DE112021002698T5

DE112021002698T5 - Kathode für festkörper-lithium-batterie

Info

Publication number: DE112021002698T5
Application number: DE112021002698.4T
Authority: DE
Inventors: Juchuan Li; Daniel J. Hoffman; Sally S. Lou
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2023-02-16
Also published as: CN117096425A; US20210359339A1; CN115868058A; CN117096426A; WO2021231520A1

Abstract

Die Offenbarung stellt eine Festkörperbatterie bereit, die eine Kathode umfasst, die ein leitendes Material auf Lithiumbasis mit einer Porosität von weniger als oder gleich 6% und einer Oberflächenrauheit von gleich oder weniger als 300 nm einschließt. Die Festkörperbatterie kann auch eine Anode und einen Festelektrolyten zwischen der Kathode und der Anode einschließen.

Description

PRIORITÄT
Diese Patentanmeldung beansprucht den Nutzen unter 35U.S.C. § 119(e) der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 63/023,364, mit dem Titel „Cathode for Solid-State Lithium Battery“, eingereicht am 12. Mai 2020, die hierin durch Bezugnahme darauf in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
GEBIET
Die Offenbarung bezieht sich auf die Fertigung von Vollfestkörper-Lithiumbatterien mit hoher Kapazität aus Festkathoden.
HINTERGRUND
In jüngster Zeit wurde die Festkörper-Lithium(-Ionen)-Batterie als eine der Kandidatinnen für Leistungsquellen für verschiedene Anwendungen identifiziert. Es besteht nach wie vor die Notwendigkeit, Festkörper-Lithiumbatterien mit verbesserter elektrochemischer Leistungsfähigkeit zu entwickeln.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Die Offenbarung stellt eine Festkörperbatterie bereit. In einer Ausführungsform kann die Festkörperbatterie eine Kathode einschließen, die ein leitendes Material auf Lithiumbasis mit einer Porosität von weniger als oder gleich 6% und einer Oberflächenrauheit von gleich oder weniger als 300 nm umfasst. Die Festkörperbatterie kann auch eine Anode und einen Festelektrolyten zwischen der Kathode und der Anode einschließen.
In einer Ausführungsform kann die Festkörperbatterie eine Kathode einschließen, die ein leitendes Material auf Lithiumbasis mit einer Diffusivität zwischen 1×10^-9 und 1×10^-g cm²/s umfasst. Die Festkörperbatterie kann auch eine Anode und einen Festelektrolyten zwischen der Kathode und der Anode einschließen.
In einer Ausführungsform kann die Festkörperbatterie eine Kathode einschließen, die ein leitendes Material auf Lithiumbasis umfasst. Die Festkörperbatterie kann auch eine Anode und einen Festelektrolyten zwischen der Kathode und der Anode einschließen. Die Batterie hat einen Widerstand zwischen 40 Ω · cm² und 200 Ω·cm²
In einer Ausführungsform stellt die Offenbarung ein Verfahren zum Bilden der Kathode bereit. Das Verfahren kann das Bilden der Kathode durch eine Filmabscheidungstechnik einschließen. Das Verfahren kann auch das Polieren einer Oberfläche der Kathode einschließen. Das Verfahren kann ferner das Reaktivieren der Oberfläche der Kathode durch Reinigung durch Sauerstoffplasmabehandlung einschließen. In einigen Ausführungsformen kann die Filmabscheidungstechnik Galvanisierung einschließen.
Zusätzliche Ausführungsformen und Merkmale sind zum Teil in der folgenden Beschreibung dargelegt, und werden für den Fachmann aus dem Studium dieser Patentschrift offensichtlich oder können durch die Praxis des offenbarten Gegenstands gelernt werden. Ein weiteres Verständnis der Natur und der Vorteile der Offenbarung kann durch Bezugnahme auf die verbleibenden Abschnitte der Patentschrift und den Zeichnungen realisiert werden, die einen Teil dieser Offenbarung bilden.
Figurenliste
Die Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren und Datengrafiken offensichtlicher, welche als verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung präsentiert werden und nicht als eine vollständige Aufzählung des Umfangs der Offenbarung verstanden werden sollte, wobei:

1 eine Struktur einer Festkörper-Lithiumbatterie gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
2 ein Flussdiagramm ist, das die Schritte zum Bilden einer polierten und gereinigten Kathode gemäß Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht;
3 die Kapazität, die Ausbeute und die Oberflächenrauheit für Kathoden in einem Zustand wie abgeschieden, einem polierten Zustand und einem polierten und plasmaaktivierten Zustand gemäß Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
4 die Kapazität gegenüber der Kathodendicke für eine Festkörper-Li-Batterie gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
5 die Energiedichte gegenüber der Kathodendicke für eine Festkörper-Li-Batterie gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
6 ein rasterelektronenmikroskopisches (REM) Bild eines Querschnitts der offenbarten galvanisierten Kathode zeigt, die eine hohe relative Dichte und eine geringe Porosität gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht;
7 ein REM-Bild eines Querschnitts einer galvanisierten Kathode für eine herkömmliche Batterie mit flüssigem Elektrolyt zeigt, das eine geringe Dichte und hohe Porosität gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht;
8 ein REM-Bild eines Querschnitts einer Kathode wie abgeschieden zeigt, das eine hohe Oberflächenrauheit gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht;
9 ein REM-Bild eines Querschnitts einer polierten Kathode zeigt, das eine geringe Oberflächenrauheit gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht;
10 eine höhere Li-Ionendiffusivität der offenbarten galvanisierten Kathode als herkömmliche Kathodenmaterialien gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
11 die Atomkonzentrationen verschiedener Elemente, einschließlich Kohlenstoff (C), Fluor (F), Sauerstoff (O), Lithium (Li) und Kobalt (Co), gegenüber der Sputtertiefe für eine polierte Kathodenoberfläche gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
12 XPS-Spektren einer Kathodenoberfläche wie abgeschieden und einer polierten Kathodenoberfläche gemäß Ausführungsformen der Offenbarung zeigt.
13 zeigt die Kapazität gegenüber den Zyklen für Festkörper-Li-Batterien gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung;
14 zeigt den Widerstand gegenüber den Zyklen für Festkörper-Li-Batterien gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung; und
15 zeigt die Kapazität gegenüber den Entladungsraten für Festkörper-Li-Batterien gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Offenbarung kann durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, wie nachstehend beschrieben, verstanden werden. Es sei klargestellt, dass zu Zwecken der Klarheit der Veranschaulichung bestimmte Elemente in verschiedenen Zeichnungen nicht maßstabsgetreu dargestellt sein können.
Überblick
Festkörper-Lithiumbatterien und Kathoden für eine Festkörper-Lithiumbatterie werden bereitgestellt. Die offenbarte Festkörperlithium(-Ionen)-Batterie einschließlich einer galvanisierten Kathode weist verbesserte Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Festkörperbatterien auf. Diese Eigenschaften schließen eine oder mehrere von verbesserter Kapazität, Energiedichte und Ratenleistungsfähigkeit im Vergleich zu einer herkömmlichen Lithium (Li)-Ionen-Batterie mit einem flüssigen Elektrolyten ein.
Verbundkathoden für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien schließen aktive Partikel aus Lithium-Übergangsmetalloxid, leitende Additive und Bindemittel ein. Beim Laden und Entladen kann der Lithiumtransport unter den aktiven Partikeln durch den infiltrierten Flüssigelektrolyten realisiert werden. Da es in einer Festkörperbatterie keinen fließfähigen Flüssigelektrolyten gibt, können Kathodenstrukturen den Li-Transport realisieren, ohne die Leistungsfähigkeit der Batterie zu beeinträchtigen. Kathoden können eine hohe relative Dichte und geringe Porosität, eine geringe Oberflächenrauheit, eine saubere Grenzfläche aufweisen, um eine einfache Grenzflächenkinetik, eine gute Ratenleistung, eine hohe Energiedichte und/oder eine stabile Zyklusleistungsfähigkeit in Festkörperbatterien sicherzustellen.
Festkörper-Lithiumbatterie
1 zeigt eine Struktur einer Festkörper-Lithiumbatterie gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung. Eine Festkörper-Lithiumbatterie 100 schließt einen Anodenstromkollektor 102 und eine Metallanode 104 ein. Die Metallanode 104 kann unter anderem eine Li-Metallanode sein. In einigen Variationen schließt die Anode unter anderem ein Li-Metall ein. In einigen Variationen kann die Anode eine Dicke im Bereich von 5 bis 20 µm aufweisen. Die Batterie 100 schließt ferner einen Stromkollektor oder ein leitendes Substrat 110 zum Abstützen einer Kathode 108 ein. Der Stromkollektor 110 kann aus verschiedenen leitenden Materialien gebildet werden, einschließlich Aluminium, einer Aluminiumfolie, Edelstahl und anderen Materialien.
Die Batterie 100 schließt auch einen Festelektrolyten 106 zwischen der Kathode 108 und der Anode 104 ein. In einigen Variationen schließt der Festelektrolyt unter anderem Lithium-Phosphor-Oxy-Nitrid oder LiPON ein. In einigen Variationen kann der Festelektrolyt eine Dicke im Bereich von 1 bis 2 µm aufweisen.
Die Batterie 100 schließt auch die Kathode 108 ein, die aus einem elektronisch leitenden Material besteht. In einigen Variationen wird die Kathode aus einem Material gebildet, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn₂O₄, LiNi_0,5Mn_1,5O₄, Li(Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3)O₂, Li(Ni0_,8Co_0,1Al_0,1)O₂ und Li₃VO₄. In einigen Variationen schließt die Kathode ein galvanisiertes LiCoO₂ ein.
Die Kathode 108 kann wie folgt eine oder mehrere Eigenschaften aufweisen. (1) In einigen Variationen kann die Kathode eine geringe Porosität und eine hohe relative Dichte aufweisen, sodass sie eine Porosität von weniger als 6% und eine relative Dichte von mehr als 94% aufweist, was die Festkörper-Ionendiffusion in der Kathode unterstützen kann. (2) In einigen Variationen kann die Kathode ferner eine geringe Oberflächenrauheit aufweisen, sodass die Rauheit weniger als 300 nm beträgt, was die Ausbeute der Festkörperbatterie erhöhen kann. (3) In einigen Variationen kann die Oberfläche der Kathode sauber sein, z. B. frei von Carbonat, um einen engen Kontakt an der Grenzfläche Kathode/Festelektrolyt aufzuweisen, wodurch eine einfache Ladungsübertragung und gute elektrochemische Leistungsfähigkeit ermöglicht wird. (4) In einigen Variationen ist die Dicke der Kathode größer als die Dicke herkömmlicher Kathoden von Festkörperbatterien (z. B. zwischen 10 µm und 200 µm). (5) In einigen Variationen weist die Kathode eine höhere Diffusivität auf (z. B. eine effektive/scheinbare D zwischen 1×10^-9 und 1×10^-1 cm²/s) als herkömmliche Festkörperkathoden. (6) In einigen Variationen weist die Zelle einen Widerstand, e/g/. DCIR, zwischen 40 und 200 Ω · cm² auf. Eine oder mehrere dieser Eigenschaften können in den Kathoden in jeder Kombination vorhanden sein.
Prozesse
Der Prozessablauf zur Herstellung der Festkörperbatterie kann einen oder mehrere der folgenden Schritte einschließen: (1) Herstellen der Kathode (z. B. LiCoO2) mittels Filmabscheidungstechnik, wie z. B. Elektroabscheidung, um eine hohe relative Dichte zu erreichen; (2) Reduzieren der Oberflächenrauheit, z. B. durch Verwendung von mechanischem Polieren oder Elektropolieren; (3) Reaktivieren der Kathode durch Verwendung von thermischem Glühen, Plasmabehandlung, Laserbehandlung oder Elektronenstrahlbehandlung; und (4) Abscheiden von Elektrolyt und Anode durch Verwendung von z. B. Sputtern und Verdampfen.
2 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte zum Bilden einer polierten und gereinigten Kathode gemäß Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht. Ein Verfahren 200 schließt die Fertigung einer Kathode durch Galvanisieren im Betrieb 202 ein. Die Kathode weist eine hohe relative Dichte (z. B. > 94%) und eine geringe Porosität (z. B.< 6%) auf. Die hohe relative Dichte und die geringe Porosität ermöglichen die Festkörper-Ionendiffusion in der Kathode in Abwesenheit eines mobilen Flüssigelektrolyten.
Eine hohe relative Dichte und eine geringe Porosität können sich auf die folgende Gleichung beziehen: $Relative Dichte = 100 % - Porosit \ddot{a} t$
Porosität und relative Dichte lassen sich durch Messungen unter Verwendung eines archimedischen Verfahrens bestimmen. Porosität und relative Dichte können auch durch Verwendung von Mikroskopie und Bildanalyse für 2D-Porosität oder relative Dichte bestimmt werden, und dann kann 3D-Porosität oder Dichte berechnet werden.
Das Verfahren 200 schließt einen Schritt des Polierens der Kathodenoberfläche ein, um die Oberflächenrauheit im Betrieb 206 zu verringern. Die Kathode wie abgeschieden weist eine hohe Oberflächenrauheit auf und führt zu einer geringen Produktionsausbeute. Eine geringe Oberflächenrauheit kann ein Faktor für das Bereitstellen einer ausreichenden höheren Ausbeute der Festkörperbatterie sein. Das Polieren schließt unter anderem mechanisches Polieren, elektrochemisch-mechanisches Polieren, elektrisches Polieren oder Laserablation ein.
In einigen Variationen kann der Kathodenpolierprozess die folgenden Schritte einschließen. Erstens kann die Kathode durch Verwendung einer Schleifmaschine oder manuell mit einem Schleifpapier poliert werden. Zweitens kann ein Polierprozess mit einem groben Schleifpapier begonnen und schrittweise auf ein feines Schleifpapier umgestellt werden. (Die Körnung der Schleifpapiere ist ein Maßstab für die Größe der Schleifmaterialien auf dem Schleifpapier. Eine höhere Körnungszahl entspricht einem feineren Schleifmittel, das glattere Oberflächengüten erzeugt. Niedrigere Körnungszahlen stellen gröbere Schleifmittel dar, die Materialien schneller abstreifen. In verschiedenen Gesichtspunkten kann das Schleifpapier verschiedene Körnungsgrade aufweisen, die 400, 800, 1200, 1600 und 2000 einschließen.) Die Kathodenprobe kann zwischen den einzelnen Schleifschritten gedreht werden, zum Beispiel um 90°. Drittens kann die Kathode nach jedem Schleifschritt gespült werden, z. B. in Isopropylalkohol, Aceton oder Wasser, um Rückstände des Schleifmittels zu entfernen.
Die Ausbeute wurde im Wesentlichen verbessert, wenn die Oberflächenrauheit der Kathode reduziert wurde. Das Polieren verschlechterte jedoch häufig die chemischen Strukturen der Oberfläche, was zu einer verminderten Leistung der Kathode führte, zum Beispiel zu einer reduzierten Kapazität. Das Verfahren 200 kann ferner einen Reaktivierungsprozess einschließen, um Kontaminanten, einschließlich Lithiumcarbonate, von der polierten Kathodenoberfläche im Betrieb 210 zu entfernen. Der Reaktivierungsprozess kann unter anderem durch thermisches Glühen, Plasmabehandlung, Laserbehandlung oder Elektronenstrahlbehandlung erfolgen, wodurch die Oberflächenchemie/Phasenreinheit der Kathode erneuert werden kann. Zum Beispiel kann die Plasmabehandlung Sauerstoffplasmabehandlung einschließen. Die Sauerstoffbehandlung ist der Prozess, bei dem Sauerstoff in einer Vakuumkammer ionisiert wird, um ein Sauerstoffplasma zu bilden und die Oberfläche eines Materials zu verändern. Der Prozess wird in einer Plasmakammer unter niedrigem Druck durchgeführt. Die Sauerstoffplasmabehandlung kann die Oberflächenchemie/Phasenreinheit der Kathode erneuern. Mit dem Reaktivierungsprozess kann die Kapazität der Batterie wesentlich verbessert werden.
In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der Reaktivierungstechnik um eine Plasmabehandlung. Die Plasmabehandlung kann Verunreinigungen und Kontaminanten von Oberflächen durch die Verwendung eines energetischen Plasmas entfernen, das aus gasförmigen Stoffen erzeugt wird. Es werden Gase wie Argon und Sauerstoff, aber auch Gemische wie Luft und Wasserstoff/Stickstoff verwendet. Das Plasma wird durch Verwendung von Hochfrequenzspannungen (in der Regel kHz bis MHz) zur Ionisierung des Niederdruckgases (z. B. etwa 1/1000 atmosphärischer Druck) erzeugt.
In einigen Variationen wird ein Sauerstoff (O₂)- oder Argon (Ar)-Plasma verwendet. Beispielhafte Prozessparameter für die Sauerstoffplasmabehandlung schließen Folgendes ein:

Gastyp: Reines O₂ oder reines Ar oder Gemisch aus O₂/Ar
Quellen- und Vorspannungsleistung: 0 ~ 3 kW.
Plasmadichte: 10⁹ ~ 10¹² cm^-3 Ion.
Ionenenergie: <500 eV.
Plasmabehandlungszeit: 5 ~ 30 Minuten.

Durch die Wahl der Prozessparameter kann die Sauerstoffplasmabehandlung zur Steuerung der Lithiumcarbonatschicht die Oberfläche reinigen. In einigen Variationen kann die Schicht weniger als 0,01 nm dick sein und die Kathodenoberfläche reaktivieren. Mit einer ionischen Leitfähigkeit von 10^-12 S/cm bei Raumtemperatur, wie in der Ref.: Ken Saito, Kenshi Uchida and Meguru Tezuka, Lithium Carbonate as a Solid Electrolyte, Solid State Ionics, 53-56: 791-797. (1992) kann eine Karbonatschicht von mehr als 0,01 nm Dicke der Batterie außerdem einen zusätzlichen Widerstand von mehr als 1 Ω-cm² hinzufügen und somit die Ratenleistungsfähigkeit und Kinetik der Batterie verschlechtern. Diese Referenz ist hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
In einigen Variationen schließt die Abscheidung eines Elektrolyten die Abscheidung von LiPON durch Verwendung eines Lithiumphosphat-Targets durch Hochfrequenz(HF)-Sputtern ein. [Ref.: (1) J.B. Bates, N.J. Dudney, G.R. Gruzalski, R.A. Zuhr, A. Choudhury, C.F. Luck, Electrical properties of amorphous lithium electrolyte thin films, Solid State Ionics, 53-56, 647-654 (1992). (2) Juchuan Li, Cheng Ma, Miaofang Chi, Chengdu Liang, and Nancy J. Dudney, Solid Electrolyte: the Key for High-Voltage Lithium Batteries. Advanced Energy Materials. 2015, 5, 1401408.] In einigen zusätzlichen Variationen schließt die Abscheidung einer Anode das Verdampfen einer Li-Metall-Anode durch Verwendung eines thermischen Verdampfers oder eines E-Strahl-Verdampfers ein.
Die vorliegende Technologie wird ferner durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, die nicht als Einschränkung in irgendeiner Weise ausgelegt werden sollten.
Polieren und Reinigen der Kathodenoberfläche
3 zeigt die Kapazität, die Ausbeute und die Oberflächenrauheit für Kathoden in einem Zustand wie abgeschieden, einem polierten Zustand und einem polierten und plasmaaktivierten Zustand gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. Die Kurve 302 stellt die Kapazität in einem Zustand wie abgeschieden, einem polierten Zustand und einem polierten und plasmaaktivierten Zustand dar. Die Kurve 304 stellt die Ausbeute für Kathoden in einem Zustand wie abgeschieden, einem polierten Zustand und einem polierten und plasmaaktivierten Zustand dar.
Wie in 3 gezeigt, wies die Kathode wie abgeschieden eine hohe Rauhigkeit (z. B. eine durchschnittliche Rauhigkeit von 591 nm), eine geringe Ausbeute (z. B. eine Ausbeute von 20%) und eine hohe Kapazität (z.B. eine durchschnittliche Kapazität von 58 µAh/cm2µm) verursacht. Nicht-Ausbeute bezieht sich auf Kurzschluss oder Undichtigkeit nach 5 Lade-/Entladezyklen.
Die polierte Kathode wies eine geringe Rauheit (z. B. eine durchschnittliche Rauheit von 214 nm), eine hohe Ausbeute (z. B. 100%) und eine geringe Kapazität (z. B. eine durchschnittliche Kapazität von 37 µAh/cm²µm) auf. Bei der Kathode nach dem Polieren wurde die Oberflächenrauheit durch den Polierprozess im Wesentlichen von 591 nm auf weniger als 300 nm reduziert, und die Ausbeute wurde im Wesentlichen von 20% auf 100% verbessert. Allerdings war die Kapazität reduziert, was auf eine kontaminierte Schicht auf der polierten Kathode zurückzuführen war. Dies wird in weiteren Details in der Oberflächenanalyse erörtert.
Wie in 3 gezeigt, wies die Kathode nach einer Kombination aus Polieren und Plasmabehandlung eine geringe Rauheit (z. B. eine durchschnittliche Rauheit von 247 nm), eine hohe Ausbeute (z. B. 94%) und eine hohe Kapazität (z. B. eine durchschnittliche Kapazität von 53 µAh/cm²µm) auf. Die Ergebnisse zeigten, dass der Reaktivierungsprozess durch Plasmabehandlung dazu beitrug, die Kathodenoberfläche zu reinigen und gleichzeitig die geringe Oberflächenrauheit (z. B. weniger als 300 nm) aufrechtzuerhalten.
Kathodendicke
In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke im Bereich von 10 bis 200 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke gleich oder größer als 10 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke gleich oder größer als 20 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke gleich oder größer als 30 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke gleich oder größer als 40 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke gleich oder größer als 50 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke gleich oder größer als 100 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke gleich oder größer als 150 µm aufweisen.
In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke weniger als oder gleich 20 µm aufweisen.
In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke weniger als oder gleich 30 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke weniger als oder gleich 40 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke weniger als oder gleich 50 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke weniger als oder gleich 100 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke weniger als oder gleich 150 µm aufweisen. In einigen Variationen kann die Kathode eine Dicke weniger als oder gleich 200 µm aufweisen.
4 zeigt die Kapazität gegenüber der Kathodendicke für eine Festkörper-Li-Batterie gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. Die Kurve 402 stellt die Kapazität bei einer Entladungsrate von 0,2C der offenbarten galvanisierten Kathode für die Festkörper-Lithiumbatterie als eine Funktion der Kathodendicke dar. Die Kurve 404 stellt die geschätzte Kapazität bei 0,2C der vollständig verdichteten Kathode einer herkömmlichen Batterie als eine Funktion der Kathodendicke dar. Wie in 4 gezeigt, ist die Kapazitätsabnahme mit der Kathodendicke bei der offenbarten Kathode der Festkörper-Lithiumbatterie signifikant langsamer als bei der herkömmlichen Batterie. Zum Beispiel betrug die Kapazität der Festkörper-Lithiumbatterie bei einer Kathodendicke von 40 µm etwa 50 µAh/cm²µm, was etwa dem Dreifachen der Kapazität der herkömmlichen Batterie entsprach (d. h. etwa 16 µAh/cm²µm). Wie gezeigt, war die Kapazität der Festkörper-Lithiumbatterie signifikant höher als die der herkömmlichen Batterie. Diese Kapazitätserhöhung bei gleicher Rate wird durch eine höhere Li-Diffusivität in der Kathode verursacht. Dies wird in weiteren Details in Diffusivität erörtert.
5 zeigt die Energiedichte gegenüber der Kathodendicke für eine Festkörper-Li-Batterie gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung. Die Kurve 502 stellt die Kernenergiedichte (core energy density, CED) der offenbarten galvanisierten Kathode für die Festkörper-Lithiumbatterie als eine Funktion der Kathodendicke dar. Wie in 5 gezeigt, erhöht sich die Energiedichte mit der Kathodendicke für die offenbarte Kathode der Festkörper-Lithiumbatterie. Bei einer Kathodendicke von 35 µm betrug die Kernenergiedichte bei der Festkörper-Lithiumbatterie etwa 1123 Wh/L, bei der herkömmlichen Batterie aber nur 750-800 Wh/L. Wie gezeigt, war die Energiedichte bei der Festkörper-Lithiumbatterie signifikant höher als die der herkömmlichen Batterie.
Porosität und relative Dichte
In einigen Variationen weist die Kathode der Festkörper-Lithiumbatterie eine dichte Struktur mit geringer Porosität auf, z. B., um Festkörper-Ionendiffusion zu ermöglichen. In weiteren Variationen ist die Porosität weniger als oder gleich 6%. In noch weiteren Variationen ist die Porosität weniger als oder gleich 5%. In einigen Variationen ist die Porosität weniger als oder gleich 4%. In zusätzlichen Variationen ist die Porosität weniger als oder gleich 3%. Zum Beispiel ist die Kathodenporosität der Festkörper-Lithiumbatterie weniger als oder gleich 2%. In einigen Variationen ist die Porosität der Kathode weniger als 2,0%. In einigen Variationen ist die Porosität der Kathode weniger als 1,5%. In einigen Variationen ist die Porosität der Kathode weniger als 1,0%. In einigen Variationen ist die Porosität der Kathode weniger als 0,5%.
In einigen Variationen ist die relative Dichte größer als 94,0%. In einigen Variationen ist die relative Dichte größer als 95,0%. In einigen Variationen ist die relative Dichte größer als 96,0%. In einigen Variationen ist die relative Dichte größer als 97,0%. In einigen Variationen ist die relative Dichte größer als 98,0%. In einigen Variationen ist die relative Dichte größer als 98,5%. In einigen Variationen ist die relative Dichte größer als 99,0%. In einigen Variationen ist die relative Dichte größer als 99,5%.
6 zeigt ein REM-Bild des Querschnitts der offenbarten galvanisierten Kathode, die eine hohe relative Dichte und geringe Porosität gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht. Die offenbarte galvanisierte Kathode für die Festkörperbatterie wies eine hohe relative Dichte (z. B. größer als 98%) und eine geringe Porosität (z. B. weniger als 2%) auf, was eine Festkörper-Ionendiffusion innerhalb der Kathoden ermöglichte. Die relative Dichte der Kathode von 6 war größer als 99,5%.
7 zeigt ein REM-Bild eines Querschnitts einer galvanisierten Kathode für eine herkömmliche Batterie mit flüssigem Elektrolyt, das eine geringe Dichte und hohe Porosität gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht. Die Kathode der herkömmlichen Batterie wies eine niedrige relative Dichte (z. B. weniger als 90%) und eine hohe Porosität zur Infiltration des Flüssigelektrolyten in herkömmlichen Batterien auf. Die relative Dichte der Kathode von 7 war weniger als 90%.
Oberflächenrauheit
Die Kathode der Festkörper-Lithiumbatterie weist auch eine geringe Oberflächenrauheit auf, was die hohe Ausbeute der Festkörper-Lithiumbatterie bestimmt. Im Gegensatz dazu ist die Oberflächenrauheit der Kathode für die Leistung der herkömmlichen Li-Ionen-Batterie mit Flüssigelektrolyt irrelevant.
In einigen Variationen ist die Oberflächenrauheit weniger als 300 nm. In einigen Variationen ist die Oberflächenrauheit weniger als 250 nm. In einigen Variationen ist die Oberflächenrauheit weniger als 200 nm. In einigen Variationen ist die Oberflächenrauheit weniger als 150 nm. In einigen Variationen ist die Oberflächenrauheit weniger als 100 nm. In einigen Variationen ist die Oberflächenrauheit weniger als 50 nm.
In einigen Variationen ist die Ausbeute mindestens 80%. In einigen Variationen ist die Ausbeute gleich oder größer als 85%. In einigen Variationen ist die Ausbeute gleich oder größer als 90%. In einigen Variationen ist die Ausbeute gleich oder größer als 95%. In einigen Variationen ist die Ausbeute gleich oder größer als 98%. In einigen Variationen ist die Ausbeute gleich oder größer als 99%.
8 zeigt das REM-Bild des Querschnitts der Kathode wie abgeschieden, das eine hohe Oberflächenrauheit gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht. Wie in 8 gezeigt, wies die Kathode wie abgeschieden eine hohe Oberflächenrauheit auf, wie der Pfeil zeigt.
9 zeigt das REM-Bild des Querschnitts der polierten Kathode, das eine geringe Oberflächenrauheit gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht. Wie in 9 gezeigt, wies die polierte Kathode eine geringe Oberflächenrauheit auf, wie der Pfeil zeigt.
Die REM-Ergebnisse zeigten, dass die Oberflächenrauheit durch den Polierprozess im Wesentlichen reduziert wurde. Die geringe Rauheit war die Grundlage für das Erzielen einer hohen Ausbeute der Festkörperbatterie. Durch die geringe Oberflächenrauheit wurde Kurzschluss bzw. Undichtigkeit signifikant reduziert, sodass die Ausbeute verbessert wurde.
Widerstand
In einigen Variationen weist die Batterie einen Widerstand zwischen 40 Ω · cm² und 200 Ω · cm². In einigen Variationen weist die Batterie einen Widerstand gleich oder größer als 40 Ω · cm² auf. In einigen Variationen weist die Batterie einen Widerstand gleich oder größer als 80 Ω · cm² auf. In einigen Variationen weist die Batterie einen Widerstand gleich oder größer als 120 Ω cm² auf. In einigen Variationen weist die Batterie einen Widerstand gleich oder größer als 160 Ω ·cm² auf. In einigen Variationen weist die Batterie einen Widerstand von weniger als oder gleich 80 Ω ·cm² auf. In einigen Variationen weist die Batterie einen Widerstand von weniger als oder gleich 120 Ω ·cm² auf. In einigen Variationen weist die Batterie einen Widerstand von weniger als oder gleich 160 Ω · cm² auf.
In einigen Variationen weist die Batterie einen Widerstand von weniger als oder gleich 200 Ω · cm² auf.
Diffusivität
In einigen Variationen weist die Kathode eine Diffusivität zwischen 1×10^-9 und 1×10^-8 cm²/s auf. In einigen Variationen weist die Kathode eine Diffusivität gleich oder größer ist als 1×10^-9 cm²/s auf. In einigen Variationen weist die Kathode eine Diffusivität gleich oder größer ist als 2×10^-9 cm²/s auf. In einigen Variationen weist die Kathode eine Diffusivität gleich oder größer ist als 4×10^-9 cm²/s auf. In einigen Variationen weist die Kathode eine Diffusivität gleich oder größer ist als 6×10^-9 cm²/s auf. In einigen Variationen weist die Kathode eine Diffusivität gleich oder größer ist als 8×10^-9 cm²/s auf. In einigen Variationen weist die Kathode eine Diffusivität weniger als oder gleich 2×10^-9 cm²/s. In einigen Variationen weist die Kathode eine Diffusivität weniger als oder gleich 4×10^-9 cm²/s. In einigen Variationen weist die Kathode eine Diffusivität weniger als oder gleich 6×10^-9 cm²/s. In einigen Variationen weist die Kathode eine Diffusivität weniger als oder gleich 8×10^-9 cm²/s. In einigen Variationen weist die Kathode eine Diffusivität weniger als oder gleich 1×10^-8 cm²/s.
10 zeigt eine höhere Li-Ionendiffusivität der offenbarten galvanisierten Kathode als herkömmliche Kathodenmaterialien gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. Wie in 10 gezeigt, stellt der Bereich 1002 die Diffusivität für die offenbarte galvanisierte Kathode dar. Die Bereiche 1004, 1006, 1008, 1010, 1012 und 1014 stellen Diffusivitäten für sechs Referenzen dar. Die sechs Referenzen sind (1) Myung et al., Solid State Ionics, 139: 47-56. (2001); (2) Okubo et al., Solid State Ionics, 180: 612-615. (2009); (3) Cao et al., Electrochem Comm, 9: 1228-1232. (2007); (4) Jang et al., Electrochem Solid State Letter, 4(6): A74-A77. (2001); (5) Levi et al., J. Electrochem Soc, 146(4): 1279-1289. (1999); und (6) Xie et al., Solid State Ionics, 179: 362-370. (2008), wobei jede der sechs vorgenannten Referenzen in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahmen aufgenommen ist.
Wie in 10 gezeigt, die offenbarte galvanisierte Kathode eine Diffusivität zwischen 1×10^-9 und 1×10^-g cm²/s' , die viel höher war als die aller sechs Referenzen.
Oberflächenanalyse der Kontaminationsschicht für polierte Kathoden
Während die Rauheit reduziert wird, fügt der Prozess des Polierens der Kathodenoberfläche eine Kontaminationsschicht hinzu. Die Oberflächenanalyse wurde durch Verwendung der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) nach dem Polieren der Kathodenoberfläche durchgeführt. XPS ist ein oberflächenempfindliches quantitatives spektroskopisches Verfahren, das die Elementzusammensetzung im Promillebereich, den chemischen Zustand und den elektronischen Zustand der innerhalb eines Bereichs vorhandenen Elemente misst. XPS zeigt nicht nur, welche Elemente, sondern auch, an welche anderen Elemente sie gebunden sind.
Ein Tiefenprofil einer polierten LiCoO₂-Kathodenoberfläche wurde durch Verwendung der XPS erhalten. Die Zusammensetzung der Oberflächenelemente wurde bei verschiedenen Sputtertiefen bis zu 50 nm erhalten. 11 zeigt die Atomkonzentrationen verschiedener Elemente, einschließlich Kohlenstoff (C), Fluor (F), Sauerstoff (O), Lithium (Li) und Kobalt (Co), gegenüber der Sputtertiefe für eine polierte Kathodenoberfläche gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung.
Die Kurve 1102 stellt Kohlenstoff (C) als eine Funktion der Sputtertiefe dar. Wie in 11 gezeigt, nahm die Kohlenstoffatomkonzentration mit der Sputtertiefe von etwa 28 Atom-% auf etwa 4 Atom-% bei einer Sputtertiefe von 15 nm ab. Somit schloss die Kontaminationsschicht auf der Kathodenoberfläche einen hohen Kohlenstoffgehalt ein. Die Anwesenheit von Kohlenstoff ist auf der Kathodenoberfläche nicht erwünscht. Die Anwesenheit eines hohen Kohlenstoffgehalts kann durch die Anwesenheit von Lithiumcarbonat korrelieren. Darüber hinaus kann die Anwesenheit einer zusätzlichen Lithiumcarbonatschicht den Grenzflächenwiderstand der Batterie erhöhen.
Die Kurve 1104 stellt Fluor (F) als eine Funktion der Sputtertiefe dar. Wie gezeigt, nahm die F-Atomkonzentration mit der Sputtertiefe von etwa 4 Atom-% auf etwa 1 Atom-% bei einer Sputtertiefe von 15 nm ab. Somit schloss die Kontaminationsschicht auf der Kathodenoberfläche einen niedrigen Fluorgehalt ein. Die Anwesenheit von Fluor ist auf der Kathodenoberfläche nicht erwünscht.
Die Kurve 1106 stellt Kobalt (Co) als eine Funktion der Sputtertiefe dar. Wie gezeigt, nahm die Co-Atomkonzentration mit der Sputtertiefe von etwa 18 Atom-% auf etwa 43 Atom-% bei einer Sputtertiefe von 15 nm zu. Die Kurve 1108 stellt Sauerstoff (O) als eine Funktion der Sputtertiefe dar. Wie gezeigt, nahm die O-Atomkonzentration mit der Sputtertiefe leicht zu. Diese Ergebnisse von Co und O beziehen sich auf die Anwesenheit von Lithium-KobaltOxid.
Die Kurve 1110 stellt Lithium (Li) als eine Funktion der Sputtertiefe dar. Wie gezeigt, nahm die Li-Atomkonzentration bei einer Sputtertiefe von 5 nm leicht zu einem Spitzenwert zu und nahm dann mit der Sputtertiefe bis zu 50 nm leicht ab. Die zusätzliche Anwesenheit von Li zu der in LiCoO₂ kann mit der Anwesenheit von Lithiumcarbonat korrelieren.
Durch Verwendung der Tiefenprofilanalyse, wie in 11 gezeigt, war die Oberfläche oder Kontaminationsschicht etwa 10 bis 20 nm dick. Die Kontaminationsschicht schloss hauptsächlich Lithiumcarbonate ein, wie durch Verwendung von XPS bestimmt wurde.
12 zeigt XPS-Spektren einer Kathodenoberfläche wie abgeschieden und einer polierten Kathodenoberfläche gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. Die Kurve 1202 stellt die polierte Kathodenoberfläche dar, während die Kurve 1204 die Kathodenoberfläche wie abgeschieden darstellt. Wie durch die Kurve 1204 gezeigt, schließt die Kathodenoberfläche wie abgeschieden einen kleinen Spitzenwert bei einer Bindungsenergie von etwa 285 eV ein. Wie durch die Kurve 1202 gezeigt, schließt die polierte Kathodenoberfläche einen großen Spitzenwert bei einer Bindungsenergie von etwa 285 eV ein, der deutlich höher war als derjenige der Kathodenoberfläche wie abgeschieden. Die XPS-Ergebnisse wiesen darauf hin, dass die polierte Kathodenoberfläche im Vergleich zur Kathodenoberfläche wie abgeschieden mit Lithiumcarbonaten kontaminiert war.
Schätzung der Dicke von Lithiumcarbonat auf der Kathodenoberfläche
In einigen Variationen ist eine Carbonat-Oberflächenschicht auf der Kathode weniger als 0,01 nm dick. In einigen Variationen ist eine Carbonat-Oberflächenschicht auf der Kathode weniger als 0,008 nm dick. In einigen Variationen ist eine Carbonat-Oberflächenschicht auf der Kathode weniger als 0,006 nm dick. In einigen Variationen ist eine Carbonat-Oberflächenschicht auf der Kathode weniger als 0,004 nm dick. In einigen Variationen ist eine Carbonat-Oberflächenschicht auf der Kathode weniger als 0,002 nm dick. In einigen Variationen ist eine Carbonat-Oberflächenschicht auf der Kathode weniger als 0,001 nm dick.
Lithiumcarbonat ist eine anorganische Verbindung, das Lithiumsalz des Carbonats mit der Formel LizCO₃. Bei einer Lithiumcarbonatdicke von 0,01 nm, betrug der zusätzliche Widerstand 1 Ω-cm², berechnet mit einer ionischen Leitfähigkeit von 10^-12 S/cm bei Raumtemperatur [Ref.: Ken Saito, Kenshi Uchida and Meguru Tezuka, Lithium Carbonate as a Solid Electrolyte, Solid State Ionics, 53-56: 791-797. (1992)]. Bei Erhöhung der Lithiumcarbonat-Schichtdicke kann der Widerstand durch die Anwesenheit von Lithiumcarbonat auf der Kathodenoberfläche auf über 1 Ω-cm² erhöht werden. Somit muss die Lithiumcarbonatschicht entfernt (oder auf <0,01 nm reduziert) werden, um eine saubere Grenzfläche zwischen der Kathode und dem Elektrolyten zu schaffen. Die elektrochemische Leistung der Batterie würde durch die Verbesserung der Ausbeute durch Polieren zur Reduktion der Oberflächenrauheit nicht beeinträchtigt werden.
Zyklus- und Ratenleistungsfähigkeit
LiCoO₂-Kathoden wurden zu Batterien mit einer Li-Metall-Anode und einem Festelektrolyten-LiPON verbaut. Galvanostatische Lade-/Entladezyklen wurden im 3,0-4,25 V-Bereich bei verschiedenen C-Raten bei 25°C durchgeführt. Die Batterien wurden bis zu 100 Mal durchlaufen. Solche zyklischen Durchläufe können unter Verwendung eines Batterie-Cyclers oder eines galvanostatischen Testers (z. B. Maccor 4200), der an einem Computer angebracht ist, durchgeführt werden.
13 zeigt die Kapazität gegenüber den Zyklen für die Festkörper-Li-Batterien gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung. Die Punkte 1304 stellen die Kapazität der Festkörper-Li-Batterie bei unterschiedlicher Anzahl der Zyklen dar, welche den 1. Zyklus, 25. Zyklus, 50. Zyklus, 75. Zyklus und 100. Zyklus mit einer Rate von 0,2C einschließen.
Die Kurve 1502 stellt die Kapazität der Festkörper-Li-Batterie in Abhängigkeit von der Anzahl der Zyklen mit einer Rate von 0,5C dar. Die Kapazität bei 0,2C und 0,5C wurde in Prozent in Bezug auf die Kapazität im ersten Zyklus gezeigt. Wie in 15 gezeigt, war die Kapazität bei 0,2C höher als 0,5C. Die Kapazität nahm mit erhöhter Anzahl der Zyklen leicht ab. Zum Beispiel betrug die Kaptazitätsretention etwa 98% beim 100. Zyklus bei 0,2C. Eine derart hohe Kapazitätsretention zeigt eine gute Reversibilität der Batterie bei Lade- und Entladezyklen an.
14 zeigt den Widerstand gegenüber Zyklen für die Festkörper-Li-Batterie gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung. Die Kurve 1402 zeigt die Widerstandsdatenpunkte gegenüber der Anzahl der Zyklen. Wie in 14, nahm der Widerstand mit der Anzahl der Zyklen von etwa 160 Ω/cm² beim ersten Zyklus auf einen Wert zwischen 170 Ω · cm² und 180 Ω · cm² beim 100. Zyklus leicht zu.
15 zeigt die Kapazität gegenüber Entladungsraten für die Festkörper-Li-Batterie gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Kurve 1502 stellt die Kapazität in Abhängigkeit von der C-Rate dar. Wie in 15 gezeigt, ist die Kapazitätsretention bei höheren C-Raten angemessen gut. Zum Beispiel lag die Kapazität bei 63 µAh/cm²µm bei 0,11C und 52 µAh/cm2^1µm bei 0,66C, was zu etwa 83% Erhalt führte.
Alle hierin genannten Bereiche sind inklusiv. Die in dieser Patentschrift verwendeten Begriffe „im Wesentlichen“ und „etwa“ werden zur Beschreibung und Berücksichtigung kleiner Schwankungen verwendet. Zum Beispiel können sie sich auf weniger als oder gleich ± 5%, wie weniger als oder gleich ± 2%, wie weniger als oder gleich ± 1%, wie weniger als oder gleich ± 0,5%, wie weniger als oder gleich ± 0,2%, wie weniger als oder gleich ± 0,1%, wie weniger als oder gleich ± 0,05% beziehen.
Da nun mehrere Ausführungsformen beschrieben wurden, werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Modifikationen, alternative Konstruktionen und Äquivalente möglich sind, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich wurde eine Anzahl von bekannten Prozessen und Elementen nicht beschrieben, um ein Verschleiern der vorliegenden Erfindung zu vermeiden. Dementsprechend sollte die obige Beschreibung nicht als Begrenzung des Umfangs der Erfindung betrachtet werden.
Fachleute werden erkennen, dass die vorliegend offenbarten Ausführungsformen durch Beispiel, jedoch ohne Begrenzung, lehren. Daher sollte der in der obigen Beschreibung enthaltene oder in den beigefügten Zeichnungen gezeigte Gegenstand als veranschaulichend und nicht in einem einschränkenden Sinne interpretiert werden. Die folgenden Ansprüche sollen alle hierin beschriebenen allgemeinen und spezifischen Merkmale, sowie alle Aussagen des Umfangs des Verfahrens und des Systems, die aus sprachlichen Gründen dazwischen fallen könnten, abdecken.

Claims

Festkörperbatterie, umfassend: eine Kathode, die ein leitendes Material auf Lithiumbasis mit einer Porosität von weniger als oder gleich 6% und einer Oberflächenrauheit von weniger als oder gleich 300 nm umfasst; eine Anode; und einen Festelektrolyten zwischen der Kathode und der Anode.
Festkörperbatterie nach Anspruch 1, wobei das leitende Material auf Lithiumbasis ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn₂O₄, LiNi_{0 5}Mn_1,5O₄, Li(Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3)O₂, Li(Ni0_,8Co_0,1Al_0,1)O₂ und Li₃VO₄.
Festkörperbatterie nach Anspruch 1, wobei die Kathode eine Diffusivität zwischen 1×10^-9 und 1×10^-g cm²/s aufweist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 1, wobei die Kathode eine Dicke im Bereich von 10 bis 200 µm aufweist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 1, wobei die Festkörperbatterie einen Widerstand zwischen 40 Ω·cm² und 200 Ω·cm² aufweist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 1, wobei eine Carbonat-Oberflächenschicht auf der Kathode weniger als 0,01 nm dick ist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 6, wobei die Carbonat-Oberflächenschicht Lithiumcarbonat umfasst.
Festkörperbatterie, umfassend: eine Kathode, umfassend ein leitendes Material auf Lithiumbasis mit einer Diffusivität zwischen 1×10^-9 und 1×10^-g cm²/s; eine Anode; und einen Festelektrolyten zwischen der Kathode und der Anode.
Festkörperbatterie nach Anspruch 8, wobei das leitende Material auf Lithiumbasis ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn₂O₄, LiNi_0,5Mn_1,5O₄, Li(Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3)O₂, Li(Ni0_,8Co_0,1Al_0,1)O₂ und Li₃VO₄.
Festkörperbatterie nach Anspruch 8, wobei die Kathode eine Porosität von weniger als oder gleich 2% und eine Oberflächenrauheit von weniger als oder gleich 300 nm aufweist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 8, wobei die Kathode eine Dicke im Bereich von 10 bis 200 µm aufweist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 8, wobei die Festkörperbatterie einen Widerstand zwischen 40 Ω·cm² und 200 Ω·cm² aufweist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 8, wobei eine Carbonat-Oberflächenschicht auf der Kathode weniger als 0,01 nm dick ist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 13, wobei die Carbonat-Oberflächenschicht Lithiumcarbonat umfasst.
Festkörperbatterie, umfassend: eine Kathode, die ein leitendes Material auf Lithiumbasis umfasst; eine Anode; und einen Festelektrolyt zwischen der Kathode und der Anode, wobei die Festkörperbatterie einen Widerstand zwischen 40 Ω · cm² und 200 Ω · cm² aufweist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 15, wobei das leitende Material auf Lithiumbasis ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn₂O₄, LiNi_0,5Mn_1,5O₄, Li(Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3)O₂, Li(Ni0_,8Co_0,1Al_0,1)O₂ und Li₃VO₄.
Festkörperbatterie nach Anspruch 15, wobei die Kathode eine Porosität von weniger als oder gleich 2% und eine Oberflächenrauheit von weniger als oder gleich 300 nm aufweist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 15, wobei die Kathode eine Dicke im Bereich von 10 bis 200 µm aufweist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 15, wobei die Kathode eine Diffusivität zwischen 1×10^-9 und 1×10^-g cm²/s aufweist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 15, wobei eine Carbonat-Oberflächenschicht auf der Kathode weniger als 0,01 nm dick ist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 20, wobei die Carbonat-Oberflächenschicht Lithiumcarbonat umfasst.
Festkörperbatterie nach Anspruch 15, wobei der Festelektrolyt LiPON umfasst.
Festkörperbatterie nach Anspruch 15, wobei die Batterie eine Ausbeute von mindestens 80% aufweist.
Verfahren zum Bilden der Kathode nach einem der Ansprüche, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden der Kathode durch eine Filmabscheidungstechnik; Polieren einer Oberfläche der Kathode; und Reaktivieren der Oberfläche der Kathode durch Reinigen durch Sauerstoffplasmabehandlung.