spezies wie Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH₄) erfordern, das in der organischen Chemie häufig als Reduktionsmittel verwendet wird. Das genaue Verhältnis zwischen der Bildung von PO₄ und P₂O₇ kann durch die Gasdurchflussrate, die Temperatur, die Gasspezies (z. B. Mischung mit einem stärker reduzierenden Mittel wie H₂ oder einem stärker oxidierenden Mittel wie O₂) und/oder die Kohlenstoffquelle (die zu einer karbothermischen Reduktion führt) gesteuert werden. Somit kann ein Verfahren 1100, wie hierin beschrieben, ein kathodenaktives Material 305 bilden, das mit einer Beschichtung 310, wie hierin beschrieben, beschichtet ist.
12 stellt ein Verfahren zum Bereitstellen einer Kathode (AKTION 1205) dar. Die Kathode kann ein oder mehrere aktive Materialteilchen einschließen. Zum Beispiel kann die Kathode das kathodenaktive Material 305 einschließen. Die Kathode kann wie hierin beschrieben LMFP, LMO, LiMO₂, Li_1+x1M_1-1O₂ und Li₂MnO₃ einschließen, wobei 0 ≤ x1 ≤ 1. Die Kathode kann die Beschichtung 310 einschließen. Wie vorstehend erörtert, kann die Beschichtung 310 die Auflösung von Mangan Form der Kathode reduzieren und/oder die Gasentwicklung verglichen mit einer Kathode ohne die Beschichtung 310 reduzieren. Die Beschichtung 310 kann wie vorstehend beschrieben ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
einschließen, wobei M¹ ein erstes Metall ist, M² ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1. Somit kann die Beschichtung 310 eines oder mehrere von Li_xFePO₄F (wobei 1 ≤ x ≤ 2), z. B. LiFePO₄F oder Li₂FePO₄F, einschließen. Die Beschichtung 310 kann eines oder mehrere von LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F und LiMnF₂ 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 mindestens 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“, „einige Implementierungen“ 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 detaillierten Beschreibung oder den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, wurden diese Bezugszeichen eingeschlossen, um die Verständlichkeit der Zeichnungen, der detaillierten 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.

Claims

Kathode, umfassend: ein kathodenaktives Material; und eine Beschichtung, die auf dem kathodenaktiven Material angeordnet ist, wobei die Beschichtung ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
umfasst, wobei M¹ ein erstes Metall ist, M² ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1.
Kathode nach Anspruch 1, wobei M¹ ausgewählt ist aus Al, Ga, V, Fe, Mn und Ti, wobei A PO₄ ist und y = 0.
Kathode nach Anspruch 1, wobei ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
Li_xFePO₄F ist.
Kathode nach Anspruch 1, wobei ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
LiFePO₄F ist.
Kathode nach Anspruch 1, wobei ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
Li₂FePO₄F ist.
Kathode nach Anspruch 1, wobei eine Kristallstruktur von ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
triklin ist.
Kathode nach Anspruch 1, wobei Li_XMi__yMyAF_z(OH)_u in einer Tavorit-Struktur angeordnet ist.
Kathode nach Anspruch 1, wobei ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
LiMnSO₄F ist.
Kathode nach Anspruch 1, wobei ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
LiMn_1-yFe_ySO₄F ist.
Kathode nach Anspruch 1, wobei ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
eines oder mehrere ist, ausgewählt aus LiMnSO₄F, LiMnP₂O₇F und LiMnF₂ und Kombinationen aus beliebigen zwei oder mehr davon.
Kathode nach Anspruch 1, wobei: M¹ ausgewählt ist aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr; und M² unabhängig ausgewählt ist aus M¹ und ausgewählt ist aus Mn, Fe, Co, Ni, V und Cr.
Kathode nach Anspruch 1, wobei ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 500 °C thermisch stabil ist.
Kathode nach Anspruch 1, wobei eine Kristallstruktur von ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
triplit ist.
Kathode nach Anspruch 1, wobei die Kathode ein oder mehrere Materialien umfasst, die ausgewählt sind aus LMFP, LMO, LiMO₂, Li_1+x1M_1-x1O₂ und Li₂MnO₃.
Kathode nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung konfiguriert ist, um eine Auflösung von Mangan aus der Kathode verglichen mit einer Kathode ohne die Beschichtung zu reduzieren.
Verfahren, umfassend: Anordnen einer Beschichtung auf einem kathodenaktiven Material einer Kathode, wobei die Beschichtung ${Li}_{x} M_{1 - y}^{1} M_{y}^{2} {AF}_{z} {(OH)}_{u}$
umfasst, wobei M¹ ein erstes Metall ist, M² ein zweites Metall ist, A eine anionische Spezies ist, 1 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1.
Verfahren nach Anspruch 16, umfassend: Kombinieren eines ersten Vorläufers der Beschichtung, eines zweiten Vorläufers der Beschichtung und optional eines dritten Vorläufers der Beschichtung mit einem kathodenaktiven Material; und Erwärmen der Beschichtungsvorläufer und des kathodenaktiven Materials.
Verfahren nach Anspruch 16, umfassend: Kombinieren von FePO4, LiF und einem kathodenaktiven Material; und Erwärmen des FePO₄, des LiF und des kathodenaktiven Materials bei einer Temperatur in einem Bereich von 500 °C bis 600 °C.
Verfahren nach Anspruch 16, umfassend: Kombinieren von MnSO₄·H₂O, LiF und einem kathodenaktiven Material; und Erwärmen des MnSO₄·H₂O, des LiF und des kathodenaktiven Materials bei einer Temperatur in einem Bereich von 300 °C bis 600 °C.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Li_XMi__yMyAF_z(OH)_u in einer Tavorit-Struktur angeordnet ist.