DE112014003358T5 - Lithiumbasierte Batterieelektroden - Google Patents

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Abstract

Ein Beispiel einer positiven Elektrode umfasst Partikel aus schwefelbasiertem aktivem Material, eine Kohlenstoffbeschichtung, welche die Partikel aus schwefelbasiertem aktivem Material einkapselt, und eine Strukturbeschichtung, die an einer Oberfläche der Kohlenstoffbeschichtung gebildet ist. Die Strukturbeschichtung ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus einer Strukturbeschichtung aus einem Metalloxid-Verbundwerkstoff, einer Strukturbeschichtung aus einem gemischten Kohlenstoff- und Metalloxid-Verbundwerkstoff und einer Polymer-Strukturbeschichtung besteht.

Description

  • VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/868,370, die am 21. August 2013 eingereicht wurde und die hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingebunden ist.
  • HINTERGRUND
  • Akkumulatoren- oder wiederaufladbare Lithium-Schwefel-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien werden oft in vielen stationären und tragbaren Einrichtungen verwendet, wie beispielsweise in solchen, die in der Haushaltselektronik-, Kraftfahrzeug- und Flugzeugindustrie angetroffen werden. Die Lithiumklasse von Batterien hat aus verschiedenen Gründen Popularität erlangt, welche eine relativ hohe Energiedichte, ein im Wesentlichen fehlendes Auftreten irgendeines Gedächtniseffekts im Vergleich mit anderen Arten wiederaufladbarer Batterien, einen relativ geringen Innenwiderstand und eine geringe Selbstentladungsrate, wenn sie nicht in Betrieb sind, umfassen. Die Fähigkeit der Lithium-Batterien, wiederholte Leistungszyklen über ihre verwendbaren Lebensdauern zu durchlaufen, macht sie zu einer attraktiven und zuverlässigen Leistungsquelle.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Beispiel einer positiven Elektrode umfasst Partikel aus schwefelbasiertem aktivem Material, eine Kohlenstoffbeschichtung, welche die Partikel aus schwefelbasiertem aktivem Material einkapselt, und eine Strukturbeschichtung, die an einer Oberfläche der Kohlenstoffbeschichtung gebildet ist. Die Strukturbeschichtung ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus einer Strukturbeschichtung aus einem Metalloxid-Verbundwerkstoff, einer Strukturbeschichtung aus einem gemischten Kohlenstoff- und Metalloxid-Verbundwerkstoff und einer Polymer-Strukturbeschichtung besteht.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Merkmale und Vorteile von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden durch die Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen offensichtlich, in welchen gleiche Bezugszeichen ähnlichen, wenn auch vielleicht nicht identischen Komponenten entsprechen. Der Kürze halber können Bezugszeichen oder Merkmale, die eine zuvor beschriebene Funktion aufweisen, in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie erscheinen, beschrieben werden oder auch nicht.
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels einer positiven Elektrode gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung, eines Beispiels einer negativen Elektrode gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung und eines Separators, der zwischen diesen angeordnet ist;
  • 2 ist eine schematische Perspektivansicht eines Beispiels einer Lithium-Schwefel-Batterie und zeigt einen Ladungs- sowie einen Entladungszustand, wobei die Batterie ein Beispiel der positiven Elektrode umfasst, die hierin offenbart ist;
  • 3 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Systems zum Beschichten der Partikel oder Elektrode(n);
  • 4 ist eine schematische Ansicht einer industriellen Einheit zur Atomlagenabscheidung (ALD), die zum Beschichten der Partikel oder Elektrode(n) verwendet wird;
  • 5 ist eine Graphik, welche die Entladungs- und Aufladungskapazität (in mAh/g) und die Coulombsche Effizienz für eine Knopfzelle darstellt, die ein Beispiel der beschichteten Elektrode umfasst, die hierin offenbart ist; und
  • 6 ist eine Graphik, die das elektrochemische Potential gegenüber Li+/Li– (an der Y-Achse) über der spezifischen Kapazität (in mAh/g) über mehrere Zyklen für die Knopfzelle darstellt, die das Beispiel der beschichteten Elektrode umfasst, die hierin offenbart ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Lithium-Schwefel-Batterien oder andere Lithium-Ionen-Batterien arbeiten allgemein, indem sich Lithiumionen reversibel zwischen einer negativen Elektrode (die manchmal als eine Anode bezeichnet wird) und einer positiven Elektrode (die manchmal als eine Kathode bezeichnet wird) bewegen. Die negative und die positive Elektrode sind auf entgegengesetzten Seiten eines porösen Polymerseparators angeordnet, der mit einer Elektrolytlösung getränkt ist, die zum Leiten der Lithiumionen geeignet ist. Jeder der Elektroden sind auch jeweilige Stromkollektoren zugeordnet, die mit einem unterbrechbaren äußeren Kreis verbunden sind, der ermöglicht, dass ein elektrischer Strom zwischen der negativen und der positiven Elektrode fließt.
  • Es wurde gefunden, dass der Lebenszyklus einer Lithium-Schwefel-Batterie durch die Migration, die Diffusion oder das Pendeln von Polysulfiden (z.B. von Lithium-Polysulfid-Zwischenprodukten, Li2Sx, wobei 2 < x < 8 ist) von der Schwefelkathode während des Batterieentladungsprozesses durch den porösen Polymerseparator hindurch zu der Anode begrenzt sein kann. Die Polysulfide, die an der Kathode erzeugt werden, sind in dem Elektrolyt lösbar und können zu der Anode migrieren (z.B. zu einer Lithiumelektrode), wo sie mit der Anode auf eine parasitäre Weise reagieren, um Polysulfide niedriger Ordnung zu erzeugen. Diese Polysulfide diffundieren zurück zu der Kathode und regenerieren die höheren Formen des Polysulfids. Infolgedessen tritt ein Pendeleffekt (Shuttleeffekt) auf. Dieser Effekt führt zu einer verringerten Schwefelverwendung, zu einer Selbstentladung, zu einer verschlechterten Zyklusfähigkeit und zu einer verringerten Coulombschen Effizienz der Batterie. Es wird angenommen, dass sogar eine geringe Menge eines Polysulfids, wie beispielsweise Li2S, an der Anode eine permanente Verbindung mit der negativen Elektrode eingehen und zu einem parasitären Verlust an aktivem Lithium an der Anode führen kann, was einen reversiblen Elektrodenbetrieb verhindert und die verwendbare Lebensdauer der Lithium-Schwefel-Batterie verkürzt.
  • Auf ähnliche Weise wurde gefunden, dass die Lithium-Ionen-Batterie, die eine auf Mangan basierte Kathode enthält, durch eine Auflösung von Mangan beeinträchtigt werden kann. Beispielsweise kann eine Graphitanode durch Mn+2-Kationen vergiftet werden, die sich aus dem Spinell LiMn2O4 der Kathode lösen. Beispielsweise können die Mn+2-Kationen durch den Batterieelektrolyt und den porösen Polymerseparator migrieren und an der Graphitelektrode abgeschieden werden. Wenn sie an dem Graphit abgeschieden werden, werden die Mn+2-Kationen zu Mn-Atomen. Es wird angenommen, dass eine kleine Menge (z.B. 1 ppm) an Mn-Atomen die Graphitelektrode vergiften, einen reversiblen Elektrodenbetrieb verhindern und dadurch die verwendbare Lebensdauer der Batterie verkürzen kann.
  • Bei einigen der hierein offenbarten Beispiele kann die Diffusion des Polysulfids der Lithium-Schwefel-Batterie oder die Diffusion der Mn+2-Kationen der Lithium-Ionen-Batterie verringert oder verhindert werden, indem eine Strukturbeschichtung an oder in der Nähe der Oberfläche der positiven Elektrode oder bei einigen Beispielen an der Oberfläche der negativen Elektrode eingebunden wird. Bei jedem der hierin offenbarten Beispiele kann die Strukturbeschichtung aus einem Metalloxid (z.B. einem Aluminiumoxid, einem Antimonoxid, einem Calciumoxid, einem Magnesiumoxid, einem Zinnoxid, einem Titanoxid, einem Siliziumoxid, einem Vanadiumoxid, einem Zirkonoxid und Gemischen von diesen) oder aus einem Gemisch von Kohlenstoff und einem Metalloxid oder aus einem Polymer gebildet werden. Die Strukturbeschichtung kann ein homogener Verbundwerkstoff oder ein heterogener Verbundwerkstoff sein. Insbesondere kann eine Strukturbeschichtung aus einem heterogenen Verbundwerkstoff oder einer Polymer-Strukturbeschichtung als eine künstliche Festkörper-Elektrolyt-Zwischenphaselage (SEI-Lage) wirken, die eine Li-Auflösung verhindert. Die Strukturbeschichtung kann eine einzelne Lage, eine Doppellage oder eine mehrlagige Struktur mit drei oder mehr Lagen sein. Die Strukturbeschichtung ist leitfähig für Lithium und weist auch Poren auf, die bemessen sind, um i) das Hindurchtreten von Lithiuminonen durch diese zu ermöglichen und ii) das Hindurchtreten von Polysulfidionen oder Mangan-Kationen zu blockieren. Somit wirkt die hierin offenbarte Strukturbeschichtung als eine Barriere, welche die Kapazität und die verwendbare Lebensdauer der Batterie verbessern kann.
  • Ein Beispiel der positiven Elektrode 14 ist in 1 gezeigt. Die positive Elektrode 14 ist benachbart zu einem porösen Polymerseparator 28 gezeigt (der mit einem Elektrolyt 29 gefüllt ist), welcher einer negativen Elektrode 12 benachbart ist.
  • Wenn sie in einer Lithium-Schwefel-Batterie verwendet wird, ist die positive Elektrode 14 eine schwefelbasierte positive Elektrode, die aus Schwefelpartikeln 17 als dem aktiven Material gebildet ist. Die Schwefelpartikel 17 sind mit einer Kohlenstoffbeschichtung 21 beschichtet (die eine ähnliche Struktur wie die Strukturbeschichtungen, die hierin offenbart sind, aufweisen kann), und sie sind auch mit einem Beispiel der Strukturbeschichtung 15 beschichtet, die hierin offenbart ist.
  • Gemäß einem Beispiel ist die Kathode 14 aus den beschichteten Partikeln 17 und einem Bindemittel gebildet (d.h., dass die Oberfläche der Kathode 14 nicht mit der Strukturbeschichtung 15 beschichtet ist, die hierin offenbart ist). Wie in 1 gezeigt ist, ist die Kathode 14 bei einem anderen Beispiel aus den beschichteten Partikeln 17 und einem Bindemittel gebildet, und eine Oberfläche der Kathode 14 ist ebenso mit der Strukturbeschichtung 15 beschichtet, die hierin offenbart ist. Bei diesen Beispielen blockiert bzw. blockieren die Strukturbeschichtung(en) 15 die Polysulfide gegenüber einem Kontakt mit der Elektrode 29.
  • Wenn sie in einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet wird, ist die positive Elektrode 14 aus einem auf Lithium und/oder auf Mangan basierten aktiven Material und einem Bindemittel gebildet. Die Lithium- und/oder Manganpartikel sind mit einer Kohlenstoffbeschichtung beschichtet (ähnlich der Lage 21, die eine ähnliche Struktur wie die Strukturbeschichtungen, die hierin offenbart sind, aufweisen kann), und sie sind auch mit einem Beispiel der Strukturbeschichtung 15 beschichtet, die hierin offenbart ist. Gemäß einem Beispiel ist die Kathode 14 aus den beschichteten Partikeln und einem Bindemittel gebildet (d.h., dass die Oberfläche der Kathode 14 nicht mit der Strukturbeschichtung 15 beschichtet ist, die hierin offenbart ist). Gemäß einem noch anderen Beispiel ist die Kathode 14 aus den beschichteten Partikeln und einem Bindemittel gebildet, und die Oberfläche der Kathode 14 ist ebenso mit der Strukturbeschichtung 15 beschichtet, die hierin offenbart ist. Bei diesen Beispielen blockieren die Strukturbeschichtungen 15 die Mangan-Kationen gegenüber einem Kontakt mit dem Elektrolyt 29.
  • Gemäß einem Beispiel ist die Kathode 14 aus den beschichteten Schwefelpartikeln 17 und einem Bindemittel gebildet, und eine Oberfläche der Anode 12 ist mit der Strukturbeschichtung 15' beschichtet, die hierin offenbart ist. Bei einem noch anderen Beispiel (wie es in 1 gezeigt ist) ist die Kathode 14 aus diesen beschichteten Schwefelpartikeln 17 und einem Bindemittel gebildet, und die jeweiligen Oberflächen jeder von der Kathode 14 und der Anode 12 sind ebenso mit der Strukturbeschichtung 15, 15' beschichtet, die hierin offenbart ist. Gemäß einem noch weiteren Beispiel ist die Kathode 14 aus dem auf Lithium und/oder Mangan basierten aktiven Material und dem Bindemittel gebildet, und die Oberflächen der Kathode 14 und/oder der Anode 12 sind mit der Strukturbeschichtung 15, 15' beschichtet, die hierin offenbart ist. Wenn die Anode 12 mit der Strukturbeschichtung 15' beschichtet ist, wirkt die Beschichtung 15' auch als eine Barriere für beliebige Polysulfide (in einer Lithium-Schwefel-Batterie) oder für Mangan-Kationen (in einer Lithium-Ionen-Batterie), die in dem Elektrolyt 29 vorhanden sein können, und sie verhindert, dass diese Partikelsorten die Anodenoberflächen erreichen.
  • Die beschichtete Elektrode bzw. die beschichteten Elektroden 12, 14, die hierin offenbart sind, können auch von der Volumenausdehnung und -kontraktion während Lithiierungs- und Delithiierungsprozessen profitieren.
  • Details der Strukturbeschichtung 15, 15' und der verschiedenen Komponenten 12, 14, 28, 29 werden unter Bezugnahme auf 2 weiter beschrieben.
  • Ein Beispiel einer Akkumulatoren-Lithium-Schwefel-Batterie 10 ist schematisch in 2 gezeigt. Die Batterie 10 weist allgemein die Anode 12, die Kathode 14 und den porösen Polymerseparator 28 auf. Der poröse Polymerseparator 28 weist eine poröse Polymermembran 16 auf. Jedes von der Anode 12, der Kathode 14 und dem porösen Polymerseparator 16 ist mit einer Elektrolytlösung 29 (siehe 1) getränkt, die in der Lage ist, Lithiumionen zu leiten. Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 weist auch einen unterbrechbaren äußeren Kreis 18 auf, der die Anode 12 mit der Kathode 14 verbindet.
  • Der poröse Polymerseparator 28, der sowohl als ein elektrischer Isolator als auch als ein mechanischer Träger wirkt, ist zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 eingeklemmt, um einen physikalischen Kontakt zwischen den zwei Elektroden 12, 14 und das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Zusätzlich zum Bereitstellen einer physikalischen Barriere zwischen den zwei Elektroden 12, 14 stellt der poröse Polymerseparator 28 den Durchgang von Lithiumionen (die mit Li+ bezeichnet sind) und beliebigen verwandten Anionen durch die Elektrolytlösung 29 sicher, die dessen Poren füllt.
  • Ein Stromkollektor 12a auf der negativen Seite und ein Stromkollektor 14a auf der positiven Seite können in Kontakt mit der Anode 12 bzw. der Kathode 14 angeordnet sein, um freie Elektronen zu sammeln und diese zu dem äußeren Kreis 18 sowie von diesem weg zu bewegen.
  • Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann eine Lasteinrichtung 22 versorgen, die funktional mit dem äußeren Kreis 18 verbunden sein kann. Die Lasteinrichtung 22 kann durch den elektrischen Strom vollständig oder teilweise mit Energie versorgt werden, welcher durch den äußeren Kreis 18 fließt, wenn die Lithium-Schwefel-Batterie 10 entladen wird. Obgleich die Lasteinrichtung 22 eine beliebige von einer Anzahl bekannter elektrisch betriebener Einrichtungen sein kann, umfassen einige spezielle Beispiele für eine Strom verbrauchende Lasteinrichtung einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder ein ausschließlich elektrisches Fahrzeug, einen Laptopcomputer, ein Mobiltelefon und ein schnurloses Elektrowerkzeug. Die Lasteinrichtung 22 kann jedoch auch eine Strom erzeugende Vorrichtung sein, welche die Lithium-Schwefel-Batterie 10 zu Zwecken der Energiespeicherung auflädt. Beispielweise führt die Fähigkeit von Windrädern und Sonnenkollektoren, variabel und/oder mit Unterbrechungen Elektrizität zu erzeugen, oft zu einer Notwendigkeit, überschüssige Energie für eine spätere Verwendung zu speichern.
  • Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann einen weiten Bereich anderer Komponenten aufweisen, die, auch wenn sie hier nicht gezeigt sind, Fachleuten dennoch bekannt sind. Beispielsweise kann die Lithium-Schwefel-Batterie 10 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlüsse, Ansatzstücke und beliebige andere wünschenswerte Komponenten oder Materialien aufweisen, die zu leistungsbezogenen oder anderen praktischen Zwecken zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 oder um diese herum angeordnet sein können. Darüber hinaus können die Größe und die Form der Lithium-Schwefel-Batterie 10 und auch die Konstruktion sowie die chemische Zusammensetzung ihrer Hauptkomponenten in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung variieren, für die sie konstruiert ist. Batteriebetriebene Fahrzeuge und elektronische Haushalts-Handgeräte sind beispielsweise zwei Möglichkeiten, für welche die Lithium-Schwefel-Batterie 10 höchstwahrscheinlich mit unterschiedlichen Spezifikationen bezüglich der Größe, der Kapazität und der Leistungsausgabe konstruiert ist. Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann auch mit anderen, ähnlichen Lithium-Schwefel-Batterien 10 in Reihe und/oder parallel verbunden sein, um eine größere Ausgangsspannung und einen größeren Ausgangsstrom (bei einer Parallelanordnung) oder eine größere Spannung (bei einer Reihenanordnung) zu erzeugen, wenn die Lasteinrichtung 22 dies erfordert.
  • Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann während der Batterieentladung (die in 2 durch das Bezugszeichen 11 gezeigt ist) einen verwendbaren elektrischen Strom erzeugen. Während der Entladung umfassen die chemischen Prozesse in der Batterie 10 eine Ablösung von Lithium (Li+) von der Oberfläche der Anode 12 und eine Einbindung der Lithium-Kationen in Alkalimetall-Polysulfidsalze (d.h. Li2S) in der Kathode 14. Somit werden Polysulfide kontinuierlich an der Oberfläche der Kathode 14 gebildet (Schwefel wird reduziert), während die Batterie 10 entlädt. Die Differenz des chemischen Potentials zwischen der Kathode 14 und der Anode 12 (welche von ungefähr 1,5 bis 3,0 Volt reicht, was von der exakten chemischen Zusammensetzung der Elektroden 12, 14 abhängt) treibt Elektronen, die durch die Ablösung von Lithium an der Anode 12 erzeugt werden, durch den äußeren Kreis 18 in Richtung der Kathode 14. Der resultierende elektrische Strom, der durch den äußeren Kreis 18 hindurchtritt, kann nutzbar gemacht und durch die Lasteinrichtung 22 geleitet werden, bis das Lithium in der Anode entleert ist und die Kapazität der Lithium-Schwefel-Batterie 10 nachlässt.
  • Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann zu einer beliebigen Zeit aufgeladen oder erneut mit Energie versorgt werden, indem eine äußere Stromquelle an die Lithium-Schwefel-Batterie 10 angelegt wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die während der Batterieentladung auftreten. Während des Aufladens (das in 2 durch das Bezugszeichen 13 gezeigt ist) finden eine Lithiumauftragung an der Anode 12 und eine Schwefelbildung an der Kathode 14 statt. Die Verbindung einer äußeren Stromquelle mit der Lithium-Schwefel-Batterie 10 erzwingt die ansonsten nicht-spontane Oxidation von Lithium an der Kathode 14, um Elektronen und Lithiumionen zu erzeugen. Die Elektronen, die über den äußeren Kreis 18 zurück in Richtung der Anode 12 fließen, und die Lithiumionen (Li+), die durch den Elektrolyt 29 über den porösen Polymerseparator 28 zurück in Richtung der Anode 12 getragen werden, verbinden sich erneut an der Anode 12 und füllen diese mit Lithium für den Verbrauch während des nächsten Batterieentladungszyklus auf. Die äußere Stromquelle, die zum Aufladen der Lithium-Schwefel-Batterie 10 verwendet werden kann, kann in Abhängigkeit von der Größe, der Konstruktion und der speziellen Endverwendung der Lithium-Schwefel-Batterie 10 variieren. Einige geeignete äußere Stromquellen umfassen eine Batterie-Aufladungseinrichtung, die an einer Wechselstrom-Netzsteckdose angeschlossen wird, und eine Kraftfahrzeug-Lichtmaschine.
  • Die Anode 12 kann ein beliebiges Trägermaterial (d.h. aktives Material) für Lithium aufweisen, das ein ausreichendes Auftragen und Abstreifen von Lithium durchlaufen kann, während ein Kupferkollektor oder ein anderer Stromkollektor als der negative Anschluss der Lithium-Schwefel-Batterie 10 wirkt. Beispiele des aktiven Materials 17' für die Anode 12 umfassen Graphit, einen amorphen Kohlenstoff mit geringem Flächeninhalt der Oberfläche, kristallines Silizium, amorphes Silizium, Siliziumoxid, Siliziumlegierungen, Germanium, Zinn, Antimon, Metalloxide usw. Beispiele geeigneter Metalle, die mit Silizium legiert werden können, umfassen Zinn, Aluminium, Eisen oder Kombinationen von diesen. Beispiele geeigneter Metalloxide umfassen Eisenoxid (Fe2O3), Nickeloxid (NiO), Kupferoxid (CuO) usw. Graphit wird weithin verwendet, um die Anode 12 zu bilden, da es reversible Einlagerungs- und Auslagerungseigenschaften für Lithium zeigt, vergleichsweise reaktionsträge ist und Lithium in Mengen speichern kann, die eine vergleichsweise hohe Energiedichte erzeugen. Kommerzielle Formen von Graphit, die zum Herstellen der Anode 12 verwendet werden können, sind beispielsweise bei Timcal Graphite & Carbon (Bodio, Schweiz), Lonza Gruppe (Basel, Schweiz) oder Superior Graphite (Chicago, IL) verfügbar. Andere Materialien können ebenso zum Bilden der Anode 12 verwendet werden und umfassen beispielsweise Lithiumtitanat. Das aktive Material 17' der Anode 12 kann auch aus Siliziumpartikeln gebildet werden, die mit einer Kohlenstoffbeschichtung 21' beschichtet werden. Die Kohlenstoffbeschichtung 21' kann eine Struktur aufweisen, die derjenigen der Beschichtung 15, 15' ähnlich ist. Das aktive Material 17' kann in der Form eines Pulvers, in der Form von Partikeln, Nanodrähten, Nanoröhrchen, Nanofasern, Kern-Schalen-Strukturen usw. vorliegen.
  • Die Anode 12 kann auch ein Polymer-Bindemittelmaterial aufweisen, um das Trägermaterial für Lithium strukturell zusammenzuhalten. Beispielsweise kann die Anode 12 aus dem aktiven Material gebildet sein, das mit dem Bindemittel vermischt ist, das aus Polyvinylidenfluorid (PVdF), einem Ethylenpropylendien-Monomerkautschuk (EPDM-Kautschuk), Natriumalginat oder Carboxymethylcellulose (CMC) hergestellt ist. Diese Materialien können mit einem leitfähigen Füllstoff gemischt werden. Ein Beispiel eines leitfähigen Füllstoffs ist ein Kohlenstoff mit großem Flächeninhalt der Oberfläche, wie beispielsweise Acetylenruß, wodurch die Elektronenleitung zwischen dem Stromkollektor 12a und den Partikeln 17' aus aktivem Material der Anode 12 sichergestellt wird.
  • Der Stromkollektor 12a auf der negativen Seite kann aus Kupfer oder aus einem beliebigen anderen geeigneten, elektrisch leitfähigem Material gebildet sein, das Fachleuten bekannt ist.
  • Die Kathode 14 der Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann aus einem beliebigen, schwefelbasierten aktiven Material 17 gebildet sein, das eine ausreichende Lithiierung und Delithiierung durchlaufen kann, während es als der positive Anschluss der Lithium-Schwefel-Batterie 10 wirkt. Beispiele der schwefelbasierten aktiven Materialien 17 umfassen S8, Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S2 und Li2S. Die schwefelbasierten aktiven Materialien können in der Form von Partikeln 17 vorliegen, die mit der Kohlenstoffbeschichtung 21 eingekapselt werden. Die Kathode 14 kann auch ein Polymer-Bindemittelmaterial aufweisen, um die beschichteten Partikel 17 aus schwefelbasiertem aktivem Material strukturell zusammenzuhalten. Das Polymerbindemittel kann aus Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyethylenoxid (PEO), einem Ethylenpropylendien-Monomerkautschuk (EPDM-Kautschuk) und/oder Carboxymethylcellulose (CMC) hergestellt sein.
  • Wie vorstehend erwähnt wurde, weisen die Partikel 17 auch die Strukturbeschichtung 15 auf, die auf der Kohlenstoffbeschichtung 21 gebildet ist. Diese Strukturbeschichtung 15' kann auch an der äußersten Oberfläche bzw. den äußersten Oberflächen der Kathode 14 und/oder der Anode 12 gebildet sein. Wo immer die Strukturbeschichtung 15, 15' angeordnet ist, trägt die Beschichtung 15, 15' dazu bei zu verhindern, dass die Polysulfide die Anode 12 erreichen (indem diese entweder gegenüber dem Verlassen der Kathode 14 und/oder gegenüber dem Erreichen der Anode 12 blockiert werden). Die Strukturbeschichtung 15, 15' ist eine Strukturbeschichtung aus einem Metalloxid-Verbundwerkstoff oder eine Strukturbeschichtung aus einem gemischten Kohlenstoff- und Metalloxid-Verbundwerkstoff oder eine Polymer-Strukturbeschichtung. Das Metalloxid kann ein Aluminiumoxid, ein Antimonoxid, ein Calciumoxid, ein Magnesiumoxid, ein Zinnoxid, ein Titanoxid (z.B. TiO2 oder Ti4O7), ein Siliziumoxid, ein Wolframoxid (z.B. WO3), ein Vanadiumoxid, ein Zirkonoxid oder Gemische von diesen sein. Beispiele des Polymers umfassen perfluorinierte Polymere, Polyethylenoxide (PEO) usw. Die Strukturbeschichtung 15, 15' an sich ist für Lithium leitfähig und weist Poren auf, die klein genug sind, um Polysulfidionen gegenüber einer Bewegung durch diese zu blockieren, und die groß genug sind, um eine Bewegung von Lithium-Kationen durch diese hindurch zu ermöglichen. Die Strukturbeschichtung 15, 15' (ganz gleich, ob sie an den Partikeln 17 oder an einer Elektrodenoberfläche bzw. an Elektrodenoberflächen gebildet ist) weist eine Dicke von 2 µm oder weniger auf (z.B. bis ungefähr 1 nm). Bei anderen Beispielen beträgt die Dicke 100 nm oder weniger oder 50 nm oder weniger. Beispiele dafür, wie die Strukturbeschichtung 15, 15' gebildet wird, werden unter Bezugnahme auf 3 und 4 weiter erläutert.
  • Der Stromkollektor 14a auf der positiven Seite kann aus Aluminium oder einem beliebigen anderen geeigneten, elektrisch leitfähigen Material gebildet sein, das Fachleuten bekannt ist.
  • Eine beliebige geeignete Elektrolytlösung, die Lithiumionen zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 leiten kann, kann in der Lithium-Schwefel-Batterie 10 verwendet werden. Gemäß einem Beispiel kann die nichtwässrige Elektrolytlösung ein auf einem Ether basierender Elektrolyt sein, der mit Lithiumnitrit stabilisiert ist. Andere nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösungen können ein Lithiumsalz umfassen, das in einem organischen Lösungsmittel oder in einem Gemisch von organischen Lösungsmitteln aufgelöst ist. Beispiele von Lithiumsalzen, die in dem Ether aufgelöst werden können, um die nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfassen LiClO4, LiAlCl4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4, LiCF3SO3, LiN(FSO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiAsF6, LiPF6, LITFSI, LiB(C2O4)2 (LiBOB), LiBF2(C2O4) (LiODFB), LiPF4(C2O4) (LiFOP), LiNO3 und Gemische von diesen. Die auf dem Ether basierenden Lösungsmittel können aus zyklischen Ethern zusammengesetzt sein, wie beispielsweise aus 1,3-Dioxolan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, sowie aus Kettenstrukturethern, wie beispielsweise 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME), Polyethylenglykoldimethylether (PEGDME) und Gemische von diesen.
  • Die poröse Polymermembran 16 des porösen Polymerseparators 28 kann beispielsweise aus Polyolefin gebildet sein. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (das von einem einzelnen Polymerbestandteil abgeleitet ist) oder ein Heteropolymer sein (das von mehr als einem Polymerbestandteil abgeleitet ist), und es kann entweder linear oder verzweigt sein. Wenn ein Heteropolymer, das von zwei Polymerbestandteilen abgeleitet ist, verwendet wird, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich solcher eines Block-Copolymers oder eines Random-Copolymers. Das Gleiche gilt, wenn das Polyolefin ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist. Das Polyolefin kann beispielsweise aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), einem Gemisch aus PE und PP oder aus mehrlagigen, strukturierten und porösen Filmen aus PE und/oder PP bestehen. Kommerziell verfügbare poröse Polymermembranen umfassen Einzellagen-Polypropylenmembranen, wie beispielsweise CELGARD 2400 und CELGARD 2500 von Celgard, LLC (Charlotte, NC). Es versteht sich, dass die poröse Polymermembran 16 unbeschichtet oder unbehandelt ist. Beispielsweise weist die poröse Polymermembran nicht irgendeine Tensidbehandlung auf dieser auf. Es wird angenommen, dass die unbeschichtete/unbehandelte Membran besser an der Strukturbeschichtung 15 anhaftet.
  • Gemäß einem anderen Beispiel kann die Membran 16 des porösen Polymerseparators 28 aus einem anderen Polymer gebildet sein, das von Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamiden (Nylons), Polyurethanen, Polycarbonaten, Polyestern, Polyether-Etherketonen (PEEK), Polyethersulfonen (PES), Polyimiden (PI), Polyamidimiden, Polyethern, Polyoxymethylen (z.B. Acetal), Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Polyolefin-Copolymeren, Acrylonitril-Butadienestyren-Copolymeren (ABS), Polystyren-Copolymeren, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polysiloxanpolymeren (wie beispielsweise Polydimethylsiloxan (PDMS)), Polybenzimidazol (PBI), Polybenzoxazol (PBO), Polyphenylenen (z.B. PARMAXTM (Mississippi Polymer Technologies, Inc., Bay Saint Louis, Mississippi)), Polyarylenetherketonen, Polyperfluorcyclobutanen, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid-Copolymeren und -Terpolymeren, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylfluorid, flüssigen kristallinen Polymeren (z.B., VECTRANTM (Hoechst AG, Deutschland) und ZENITE® (DuPont, Wilmington, DE)), Polyaramiden, Polyphenylenoxid und/oder Kombinationen von diesen ausgewählt ist. Es wird angenommen, dass ein anderes Beispiel eines flüssigen, kristallinen Polymers, das für die Membran 16 des Separators 28 verwendet werden kann, Poly(p-Hydroxybenzoesäure) ist. Gemäß einem noch anderen Beispiel kann die Membran 16 des porösen Polymerseparators 18 von einer Kombination des Polyolefins (wie beispielsweise PE und/oder PP) und einem oder mehreren der Polymere für die Membran 16 ausgewählt werden, die vorstehend aufgelistet sind.
  • Die poröse Polymermembran 16 kann eine einzelne Lage sein, oder sie kann ein mehrlagiger (z.B. doppellagiger, dreilagiger usw.) Schichtstoff sein, der entweder mittels eines trockenen oder eines nassen Prozesses hergestellt ist. Bei einigen Beispielen kann die Membran 16 eine Faserlage bzw. Faserlagen aufweisen, die dieser geeignete strukturelle und Porositätseigenschaften verleihen.
  • 2 stellt eine Lithium-Schwefel-Batterie 10 dar. Wie vorstehend angemerkt wurde, kann jedoch auch eine Lithium-Ionen-Batterie (nicht gezeigt), die eine auf Lithium und/oder Mangan basierende positive Elektrode aufweist, von der Strukturbeschichtung 15 und/oder 15' profitieren, die hierin offenbart ist und auf Partikeln eines aktiven Lithium- und/oder Manganmaterials der positiven Elektrode/Kathode 14, an einer Oberfläche der positiven Elektrode/Kathode 14 und/oder an einer Oberfläche der negativen Elektrode/Anode 12 abgeschieden wird. Es versteht sich, dass die Materialien und die Dicke der Strukturbeschichtung 15, 15', die vorstehend beschrieben sind, in einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet werden können.
  • Bei einem Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie kann die positive Elektrode 14 das aktive Lithium- und/oder Manganmaterial vermischt mit einem Polymer-Bindemittel (z.B. Polyvinylidenfluorid (PVdF), einem Ethylenpropylendien-Monomerkautschuk (EPDM-Kautschuk) und/oder Carboxymethylcellulose (CMC)) und gemischt mit einem leitfähigen Füllstoff (z.B. einem Kohlenstoff mit großem Flächeninhalt der Oberfläche, wie beispielsweise Acetylenruß) aufweisen. Das aktive Material in dieser positiven Elektrode 14 kann aus Spinell-Lithiummanganoxid (LiMn2O4), einem Nickel-Mangan-Oxidspinell [Li(Ni0,5Mn1,5)O2], einem geschichteten Nickel-Mangan-Kobaltoxid [Li(NixMnyCoz)O4] oder einem Lithium-Eisen-Polyanionoxid, wie beispielsweise Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) oder Lithium-Eisenfluorphosphate (Li2FePO4F), Li2MSiO4 (M = Co, Fe, Mn), einer lithiumreichen Lagenstrukturkathode, beispielsweise mit xLi2MnO3-(1-x)LiMO2 (wobei M aus einem beliebigen Verhältnis von Ni, Mn und Co zusammengesetzt ist), Kathoden aus HENMC (hocheffizientem Nickel-Mangan-Kobalt), Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Nickel-Kobaltoxid (LiNixCo1-xO2), einem mit Aluminium stabilisierten Lithium-Mangan-Oxidspinell (LixMn2-xAlyO4) und/oder Lithium-Vanadiumoxid (LiV2O5) hergestellt sein.
  • Eine beliebige der Varianten der Elektroden 12, 14, die hierin offenbart sind, kann bis zu 90 % bezüglich des Gewichts (d.h. 90 Gew.-%) des jeweiligen aktiven Materials, bis zu 20 Gew.-% des leitfähigen Füllstoffs und bis zu 20 Gew.-% des Polymer-Bindemittelmaterials aufweisen.
  • Bei einem beliebigen der Beispiele, die hierin offenbart sind, können die Kohlenstoffbeschichtung 21, 21' an den Partikeln 17 (oder an den Anodenpartikeln 17') und die verschiedenen Beispiele der Strukturbeschichtung 15, 15' unter Verwendung eines Laser-Bogenplasmaabscheidungsprozesses, eines kathodischen Bogenabscheidungsprozesses, eines Abscheidungsprozesses mit gepulstem Laser, unter Verwendung chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD) oder plasmaunterstützter chemischer Dampfphasenabscheidung (PE-CVD) gebildet werden. Es wird angenommen, dass die bessere Adhäsion zwischen den Partikeln 17, 17' oder der Elektrode 12, 14 und der Strukturbeschichtung 15, 15' auch unter Verwendung dieser Prozesse erreicht werden kann.
  • 3 stellt schematisch ein Beispiel des Systems 30 dar, das zur Laser-Bogenplasmaabscheidung verwendet wird. Gemäß einem Beispiel hält eine Substrathalterung 36 die Elektrode 12 oder 14 innerhalb einer Vakuumkammer 31 (mit einem Druck von ungefähr 10–4 Pa) in Position. Gemäß einem anderen Beispiel kann ein Quarzgefäß verwendet werden, um die Schwefelpartikel 17 (oder die Siliziumpartikel 17' für eine Anode oder die Lithium- und/oder Manganpartikel für eine Kathode einer Lithium-Ionen-Batterie) zu halten. Im Allgemeinen wird ein elektrischer Bogen oder ein thermischer Bogen verwendet, um Material 42 aus einem Kathodentarget 34 zu verdampfen (welches funktional mit einer Anode 32 verbunden ist). Das verdampfte Material 42 (z.B. Kohlenstoff und/oder ein Metalloxid) kondensiert anschließend an den Schwefelpartikeln 17 oder an der Elektrode 12 oder 14. In dem Beispiel, das in 3 gezeigt ist, trifft ein pulsierender und oszillierender Laserstrahl 38 mit einer hohen Strahldichte auf die Oberfläche des Kathodentargets 34 und bildet einen Kathodenpunkt. Das Kathodentarget 34 kann ein Kohlenstofftarget (z.B. ein Graphittarget) oder ein Metalloxidtarget sein (z.B. aus Aluminiumoxid, Antimonoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Zinnoxid, Titanoxid, Siliziumoxid, Vanadiumoxid oder Zirkonoxid). An dem Kathodenpunkt wird ein Plasma gezündet (Bezugszeichen 40), das einen Strahl des verdampften Materials 42 aus Kohlenstoff und/oder Metalloxid erzeugt, welcher die Strukturbeschichtung 15, 15' an den Schwefelpartikeln 17 oder an der Elektrode 12 oder 14 bildet. Der Kathodenpunkt ist für eine kurze Zeitspanne aktiv, und er löscht sich anschließend selbst aus und zündet erneut in einem neuen Bereich in der Nähe des vorhergehenden Punkts. Dies bewirkt die scheinbare Bewegung des Bogens.
  • Bei einem beispielhaften System 30 ist die Kammer 31 eine Vakuumkammer eines Laser-Bogen-Moduls (LAM-Vakuumkammer), und der Laserstrahl 38 wird unter Verwendung eines gepulsten Festkörper-Nd:YAG-Lasers erzeugt (Wellenlänge 1,06 µm, Pulslänge 150 ns, 10 kHz Repetitionsrate, mittlere Pulsleistungsdichte 15 mJ cm–2). Das System 30 kann auch eine gepulste Stromversorgung (Spitzenstromstärke 2 kA, Pulslänge 100 µs, Repetitionsrate 1,8 kHz, mittlerer Strom 260 A) und einen Software-/Hardwarecontroller umfassen. Bei einem Beispiel sind in der Kammer 31 ein zylindrisches (z.B. 160 mm im Durchmesser, bis zu 500 mm in der Länge) Graphittarget (das als die Kathode 34 wirkt) und ein Metalloxidtarget sowie eine stangenförmige Anode 32 für die Bogenentladung untergebracht. Die Kathode 34 und die Anode 32 können außen mit einer geladenen Kondensatorreihe in der Pulsstromversorgung verbunden sein.
  • Bei einem Beispiel werden Laserpulse durch ein Fenster in die LAM-Kammer 31 gelenkt und auf der Oberfläche des Graphit-Zylindertargets 34 fokussiert. Der Laserpuls von 150 ns erzeugt einen sich schnell ausdehnenden Kohlenstoff-Plasmastrahl, der wiederum einen Vakuum-Bogenentladungspuls von 150 µs zwischen dem Graphittarget (Kathode 34) und einer Anode 32 zündet. Die Vakuum-Bogenentladung ist die Hauptenergiequelle zum Aufdampfen des Graphits. Die pulsbildenden Komponenten der Stromversorgung sind konstruiert, um den maximalen Bogenstrom, die Zeitdauer und die Pulsform einzustellen. Es versteht sich, dass eine Kombination eines rotierenden Targets 34 mit einer linearen Abtastung des Laserstrahls (der Bogenposition) entlang der Länge des Targets 34 eine sehr einheitliche Targeterosion und Filmabscheidung sicherstellt. Ein einzelner Laser kann verwendet werden, um mehrere Bogenquellen zu zünden, um die Abscheidungsraten für eine Abnutzungsbeschichtungsabscheidung zu verstärken.
  • 4 stellt ein Beispiel eines Systems 100 zum Ausführen einer Atomlagenabscheidung der Kohlenstoffbeschichtung(en) 21, 21' und/oder der Strukturbeschichtung 15, 15' dar. Gemäß einem Beispiel ist das System 100 eine industrielle Einheit zur Atomlagenabscheidung (ALD-Einheit), z.B. eine P400A-Einheit, die bei Beneq, Inc. (Duluth, GA) kommerziell erhältlich ist. Das ALD-System 100 umfasst allgemein eine Steuereinheit 102, eine Probenbeladungskammer 104, eine Kältefalle 106 und eine Pumpe 108. Dieses ALD-System 100 ermöglicht das Auftragen von sich selbst begrenzenden oder sich nacheinander selbst abschließenden Filmen mittels chemischer Dampfphasenabscheidung durch einen Prozess von Lage zu Lage. Einige Vorteile dieses sich selbst begrenzenden Films umfassen einheitliche Oberflächen, eine hohe Einheitlichkeit der Oberflächenmerkmale, eine hohe Kontrollierbarkeit und Genauigkeit der Dicke auf Atomniveau und eine hohe Reproduzierbarkeit. Dieser Typ von System kann beispielsweise dann wünschenswert sein, wenn die Partikel 17 oder die Siliziumpartikel 17' für eine Anode 12 beschichtet werden.
  • Es versteht sich, dass die in 3 und 4 gezeigten Systeme Beispiele sind und dass ein beliebiges System, das zum Ausführen einer beliebigen der hierin offenbarten Abscheidungstechniken geeignet ist, verwendet werden kann.
  • Das Polymer- oder Kohlenstoff- und/oder Metalloxid-Dünnschichten (d.h. die Strukturbeschichtungen) können über einen weiten Dickenbereich von wenigen Nanometern bis zu wenigen Mikrometern reproduzierbar abgeschieden werden. Somit ermöglichen diese Abscheidungstechniken auch eine Kontrolle über die Dicke der Kohlenstoffbeschichtung an den Partikeln 17, 17' und der verschiedenen Beispiele der Strukturbeschichtung 15, 15'. Gemäß einem Beispiel ist die Dicke geringer als 2 µm. Die Kontrolle über die Filmdicke kann erreicht werden, indem die Anzahl gezündeter Bogenentladungen (d.h. Entladungspulse) eingestellt wird. Gemäß einem Beispiel kann die Dicke verringert werden, indem die Plasma-Laserbogenentladungspulse verringert werden. Die Kontrolle der Filmdicke kann auch erreicht werden, indem die Bearbeitungszeit eingestellt wird. Im Allgemeinen führen längere Bearbeitungszeiten zu dickeren Filmen.
  • Um die vorliegende Offenbarung weiter zu erläutern, wird hierin ein Beispiel angegeben. Es versteht sich, dass dieses Beispiel zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen ist und nicht als Einschränkung für den Umfang der vorliegenden Offenbarung ausgelegt werden soll.
  • BEISPIEL
  • Mehrlagige Schwefelelektroden (die einen Kern aus Schwefel, eine Kohlenstofflage und eine Al2O3-Verbundwerkstoff-Strukturbeschichtung aufwiesen) wurden in Knopfzellen hergestellt (Pred Materials International, Inc. CR2325 Knopfzellenbaugruppe: Gehäuse SUS430, Deckel SUS 304, Dichtung PP9103-54; National Research Council Canada-ICPET: ein Scheiben-Abstandshalter mit einem Gauge-430BA-Abstandshalter mit Edelstahl-Passivierung mit einer Dicke von 0,71 mm und einem Durchmesser von 20 mm sowie eine Feder mit einer 301-Belleville-Stapellastfeder aus Edelstahl). Die Herstellung der Knopfzelle wurde in einer Schutzkammer mit Ar-Atmosphäre durchgeführt. Die Knopf-Halbzellen wurden mit Lithiummetallfolien (mit einer Dicke von 0,38 mm und einem Durchmesser von 18 mm) als Gegenelektroden zusammengebaut, während Knopf-Vollzellen mit einer C/Si-Abscheidung als eine Anode und einer mehrlagigen Schwefelelektrode als eine Kathode konstruiert wurden. Ein dreilagiger Separator mit einer Dicke von 25 µm und einem Durchmesser von 21 mm (Celgard, LLC) wurde aus PP/PE/PP hergestellt, und der Elektrolyt war ein etherbasierter Elektrolyt mit 0,9 M LiTFSIDME-2%LiNO2 – 10%FEC.
  • Das gesamte elektrochemische Testen wurde unter Verwendung eines MACCOR®-Batteriezyklussystems ausgeführt. Die Knopfzellen wurden mindestens 10 Stunden vor dem Start der Zyklen zusammengesetzt. Das galvanostatische Testen wurde bei einem Strom von ungefähr 0,1 mA unter Spannungsgrenzen von 2,7 V bis 1,5 V durchgeführt.
  • 5 zeigt die Entladungs- und die Aufladungskapazität (in mAh/g) (an der Y-Achse, die auf der linken Seite mit "C" bezeichnet ist) über der Zyklusnummer (an der X-Achse, die mit "#" bezeichnet ist) für eine der Knopfzellen. Die Coulombsche Effizienz (in %) (an der Y-Achse, die auf der rechten Seite mit "%" bezeichnet ist) ist ebenso gezeigt. Diese Ergebnisse zeigen die Stabilität und die Effizienz des Systems, das die mehrlagige Schwefelelektrode aufweist.
  • 6 zeigt das elektrochemische Potential E(V) gegenüber Li+/Li– (an der Y-Achse) über der spezifischen Kapazität (in mAh/g) der Knopfzelle für mehrere Zyklen (1, 5, 10, 15, 20, 30 und 40). Diese Ergebnisse zeigen ebenso die Systemstabilität.
  • Es versteht sich, dass die hierin vorgesehenen Bereiche den angegebenen Bereich und einen beliebigen Wert oder Unterbereich innerhalb des angegebenen Bereichs umfassen. Beispielsweise sollte ein Bereich von ungefähr 50 nm oder weniger derart interpretiert werden, dass er nicht nur die explizit angegebenen Grenzen von ungefähr 50 nm bis oder weniger, sondern auch individuelle Werte umfasst, wie beispielsweise 10,5 nm, 25 nm, 38 nm usw., sowie Unterbereiche, wie beispielsweise von ungefähr 1 nm bis ungefähr 49 nm; von ungefähr 5 nm bis ungefähr 40 nm usw. Wenn "ungefähr" verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, bedeutet dies darüber hinaus, dass geringe Abweichungen (bis zu +/–5 %) von dem angegebenen Wert umfasst sind.
  • Überall in der Beschreibung bedeutet eine Bezugnahme auf "ein einzelnes Beispiel", "ein anderes Beispiel", "ein Beispiel" und so weiter, dass ein spezielles Element (z.B. ein Merkmal, eine Struktur und/oder eine Eigenschaft), das in Verbindung mit dem Beispiel beschrieben ist, in zumindest einem hierin beschriebenen Beispiel umfasst ist, und es kann in anderen Beispielen vorhanden sein oder auch nicht. Zusätzlich versteht es sich, dass die für ein beliebiges Beispiel beschriebenen Elemente auf eine beliebige geeignete Weise in den verschiedenen Beispielen kombiniert werden können, wenn der Zusammenhang nicht klar etwas anderes vorgibt.
  • Beim Beschreiben und Beanspruchen der hierin offenbarten Beispiele umfassen die Singularformen "ein", "eine" sowie "der", "die" und "das" Bezugnahmen auf den Plural, wenn der Zusammenhang nicht klar etwas anderes vorgibt.
  • Obgleich mehrere Beispiele im Detail beschrieben wurden, ist für Fachleute offensichtlich, dass die offenbarten Beispiele modifiziert werden können. Daher soll die vorstehende Beschreibung nicht als einschränkend angesehen werden.

Claims (11)

  1. Positive Elektrode, die umfasst: Partikel aus schwefelbasiertem aktivem Material; eine Kohlenstoffbeschichtung, welche die Partikel aus schwefelbasiertem aktivem Material einkapselt; und eine Strukturbeschichtung, die an einer Oberfläche der Kohlenstoffbeschichtung gebildet ist, wobei die Strukturbeschichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Strukturbeschichtung aus einem Metalloxid-Verbundwerkstoff, einer Strukturbeschichtung aus einem gemischten Kohlenstoff- und Metalloxid-Verbundwerkstoff und einer Polymer-Strukturbeschichtung besteht.
  2. Positive Elektrode nach Anspruch 1, die ferner ein Bindemittel umfasst.
  3. Positive Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Strukturbeschichtung aus dem Metalloxid-Verbundwerkstoff oder die Strukturbeschichtung aus dem gemischten Kohlenstoff- und Metalloxid-Verbundwerkstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Aluminiumoxid, einem Antimonoxid, einem Calciumoxid, einem Magnesiumoxid, einem Zinnoxid, einem Titanoxid, einem Wolframoxid, einem Siliziumoxid, einem Vanadiumoxid, einem Zirkonoxid und Gemischen von diesen besteht.
  4. Positive Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Strukturbeschichtung leitfähig für Lithium ist und zum Blockieren des Transports von Polysulfidionen vorgesehen ist.
  5. Positive Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Strukturbeschichtung zumindest zwei Lagen umfasst.
  6. Positive Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Strukturbeschichtung mittels eines Laser-Bogenplasmaabscheidungsprozesses, eines kathodischen Bogenabscheidungsprozesses, eines Abscheidungsprozesses mit gepulstem Laser, eines chemischen Gasphasenabscheidungsprozesses, eines Atomlagenabscheidungsprozesses oder eines plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidungsprozesses gebildet ist.
  7. Positive Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Strukturbeschichtung auch an einer Oberfläche der positiven Elektrode gebildet ist.
  8. Lithium-Schwefel-Batterie, die umfasst: eine schwefelbasierte positive Elektrode; eine Strukturbeschichtung, die an einer Oberfläche der schwefelbasierten positiven Elektrode gebildet ist, wobei die Verbundwerkstoff-Strukturbeschichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Strukturbeschichtung aus einem Metalloxid-Verbundwerkstoff, einer Strukturbeschichtung aus einem gemischten Kohlenstoff- und Metalloxid-Verbundwerkstoff und einer Polymer-Strukturbeschichtung besteht; eine negative Elektrode; und einen porösen Polymerseparator, der zwischen der schwefelbasierten positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist.
  9. Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 8, wobei die schwefelbasierte positive Elektrode aufweist: Partikel aus schwefelbasiertem aktivem Material; eine Kohlenstoffbeschichtung, welche die Partikel aus schwefelbasiertem aktivem Material einkapselt; und wobei die Strukturbeschichtung an einer Oberfläche der Kohlenstoffbeschichtung gebildet ist.
  10. Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 8, die ferner eine weitere Strukturbeschichtung aufweist, die an einer Oberfläche der negativen Elektrode gebildet ist.
  11. Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 8, wobei die negative Elektrode Siliziumpartikel aufweist, die mit einer Strukturbeschichtung aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff beschichtet ist.
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