DE112019002209T5 - Elektrodenkonfiguration mit einem Protrusioninhibitions-Trennelement - Google Patents

Elektrodenkonfiguration mit einem Protrusioninhibitions-Trennelement Download PDF

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Abstract

Eine Elektrodenkonfiguration für eine Batteriezelle schließt eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und ein Trennelement, das zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode liegt, ein. Das Trennelement schließt eine elektrisch leitfähige Protrusionsinhibitionsschicht und eine erste Isolierschicht ein, welche zwischen der Protrusionsinhibitionsschicht und einer von der positiven und der negativen Elektrode liegt und dabei die erstere gegenüber der betreffenden Elektrode elektrisch isoliert.

Description

  • Anspruch der Priorität
  • Diese Anmeldung beansprucht Priorität unter Bezug auf die vorläufige U.S.-Anmeldungs-Serien-Nr. 62/678 734 unter dem Titel „Batterie mit einem Protrusionsinhibitions-Trennelement“ eingereicht am 31. Mai 2018, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit inbegriffen ist.
  • Technisches Gebiet
  • Diese Offenbarung betrifft allgemein Batterien und insbesondere Schichtkonfigurationen für Batterien.
  • Hintergrund
  • In Batterien bewegen sich Ionen zwischen der negativen Elektrode („Anode“) und der positiven Elektrode („Kathode“) während der Aufladungs- und Entladungszyklen. Zum Beispiel fließen beim Entladen Elektronen von der negativen Elektrode durch einen externen Strom- bzw. Schaltkreis zu der positiven Elektrode, wobei im externen Schaltkreis ein elektrischer Strom erzeugt wird. Während dieses Prozesses wandern positive Ionen, zum Beispiel Lithiumionen in einer Lithiumionen-Batterie, im Inneren der Batterie von der negativen Elektrode durch einen Elektrolyten zu der positiven Elektrode. Umgekehrt liefert beim Aufladen der externe Schaltkreis Strom, welcher den Fluss von Elektronen von der positiven Elektrode durch den externen Aufladeschaltkreis und zurück zu der negativen Elektrode umkehrt, während die positiven Ionen innerhalb der Batterie von der positiven Elektrode durch den Elektrolyt zu der negativen Elektrode wandern.
  • Eine typische Lithiumionen („Li-Ionen“)-Batterie weist ein Batterietrennelement auf, das zwischen der negativen Elektrode und positiven Elektrode liegt. Die Trennelementschicht schließt einen Elektrolyten ein, der Lithiumionen leitet, so dass ein durchgehender Ionenpfad für Lithiumionen, die zwischen den zwei Elektroden zu transportieren sind, vorgesehen wird.
  • Eine der aktuellen Beschränkungen bei der Implementierung einer negativen Lithiumelektrode ist die Unfähigkeit, Lithium bei hohen Stromdichten zyklisch zu bewegen. Wenn die Stromdichte zunimmt, bilden sich Lithiumprotrusionen bzw. -ausbuchtungen oder -dendriten auf der Oberfläche von Lithium. Während der Betriebslebensdauer der Batterie können diese Protrusionen durch das Batterietrennelement hindurch wachsen und einen Kontakt zwischen den zwei Elektroden herstellen, wobei dies einen Kurzschluss innerhalb der Batterie verursacht.
  • Trennelemente in herkömmlichen Batterien sind so ausgelegt, dass sie elektronische Isolatoren sind, so dass die Elektronen nicht zwischen den Elektroden der Batterie fließen können. Die Anforderung, dass die Trennelemente elektronische Isolatoren sind, schränkt allerdings die Materialien ein, die in den Trennelementen verwendet werden können, um die Bildung oder das Wachstum von Lithiumprotrusionen zu inhibieren.
  • Daher wird ein verbessertes Trennelement benötigt, welches das Wachstum von Lithiumprotrusionen begrenzen und somit die Stromdichte erhöhen kann, bei welcher die negative Lithiumelektrode betrieben werden kann.
  • Zusammenfassung
  • In einer Ausführungsform umfasst eine Elektrodenkonfiguration für eine Batterie eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und ein Trennelement, das zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode liegt. Das Trennelement schließt eine elektrisch leitfähige Protrusionsinhibitionsschicht und eine erste Isolierschicht, welche zwischen der Protrusionsinhibitionsschicht und einer von der positiven und der negativen Elektrode liegt und dabei die erstere gegenüber der betreffenden Elektrode elektrisch isoliert, ein.
  • In einer anderen Ausführungsform ist die Protrusionsinhibitionsschicht der Elektrodenkonfiguration so konfiguriert, dass sie das Wachstum von Lithiumprotrusionen auf der anderen der positiven und der negativen Elektrode mechanisch inhibiert.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Protrusionsinhibitionsschicht eines oder mehrere aus Kohlenstoffnanoröhrchen, Silbernanodrähten, Silberpartikeln, Stahlpartikeln, Kupferpartikeln und Lithiumpartikeln.
  • Einige Ausführungsformen der Elektrodenkonfiguration schließen eine Protrusionsinhibitionsschicht ein, welche ferner ein erstes, Lithiumionen leitendes Material umfasst, das wenigstens ein Material einschließt, welches aus der Gruppe gewählt ist, die aus Polyethylenoxid, Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid (LLZO), Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON), Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP), Li2S-P2S5 und Li3PS4 besteht.
  • In noch einer anderen Ausführungsform ist die Protrusionsinhibitionsschicht so konfiguriert, dass sie das Wachstum von Lithiumprotrusionen auf der anderen der positiven und der negativen Elektrode chemisch inhibiert.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Protrusionsinhibitionsschicht ein Legierungsmaterial, das sich mit Lithium in der Batterie legiert, um so das Wachstum von Lithiumprotrusionen zu inhibieren. Das Legierungsmaterial kann, in einer besonderen Ausführungsform, ein Material oder mehrere Materialien, das bzw. die aus der Gruppe gewählt wird bzw. werden, die aus Aluminium, Zinn, Magnesium, Silicium, Silber und Gold besteht, einschließen.
  • Die erste elektronisch isolierende Schicht schließt in einer Ausführungsform ein Material oder mehrere Materialien ein, das bzw. die aus der Gruppe gewählt ist bzw. sind, bestehend aus: PEO mit leitendem Salz; Gelen mit dem Zusatz von Carbonatlösungsmittel und leitendem Salz; Einzelionen-Leiter aus Keramik; Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid (LLZO), Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON); Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP); Einzelionen Leiter aus Glas; Schichten von abgeschiedenen atomaren Schichten aus Lithium leitenden, elektronisch isolierenden Materialien; Al2O3; Li3P; Si3N4; Kationenaustauschpolymeren; und Nafion.
  • In einer anderen Ausführungsform weist die erste elektronisch isolierende Schicht geringe Permeabilität für Gegenionen auf.
  • In noch einer anderen Ausführungsform schließt die erste elektronisch isolierende Schicht eine Einzelionen leitende Schicht ein.
  • In einer Ausführungsform der Elektrodenkonfiguration umfasst das Trennelement ferner eine zweite Isolierschicht, welche die Protrusionsinhibitionsschicht von der anderen der positiven und negativen Elektrode elektrisch isoliert.
  • In einer anderen Ausführungsform schließt eine Batteriezelle eine Elektrodenkonfiguration ein, welche eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und ein Trennelement, das zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode liegt, umfasst. Das Trennelement umfasst eine elektrisch leitfähige Protrusionsinhibitionsschicht und eine erste Isolierschicht, welche zwischen einer der positiven und negativen Elektrode liegen und dabei die Protrusionsinhibitionsschicht von einer der positiven und der negativen Elektrode elektrisch trennen.
  • In einigen Ausführungsformen der Batteriezelle ist die Protrusionsinhibitionsschicht so konfiguriert, dass sie das Wachstum von Lithiumprotrusionen auf der anderen der positiven und der negativen Elektrode mechanisch inhibiert.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Batteriezelle umfasst die Protrusionsinhibitionsschicht eines oder mehrere aus Kohlenstoffnanoröhrchen, Silbernanodrähten, Silberpartikeln, Stahlpartikeln, Kupferpartikeln und Lithiumpartikeln.
  • Die Protrusionsinhibitionsschicht kann ferner ein erstes, Lithiumionen leitendes Material umfassen, das wenigstens ein Material einschließt, welches aus der Gruppe gewählt ist, die aus Polyethylenoxid, Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid (LLZO), Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON), Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP), Li2S-P2S5 und Li3PS4 besteht.
  • In noch einer anderen Ausführungsform ist die Protrusionsinhibitionsschicht so konfiguriert, dass sie das Wachstum von Lithiumprotrusionen auf der anderen der positiven und der negativen Elektrode chemisch inhibiert.
  • In einer Ausführungsform der Batteriezelle umfasst die Protrusionsinhibitionsschicht ein Legierungsmaterial, das sich mit Lithium in der Batterie legiert, um so das Wachstum von Lithiumprotrusionen zu inhibieren. Das Legierungsmaterial schließt in einigen Ausführungsformen ein Material oder mehrere Materialien ein, das bzw. die aus der Gruppe gewählt ist bzw. sind, welches aus Aluminium, Zinn, Magnesium, Silicium, Silber und Gold besteht.
  • Figurenliste
    • Die 1 ist eine schematische Ansicht einer Batteriepackung gemäß der Offenbarung.
    • Die 2 ist eine schematische Ansicht der Elektrodenkonfiguration einer Batterie der Batteriepackung gemäß der 1 mit einer Trennelementschicht, welche eine Lithiumprotrusions-Inhibitionsschicht einschließt, welche von jeder der Elektroden durch eine jeweilige elektronisch isolierende Schicht separiert ist.
    • Die 3 ist eine schematische Ansicht einer Batteriezelle der Batteriepackung gemäß der 1 mit einer Trennelementschicht, welche eine Lithiumprotrusions-Inhibitionsschicht einschließt, welche von der positiven Elektrode durch eine elektronisch isolierende Schicht separiert ist.
    • Die 4 ist eine schematische Ansicht einer Batteriezelle der Batteriepackung gemäß der 1 mit einer Trennelementschicht, welche eine Lithiumprotrusions-Inhibitionsschicht einschließt, welche von der negativen Elektrode durch eine elektronisch isolierende Schicht separiert ist.
    • Die 5 ist eine schematische Ansicht einer Batteriezelle der Batteriepackung gemäß der 1 mit einer Trennelementschicht, in der eine Lithiumprotrusions-Inhibitionsschicht eine Lithiumionen leitende Schicht und einen Bestandteil zur Inhibierung des Wachstums von Protrusionen, welcher die mechanischen Eigenschaften der Lithiumprotrusions-Inhibitionsschicht verbessert, einschließt.
    • Die 6 ist eine schematische Ansicht einer Batteriezelle der Batteriepackung gemäß der 1 mit einer Trennelementschicht, in der eine Lithiumprotrusions-Inhibitionsschicht eine Lithiumionen leitende Schicht und einen Bestandteil zur Inhibierung des Wachstums von Protrusionen, der chemisch mit den Lithiumprotrusionen reagiert, einschließt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Um das Verständnis der Prinzipien der hierin beschriebenen Ausführungsformen zu unterstützen, wird nun in der nachfolgenden schriftlichen Spezifikation auf die Zeichnungen und Beschreibungen Bezug genommen. Es ist keine Beschränkung des Umfangs des Gegenstands der vorliegenden Anmeldung durch die Referenzen beabsichtigt. Diese Offenbarung schließt auch jegliche Veränderungen und Modifizierungen gegenüber den veranschaulichten Ausführungsformen ein und schließt ferner Anwendungen der Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen ein, wie sie normalerweise für jemanden mit Fachkenntnissen auf dem Gebiet, dem dieses Dokument angehört, offensichtlich sind.
  • Die Begriffe „umfassen“, „einschließen“, „haben bzw. aufweisen“ und dergleichen, wie bezüglich der Ausführungsformen der Offenbarung verwendet, sind synonym. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „ungefähr“ auf Werte, die innerhalb von ±10% des Referenzwerts liegen.
  • Die Ausführungsformen der weiter unten diskutierten Offenbarung sind auf jedes für eine Batterie gewünschte chemische Reaktionssystem anwendbar. Einige Beispiele beziehen sich auf Lithiumionen-Batterien zu Veranschaulichungszwecken. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ auf jede beliebige Batterie, die Lithium als ein aktives Material einschließt. Insbesondere schließen Lithiumionen-Batterien ohne Beschränkung Lithiumbatterien mit Flüssigelektrolyten, Festelektrolyten, Gelelektrolyten und Batterien, die üblicherweise als Lithiumpolymer-Batterien oder Lithiumionen-Polymer-Batterien bezeichnet werden, ein. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Gelelektrolyt“ auf ein Polymer, das mit einem Flüssigelektrolyt infundiert bzw. davon durchdrungen ist.
  • Nun Bezug nehmend auf die 1, schließt eine Batteriepackung 100 eine Vielzahl von Batteriezellen 102 ein, die in einem Packungsgehäuse 104 angeordnet sind. Jede von den Batteriezellen 102 schließt ein Zellgehäuse 106 ein, von dem ein positiver Pol bzw. eine positive Klemme 108 und ein negativer Pol 112 exponiert sind bzw. freiliegen. In einer parallelen Anordnung können die positiven Pole 108 durch einen Stromabnehmer 116 miteinander verbunden sein, und die negativen Pole 112 können durch einen anderen Stromabnehmer 120 miteinander verbunden sein. In einer Reihenanordnung können die positiven Pole 108 mit benachbarten negativen Polen 112 durch einen Stromabnehmer verbunden sein. Die Stromabnehmer 116, 120 sind mit den betreffenden positiven und negativen Polen 124, 128 der Batteriepackung verbunden, die mit einem externen Schaltkreis 132 verbunden sind, dem durch die Batteriepackung 100 Energie zugeführt werden kann oder der so konfiguriert sein kann, dass die Batteriepackung 100 aufgeladen wird.
  • Jede Batteriezelle 102 schließt eine Elektrodenkonfiguration 200 ein, die schematisch in der 1 veranschaulicht ist. Die Elektrodenkonfiguration 200 schließt eine positive Elektrode („Kathode“) 204, ein Trennelementschicht 208 und eine negative Elektrode („Anode“) 212 ein. In einigen Ausführungsformen sind mehrere Schichten der Elektrodenkonfiguration 200 zur Bildung eines Elektrodenstapels aufeinandergestapelt. In anderen Ausführungsformen ist die Elektrodenkonfiguration 200 um sich selbst spiralförmig gewunden, um eine so genannte „Jellyroll“- oder „Swiss-roll“- bzw. Biskuitrollen-Konfiguration zu bilden. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Elektrodenkonfiguration der Batterie 200 eine Festphasen-Batteriekonfiguration.
  • In einer Ausführungsform schließt die positive Elektrode 204 ein Komposit bzw. einen Verbundwerkstoff ein oder besteht aus diesem, das(der) Folgendes einschließt: ein Polymer, eine Flüssigkeit, Keramik oder Glas, gegebenenfalls mit einem leitenden Li-Salz, zum Beispiel LiPF6 oder LiTFSI (Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid); einen elektronisch leitenden Zusatz, wie Ruß; und ein aktives Material, das in reversibler Weise mit Li-Ionen reagiert, wie zum Beispiel Lithiummetalloxid (LixMO2, wobei M eines oder mehrere aus Ni, Co, Mn, Al und/oder anderen Übergangsmetallen ist).
  • In einigen Ausführungsformen schließt die negative Elektrode 212 der Batterie einen blanken Stromabnehmer, zum Beispiel Kupfermetall oder Lithiummetall, ein oder besteht daraus. In anderen Ausführungsformen schließt die negative Elektrode 212 folgendes ein oder besteht daraus: ein(einem) Komposit, das ein Polymer, eine Flüssigkeit, Keramik oder Glas, gegebenenfalls mit einem leitenden Li-Salz, wie LiPF6 oder LiTFSI; einen elektronisch leitenden Zusatz wie Ruß; und ein aktives Material, das in reversibler Weise mit Lithiumionen reagiert, zum Beispiel Graphit, Silicium, Siliciumoxid, eine Mischung aus Graphit, Silicium und/oder Siliciumoxid, oder andere gewünschte Materialien einschließt.
  • Die Trennelementschicht 208 liegt zwischen der positiven Elektrode 204 und der negativen Elektrode 212, um so die positive Elektrode 204 und die negative Elektrode 212 elektronisch voneinander zu trennen. Die Trennelementschicht 208 schließt wenigstens eine elektrisch isolierende und ionisch leitende Trennelement-Komponentenschicht 220a, 220b direkt neben einer der beiden oder beiden Elektroden 204, 212 in einer Li-Ionen-Batterie ein, um die Verwendung einer weiteren Trennelementschicht, zum Beispiel einer Protrusionsinhibitionsschicht 224 zu ermöglichen, die eine nicht zu vernachlässigende elektronische Leitfähigkeit besitzt, aber das Wachstum von Lithiumprotrusionen durch exzellente mechanische und chemische Eigenschaften oder exzellente Ionentransport-Eigenschaften begrenzen kann. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Protrusionsinhibitionsschicht“ auf eine Schicht, die so konfiguriert, angepasst und ausgelegt ist, dass sie das Wachstum von Lithiumprotrusionen durch die Trennelementschicht reduziert oder eliminiert.
  • Jede der 2 - 6 veranschaulicht eine unterschiedliche Konfiguration einer Trennelementschicht 208, 208a, 208b, 208c, 208d. Die Trennelementschichten 208, 208a, 208b, 208c, 208d schließen jeweils wenigstens eine elektronisch isolierende Schicht 220a, 220b und eine elektrisch leitfähige Protrusionsinhibitionsschicht 224 ein.
  • In der 2 sind die elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b durchgehende, elektronisch isolierende und ionisch leitende Schichten. Eine von den elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b ist zu jeder von der positiven Elektrode 204 bzw. der negativen Elektrode 212 benachbart positioniert. In einigen Ausführungsformen werden die zwei elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b aus demselben Material gebildet, während in anderen Ausführungsformen die zwei elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b aus unterschiedlichen Materialien gebildet werden. Jede von den elektronisch isolierenden Schichten ist aus Materialien gebildet, die chemisch mit der jeweiligen benachbarten Elektrode 204, 212 kompatibel sind.
  • In der Elektrodenkonfiguration 200a gemäß der 3 schließt die Trennelementschicht 208a eine elektronisch isolierende Schicht 220a nur auf der Seite der positiven Elektrode 204 der Trennelementschicht 208 ein. In der Ausführungsform von 3 ist die Protrusionsinhibitionsschicht 224 chemisch kompatibel mit der negativen Elektrode 212 und in Kontakt mit der negativen Elektrode 212. Während die Elektronen durch die Protrusionsinhibitionsschicht 224 geleitet werden können, verhindert die elektronisch isolierende Schicht 220a die Leitung zu der positiven Elektrode 204 und verhindert so einen Kurzschluss in einer Li-Ionen-Batterie mit der Elektrodenkonfiguration 200a.
  • In der Elektrodenkonfiguration 200b von 4 schließt die Trennelementschicht 208b eine elektronisch isolierende Schicht 220b nur auf der Seite der negativen Elektrode 212 der Trennelementschicht 208 ein. Die Protrusionsinhibitionsschicht 224 ist chemisch kompatibel mit der positiven Elektrode 204 und in Kontakt mit der positiven Elektrode 204. Während die Elektronen durch die Protrusionsinhibitionsschicht 224 der Trennelementschicht 208b fließen können, verhindert die elektronisch isolierende Schicht 220b die Leitung zu der negativen Elektrode 212 und verhindert so einen Kurzschluss der Elektrodenkonfiguration 200b.
  • Die elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b können verschiedene Zusammensetzungen haben und können zum Beispiel Keramik-, Glas- und/oder Polymer-Materialien einschließen. In einigen Ausführungsformen sind die elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b durchgehende homogene Schichten, während in anderen Ausführungsformen die elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b Partikel oder Flocken oder eine Schicht, die Defekte, wie Nadellöcher oder Risse, enthält, einschließen, mit der Maßgabe, dass die eingeführten Lücken zwischen Partikeln/Flocken oder Defekten in der Schicht elektronisch isolierend sind.
  • In einigen Ausführungsformen haben die elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b eine Dicke von weniger als 2 µm während in anderen Ausführungsformen die elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b eine Dicke von weniger als 1 µm haben, und in noch weiteren Ausführungsformen eine Dicke von weniger als 0,5 µm haben. In den Ausführungsformen der elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b, die Partikel einschließen, liegen die Dimensionen der Partikel unterhalb von der Gesamtdicke der elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b.
  • In verschiedenen Ausführungsformen schließen die elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b ein Material oder mehrere von den folgenden Materialien ein: PEO mit leitendem Salz; Gele mit dem Zusatz von Carbonatlösungsmittel und leitendem Salz; Einzelionen-Leiter aus Keramik, wie LLZO (Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid oder Lithium-Lanthan-Zirkonat), LiPON (Lithiumphosphoroxynitrid), LATP (Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat), etc.; Einzelionen-Leiter aus Glas; ALD (Schichten von abgeschiedenen atomaren) Schichten aus Lithium leitenden, elektronisch isolierenden Materialien, wie Al2O3, Li3P, Si3N4; und Kationenaustausch-Polymere wie Nafion. In einigen Ausführungsformen können die elektronisch isolierenden Schichten eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10-4 S/m haben. In weiteren Ausführungsformen hat die elektronisch isolierende Schicht eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10-6 S/m.
  • In einigen Ausführungsformen hat bzw. haben die elektronisch isolierende(n) Schicht(en) 220a, 220b eine geringe Permeabilität gegenüber Gegenionen, wobei dies diejenigen Ionen sind, die nicht an den Elektrodenreaktionen teilhaben. Wie hierin verwendet, ist „geringe Permeabilität gegenüber Gegenionen“ in der Bedeutung definiert, dass die Schicht eine geringere Permeabilität gegenüber den Gegenionen besitzt, im Vergleich zu der Permeabilität gegenüber denjenigen Ionen, die an den Elektrodenreaktionen beteiligt sind. Zum Beispiel ist ein Salz, das in einer Lithiumionen-Batterie verwendet werden kann, LiPF6 (Lithiumhexafluorphosphat). Die Lithiumionen, Li+, reagieren an den Elektroden während des Betriebs der Batterie. Die PF6 --Ionen reagieren nicht an den Elektroden und gelten daher als die Gegenionen. Beispiele von Schichten mit einer geringen Permeabilität gegenüber Gegenionen werden in der U. S.-Patentveröffentlichung Nr. 2018/0358598 beschrieben, deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme inbegriffen ist.
  • Die Verwendung einer Schicht mit einer geringen Gegenionenpermeabilität als die elektronisch isolierende(n) Schicht(en) 220a, 220b ermöglicht es, dass die Batterie 100 andere Gegenionen nahe der positiven Elektrode 204 hat als nahe der negativen Elektrode 212. Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform LiBF4 (Lithiumtetrafluorborat) verwendet, um die Gegenionen nahe der positiven Elektrode 204 vorzusehen, während LiTFSI (Lithium(bis(trifluormethansulfonyl)imid) verwendet wird, um die Gegenionen nahe der negativen Elektrode 212 vorzusehen. Die Verwendung von unterschiedlichen Gegenionen an der positiven Elektrode 204 und der negative Elektrode 212 sorgt für eine größere Spannungsstabilität, reduziert die Herstellungskosten und/oder ermöglicht größere Stromdichten im Vergleich zu Batterien, die in einer Batterie ein einziges Salz überall verwenden.
  • In Ausführungsformen, in denen eine Schicht mit einer niedrigen Gegenionenpermeabilität, bei der es sich um eine oder mehrere von den elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b handelt, auch eine niedrige Permeabilität gegenüber Lösungsmitteln besitzt, ist es ferner ermöglicht, dass die Batterie 100 andere Lösungsmittel nahe der positiven Elektrode 204 als nahe der negativen Elektrode 212 aufweist. Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform das Lösungsmittel Polyethylenoxid (oder ein Blockcopolymer, das Polyethylenoxid enthält) als ein Elektrolyt in dem Trennelement 208 verwendet, während Acetonitril als der Elektrolyt in der positiven Elektrode 204 verwendet wird. Diese Kombination ermöglicht in vorteilhafter Weise die Verwendung eines aktiven Materials für eine positive Elektrode für eine höhere Spannung, zum Beispiel NCA, aufgrund der hohen Spannungsstabilität von Acetonitril, wobei dies die Energiedichte erhöht, während auch ein stabiles, mechanisch robustes Trennelement 208 für Niederspannung ermöglicht wird.
  • In einer speziellen Ausführungsform ist die Konzentration von Salz nahe der negativen Elektrode 212 höher als die Konzentration von Salz nahe der positiven Elektrode 204. Die Verwendung von unterschiedlichen Salzkonzentrationen ermöglicht es, dass die Batterie 100 eine größere Leistung der Aufladungsrate besitzt und auch die Alterung der Batterie 100 herabgesetzt wird. Der Bereich der Konzentrationen nahe der negativen Elektrode kann zwischen 10% und 99% auf Massebasis betragen, während der Bereich der Konzentrationen nahe der positiven Elektrode zwischen 10% und 99% auf Massebasis betragen kann.
  • Darüber hinaus ermöglicht in einigen Ausführungsformen die Hinzufügung einer Schicht mit einer niedrigen Gegenionenpermeabilität als die elektronisch isolierende(n) Schicht(en) 220a, 220b die Verwendung von unterschiedlichen Zusätzen nahe der negativen Elektrode 212 und nahe der positiven Elektrode 204, vorausgesetzt, dass es auch eine Schicht mit einer geringen Permeabilität für die Zusätze ist. Solche Zusätze können die Grenzflächenstabilität zwischen Materialien in der Elektrodenkonfiguration 200 verbessern. Zum Beispiel kann Vinylencarbonat gegen die negative Elektrode 212 in einigen Ausführungsformen verwendet werden.
  • In anderen Ausführungsformen kann bzw. können eine oder beide von den elektronisch isolierenden Schichten 220a, 220b eine Einzelionen leitende (SIC) Schicht einschließen. Beispiele von SIC-Schichten, die in verschiedenen Ausführungsformen als die elektronisch isolierende Schicht verwendet werden, sind in der U.S.-Patentveröffentlichungs-Nr. 2019/0036158 beschrieben, deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme inbegriffen ist.
  • Die elektronisch isolierende(n) SIC-Schicht(en) 220a, 220b kann bzw. können eine relativ dünne, durchgehende Einzelionen leitende Schicht sein, die auf einer oder beiden der Elektroden 204, 212 abgeschieden wird. In einigen Ausführungsformen kann bzw. können die elektronisch isolierende(n) SIC-Schicht(en) 220a, 220b aus Lithiumphosphoroxynitrid („LiPON“) gebildet sein, das eine niedrige Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur hat (ungefähr 10-6 S/cm), aber als ein dünner Film abgeschieden werden kann, um den Ionenwiderstand der elektronisch isolierenden SIC-Schicht(en) 220a, 220b zu verringern.
  • Die elektronisch isolierende(n) SIC-Schicht(en) 220a, 220b dient bzw. dienen zur Kompartimentierung des Salzes in jeder Elektrode 204, 212, wodurch der Gegenionentransport reduziert wird und die Salzpolarisation oder die Konzentrationsunterschiede bei hohen Strömen verringert wird bzw. werden. Als eine Folge davon wird die Leistung der Aufladungs- und der Entladungsrate der Batteriezelle gegenüber einer herkömmlichen Batterie verbessert.
  • Da die elektronisch isolierende(n) Schicht(en) 220a, 220b zur Verhinderung eines Kurzschlusses der Batterie durch das Trennelement 208 dient bzw. dienen, kann eine größere Vielzahl von Materialien für die Protrusionsinhibitionsschicht 224 verwendet werden. Insbesondere, weil die elektronisch isolierende(n) Schicht(en) 220a, 220b ein Kurzschließen der Batterie verhindert bzw. verhindern, kann die Protrusionsinhibitionsschicht infolge der Einbindung eines Materials als Bestandteil, welches das Wachstum von Lithiumprotrusionen durch das Trennelement 208 wirksam begrenzt, eine nicht zu vernachlässigende elektronische Leitfähigkeit aufweisen. Wenn das Material für die Protrusionsinhibitionsschicht 224 nicht durch die Anforderung eingeschränkt wird, dass es elektronisch isolierend sein muss, gibt es zahlreiche Optionen zum Begrenzen des Wachstums von Lithiumprotrusionen durch das Trennelement 208. Zum Beispiel kann das Wachstum von Lithiumprotrusionen als eine Folge der mechanischen Robustheit der Protrusionsinhibitionsschicht 224, der Fähigkeit der Protrusionsinhibitionsschicht 224, Lithiumprotrusionen chemisch zu stoppen, begrenzt werden, oder die Schicht 224 kann einen überlegenen Ionentransport aufweisen im Vergleich zum gegenwärtigen Stand der Technik. In einigen Ausführungsformen hat zum Beispiel die Protrusionsinhibitionsschicht eine elektrische Leitfähigkeit, die größer als 10-4 S/m ist, während die Protrusionsinhibitionsschicht 224 in anderen Ausführungsformen eine elektrische Leitfähigkeit von größer als 0,01 S/m hat.
  • In einigen Ausführungsformen besteht die Protrusionsinhibitionsschicht 224 aus einem reinen Material, während die Protrusionsinhibitionsschicht 224 in anderen Ausführungsformen ein Komposit einschließt oder daraus besteht, das mehrere Materialien als Bestandteile einschließt. Die Protrusionsinhibitionsschicht 224 kann wenigstens ein Material als Bestandteil einschließen, welches das Wachstum von Lithiumprotrusionen inhibiert, die Protrusionsinhibitionsschicht 224 jedoch elektronisch leitend und daher ungeeignet für die Verwendung als ein Trennelement in einer herkömmlichen Batteriezellenstruktur macht.
  • Die 5 veranschaulicht eine Ausführungsform, in welcher die Protrusionsinhibitionsschicht 224a des Trennelements 208c aus einem ersten Lithiumionen leitenden Material 236a und wenigstens einem das Lithiumprotrusions-Wachstum inhibierenden Bestandteil 240a gebildet ist. In einigen Ausführungsformen schließt das Lithiumionen leitende Material 236a einen Lithiumionen-Festlektrolyten wie Polyethylenoxid, LLZO, LiPON, LATP, Li2S-P2S5, Li3PS4 und/oder irgendeinen anderen erwünschten Lithiumionen-Fest- bzw. Massivleiter ein oder besteht daraus.
  • Die Protrusionsinhibitionsschicht 224a schließt ferner wenigstens einen Bestandteil 240 ein, der das Wachstum von Lithiumprotrusionen durch eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Schicht 224a inhibiert, zum Beispiel durch Erhöhen der Duktilität bzw. Dehnbarkeit, der Zugfestigkeit oder der Bruchzähigkeit der Protrusionsinhibitionsschicht 224a. Der das Lithiumprotrusions-Wachstum inhibierende Bestandteil 240, welcher die mechanischen Eigenschaften des Elektrolyten verbessert, jedoch zu einer nicht zu vernachlässigenden elektronischen Leitfähigkeit der Protrusionsinhibitionsschicht 224a führt, kann zum Beispiel Kohlenstoffnanoröhrchen, Silbernanodrähte, Silber-, Stahl-, Kupfer- oder Lithiumpartikel oder andere erwünschte Materialien, die elektronisch leitend sind und entweder eine hohe Zugfestigkeit, hohe Duktilität oder eine hohe Bruchzähigkeit aufweisen, einschließen oder daraus bestehen. Zum Beispiel kann die Protrusionsinhibitionsschicht 224a eine mechanisch robuste Schicht mit einem Schubmodul von größer als 1/10 des Schubmoduls von Lithiummetall sein, und in einer speziellen Ausführungsform größer als das Doppelte des Schubmoduls von Lithiummetall bei der Betriebstemperatur der Batterie. Des Weiteren oder alternativ kann die mechanisch robuste Protrusionsinhibitionsschicht 224a in einigen Ausführungsformen eine Bruchzähigkeit von größer als 104 Pa*m1/2 haben, während in anderen Ausführungsformen die mechanisch robuste Protrusionsinhibitionsschicht 224a eine Bruchzähigkeit von größer als 105 Pa*m1/2 hat.
  • Die 6 veranschaulicht eine Ausführungsform, in welcher die Protrusionsinhibitionsschicht 224b des Trennelements 208d ein Lithiumionen leitendes Material 236b und einen das Lithiumprotrusionswachstum inhibierenden Bestandteil 240b, der chemisch mit Lithiumprotrusionen reagiert, einschließt, um das Wachstum von Lithiumprotrusionen zu begrenzen. Das Lithiumionen leitende Material 236b kann zum Beispiel ein Lithiumionen-Festelektrolyt, wie Polyethylenoxid, LLZO, LiPON, LATP, Li2S-P2S5, Li3PS4, oder jeder beliebige andere Lithiumionen-Massivleiter sein. Der das Lithiumprotrusions-Wachstum inhibierende Bestandteil reduziert oder beendet das Wachstum von Lithiumprotrusionen auf chemische Weise, zum Beispiel durch Legieren mit dem Lithium in den Protrusionen. Der das Wachstum inhibierende Bestandteil 240b kann zum Beispiel eines oder mehrere aus Aluminium, Zinn, Magnesium, Silicium, Silber und Gold oder jedes andere geeignete Material, das chemisch mit Lithium reagiert, einschließen. Der das Wachstum inhibierende Bestandteil 240b ist so konfiguriert, dass, sobald der das Wachstum inhibierende Bestandteil 240b beginnt, mit dem Lithium unter Legieren mit dem Lithium zu reagieren, das Wachstum der Protrusionen des Lithiums reduziert oder beendet wird.
  • In herkömmlichen Batterien ist das Material, aus dem ein Trennelement gebildet wird, auf Materialien beschränkt, die elektronisch isolierend sind, um ein Kurzschließen der Batterie zu verhindern. In der vorliegenden Offenbarung dagegen sieht bzw. sehen die elektronisch isolierende(n) Schicht(en) 220a, 220b die elektronische Isolierung vor, wodurch die Verwendung eines Materials, das elektronisch leitend ist, als eine Lithiumprotrusions-Inhibitionsschicht 224, 224a, 224b, ermöglicht wird. Als eine Folge davon kann, da die Bildung oder das Wachstum von Lithiumprotrusionen inhibiert wird, die Batterie bei höheren Stromdichten betrieben werden als herkömmliche Batterien, ohne zu riskieren, dass Protrusionen einen Kurzschluss in der Batterie verursachen.
  • Man wird anerkennen, dass Varianten der oben stehend beschriebenen Merkmale und Funktionen sowie von anderen oder von Alternativen davon in erwünschter Weise zu zahlreichen anderen unterschiedlichen Systemen, Anwendungen oder Verfahren kombiniert werden können. Durch Fachleute können anschließend verschiedene, derzeit nicht vorhergesehene oder nicht erwartete Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen vorgenommen werden, die ebenfalls durch die vorausgehende Offenbarung umfasst sein sollen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2018/0358598 [0039]

Claims (19)

  1. Elektrodenkonfiguration für eine Batteriezelle, umfassend: eine positive Elektrode; eine negative Elektrode; und ein Trennelement, das zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode liegt, wobei das Trennelement Folgendes umfasst: eine elektrisch leitfähige Protrusionsinhibitionsschicht; und eine erste Isolierschicht, welche zwischen der Protrusionsinhibitionsschicht und einer von der positiven und der negativen Elektrode liegt und dabei die erstere gegenüber der betreffenden Elektrode elektrisch isoliert.
  2. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 1, wobei die Protrusionsinhibitionsschicht so konfiguriert ist, das Wachstum von Lithiumprotrusionen auf der anderen der positiven und der negativen Elektrode mechanisch zu inhibieren.
  3. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 2, wobei die Protrusionsinhibitionsschicht eines oder mehrere von Kohlenstoffnanoröhrchen, Sibernanodrähten, Silberpartikeln, Stahlpartikeln, Kupferpartikeln und Lithiumpartikeln umfasst.
  4. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 3, wobei die Protrusionsinhibitionsschicht ferner ein erstes, Lithiumionen leitendes Material umfasst, welches wenigstens ein Material einschließt, das aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus Polyethylenoxid, Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid (LLZO), Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON), Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP), Li2S-P2S5 und Li3PS4.
  5. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 1, wobei die Protrusionsinhibitionsschicht so konfiguriert ist, das Wachstum von Lithiumprotrusionen auf der anderen der positiven und der negativen Elektrode chemisch zu inhibieren.
  6. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 5, wobei die Protrusionsinhibitionsschicht ein Legierungsmaterial umfasst, das sich mit Lithium in der Batterie legiert, um so das Wachstum von Lithiumprotrusionen zu inhibieren.
  7. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 6, wobei das Legierungsmaterial ein Material oder mehrere Materialien einschließt, das bzw. die aus der Gruppe gewählt ist bzw. sind, bestehend aus Aluminium, Zinn, Magnesium, Silicium, Silber und Gold.
  8. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 6, wobei die Protrusionsinhibitionsschicht ferner ein Lithiumionen leitendes Material umfasst, das wenigstens ein Material einschließt, das aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus Polyethylenoxid, Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid (LLZO), Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON), Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP), Li2S-P2S5 und Li3PS4.
  9. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 1, wobei die erste elektronisch isolierende Schicht, ein Material oder mehrere Materialien einschließt, das bzw. die aus der Gruppe gewählt ist bzw. sind, bestehend aus: PEO mit leitendem Salz; Gelen mit dem Zusatz von Carbonatlösungsmittel und leitendem Salz; Einzelionen-Leiter aus Keramik; Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid (LLZO); Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON); Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP); Einzelionen-Leiter aus Glas; Schichten von abgeschiedenen atomaren Schichten aus Lithium leitenden, elektronisch isolierenden Materialien; Al2O3; Li3P; Si3N4; Kationenaustausch-Polymeren; und Nafion.
  10. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 1, wobei die erste elektronisch isolierende Schicht geringe Permeabilität für Gegenionen aufweist.
  11. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 1, wobei die erste elektronisch isolierende Schicht eine Einzelionen leitende Schicht einschließt.
  12. Elektrodenkonfiguration nach Anspruch 1, wobei das Trennelement ferner eine zweite Isolierschicht umfasst, welche die Protrusionsinhibitionsschicht von der anderen der positiven und der negativen Elektrode elektrisch isoliert.
  13. Batteriezelle, umfassend: eine Elektrodenkonfiguration, umfassend: eine positive Elektrode; eine negative Elektrode; und ein Trennelement, das zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode liegt, wobei das Trennelement Folgendes umfasst: eine elektrisch leitfähige Protrusionsinhibitionsschicht; und eine erste Isolierschicht, welche zwischen der Protrusionsinhibitionsschicht und einer von der positiven und der negativen Elektrode liegt und dabei die erstere von der betreffenden Elektrode elektrisch trennt.
  14. Batteriezelle gemäß Anspruch 13, wobei die Protrusionsinhibitionsschicht so konfiguriert ist, das Wachstum von Lithiumprotrusionen auf der anderen der positiven und der negativen Elektrode mechanisch zu inhibieren.
  15. Batteriezelle gemäß Anspruch 14, wobei die Protrusionsinhibitionsschicht eines oder mehrere von Kohlenstoffnanoröhrchen, Sibernanodrähten, Silberpartikeln, Stahlpartikeln, Kupferpartikeln und Lithiumpartikeln umfasst.
  16. Batteriezelle gemäß Anspruch 15, wobei die Protrusionsinhibitionsschicht ferner ein erstes, Lithiumionen leitendes Material umfasst, das wenigstens ein Material einschließt, das aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus Polyethylenoxid, Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid (LLZO), Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON), Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP), Li2S-P2S5 und Li3PS4.
  17. Batteriezelle gemäß Anspruch 13, wobei die Protrusionsinhibitionsschicht so konfiguriert ist, das Wachstum von Lithiumprotrusionen auf der anderen der positiven und der negativen Elektrode chemisch zu inhibieren.
  18. Batteriezelle gemäß Anspruch 17, wobei die Protrusionsinhibitionsschicht ein Legierungsmaterial umfasst, das sich mit Lithium in der Batterie legiert, um so das Wachstum von Lithiumprotrusionen zu inhibieren.
  19. Batteriezelle gemäß Anspruch 18, wobei das Legierungsmaterial ein Material oder mehrere Materialien einschließt, das bzw. die aus der Gruppe gewählt ist bzw. sind, bestehend aus Aluminium, Zinn, Magnesium, Silicium, Silber und Gold.
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