DE10262247B4

DE10262247B4 - Herstellungsfrische negative Elektrode, herstellungsfrischer Akkumulator und Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode

Info

Publication number: DE10262247B4
Application number: DE10262247A
Authority: DE
Inventors: Yuan Gao; John L. Burba Iii
Original assignee: FMC Corp
Current assignee: Livent USA Corp
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: KR20030051141A; KR100706188B1

Abstract

Herstellungsfrische negative Elektrode für einen Akkumulator, die einen Wirtsstoff, der einen oder mehrere Stoffe umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Sn, Sn-Oxiden, Sn-Verbund-Legierungen, Übergangsmetalloxiden, Li-Metallnitriden und Li-Metalloxiden, welcher zur Absorption und Desorption von Lithium in einem elektrochemischen System befähigt ist, und in diesem dispergiertes metallisches Lithium umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Akkumulatoren mit hohen spezifischen Kapazitäten und insbesondere negative Elektroden für Akkumulatoren mit einem Wirtsstoff, der zur Absorption und Desorption von Lithium in einem elektrochemischen System befähigt ist, und im Wirtsstoff dispergiertem metallischem Lithium.
Akkumulatoren auf der Basis von Lithium und Lithiumionen haben kürzlich auf bestimmten Gebieten wie in Mobiltelefonen, Kameraaufzeichnungsgeräten und Laptops und in jüngster Zeit auch bei größeren stromverbrauchenden Anlagen wie in Elektrofahrzeugen und in Mischelektrofahrzeugen Anwendung gefunden. Bei diesen Verwendungszwecken besteht der Vorzug darin, dass die Akkumulatoren die höchstmögliche spezifische Kapazität aufweisen, dabei jedoch sichere Betriebsbedingungen und eine gute Wiederholbarkeit des Arbeitszyklus gewährleisten, so dass die hohe spezifische Kapazität bei den nachfolgenden Auflade- und Entladezyklen aufrechterhalten wird.
Obwohl es unterschiedliche Konstruktionen von Akkumulatoren gibt, umfasst doch jede Konstruktion eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Plattenscheider, welcher die positive von der negativen Elektrode trennt, und einen Elektrolyten in elektrochemischer Verbindung mit der positiven und der negativen Elektrode. Bei Li-Akkumulatoren werden die Li-Ionen von der negativen zur positiven Elektrode über den Elektrolyten bei der Entladung des Akkumulators, d. h. während seines spezifischen Einsatzes, transportiert. Während dieses Prozesses werden die Elektronen aus der negativen Elektrode gesammelt und gelangen über einen äußeren Stromkreis zur positiven Elektrode. Beim Aufladen oder Wiederaufladen des Akkumulators werden die Li-Ionen von der positiven Elektrode auf die negative Elektrode über den Elektrolyten transportiert.
Historisch gesehen wurden Li-Akkumulatoren unter Verwendung von nichtlithierten Verbindungen mit hoher spezifischer Kapazität wie TiS₂, MoS₂ MnO₂ und V₂O₅ als aktive Massen für die positive Elektrode hergestellt. Diese wurden mit einer negativen Elektrode aus Lithiummetall gekoppelt. Bei Entladung des Akkumulators wurden die Li-Ionen von der negativen Elektrode aus Lithiummetall über den Elektrolyten zur positiven Elektrode transportiert. Leider entwickelte in diesem Fall das Lithiummetall nach Ablauf des Arbeitszyklus Dendriten, die schließlich unsichere Bedingungen für den Akkumulator verursachten. Daher wurde die Erzeugung dieser Art von Akkumulatoren in den frühen 90er Jahren zu Gunsten von Li-Ionen-Akkumulatoren eingestellt.
Li-Ionen-Akkumulatoren verwenden gewöhnlich Li-Metalloxide wie LiCoO₂ und LiNiO₂ als aktive Massen für die positive Elektrode, gekoppelt mit einer negativen Elektrode auf Kohlenstoffbasis. Bei diesen Akkumulatoren wird die Bildung von Li-Dendriten an der negativen Elektrode vermieden, was die Betriebssicherheit des Akkumulators steigert. Das Lithium, dessen Menge die Akkumulatorkapazität ausmacht, wird jedoch zur Gänze von der positiven Elektrode geliefert. Dies schränkt die Wahl der aktiven Massen für die positive Elektrode ein, da diese entfernbares Lithium enthalten müssen. Außerdem sind die entlithierten Produkte, die LiCoO₂ und LiNiO₂ entsprechen, die während des Aufladens entstehen, wie z. B. Li_xCoO₂ und Li_xNiO₂, wobei 0,4 < x < 1,0, oder bei Überladung entstehen, wie z. B. Li_xCoO₂ und Li_xNi₂, wobei x < 0,4, unbeständig. Insbesondere zeigen die entlithierten Produkte die Tendenz, mit dem Elektrolyten zu reagieren und Wärme zu erzeugen, was die Betriebssicherheit beeinträchtigt.
Die EP 0 328 131 B1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Materials zur Verwendung als negative Elektrode einer Sekundärbatterie, umfassend eine aktive Substanz und einen diese aktive Substanz tragenden Träger, wobei das Verfahren folgende Stufen umfasst:

(i) Herstellen des Trägers, der folgendes umfasst:
(a) 40–95 Gew.-% eines kohlenstoffhaltigen Materials mit
(i) einem Atomverhältnis von Wasserstoff/Kohlenstoff von weniger als 0,15 und
(ii) einen durch Röntgen-Weitwinkelbeugung bestimmten Abstand der (002)-Ebenen (d₀₀₂) von 0,337 nm (3,37 Å) oder mehr und einer Kristallitgröße in Richtung der c-Achse von 15,0 nm (150 Å) oder weniger und
(b) 3 bis weniger als 60 Gew.-% eines Metalls, das zur Bildung einer Legierung mit der aktiven Substanz befähigt ist, und/oder einer Legierung (A) der aktiven Substanz und
(ii) Vereinigen des Trägers mit einer aktiven Substanz, die aus Lithium oder einer vorwiegend aus Lithium zusammengesetzten Legierung (B) gebildet ist, unter Bildung des Elektrodenmaterials.

Die DE 17 71 210 A betrifft eine zur Verwendung in nicht-wäßrigen, nachladbaren Batterien bestimmte Lithiumelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem verstärkenden Gitter-Stützgerüst besteht, in welches ein druckverdichtetes zerkleinertes Gemisch eingepresst ist, das als wesentliche Bestandteile aktives, pulverförmiges, im wesentlichen nicht-zusammengebackenes bzw. nicht-zusammengeschmolzenes Lithiummetall und Partikelchen eines permanent leitfähigen Materials, welches in einem umfassenden innigen elektrischen Kontakt mit den Lithiumpartikelchen steht, enthält, wobei die Lithiumpartikelchen und die Partikel des leitfähigen Materials untereinander und mit dem Gitter durch eine kleinere Menge eines inerten und über das ganze Gemisch verteilten Binders zusammengehalten werden. Bevorzugt bestehen die leitfähigen Partikelchen aus entgastem, granuliertem Kohlenstoff oder aus im wesentlichen sauerstofffreiem Nickelpulver.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Akkumulator mit hoher spezifischer Kapazität und hoher Wiederholbarkeit des Arbeitszyklus sowie mit hoher Betriebssicherheit bereitzustellen. Erfindungsgemäß umfasst der frisch hergestellte Akkumulator eine negative Elektrode, die aus einem Wirtsmaterial, das Lithium in einem elektrochemischen System zu absorbieren und desorbieren vermag, sowie aus im Wirtsstoff dispergiertem metallischem Lithium hergestellt ist. Dieses ist vorzugsweise ein feinverteiltes Li-Pulver und insbesondere eines mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von unter ca. 20 μm. Der Wirtsstoff umfasst einen oder mehrere Stoffe, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Si, Sn, Sn-Oxiden, Sn-Verbund-Legierungen, Übergangsmetalloxiden, Li-Metallnitriden und -Metalloxiden.
Die herstellungsfrischen Akkumulatoren umfassen eine positive Elektrode einschließlich einer aktiven Masse, eine negative Elektrode, die einen Wirtsstoff enthält, der das Lithium in einem elektrochemischen System zu absorbieren und zu desorbieren vermag sowie das im Wirtsstoff dispergierte metallische Lithium umfasst, einen Plattenscheider, welcher die positive Elektrode von der negativen Elektrode trennt, und einen Elektrolyten in Verbindung mit der positiven und der negativen Elektrode. Vorzugsweise ist die aktive Masse der positiven Elektrode eine Verbindung, die lithiert werden kann, und zwar bei einem elektrochemischen Potential von 2,0 bis 5,0 V, bezogen auf Lithium. Die aktive Masse der positiven Elektrode kann z. B. MnO₂, V₂O₅ oder MoS₂ oder ein Gemisch daraus sein. Das metallische Lithium ist vorzugsweise ein feinverteiltes Li-Pulver und insbesondere eines mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von ca. 20 μm. Der Wirtsstoff umfasst einen oder mehrere Stoffe, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Si, Sn, Sn-Oxiden, Sn-Verbund-Legierungen, Übergangsmetalloxiden, Li-Metallnitriden und -Metalloxiden. Die Menge an metallischem Lithium in der negativen Elektrode entspricht höchstens der maximalen, für die Einlagerung in die Legierung ausreichenden oder vom Wirtsstoff in der negativen Elektrode zu absorbierenden Menge.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für einen Akkumulator, das die Bereitstellung eines Wirtsstoffes, der einen oder mehrere Stoffe umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Sn, Sn-Oxiden, Sn-Verbund-Legierungen, Übergangsmetalloxiden, Li-Metallnitriden und Li-Metalloxiden, welcher zur Absorption und Desorption von Lithium in einem elektrochemischen System befähigt ist, die Dispergierung des metallischen Lithiums im Wirtsstoff und die Bildung einer negativen Elektrode aus dem Wirtsstoff und des darin dispergierten metallischen Lithiums umfasst. Das metallische Lithium und der Wirtsstoff werden vorzugsweise zusammen mit einer nichtwässrigen Flüssigkeit gemischt, um eine Aufschlämmung zu erzeugen, die dann auf einen Stromabnehmer aufgebracht und zur Bildung der negativen Elektrode getrocknet wird. Die negative Elektrode kann aber auch mit chemischen Mitteln durch Eintauchen des Wirtsstoffes in eine Suspension aus metallischem Lithium in einer nichtwässrigen Flüssigkeit gebildet werden.
Der erfindungsgemäße Akkumulator wird folgendermaßen betrieben. Zuerst wird ein herstellungsfrischer Akkumulator bereitgestellt, der eine positive Elektrode aus einer aktiven Masse, eine negative Elektrode, die einen Wirtsstoff, der einen oder mehrere Stoffe umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Sn, Sn-Oxiden, Sn-Verbund-Legierungen, Übergangsmetalloxiden, Li-Metallnitriden und Li-Metalloxiden, welcher zur Absorption und Desorption von Lithium in einem elektrochemischen System befähigt ist, und in diesem dispergiertes metallisches Lithium, einen Plattenscheider, welcher die positive Elektrode von der negativen trennt, und einen Elektrolyten in Verbindung mit der positiven und der negativen Elektrode umfasst. Der gerade erst zusammengebaute Akkumulator befindet sich im aufgeladenen und vorzugsweise im vollständig aufgeladenen Zustand, d. h. mit dem gesamten entfernbaren, in der negativen Elektrode des gerade erst hergestellten Akkumulators enthaltenen Lithium. Der herstellungsfrische Akkumulator wird zuerst durch Transport der Li-Ionen von der negativen Elektrode zur positiven über den Elektrolyten entladen. Danach kann er durch den Transport der Lithium-Ionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode über den Elektrolyten aufgeladen oder wiederaufgeladen und dann erneut durch Transport der Lithium-Ionen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode über den Elektrolyten entladen werden. Das Auf- und Entladen kann unter Aufrechterhaltung der hohen spezifischen Kapazitäten der Aktivmasse der positiven Elektrode sowie sicherer Betriebsbedingungen viele Male wiederholt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt Akkumulatoren mit hoher spezifischer Kapazität, sicheren Betriebsbedingungen und hoher Zahl an Arbeitszyklen bereit. Da insbesondere in der negativen Elektrode metallisches Lithium vorliegt, können als bevorzugte aktive Masse für die positive Elektrode im Akkumulator nichtlithierte Stoffe verwendet werden. Diese haben höhere spezifische Kapazitäten als die gegenwärtig in Li-Ionen-Akkumulatoren verwendeten lithierten Stoffe. Im Gegensatz zu den üblichen Li-Akkumulatoren mit nichtlithierter Aktivmasse für die positive Elektrode und negativen Elektroden aus metallischem Lithium wurde entdeckt, dass unter Verwendung von nichtlithierten Aktivmassen für die positive Elektrode in Kombination mit den erfindungsgemäßen negativen Elektroden hergestellte Akkumulatoren sicher arbeiten und nach dem Arbeitszyklus keine Dendriten erzeugen. Außerdem arbeiten die erfindungsgemäßen Akkumulatoren sicherer als Li-Ionen-Akkumulatoren, die, wenn das Lithium während der Aufladung aus der positiven Elektrode entfernt wird, instabil werden. Da insbesondere die Aktivmasse in den erfindungsgemäßen Akkumulatoren, wenn diese frisch hergestellt sind, typischerweise im voll aufgeladenen Zustand sich befindet, ist diese beständiger als die in Li-Ionen-Akkumulatoren verwendeten positiven Elektrodenmassen. Außerdem können die erfindungsgemäßen Akkumulatoren unter Aufrechterhaltung der sicheren Betriebsbedingungen und der hohen spezifischen Kapazitäten der Aktivmassen der positiven Elektrode viele Male aufgeladen und wieder entladen werden.
1 illustriert den vereinfachten Bau eines erfindungsgemäßen Akkumulators, der eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Plattenscheider und einen Elektrolyten umfasst.
In den Zeichnungen und in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung werden die bevorzugten Ausführungsformen im einzelnen dargestellt, um eine Realisierung der Erfindung zu ermöglichen.
Wie in 1 dargestellt, betrifft die vorliegende Erfindung einen Akkumulator 10 mit einer positiven Elektrode 12, einer negativen Elektrode 14, einem Plattenscheider 16 zur Trennung der positiven Elektrode von der negativen und einen Elektrolyten in elektrochemischer Verbindung mit der positiven Elektrode und der negativen. Der Akkumulator 10 umfasst außerdem einen Stromabnehmer 20, der mit der positiven Elektrode in elektrischem Kontakt steht, und einen Stromabnehmer 22, der mit der negativen Elektrode in elektrischem Kontakt steht. Die Stromabnehmer 20 und 22 stehen über einen äußeren Kreis (nicht dargestellt) miteinander im Kontakt. Der Akkumulator 10 kann von beliebiger bekannter Bauweise sein, wie z. B. gerollt oder gestapelt.
Die positive Elektrode 12 ist aus einer aktiven Masse gebildet, die gewöhnlich mit einem Kohlenstoffmaterial und einem Binderpolymer kombiniert ist. Die in der positiven Elektrode 12 verwendete aktive Masse ist vorzugsweise eine solche, die bei einer geeigneten Spannung lithiert werden kann (z. B. 2,0 bis 5,0 V, bezogen auf Lithium). Vorzugsweise können als aktive Massen nichtlithierte Stoffe wie MnO₂, V₂O₅ oder MoS₂ oder Gemische davon, insbesondere MnO₂, verwendet werden. Es können jedoch auch lithierte Stoffe wie LiMn₂O₄ verwendet werden, die dann weiter lithiert werden. Dabei werden für diese Konstruktionen nichtlithierte aktive Massen bevorzugt, da sie im allgemeinen höhere spezifische Kapazität aufweisen als lithierte aktive Massen und daher mehr Strom liefern als Akkumulatoren mit lithierten aktiven Massen. Da die negative Elektrode 14 ferner, wie oben ausgeführt, Lithium enthält, ist es nicht notwendig, dass die positive Elektrode 12 für den Betrieb des Akkumulators 10 lithierten Stoff enthält. Die Menge an aktiver Masse in der positiven Elektrode 12 ist vorzugsweise ausreichend, um das in der negativen Elektrode 14 vorliegende entfernbare metallische Lithium aufzunehmen. Wenn z. B. die aktive Masse MnO₂ ist, dann liegt in der positiven Elektrode 12 pro Mol Lithium in der negativen Elektrode 14 vorzugsweise 1 Mol MnO₂ vor, um in der positiven Elektrode nach der Entladung LiMnO₂ zu erzeugen.
Werden als aktive Massen für die positive Elektrode solche Stoffe verwendet, die lithiert werden können, wie sie oben beschrieben wurden, wird das entfernbare Lithium, das im Akkumulator in einem Kreislauf geführt wird, zur Gänze von der negativen Elektrode 14 bereitgestellt und der Akkumulator wird, was bevorzugt ist, in vollständig aufgeladenem Zustand zusammengebaut bzw. hergestellt. Dennoch kann die positive Elektrode 12 auch eine geringere Menge an einem oder mehreren aktiven lithierten Stoffen enthalten (z. B. LiCoO₂ oder LiNiO₂), die bei einer Spannung zwischen 2,0 und 5,0 V kein weiteres Lithium aufnehmen und der Akkumulator kann weiterhin im primär aufgeladenen Zustand verbleiben. In diesem Fall enthält die positive Elektrode vorzugsweise als aktive Masse weniger als 50 Mol-% und vorzugsweise weniger als 10 Mol-% des lithierten Stoffes (z. B. LiCoO₂ oder LiNiO₂). Da LiCoO₂ und LiNiO₂ kein weiteres Lithium aufnehmen, wird durch das Vorliegen dieser Stoffe in der positiven Elektrode 12 die Menge an aktiver Masse in der positiven Elektrode vermindert, die erforderlich ist, um das aus der negativen Elektrode 14 entfernbare Lithium aufzunehmen.
Die negative Elektrode 14 ist aus einem Wirtsstoff 24 gebildet, der zur Absorption und Desorption von Lithium in einem elektrochemischen System mit im Wirtsstoff dispergiertem metallischem Lithium 26 befähigt ist. Das in der negativen Elektrode 14 vorliegende Lithium kann z. B. in die Legierung eingebaut sein oder beim Wiederaufladen des Akkumulators (und insbesondere der negativen Elektrode) vom Wirtsstoff aufgenommen werden. Dieser umfasst Stoffe, die zur Absorption und Desorption von Lithium in einem elektrochemischen System befähigt sind, nämlich Materialien mit Si, Sn, Sn-Oxiden oder Sn-Verbund-Legierungen, Übergangsmetalloxide wie CoO, Li-Metallnitride wie Li_3-xCo_xN mit 0 < x < 0,5 und Li-Metalloxide wie Li₄Ti₅O₁₂. Das metallische Lithium 26 liegt in der negativen Elektrode 14 vorzugsweise als feinverteiltes Lithiumpulver vor.
Außerdem kann das metallische Lithium 26 vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße von unter ca. 20 μm, vorzugsweise von unter ca. 10 μm aufweisen. Das metallische Lithium kann als pyrophores Pulver oder als stabilisiertes Pulver von niedriger Pyrophorosität, wie z. B. durch Behandlung des Li-Metallpulvers mit CO₂, bereitgestellt sein.
Die negative Elektrode 14 ist gewöhnlich zur reversiblen Lithierung und Entlithierung bei einem elektrochemischen Potential, bezogen auf das metallische Lithium, von über 0,0 V bis unter oder gleich 1,5 V befähigt. Beträgt das elektrochemische Potential 0,0 V oder weniger, bezogen auf Lithium, wird während des Aufladens kein weiteres metallisches Lithium von der negativen Elektrode 14 aufgenommen. Liegt andererseits das elektrochemische Potential bei über 1,5 V, bezogen auf Lithium, sinkt die Spannung des Akkumulators zu stark ab. Vorzugsweise liegt die Menge an metallischem Lithiumpulver 26 in der negativen Elektrode 14 nicht über der maximalen Menge, die für den Einschluss in die Legierung oder die Aufnahme durch den Wirtsstoff in der negativen Elektrode 14 beim Wiederaufladen des Akkumulators ausreicht.
Die negative Elektrode 14 kann erfindungsgemäß durch Bereitstellung eines Wirtsstoffes, der zur Absorption und Desorption von Lithium in einem elektrochemischen System befähigt ist, Verteilung des metallischen Lithiums im Wirtsstoff und Bildung des Wirtsstoffes und des in einer negativen Elektrode dispergierten metallischen Lithiums hergestellt werden. Das metallische Lithium und der Wirtsstoff werden vorzugsweise mit einer nichtwässrigen Flüssigkeit wie Tetrahydrofuran (THF) und einem Bindemittel gemischt, wodurch dann eine Aufschlämmung entsteht. Diese wird dann zur Bildung der negativen Elektrode 14, wie z. B. durch Beschichtung des Stromabnehmers 22 mit der Aufschlämmung und deren nachfolgende Trocknung, verwendet. Das metallische Lithium kann in der negativen Elektrode auch dadurch bereitgestellt werden, dass man den Wirtsstoff in eine Suspension taucht, die metallisches Lithium in einer nichtwässrigen Flüssigkeit wie einem Kohlenwasserstofflösungsmittel (z. B. Hexan) enthält. Das in der Suspension verwendete metallische Lithium ist, wie oben ausgeführt, vorzugsweise ein feinverteiltes Li-Pulver. Der Wirtsstoff kann zur negativen Elektrode geformt und dann in die Suspension aus metallischem Lithium getaucht oder mit dieser zu einer Aufschlämmung vereinigt und dann auf den Stromabnehmer aufgebracht und zur Bildung der negativen Elektrode getrocknet werden. Die zur Bildung der Suspension verwendete nichtwässrige Flüssigkeit kann durch Trocknen der negativen Elektrode (z. B. bei erhöhter Temperatur) entfernt werden. Es spielt dabei keine Rolle, welcher Methode man sich bedient; das metallische Lithium wird jedoch vorzugsweise, soweit es möglich ist, im Wirtsstoff verteilt. Wie oben angegeben, hat das metallische Lithium 26 vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße von unter ca. 20 μm und insbesondere von unter ca. 10 μm.
Der Wirtsstoff 24 in der negativen Elektrode 14 umfasst ein oder mehrere Stoffe, die zur Absorption und Desorption des Lithiums in einem elektrochemischen System befähigt sind, nämlich Stoffe, die Si, Sn, Sn-Oxide oder Sn-Verbund-Legierungen enthalten, Übergangsmetalloxide wie CoO, Li-Metallnitride wie Li_3-xCo_xN mit 0 < x < 0,5 und Li-Metalloxide wie Li₄Ti₅O₁₂. Außerdem umfasst der Wirtsstoff 24 vorzugsweise eine geringe Menge Ruß (z. B. weniger als 5 Gew.-%) als die Leitfähigkeit erhöhendes Mittel.
Wie in 1 dargestellt, ist die positive Elektrode 12 von der negativen Elektrode 14 durch einen elektronisch isolierenden Plattenscheider 16 getrennt. Dieser besteht gewöhnlich aus einem Material wie Polyethylen, Polypropylen oder Polyvinylidenfluorid (PVDF).
Der Akkumulator 10 umfasst ferner einen Elektrolyten, der mit der positiven Elektrode 12 und der negativen Elektrode 14 in elektrochemischer Verbindung steht. Der Elektrolyt kann eine nichtwässrige Flüssigkeit, ein Gel oder ein Feststoff sein und umfasst vorzugsweise ein Li-Salz, wie z. B. LiPF₆. Der Elektrolyt liegt im gesamten Akkumulator 10 vor und ist insbesondere in der positiven Elektrode 12, der negativen Elektrode 14 und im Plattenscheider 16 enthalten. Er ist gewöhnlich eine Flüssigkeit, und die positive Elektrode 12, die negative Elektrode 14 und der Plattenscheider 16 sind poröse Stoffe, die sich mit dem Elektrolyten vollsaugen, um zwischen diesen Komponenten eine elektrochemische Verbindung herzustellen.
Wie oben angegeben, umfasst der Akkumulator 10 die Stromabnehmer 20 und 22, die dem Transport der Elektronen zum äußeren Stromkreis dienen. Der Stromabnehmer 20 besteht vorzugsweise aus einer Al-Folie, und der Stromabnehmer 22 besteht vorzugsweise aus einer Cu-Folie.
Der Akkumulator 10 kann nach bekannten Verfahren hergestellt werden und weist vorzugsweise eine Schichtdicke innerhalb der nachfolgend angegebenen Bereiche (von links nach rechts in 1) auf:

Schicht Dicke

Stromabnehmer (20) 20–40 μm

Positive Elektrode (12) 70–100 μm

Plattenscheider (16) 25–35 μm

Negative Elektrode (14) 70–100 μm

Stromabnehmer (22) 20–40 μm
Der Akkumulator 10 umfasst außerdem einen Elektrolyten, der in der positiven Elektrode 12, der negativen Elektrode 14 und dem Plattenscheider 16 verteilt ist, sowie ein Gehäuse (nicht dargestellt).
Was den Betrieb des herstellungsfrischen Akkumulators 10 betrifft, so befindet sich dieser anfangs im aufgeladenen Zustand und insbesondere vollständig aufgeladenen Zustand und wird dann durch den Transport der Li-Ionen von der negativen Elektrode 14 zur positiven Elektrode 12 über den Elektrolyten entladen. Gleichzeitig werden die Elektronen von der negativen Elektrode 14 über den Stromabnehmer 22, den äußeren Kreis und den Stromabnehmer 20 zur positiven Elektrode 12 transportiert.
Der Akkumulator 10 kann wie oben angegeben durch den Transport der Lithium-Ionen von der positiven Elektrode 12 zur negativen Elektrode 14 über den Elektrolyten aufgeladen oder wiederaufgeladen werden. Das Auf- und Entladen kann unter Aufrechterhaltung der hohen spezifischen Kapazität der Aktivmassen der positiven Elektrode sowie sicherer Betriebsbedingungen vielfach wiederholt werden.
Der Akkumulator 10 kommt für die verschiedensten Verwendungszwecke in Frage. So z. B. kommt er für tragbare elektronische Gerate wie Mobiltelefone, Kameraaufzeichnungsgeräte und Laptops und größere stromverbrauchende Anlagen wie in Elektrofahrzeugen und Mischelektrofahrzeugen in Frage.

Claims

Herstellungsfrische negative Elektrode für einen Akkumulator, die einen Wirtsstoff, der einen oder mehrere Stoffe umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Sn, Sn-Oxiden, Sn-Verbund-Legierungen, Übergangsmetalloxiden, Li-Metallnitriden und Li-Metalloxiden, welcher zur Absorption und Desorption von Lithium in einem elektrochemischen System befähigt ist, und in diesem dispergiertes metallisches Lithium umfasst.
Negative Elektrode nach Anspruch 1, bei der das metallische Lithium feinverteiltes Lithiumpulver ist.
Negative Elektrode nach Anspruch 2, bei der das Lithiumpulver eine durchschnittliche Teilchengröße von unter 20 μm aufweist.
Negative Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Wirtsstoff außerdem noch Ruß enthält.
Herstellungsfrischer Akkumulator, der eine positive Elektrode, die eine aktive Masse beinhaltet, eine negative Elektrode, die einen Wirtsstoff enthält, der einen oder mehrere Stoffe umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Sn, Sn-Oxiden, Sn-Verbund-Legierungen, Übergangsmetalloxiden, Li-Metallnitriden und Li-Metalloxiden, welcher Lithium in einem elektrochemischen System zu absorbieren und zu desorbieren vermag, und in diesem dispergiertes metallisches Lithium umfasst, einen Plattenscheider, welcher die positive Elektrode von der negativen trennt und einen Elektrolyten in Verbindung mit der positiven und der negativen Elektrode umfasst.
Akkumulator nach Anspruch 5, bei dem die aktive Masse in der positiven Elektrode ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus MnO₂, V₂O₅, MoS₂ und Gemischen davon.
Akkumulator nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem die aktive Masse in der positiven Elektrode MnO₂ umfasst.
Akkumulator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die aktive Masse in der positiven Elektrode LiMn₂O₄ umfasst.
Akkumulator nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem in der negativen Elektrode das metallische Lithium feinverteiltes Lithiumpulver ist.
Akkumulator nach Anspruch 9, bei dem das metallische Lithiumpulver in der negativen Elektrode eine durchschnittliche Teilchengröße von unter 20 μm aufweist.
Akkumulator nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem der Wirtsstoff außerdem noch Ruß enthält.
Akkumulator nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei dem die Menge der aktiven Masse in der positiven Elektrode ausreicht, um das in der negativen Elektrode vorliegende entfernbare metallische Lithium aufzunehmen.
Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für einen Akkumulator, das die Bereitstellung eines Wirtsstoffes, der einen oder mehrere Stoffe umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Sn, Sn-Oxiden, Sn-Verbund-Legierungen, Übergangsmetalloxiden, Li-Metallnitriden und Li-Metalloxiden, welcher zur Absorption und Desorption von Lithium in einem elektrochemischen System befähigt ist, die Dispergierung des metallischen Lithiums im Wirtsstoff und die Bildung einer negativen Elektrode aus dem Wirtsstoff und des darin dispergierten metallischen Lithiums umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das metallische Lithium mit dem Wirtsstoff und einer nichtwässrigen Flüssigkeit zur Bildung einer Aufschlämmung gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Aufschlämmung auf einen Stromabnehmer aufgebracht und die Aufschlämmung getrocknet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem der Wirtsstoff in eine Suspension eingebracht wird, die metallisches Lithium und eine nichtwässrige Flüssigkeit enthält.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Wirtsstoff in eine Suspension aus metallischem Lithium in einem Kohlenwasserstoff eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem metallisches Lithiumpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von unter 20 μm dispergiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem ein Wirtsstoff bereitgestellt wird, der außerdem Ruß enthält.