DE112013003487T5

DE112013003487T5 - Reduzieren der begrenzung von sauerstoff- und elektrolyttransport in der lithium/ sauerstoffbatterie durch elektrodendesign und benetzungssteuerung

Info

Publication number: DE112013003487T5
Application number: DE112013003487.5T
Authority: DE
Inventors: Paul Albertus; John F. Christensen; Timm Lohmann; Roel Sanchez-Carrera; Boris Kozinsky; Christina Johnston
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2015-03-26
Also published as: US20140017578A1; WO2014011835A1

Abstract

Ein Batteriesystem weist in einer Ausführungsform eine negative Elektrode, eine Separatorschicht neben der negativen Elektrode und eine positive Elektrode neben der Separatorschicht auf, wobei die positive Elektrode eine Gasphase und einen elektrisch leitenden Rahmen aufweist, welcher mindestens einen Benetzungskanal definiert, wobei der Benetzungskanal ausgebildet ist, einen Elektrolyt in dem elektrisch leitenden Rahmen zu verteilen.

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf die vorläufige U. S. Anmeldung Nr. 61/670,461 angemeldet am 11. Juli 2012, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf Batterien und insbesondere auf metallsauerstoffbasierte Batterien.
Hintergrund
Wiederaufladbare Lithiumionenbatterien sind aufgrund ihres hohen spezifischen Energiegehalts attraktive Energiespeichersysteme für tragbare elektronische Geräte und elektrische sowie hybrid-elektrische Fahrzeuge verglichen mit anderen elektrochemischen Energiespeichervorrichtungen. Wie weiter unten noch detaillierter beschrieben, weist eine Lithiumionenzelle typischerweise eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und einen Separatorbereich zwischen der negativen und der positiven Elektrode auf. Beide Elektroden weisen ein aktives Material auf, welches Lithium reversibel einfügt oder damit reagiert. In einigen Fällen kann die negative Elektrode ein Lithiummetall aufweisen, welches reversibel elektrochemisch aufgelöst und abgelagert werden kann. Der Separator weist ein Elektrolyt mit einem Lithiumkation auf und dient als physische Barriere zwischen den Elektroden, sodass keine der Elektroden innerhalb der Zelle elektrisch miteinander verbunden ist.
Typischerweise gibt es während des Ladens eine Erzeugung von Elektronen an der positiven Elektrode und eine Aufnahme einer gleichen Menge an Elektronen an der negativen Elektrode und diese Elektronen werden über eine externe Schaltung transferiert. Beim idealen Laden der Zelle werden diese Elektronen an der positiven Elektrode erzeugt, da eine Extraktion über die Oxidation von Lithiumionen von dem aktiven Material der positiven Elektrode besteht, und die Elektronen werden an der negativen Elektrode konsumiert, da dort eine Reduktion von Lithiumionen in das aktive Material der negativen Elektrode stattfindet. Während des Entladens geschieht exakt die entgegengesetzte Reaktion.
Wenn in einer Batterie negative Elektroden mit einer hohen spezifischen Kapazität, so wie Metall, verwendet werden, kann der größte Gewinn an Kapazität gegenüber konventionellen Systemen realisiert werden, wenn auch ein positives Elektrodenmaterial mit hoher Kapazität verwendet wird. Zum Beispiel sind konventionelle lithiumeinlagernde Oxide (z. B. LiCoO₂, LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂, Li_1.1Ni_0.3Co_0.3Mn_0.3O₂) typischerweise auf eine theoretische Kapazität von ungefähr 280 mAh/g (basierend auf der Masse des mit Lithium behandelten Oxids) und eine praktische Kapazität von 180 bis 250 mAh/g beschränkt, was im Vergleich mit der spezifischen Kapazität von Lithiummetall, 3863 mAh/g, eher gering ist. Die höchste theoretische für positive Lithiumionenelektroden erreichbare Kapazität ist 1794 mAh/g (basierend auf der Masse des mit Lithium behandelten Materials), für Li2O. Andere Hochkapazitätsmaterialien sind BiF₃ (303 mAh/g, mit Lithium behandelt), FeF₃ (712 mAh/g, mit Lithium behandelt) und andere. Unvorteilhafterweise reagieren alle diese Materialien mit Lithium bei einer niedrigeren Spannung im Vergleich zu konventionellen positiven Oxidelektroden, wodurch die theoretische spezifische Energie begrenzt wird. Nichtsdestotrotz sind die theoretischen spezifischen Energien verglichen mit einem Maximum von ungefähr 500 Wh/kg für Zellen mit negativen Lithiumelektroden und konventionellen positiven Oxidelektroden dennoch sehr hoch (> 800 Wh/kg), was es einem elektrischen Fahrzeug ermöglicht, mit einer einzigen Ladung eine Entfernung von 300 Meilen oder mehr zurückzulegen.
1 zeigt ein Diagramm, welches die erreichbare Entfernung für Fahrzeuge zeigt, welche Batteriepacks unterschiedlicher spezifischer Energien verwenden gegenüber dem Gewicht des jeweiligen Batteriepacks. In dem Diagramm 10 sind die spezifischen Energien für eine ganze Zelle angegeben, einschließlich des Zellverpackungsgewichts, wobei angenommen wird, dass das Gewicht um 50% zunimmt, wenn aus einem Satz von bestimmten Zellen ein Batteriepack gebildet wird. Das US-Ministerium für Energie hat eine Gewichtsgrenze von 200 kg für einen Batteriepack vorgegeben, welcher in einem Fahrzeug angeordnet ist. Entsprechend können nur Batteriepacks mit ungefähr 600 Wh/kg oder mehr eine Entfernung von 300 Meilen erreichen.
Es wurden eine Vielzahl verschiedener lithiumbasierter chemischer Verbindungen für die Anwendung in verschiedenen Applikationen einschließlich in Fahrzeugen untersucht. 2 zeigt ein Diagramm 20, welches die spezifischen Energien und Energiedichten von unterschiedlichen lithiumbasierten chemischen Verbindungen zeigt. In dem Diagramm 20 ist nur das Gewicht des aktiven Materials, der Stromsammler, der Binder, der Separatoren und anderer inerter Materialien der Batteriezellen beinhaltet. Das Verpackungsgewicht, wie z. B. Halter, die Zellumhausung, und dergleichen, sind nicht beinhaltet. Wie aus dem Diagramm 20 ersichtlich wird, sind Lithium/Sauerstoffbatterien, sogar mit Verpackungsgewicht, dazu in der Lage, spezifische Energien von > 600 Wh/kg bereitzustellen und haben daher das Potenzial, Fahrentfernungen für elektrische Fahrzeuge von mehr als 300 Meilen ohne Wiederaufladen zu ermöglichen bei ähnlichen Kosten wie typische Lithiumionenbatterien. Während Lithium/Sauerstoffzellen in kontrollierten Laborbedingungen gezeigt wurden, bestehen eine Vielzahl von Problemen, bevor eine volle kommerzielle Einführung von Lithium/Sauerstoffzellen möglich ist, wie im Folgenden beschrieben wird.
Eine typische Lithium/Sauerstoff-elektrochemische Zelle 50 ist in 3 gezeigt. Die Zelle 50 weist eine negative Elektrode 52, eine positive Elektrode 54, einen porösen Separator 56 und einen Stromsammler 58 auf. Die negative Elektrode 52 ist typischerweise metallisches Lithium. Die positive Elektrode 54 weist Elektrodenpartikel, wie z. B. Partikel 60 auf, die in einer möglichen Form mit einem katalysierenden Material (so wie z. B. Au oder Pt) beschichtet sind und in einer porösen, elektrisch leitenden Matrix 62 angeordnet sind. Eine elektrolytische Lösung 64, welche sowohl den porösen Separator 56 als auch die positive Elektrode 54 durchdringt, weist ein Salz, wie z. B. LiPF₆, auf, welches in einem organischen Lösungsmittel, wie z. B. Dimethoxyethan oder CH₃CN, aufgelöst ist,. Das LiPF₆ stellt einen Elektrolyt mit einer geeigneten Leitfähigkeit bereit, welcher den internen elektrischen Widerstand der Zelle 50 reduziert und eine höhere Leistung erlaubt.
Ein Teil der positiven Elektrode 52 ist durch eine Barriere 66 umschlossen. Die Barriere 66 in 3 ist ausgebildet, es Sauerstoff von einer externen Quelle 68 zu ermöglichen, zu der positiven Elektrode 54 durchzudringen, während ungewünschte Komponenten, wie z. B. kontaminierte Gase und Flüssigkeiten, ausgefiltert werden. Die Benetzungseigenschaften der positiven Elektrode 54 verhindern das Austreten des Elektrolyts 64 von der positiven Elektrode 54. Alternativ kann das Entfernen von kontaminierten Stoffen von externen Sauerstoffquellen und das Zurückhalten von Zellkomponenten, wie z. B. einem flüchtigen Elektrolyt, auch separat von den individuellen Zellen durchgeführt werden. Sauerstoff von der externen Quelle 68 dringt in die positive Elektrode 54 durch die Barriere 66 ein, während die Zelle 50 entladen wird und Sauerstoff dringt aus der positiven Elektrode 54 durch die Barriere 66 aus, während die Zelle 50 geladen wird. Im Betrieb werden Sauerstoff und Lithiumionen, da die Zelle 50 entladen wird, voraussichtlich kombinieren, um ein Entladeprodukt Li₂O₂ oder Li₂O in Übereinstimmung mit der folgenden Relation bilden:
Die positive Elektrode 54 in einer typischen Zelle 50 ist ein leichtes, elektrisch leitfähiges Material, welches eine Porosität von größer als 80% aufweist, um die Bildung und Ablagerung/Speicherung von Li₂O₂ in dem Kathodenvolumen zu ermöglichen. Die Fähigkeit, das Li₂O₂ abzulagern, bestimmt direkt die maximale Kapazität der Zelle. Um ein Batteriesystem mit einer spezifischen Energie von 600 Wh/kg oder mehr bereitzustellen, sollte eine Platte mit einer Dicke von 100 μm eine Kapazität von 15 mAh/cm² oder mehr aufweisen.
Materialien, welche die notwendige Porosität bieten, sind z. B. das Kohlenschwarz, Graphite, Carbonfasern, Carbonnanoröhren oder andere Nicht-Carbonmaterialien. Es gibt Beweise, dass jede dieser Carbonstrukturen während des Ladens der Zelle zumindest teilweise aufgrund der harten Umgebung in der Zelle (möglicherweise reiner Sauerstoff, Superoxide und Peroxidionen und/oder Spezies, Bildung von solidem Lithiumper-oxid auf der Oberfläche der Kathode und elektrochemische Oxidationspotenziale von > 3 V (vs: Li/Li⁺)), einem Oxidationsprozess unterliegen.
Eine Vielzahl von Untersuchungen der Probleme, welche sich mit Lithium/Sauerstoffbatterien ergeben, wurden wie berichtet durchgeführt, z. B. durch Beattie, S., D. Manolescu, und S. Blair, ”High-Capacity Lithium-Air Cathodes,” Journal of the Electrochemical Society, 2009. 156: p. A44, Kumar, B. et al., ”A Solid-State, Rechargeable, Long Cycle Life Lithium-Air Battery,” Journal of the Electrochemical Society, 2010. 157: p. A50, Read, J., ”Characterization of the lithium/oxygen organic electrolyte battery,” Journal of the Electrochemical Society, 2002. 149: p. A1190, Read, J. et al., ”Oxygen transport properties of organic elektrolytes and performance of lithium/oxygen battery,” Journal of the Electrochemical Society, 2003. 150: p. A1351, Yang, X. und Y., Xia, ”The effect of oxygen pressures an the electrochemical profile of lithium/oxygen battery,” Journal of Solid State Electrochemistry: p. 1–6 und Ogasawara, T., et al., ”Rechargeable Li₂O₂ Electrode for Lithium Batteries,” Journal of the American Chemical Society, 2006. 128 (4): p. 1390–1393.
Während einige Probleme bereits erforscht wurden, bleiben unterschiedliche Herausforderungen, welche für Lithium/Sauerstoffbatterien noch adressiert werden müssen. Diese Herausforderungen beinhalten die Bildung von limitierenden Dendriten an der Lithiummetalloberfläche, Schützen des Lithiummetalls (und möglicherweise anderer Materialien) vor Feuchtigkeit und anderen potenziellen schädlichen Komponenten von Luft (wenn der Sauerstoff aus Luft gewonnen wird), Entwickeln eines Systems, welches gewünschte spezifische Energien und spezifische Leistungsniveaus erreicht, Reduzieren der Hysterese zwischen den Lade- und Entladespannungen (welche die Energieeffizienz des gesamten Zyklus limitiert), Morphologieänderungen in dem Metall bei verstärkter Zyklisierung, was in einer großen Volumenänderung in der Zelle resultiert, Veränderung in der Struktur und Zusammensetzung der Passivierungsschicht, welche sich an der Oberfläche des Metalls bildet, wenn dieses bestimmten Elektrolyten ausgesetzt wird, welche einen Teil von dem Metall isolieren könnte und/oder den Widerstand der Zelle über die Zeit erhöhen könnte. Viele der oben Genannten sind signifikante Hürden bei der Verbesserung der Anzahl von Zyklen, über welche das System reversibel zyklisiert werden kann.
Die Begrenzung der Effizienz beim Laden und Entladen geschieht aufgrund der offensichtlichen Spannungshysterese, wie in 4 gezeigt. In 4 ist die Entladespannung 70 (ungefähr 2,5 bis 3 V für Li/Li⁺) wesentlich niedriger als die Ladespannung 72 (ungefähr 4 bis 4,5 V bei Li/Li⁺). Die Gleichgewichtsspannung 74 (oder Leerlaufpotenzial) des Lithium/Sauerstoffsystems ist ungefähr 3 V. Daher ist die Spannungshysterese nicht nur groß, sondern auch sehr asymmetrisch.
Die große Überspannung während des Ladens kann aufgrund einer Vielzahl von Gründen auftreten. Zum Beispiel kann die Reaktion zwischen dem Li₂O₂ und der leitenden Matrix 62 einen isolierenden Film zwischen den zwei Materialien bilden. Zusätzlich kann ein schlechter Kontakt zwischen dem Entladeprodukt Li₂O₂ oder Li₂O und der elektronisch leitenden Matrix 62 der positiven Elektrode 54 vorhanden sein. Ein schlechter Kontakt kann aus einer Oxidation des Entladeprodukts direkt an der leitenden Matrix 62 während des Ladens hervorgerufen werden, was eine Lücke zwischen dem Entladeprodukt und der Matrix 52 belässt.
Es kann auch eine komplette Trennung des Feststoffentladeprodukts von der leitenden Matrix 62 aufgrund eines Bruchs, eines Ablösens oder einer Bewegung des Festkörperentladeproduktpartikels aufgrund von mechanischem Stress, welcher während des Ladens/Entladens der Zelle erzeugt wird, hervorgerufen werden. Eine vollständige Trennung kann zu der Kapazitätsverschlechterung, welche für die meisten Lithium/Sauerstoffzellen beobachtet wird, beitragen. Beispielhaft zeigt 5 die Entladekapazität einer typischen Lithium/Sauerstoffzelle über eine Periode von Lade-/Entlade-zyklen.
Andere physikalische Prozesse, welche Spannungsabfälle innerhalb der elektrochemischen Zelle hervorrufen, und dadurch die Energieeffizienz und die Leistungsausgabe senken, weisen eine Massentransferbegrenzung bei hohen Stromdichten auf. Die Transporteigenschaften von wasserhaltigen Elektrolyten sind typischerweise besser als von nichtwasserhaltigen Elektrolyten, aber in jedem Fall können Massentransporteffekte die Dicke der verschiedenen Bereiche innerhalb der Zelle beschränken, einschließlich der Kathode. Reaktionen zwischen O₂ und anderen Metallen neben Lithium können auch in verschiedenen Medien ausgeführt werden.
Was folglich benötigt wird, ist eine Metall/Sauerstoffbatterie, welche einen erhöhten Sauerstoff- und Elektrolyttransport innerhalb der Batterie bereitstellt.
Zusammenfassung
In einer Ausführungsform weist ein Batteriesystem in einer Ausführungsform eine negative Elektrode, eine Separatorschicht, welche neben der negativen Elektrode liegt, und eine positive Elektrode, welche neben der Separatorschicht liegt, auf, wobei die positive Elektrode eine Gasphase und einen elektrisch leitenden Rahmen aufweist, welcher zumindest einen Benetzungskanal definiert, wobei der Benetzungskanal ausgebildet ist, einen Elektrolyt innerhalb des elektrisch leitenden Rahmens zu verteilen.
In einer weiteren Ausführungsform weist ein Verfahren zum Bilden eines Batteriesystems auf: das Bereitstellen einer negativen Elektrode, das Bereitstellen einer Separatorschicht, welche neben der negativen Elektrode liegt, das Ausbilden mindestens eines Benetzungskanals in einem elektrisch leitenden Rahmen, wobei der Benetzungskanal ausgebildet ist, ein Verteilen eines Elektrolyts innerhalb des elektrisch leitenden Rahmens, Ausbilden einer positiven Elektrode neben der Separatorschicht innerhalb des elektrisch leitenden Rahmens, Bereitstellen eines Elektrolyts innerhalb der positiven Elektrode und Bereitstellen einer Gasphase gemeinsam mit dem Elektrolyt innerhalb der positiven Elektrode.
In einer weiteren Ausführungsform weist eine positive Elektrode in einem Batteriesystem einen elektrisch leitenden Rahmen, einen Elektrolyt, mindestens einen Benetzungskanal, welcher in dem elektrisch leitenden Rahmen definiert ist, wobei der Benetzungskanal ausgebildet ist, den Elektrolyt in dem elektrisch leitenden Rahmen zu verteilen, und eine Gasphase auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen dem Batteriegewicht und einer Fahrzeugreichweite für verschiedene spezifische Energien zeigt;
2 zeigt ein Diagramm der spezifischen Energie und Energiedichte einer Vielzahl von lithiumbasierten Zellen;
3 zeigt eine Lithium-Sauerstoffzelle, welche zwei Elektroden, einen Separator und einen Elektrolyt aufweist, nach dem Stand der Technik;
4 zeigt eine Entlade- und Ladekurve für eine typische Lithium/Sauerstoff-elektrochemische Zelle;
5 zeigt eine Darstellung, welche die Verschlechterung der Entladekapazität für eine typische Lithium/Sauerstoff-elektrochemische Zelle über eine Anzahl von Zyklen zeigt;
6 zeigt eine schematische Ansicht einer Lithium/Sauerstoffzelle mit zwei Elektroden, von denen eine ausgebildet ist, die Verteilung von Sauerstoff und Elektrolyt innerhalb der Elektrode in einem vollgeladenen Zustand zu steuern;
7 zeigt eine schematische Ansicht der Lithium/Sauerstoffzelle der 6 in einem teilweise entladenen Zustand; und
8 zeigt eine schematische Ansicht einer Lithium/Sauerstoffzelle mit zwei Elektroden, von welchen eine dazu ausgebildet ist, die Verteilung von Sauerstoff und Elektrolyt innerhalb der Elektrode zu steuern, in einem vollgeladenen Zustand unter Verwendung sich im Allgemeinen horizontal erstreckender Kanäle.
Detaillierte Beschreibung
Eine schematische Ansicht einer elektrochemischen Zelle 100 wird in 6 gezeigt. Die elektrochemische Zelle 100 weist eine negative Elektrode 102 auf, welche von einer positiven Elektrode 104 durch einen porösen Separator 106 getrennt wird. Die negative Elektrode 102 kann aus Lithiummetall oder einer Zusammensetzung mit Lithiumeinfügungen (z. B. Graphite, Silikon, Zinn, LiAl, LiMg, Li₄Ti₅O₁₂) ausgebildet sein, auch wenn Lithiummetall auf einem Zellniveau verglichen mit anderen Kandidaten für die negativen Elektroden die höchste spezifische Energie erfordert. Andere Metalle können auch genutzt werden, um die negative Elektrode zu bilden, wie z. B. Zn, Mg, Na, Fe, Al, Ca, Si und andere.
Die positive Elektrode 104 weist in dieser Ausführungsform eine Stromsteuerung 108 und einen elektrisch leitenden Rahmen 110 auf. Der elektrisch leitende Rahmen 110 ist eine elektrisch leitende Matrix, welche aus einem leitenden Material gebildet wird, wie z. B. leitendem Carbon oder Nickelschaum, auch wenn eine Vielzahl alternativer Matrixstrukturen und Materialien verwendet werden kann. Der elektrisch leitende Rahmen 110 definiert Benetzungskanäle 112 und Nichtbenetzungskanäle 113. Der Separator 106 verhindert, dass die negative Elektrode 102 elektrisch die positive Elektrode 104 kontaktiert.
Die elektrochemische Zelle 100 weist eine Elektrolytlösung 114 auf, welche in der positiven Elektrode 104 und, in einigen Ausführungsformen, in dem Separator 106 vorhanden ist. In der beispielhaften Ausführungsform der 6 weist die Elektrolytlösung 114 ein Salz, LiPF₆ (Lithiumhexafluorophosphat), welches in einer organischen Lösungsmittelmischung aufgelöst ist.
Die organische Lösungsmittelmischung kann jedes geeignete Lösungsmittel sein. In bestimmten Ausführungsformen kann das Lösungsmittel Dimethoxyethan (DME), Acetonitril, Ethylencarbonat oder Diethylcarbonat aufweisen.
Eine Barriere 116 trennt die positive Elektrode 104 von einem Reservoir 118. Das Reservoir 118 kann jeder geeignete Behälter sein, der geeignet ist, Sauerstoff aufzunehmen, welcher der positiven Elektrode 104 oder sogar der Atmosphäre zugeführt und von dieser ausgegeben wird. Während das Reservoir 118 als ein integraler Bestandteil der elektrochemischen Zelle 100 gezeigt ist, welcher an die positive Elektrode 104 gekoppelt ist, kann in einer Ausführungsform das Reservoir 118 die positive Elektrode 104 selbst sein. Verschiedene Ausführungsformen des Reservoirs 118 sind angedacht, einschließlich fester Tanks, aufblasbarer Blasen und dergleichen. In 6 ist die Barriere 116 ein Gitter, welches es Sauerstoff und anderen Gasen ermöglicht, zwischen der positiven Elektrode 104 und dem Reservoir 118 zu fließen, während verhindert wird, dass der Elektrolyt 114 die positive Elektrode 104 verlässt. Alternativ kann das Zurückhalten von Zellkomponenten, wie z. B. einem flüchtigen Elektrolyt, auch separat von den individuellen Zellen durchgeführt werden, sodass die Barriere 116 nicht benötigt wird.
Für den Fall, dass das Metall Lithium ist, entlädt die elektrochemische Zelle 104 sich, wobei in der negativen Elektrode 102 Lithiummetall in ein Li⁺-Ion mit einem freien Elektron E^– ionisiert. Li⁺-Ionen wandern durch den Separator 106 in die Richtung, welche durch Pfeil 120 angezeigt wird, zu der positiven Elektrode 104. Die Li⁺-Ionen wandern innerhalb der Benetzungskanäle 112 und werden in dem elektrisch leitenden Rahmen 110 verteilt.
Die Benetzungskanäle 112 sind ausgebildet, eine gleichmäßige Benetzung des elektrisch leitenden Rahmens 110 mit dem Elektrolyt 106 zu ermöglichen. In einer Ausführungsform werden die Oberflächen des elektrisch leitenden Rahmens 110 mit einer Oberflächenbehandlung bereitgestellt, um die gewünschte Benetzung zu ermöglichen. Mischungen von Materialien mit unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen, mehr Benetzung und weniger Benetzung, können wie gewünscht eingeschlossen werden, um die Aussonderung von Elektrolyt in die Benetzungskanäle 112 zu fördern. In einer Ausführungsform werden alle Teile oder nur Teile des elektrisch leitenden Rahmens 110 einer Hitzebehandlung in reduktivem Gas ausgesetzt. In anderen Ausführungsformen kann eine Fluorination und/oder eine Silanation verwendet werden. Eine Silanation mit Organosilanen (R_n-Si(OR')_4-n) erlaubt es für diesen Zweck, eine Vielzahl von Oberflächenchemien zu realisieren.
In einigen Ausführungsformen, welche ein nichtwasserhaltiges Elektrolyt 114 aufweisen, werden nichtpolare Oberflächen hinzugezogen. Ein Beispiel eines geeigneten Materials ist Graphen, welches elektrisch leitend und sehr nichtpolar ist.
Während die Ausführungsform der 6 ein gleichförmiges Muster von Benetzungskanälen 112 zeigt, können in einigen Ausführungsformen das Muster und/oder die Oberflächenbehandlung des elektrisch leitenden Rahmens 110 variiert werden. Solche Variationen werden in Anwendungen verwendet, in welchem bestimmte Teile der Elektrode 104 dazu tendieren, geflutet zu werden, und in Ausführungsformen verwendet, in welchen Teile der Elektrode 104 dazu tendieren, exzessiv zu trocknen.
Der elektronisch leitende Rahmen 110 weist ferner Nichtbenetzungskanäle 113 auf. In einigen Ausführungsformen sind die Nichtbenetzungskanäle 113 nicht eingeschlossen. Die Nichtbenetzungskanäle 113 dienen als Sauerstoffgaskanäle durch die Elektrode 104. Während hydrophobe Materialien für die Benetzungskanäle in Ausführungsformen, welche nichtwasserhaltige Elektrolyte nutzen, vorteilhaft sind, ermöglicht die Verwendung von hydrophilen Materialien, einschließlich denen, welche durch eine Oberflächenbehandlung, welche polare Gruppen einführt (z. B. Hydroxylgruppen), die Bildung von Nichtbenetzungskanälen und Regionen 113 für den Sauerstoffgasfluss.
Dementsprechend wird Sauerstoff von dem Reservoir 118 durch die Barriere 116, wie durch den Pfeil 122 gezeigt, bereitgestellt. Folglich fließen die freien Elektronen E in die positive Elektrode 104 durch die Stromsteuerung 108, wie durch Pfeil 124 dargestellt.
Die Sauerstoffatome und Li⁺-Ionen innerhalb der positiven Elektrode 102 bilden ein Entladeprodukt 130 innerhalb der positiven Elektrode 104 (siehe 7). Wie in den folgenden Gleichungen gezeigt, wird während des Entladeprozesses metallisches Lithium ionisiert, wobei es mit sauerstofffreien Elektronen kombiniert, und Li₂O₂ oder Li₂O Entladeprodukte bildet, welche die Oberfläche des elektrisch leitenden Rahmens 110 bedecken können.
In Übereinstimmung mit der vorangegangenen Ausführungsform wird die Menge und Verteilung von nichtwasserhaltigem Elektrolyt und Sauerstoff in der Kathode sorgfältig gesteuert, sodass die Transportbegrenzungen minimiert werden. Die Zelle 100 stellt folglich eine erhöhte Leistungsdichte, eine erhöhte Energiedichte, eine höhere Lade-/Ent-ladezyklus-Energieeffizienz bei einer gegebenen Leistungs- oder Stromdichte bereit. Die Zelle 100 zeigt auch eine verbesserte Fähigkeit, Elektrolyt durch die Elektrode 104 bereitzustellen, auch wenn Li₂O₂ sich auf dem elektrisch leitenden Rahmen 110 absetzt.
Im Allgemeinen ist die Zelle 100 optimal ausgebildet, sodass in einem vollgeladenen Zustand der elektrisch leitende Rahmen 110 ungefähr 10% des Volumens der Elektrode 104 einnimmt. Der Elektrolyt 106 nimmt ungefähr 25% des Volumens der Elektrode 104 ein. Die Gasphase des Sauerstoffs nimmt ungefähr 65% des Volumens der Elektrode 104 ein. Diese Konfiguration stellt eine einheitliche Benetzung des Elektrolyts 106 durch die Elektrode 104 und eine einheitliche Verteilung des Gasvolumenanteils innerhalb der Elektrode 104 bereit.
Bei einer vollständigen Entladung der Zelle 100 nimmt der elektrisch leitende Rahmen 110 ungefähr 10% des Volumens der Elektrode 104 ein. Der Elektrolyt 106 nimmt ungefähr 25% des Volumens der Elektrode 104 ein. Das Li₂O₂ 130 nimmt ungefähr 55% des Volumens der Elektrode 104 ein. Die Gasphase des Sauerstoffs nimmt ungefähr 10% des Volumens der Elektrode 104 ein.
Die Zelle 100 stellt durch das Anpassen der Benetzung des Elektrolyts 106 auf der Oberfläche des elektrisch leitenden Rahmens 110 eine Optimierung der Volumenanteile und Verteilung der Komponenten bereit. Die Konfiguration der Zelle 100 stellt einen guten Zugang der Sauerstoffgasphase durch die Kathode sicher, indem eine poröse Struktur und eine Produktstruktur genutzt werden, welche Gaskanäle oder in anderer Weise offenporige Strukturen aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative zu dem oben beschriebenen Verwenden von Benetzungsmaterialien kann in einigen Ausführungsformen ein Gastransport durch die Elektrode 104 durch das Verwenden einer verringerten Gewundenheit der nebeneinander liegenden Elektrodenstrukturen erreicht werden. In der Ausführungsform der 6 sind die Nichtbenetzungskanäle 113 nicht gewunden, während die Benetzungskanäle 112 gewunden sind. In einer Ausführungsform werden nebeneinander angeordnete Carbonnanoröhren verwendet. In einer Ausführungsform werden lange Fasern verwendet, um die Porosität zu verbessern und die allgemeine Gewundenheit zu verringern, während kleinere Elektrodenpartikel mit einer höheren Oberfläche eingesetzt werden, um einen Gastransport bereitzustellen, ohne die aktive Oberfläche zu opfern.
Ferner können, obwohl die Nichtbenetzungskanäle 113 und die Benetzungskanäle als im Allgemeinen vertikal dargestellt sind, die Orientierung der Kanäle entsprechend der jeweiligen Ausführungsform variieren. Entsprechend zeigt 8 eine elektrochemische Zelle 200, welche eine negative Elektrode 202 aufweist, welche von der positiven Elektrode 204 durch einen porösen Separator 206 getrennt ist. Die positive Elektrode 204 weist in dieser Ausführungsform einen elektrisch leitenden Rahmen 210 auf. Der elektrisch leitende Rahmen 210 definiert Benetzungskanäle 212 und Nichtbenetzungskanäle 213.
Die elektrochemische Zelle 200 weist eine Elektrolytlösung 214 auf, welche in der positiven Elektrode 204 und in einigen Ausführungsformen in dem Separator 206 vorhanden ist. Eine Barriere 216 trennt die positive Elektrode 204 von einem Reservoir 218.
Die elektrochemische Zelle 200 ist daher im Wesentlichen die gleiche wie die elektrochemische Zelle 100. Ein Unterschied ist, dass die Benetzungskanäle 212 und die Nichtbenetzungskanäle 213 sich allgemein horizontal erstrecken. In anderen Ausführungsformen kann eine Mischung aus sich horizontal und vertikal erstreckenden Kanälen verwendet werden. In anderen Ausführungsformen werden zufällig orientierte Kanäle verwendet oder mit sich horizontal oder vertikal erstreckenden Kanälen gemischt.
In einigen Ausführungsformen werden Lösungsmittel mit einer niedrigen Siedetemperatur oder hohe Temperaturen verwendet, während die Elektroden gebildet werden, um einen „Schlammriss”-Effekt für die Kanäle innerhalb der Elektrode zu bilden. Durch das absichtliche Einbringen von Defekten in die Elektrodenstruktur wird der Gastransport folglich verbessert.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Konfigurationen weisen einige Ausführungsformen eine gasgetriebene Konvektion auf, um eine Mischung des Elektrolyts und des Gases bereitzustellen. Das Sauerstoffgas, welches in einigen Ausführungsformen inaktive Komponenten der Luft aufweist, wird verwendet, um den Elektrolyt und das Gasvolumen innerhalb der Kathode zu mischen, um eine gewünschte gleichmäßige Verteilung des Sauerstoffgases und des Elektrolyts zu erreichen.
Während die Erfindung im Detail in den Figuren und der vorangegangenen Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, sollten diese lediglich als darstellend und nicht als beschränkend in ihrem Charakter angesehen werden. Nur die bevorzugten Ausführungsformen wurden gezeigt und alle Änderungen, Modifikationen und weiteren Anwendungen, welche innerhalb des Gedankens der Erfindung fallen, sollen geschützt werden.

Claims

Ein Batteriesystem, aufweisend: eine negative Elektrode; eine Separatorschicht, welche neben der negativen Elektrode liegt; und eine positive Elektrode neben der Separatorschicht, wobei die positive Elektrode eine Gasphase und einen elektrisch leitenden Rahmen aufweist, welcher zumindest einen Benetzungskanal definiert, wobei der Benetzungskanal ausgebildet ist, einen Elektrolyt innerhalb des elektrisch leitenden Rahmens zu verteilen.
Das Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode derart ausgebildet ist, dass in einem vollgeladenen Zustand: der elektrisch leitende Rahmen ungefähr 10% des Volumens der positiven Elektrode einnimmt; der Elektrolyt ungefähr 25% des Volumens der positiven Elektrode einnimmt; und die Gasphase ungefähr 65% des Volumens der positiven Elektrode einnimmt.
Das Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei: die Gasphase eine Sauerstoffgasphase aufweist; und die negative Elektrode eine Form von Metall als eine aktive Komponente aufweist.
Das Batteriesystem nach Anspruch 3, wobei die positive Elektrode ausgebildet ist, dass in einem vollentladenen Zustand: der elektrisch leitende Rahmen ungefähr 10% des Volumens der positiven Elektrode einnimmt; der Elektrolyt ungefähr 25% des Volumens der positiven Elektrode einnimmt; die Gasphase ungefähr 10% des Volumens der positiven Elektrode einnimmt; und ein Entladeprodukt ungefähr 55% des Volumens der positiven Elektrode einnimmt.
Das Batteriesystem nach Anspruch 4, wobei: der Elektrolyt ein nichtwasserhaltiger Elektrolyt ist; und der mindestens eine Benetzungskanal zumindest teilweise durch ein hydrophobes Material definiert ist.
Das Batteriesystem nach Anspruch 4, ferner aufweisend: zumindest einen Nichtbenetzungskanal innerhalb der positiven Elektrode, wobei der mindestens eine Nichtbenetzungskanal derart ausgebildet ist, dass, wenn der mindestens eine Benetzungskanal im Wesentlichen mit Elektrolyt gefüllt ist, der mindestens eine Nichtbenetzungskanal hauptsächlich mit der Gasphase gefüllt ist.
Das Batteriesystem nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Nichtbenetzungskanal zumindest teilweise durch ein hydrophiles Material definiert ist.
Das Batteriesystem nach Anspruch 6, wobei: der mindestens eine Nichtbenetzungskanal eine erste nominale Breite aufweist; der mindestens eine Benetzungskanal eine zweite nominale Breite aufweist; und die erste nominale Beite größer ist als die zweite nominale Beite.
Das Batteriesystem nach Anspruch 6, wobei: der mindestens eine Nichtbenetzungskanal eine erste Gewundenheit aufweist; der mindestens eine Benetzungskanal eine zweite Gewundenheit aufweist; und die erste Gewundenheit geringer ist als die zweite Gewundenheit.
Das Batteriesystem nach Anspruch 6, wobei: der mindestens eine Benetzungskanal eine Vielzahl von Benetzungskanälen aufweist; und die Vielzahl von Benetzungskanälen ein einheitliches Muster in dem elektrisch leitenden Rahmen bilden.
Ein Verfahren zum Bilden eines Batteriesystems aufweisend: Bereitstellen einer negativen Elektrode; Bereitstellen einer Separatorschicht neben der negativen Elektrode; Ausbilden mindestens eines Benetzungskanals innerhalb eines elektrisch leitenden Rahmens, wobei der Benetzungskanal ausgebildet ist, einen Elektrolyt innerhalb des elektrisch leitenden Rahmens zu verteilen; Ausbilden einer positiven Elektrode neben der Separatorschicht mit dem elektrisch leitenden Rahmen; Bereitstellen eines Elektrolyts in der positiven Elektrode; und Bereitstellen einer Gasphase gemeinsam mit dem Elektrolyt in der positiven Elektrode.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bilden der positiven Elektrode aufweist: Füllen von ungefähr 10% des Volumens der positiven Elektrode mit dem elektrisch leitenden Rahmen; Füllen von nicht mehr als 25% des Volumens der positiven Elektrode mit dem Elektrolyt; und Füllen von ungefähr 65% des Volumens der positiven Elektrode mit der Gasphase.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei: Bereitstellen des Elektrolyts aufweist das Bereitstellen eines nichtwasserhaltigen Elektrolyts; und Bereitstellen mindestens eines Benetzungskanals das Ausbilden mindestens eines Benetzungskanals mit einem hydrophoben Material aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei: das Bilden mindestens eines Benetzungskanals das Hitzebehandeln des elektrisch leitfähigen Rahmens in einer Umgebung mit reduktivem Gas aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 12, ferner aufweisend: Ausbilden mindestens eines Nichtbenetzungskanals in der positiven Elektrode, wobei der mindestens eine Nichtbenetzungskanal ausgebildet ist, dass, wenn der mindestens eine Benetzungskanal im Wesentlichen mit Elektrolyt gefüllt ist, der mindestens eine Nichtbenetzungskanal hauptsächlich mit der Gasphase gefüllt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Ausbilden des mindestens einen Nichtbenetzungskanals aufweist: Ausbilden des mindestens einen Nichtbenetzungskanals mit einem hydrophilen Material.
Eine positive Elektrode in einem Batteriesystem, aufweisend: einen elektrisch leitenden Rahmen; einen Elektrolyt; mindestens einen Benetzungskanal, welcher in dem elektrisch leitenden Rahmen definiert ist, wobei der Benetzungskanal ausgebildet ist, den Elektrolyt in dem elektrisch leitenden Rahmen zu verteilen; und eine Gasphase.
Die positive Elektrode nach Anspruch 17, wobei die positive Elektrode derart ausgebildet ist, dass in einem vollgeladenen Zustand: der elektrisch leitende Rahmen ungefähr 10% des Volumens der positiven Elektrode einnimmt; der Elektrolyt ungefähr 25% des Volumens der positiven Elektrode einnimmt; und die Gasphase ungefähr 65% des Volumens der positiven Elektrode einnimmt.
Die positive Elektrode nach Anspruch 17, wobei der elektrisch leitende Rahmen eine Vielzahl von Nanoröhren aufweist.
Die positive Elektrode nach Anspruch 17, ferner aufweisend: mindestens einen Nichtbenetzungskanal, wobei der mindestens eine Nichtbenetzungskanal derart ausgebildet ist, dass, wenn der mindestens eine Benetzungskanal im Wesentlichen mit Elektrolyt gefüllt ist, der mindestens eine Nichtbenetzungskanal hauptsächlich mit der Gasphase gefüllt ist.