EP3987596A1 - Alkaline metal secondary battery and uses thereof - Google Patents

Alkaline metal secondary battery and uses thereof

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EP3987596A1
EP3987596A1 EP20733576.1A EP20733576A EP3987596A1 EP 3987596 A1 EP3987596 A1 EP 3987596A1 EP 20733576 A EP20733576 A EP 20733576A EP 3987596 A1 EP3987596 A1 EP 3987596A1
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EP
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alkali metal
secondary battery
electrolyte
carbon
layer
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Application number
EP20733576.1A
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German (de)
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Inventor
Felix HIPPAUF
Susanne DÖRFLER
Holger Althues
Stefan Kaskel
Jonas PAMPEL
Luise BLOI
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Dresden
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Publication date
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Definitions

  • the secondary battery contains a cathode, an anode and an electrolyte which is arranged between the cathode and anode and has an alkali metal-ion-conductive contact to the cathode and to the carbon layer of the anode.
  • the anode contains or consists of a carbon layer, wherein the carbon layer alone or in combination with an electrically conductive substrate forms an electrically conductive contact.
  • the secondary battery is characterized in that the carbon layer contains pores of a first type, which are not accessible to the electrolyte and which are suitable for receiving electrochemically deposited alkali metal in metallic form during a charging process of the alkali metal secondary battery.
  • the alkali metal secondary battery is characterized by a very high specific capacity, high power density, high cycle stability, high long-term stability and high operational reliability.
  • Increasing the energy density of battery cells is a global goal of research and development, among other things to increase the range of electric vehicles.
  • the focus is on solid-state batteries, as it is expected that the solid-state electrolytes allow the safe and stable operation of metallic lithium anodes and thus the thicker and heavier graphite anodes can be replaced.
  • an alkali metal secondary battery which is characterized by a high specific capacity, a high power density and high cycle stability and the lowest possible mechanical loads act on the components of the secondary battery during their operation, so that whose long-term stability and operational safety are increased.
  • the object is achieved by the lithium secondary battery with the Merkma len of claim 1 and the use according to claim 16.
  • the dependent claims show advantageous developments.
  • an alkali metal secondary battery containing it a) a cathode
  • an anode that contains or consists of a carbon layer, where the carbon layer alone or in combination with an electrically conductive substrate forms an electrically conductive contact;
  • an electrolyte which is arranged between the cathode and anode and has an alkali metal ion-conductive contact to the cathode and to the carbon layer of the anode;
  • the carbon layer contains pores of a first type which are not accessible to the electrolyte and which are suitable for receiving electrochemically deposited alkali metal in metallic form during a charging process of the alkali metal secondary battery.
  • carbon layer means in particular a layer which consists of electrically conductive carbon materials selected from the group consisting of porous carbon, carbon black, graphene, graphite, graphite-like carbon (GLC), carbon fibers, carbon nanofibers, Carbon hollow spheres and mixtures or combinations thereof.
  • electrically conductive carbon materials selected from the group consisting of porous carbon, carbon black, graphene, graphite, graphite-like carbon (GLC), carbon fibers, carbon nanofibers, Carbon hollow spheres and mixtures or combinations thereof.
  • the preferred specific features of the "carbon layer” eg pore volume, specific density, pore size etc.
  • this carbon layer can of course contain other substances (eg binder and / or alkali metal) If, for example, the carbon layer contains other substances (for example, in its pores of the second type), the specific characteristics may differ from the ranges given here.
  • the alkali metal secondary battery has the advantage that it is not only characterized by a very high specific capacity and a high power density, but also that the components of the secondary battery are subjected to very little mechanical stress during operation, so that the alkali metal secondary battery has high long-term stability and has a high level of operational reliability.
  • the pores of the first type allow efficient and reversible uptake of deposited metallic alkali metal. What is important here is the fact that the electrolyte of the secondary battery cannot penetrate into the pores of the first type.
  • the provided alkali metal secondary battery goes back to a surprising discovery: It is known that during the discharge process of an alkali metal secondary battery, metallic alkali metal is oxidized to alkali metal ions by releasing electrons. Theoretically, the resulting alkali metal ions can only be efficiently absorbed and diverted by the electrolyte if it is in direct contact with the alkali metal ions. In other words, in the event of a loss of contact between the resulting alkali metal ions and the electrolyte, the transport of alkali metal ions to the electrolyte should become very inefficient or even break off. However, the applicant has surprisingly found that this is not the case when the carbon layer described above is used.
  • alkali metal ions that are removed to the electrolyte within the pores of the first type are efficiently passed on to the electrolyte via the carbon structure (in particular within the pores of the first type) and do not - as expected - lead to a break in the charge transport comes.
  • the alkali metal secondary battery can be characterized in that the pores of the first type are provided with a chemical modification which favors an absorption of metallic alkali metal produced by deposition.
  • the chemical modification is preferably selected from the group consisting of a layer on the pore surface, nanoparticles on the pore surface, at least one chemical functional group on the pore surface and combinations thereof.
  • the pores of the first type can have a specific pore geometry and / or pore nature. The formation of metallic structures in the pores of the first type can be promoted by the pore geometry and / or the pore nature. The over potential (the energy barrier) for the separation of alkali metal from the electrolyte can thus be reduced.
  • the pores of the first type can have a pore size in the range from 0.5 to 100 nm. Furthermore, the pores of the first type can have a pore size of> 2 nm. The pores of the first type particularly preferably have a pore size of ⁇ 2 nm, because in this case the formation of metallic Li clusters could be observed above 0 V (vs. Li / Li +), which indicates a lowering of the thermodynamic enthalpy of formation (see example) where the pore size can preferably be determined with nitrogen physisorption.
  • the carbon layer can also contain pores of a second type and / or cavities that are accessible to the electrolyte.
  • the pores of the second type provide a large contact area for the electrolyte, so that an effective transport of alkali metal ions from the electrolyte to the carbon layer and back is possible and thus high charging and discharging currents with excellent reversibility (cycle stability) are achieved.
  • the electrolyte can penetrate deep into the carbon layer via the pores of the second type and thus a deposition of metallic alkali metal can also take place in deeper layers of the carbon layer of the anode, i.e. in a certain way via a deep, "three-dimensional" interface with an enlarged surface compared to a "two-dimensional” interface that does not go deep.
  • the pores of the first type also serve as "free spaces" in the deep layers of the carbon layer for the absorption of deposited, metallic alkali metal, since these pores are not filled with electrolyte.
  • the alkali metal secondary battery according to the invention thus has a higher long-term stability and operational reliability than known alkali metal secondary batteries.
  • the "three-dimensional” interface advantageously provides a contact surface to the electrolyte that is 2 to ⁇ 100 times as large, preferably 3 to 30 times as large, particularly preferably 5 approx . 20 times as large, in particular 8 to 12 times as large as the "two-dimensional" contact surface to the electrical rolytes.
  • a higher “three-dimensional” contact surface for example in the range 100-1000 times as large, would in turn be disadvantageous, since losses due to secondary reactions also occur at the interface between carbon layer and electrolyte and these become disadvantageous if the contact surface is too large.
  • the pores of the second type and / or the cavities can have a spatial expansion in all three spatial directions which is in the micrometer range, in particular in the range from 1 ⁇ m to 1000 ⁇ m, the spatial expansion preferably being determinable with electron microscopy.
  • the pores of the second type and / or the cavities contain electrolyte, preferably in an entire volume of their spatial extent.
  • the carbon layer can contain an alkali metal, preferably lithium or sodium, the alkali metal preferably being contained in a proportion of 10 to 90% by weight, based on the total weight of the carbon layer.
  • the carbon layer cannot contain any lithium or sodium, preferably no alkali metal, in an uncharged state.
  • the electrolyte is a sulfidic solid electrolyte.
  • the electrolyte can, however, also be a liquid electrolyte or gel electrolyte and all components of the electrolyte, in particular all molecules of the electrolyte, can have a size which exceeds the size of the pores of the first type and / or exceeds the size of pores of a protective layer between the electrolyte and the porous carbon particles is angeord net, wherein the protective layer is conductive for alkali metal ions.
  • the electrolyte preferably contains or consists of an ionic liquid.
  • the carbon layer forms a carbon structure that is suitable for transporting alkali metal ions along the carbon structure.
  • the pores of the first type are suitable for transporting alkali metal ions within the pores of the first type (for example along the pore walls).
  • the alkali metal secondary battery When the alkali metal secondary battery is discharged, there is inevitably a certain distance between the alkali metal deposited in the pores and the electrolyte, which, depending on the pore size, can be several 100 nm.
  • a complete return transport of the alkali metal stored in the pores or, after their oxidation, the alkali metal ions stored there in the electrolyte is necessary.
  • Such a complete return transport can only follow if the carbon structure, especially the pores of the first type, is / are suitable for guiding the alkali metal ions to the electrolyte.
  • the pores of the first preferably have these properties, since this increases the discharge capacity of the secondary battery.
  • the pores of the first type of carbon layer can together have a pore volume of> 0.5 cm 3 / g carbon, preferably> 0.8 cm 3 / g carbon, particularly preferably> 1.0 cm 3 / g carbon.
  • a high pore volume has the advantage that a large space is provided for accommodating metallic alkali metal produced by deposition, which provides high capacities and the contact area with the electrolyte is maximized, which ensures high charging and discharging currents.
  • a large pore volume means that the weight of the secondary battery can be kept low, which is a decisive advantage especially for mobile applications (lower power to weight ratio).
  • the carbon layer can have micropores, mesopores and / or macropores classified according to IUPAC, preferably have micropores classified according to IUPAC.
  • the carbon layer can be suitable for absorbing metallic alkali metal produced by deposition in an amount such that the carbon layer has a specific capacity of> 400 mAh / g, preferably> 600 mAh / g, particularly preferably> 800 mAh / g, in particular> 1000 mAh / g, based on the mass of the carbon material.
  • the electrolyte can have an ionic conductivity s of at least 10 10 S-cm 1 , preferably at least 10 ⁇ 8 S-cm 1 , particularly preferably at least 10 6 S-cm 1 , very particularly preferably at least 10 4 S-cm 1 , in particular at least 10 3 S-cm 1 .
  • the electrolyte has a lower conductivity for electrons than the electrically conductive substrate or the carbon layer of the anode and / or than the cathode, preferably it has essentially no conductivity for electrons.
  • the electrolyte can be designed as a foil.
  • the electrolyte from the anode in the direction of the cathode can have a maximum expansion in a range from 1 miti to 100 miti, preferably 10 miti to 50 miti.
  • the cathode can contain a current collector, the current collector preferably being designed in the form of a layer, the layer being particularly preferably designed as a stretch layer, layer with double-sided coating, layer of fiber fabric, layer with primer layer.
  • the cathode can contain no alkali metal source or contain an alkali metal source, the alkali metal source preferably being present in a proportion of 60 to 99% by weight, based on the total weight of the cathode.
  • the cathode can contain a solid electrolyte.
  • the cathode can contain an electrically conductive conductive additive.
  • the cathode can contain at least partially fibrillar polytetrafluoroethylene, the at least partially fibrillar polytetrafluoroethylene preferably being contained in a proportion of ⁇ 1% by weight, based on the total weight of the cathode.
  • the cathode consists of the components mentioned above.
  • the alkali metal secondary battery may be a lithium secondary battery or a sodium secondary battery.
  • the alkali metal secondary battery according to the invention for a means of transport, a building and / or an electronic device, preferably as an energy source for a means of transport selected from the group consisting of automobiles, aircraft, drones, trains and combinations thereof.
  • FIG. 1A-C show schematically the processes at the interface between a carbon particle 6 of the carbon layer of the anode and the electrolyte 8 of the alkali metal secondary battery of the invention, which is a lithium secondary battery here.
  • the charging process shown in FIG. 1A lithium ions are transported from the cathode (not shown) through the electrolyte 8 into a pore 7 of the first type of the carbon particle 6. There the lithium ions take up electrons which are released from the conductive layer of the anode (not shown) to the carbon particles 6 flow, and are reduced to lithium metal 10, which is now located within the pores 7 of the first type.
  • FIG. 1A-C show schematically the processes at the interface between a carbon particle 6 of the carbon layer of the anode and the electrolyte 8 of the alkali metal secondary battery of the invention, which is a lithium secondary battery here.
  • the metallic lithium 10 is oxidized to lithium ions by withdrawing electrons (ie metallic lithium is dissolved) and the lithium ions can be absorbed by the electrolyte and transported to the cathode.
  • the situation shown in FIG. 1C describes the surprising discovery that even lithium metal 10, which is dissolved to lithium ions far away from the electrolyte 8, is still efficiently transported to the electrolyte 8 and from there to the cathode. An efficient transport of lithium ions along the pore 7 of the first type in the direction of the electrolyte 8 must therefore be possible.
  • 2A-B show schematically the structure of an alkali metal secondary battery according to the invention.
  • the alkali metal secondary battery shown contains a cathode 1 and an anode 2, which contains an electrically conductive substrate 3, where the electrically conductive substrate 3 extends over a certain geometrical area 4 and on this area 4 at least partially a carbon layer 5 is arranged, wherein the carbon layer 5 contains carbon particles 6 which have pores 7 of the first type and form an electrically conductive contact with the electrically conductive substrate 3 of the anode 2 and with one another.
  • the secondary battery also contains an electrolyte 8, which is arranged between the cathode 1 and anode 2 and has an alkali metal-ion-conductive contact with the cathode 1 and with the carbon particles 6 of the anode 2.
  • the carbon layer 5 has between the carbon particles 6 pores 9 of the second type, which at least partially contain the electrolyte 8, the pores 7 of the first type having such a small pore size that they are unsuitable for receiving the electrolyte and are suitable for this to pick up metallic alkali metal 10 generated by deposition.
  • the deposition of metallic alkali metal 10 is shown in simplified form in only a few pores 7 of the first type.
  • FIG. 3 shows the result of an experiment carried out with an alkali metal secondary battery (lithium secondary battery) according to the invention.
  • the voltage curve for the lithiation is shown in dashed lines and the voltage curve for the delithiation is shown as a solid line.
  • the lithium secondary battery was a half-cell with an anode described in claim 1, a lithium metal foil as the cathode and a sulfidic solid electrolyte.
  • the lithiation or delithiation took place at a constant current of 0.05 mA / cm 2 .
  • the specific capacity determined for delithiation was 423 mAh / g.
  • FIG. 4 shows the resulting potential profiles of the third and fourth cycle of lithiation and delithiation for the TiC-CDC cell from the example.
  • a reversible lithiation capacity of 521.0 mAh / gTiC-CDC could be observed in the third cycle of the half-cell.
  • the carbon material TiC-CDC was dried for 12 h at 200 ° C. under inert gas conditions.
  • This carbon material has pores of the first type with a pore size of ⁇ 2 nm, the pore size being determinable with nitrogen physisorption.
  • VG-CNF carbon nanofibers
  • Ü6PS5CI SE
  • a half-cell was produced in a stainless steel outer casing with a Teflon lining using a die with a diameter of 13 mm.
  • the TiC-CDC composite powder (7.44 mg) (test electrode) was then distributed homogeneously over the compacted solid electrolyte surface in the die and compacted again with a hydraulic press with 4 tons for 30 s.
  • the resulting active material loading of the cell was 3.36 mg / cm 2 .
  • the electrochemical behavior of the cell was measured with a battery tester VMP3 (BioLogic, France).
  • VMP3 Battery tester
  • the reversible capacity of the anode (with the carbon layer according to the invention) against the counter electrode (lithium metal foil) at potentials above 0 V and at potentials of 0 V (vs. Li / Li +) was tested at a constant temperature of 25 ° C.
  • the current applied was 0.065 mA.

Abstract

The invention relates to alkaline secondary batteries. The secondary battery contains a cathode, an anode and an electrolyte, said secondary battery being arranged between the cathode and anode and comprises an alkali metal ion conductive contact to the cathode and to the carbon layer of the anode. The anode contains or consists of a carbon layer, whereby the carbon layer, alone or in combination with an electrically conductive substrate, forms with an electrically conductive contact.

Description

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Alkalimetall-Sekundärbatterie und Verwendungen hiervon Alkali metal secondary battery and uses thereof
Es wird eine Alkalimetall-Sekundärbatterie bereitgestellt. Die Sekundärbatterie enthält eine Kathode, eine Anode und einen Elektrolyten, der zwischen der Ka- thode und Anode angeordnet ist und einen Alkalimetall-Ionen-Ieitfähigen Kon takt zur Kathode und zu der Kohlenstoffschicht der Anode aufweist. Die Anode enthält eine Kohlenstoffschicht oder besteht daraus, wobei die Kohlenstoff schicht alleine oder in Kombination mit einem elektrisch leitfähigen Substrat einen elektrisch leitfähigen Kontakt ausbildet. Die Sekundärbatterie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht Poren einer ersten Art enthält, die für den Elektrolyten nicht zugänglich sind und die dazu geeignet sind, während einem Ladevorgang der Alkalimetall-Sekundärbatterie elektrochemisch abge schiedenes Alkalimetall in metallischer Form aufzunehmen. Die Alkalimetall-Se kundärbatterie zeichnet sich durch sehr hohe spezifische Kapazität, eine hohe Leistungsdichte, eine hohe Zyklenstabilität, eine hohe Langzeitstabilität und eine hohe Betriebssicherheit aus. Die Steigerung der Energiedichte von Batteriezellen ist ein weltweites Ziel der Forschung und Entwicklung, u.a. zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahr zeugen. Feststoffbatterien liegen dabei im Fokus, da erwartet wird, dass die Feststoffelektrolyte einen sicheren und stabilen Betrieb von metallischen Li thium-Anoden erlauben und so die dickeren und schwereren Grafitanoden er setzt werden können. An alkali metal secondary battery is provided. The secondary battery contains a cathode, an anode and an electrolyte which is arranged between the cathode and anode and has an alkali metal-ion-conductive contact to the cathode and to the carbon layer of the anode. The anode contains or consists of a carbon layer, wherein the carbon layer alone or in combination with an electrically conductive substrate forms an electrically conductive contact. The secondary battery is characterized in that the carbon layer contains pores of a first type, which are not accessible to the electrolyte and which are suitable for receiving electrochemically deposited alkali metal in metallic form during a charging process of the alkali metal secondary battery. The alkali metal secondary battery is characterized by a very high specific capacity, high power density, high cycle stability, high long-term stability and high operational reliability. Increasing the energy density of battery cells is a global goal of research and development, among other things to increase the range of electric vehicles. The focus is on solid-state batteries, as it is expected that the solid-state electrolytes allow the safe and stable operation of metallic lithium anodes and thus the thicker and heavier graphite anodes can be replaced.
Jedoch sind weiterhin viele Herausforderungen mit dem Einsatz von Lithium als Anode verbunden. In der Zelle ergibt sich eine 2-dimensionale Grenzfläche zum Elektrolyt, durch welche die Ionen beim Lade-und Entladevorgang diffundieren. Nur bei geringen Ladeströmen, erhöhten Temperaturen und hohem Druck auf den Zellstapel gelingt der reversible Massetransport von Lithium- Ionen ohne die Ausbildung von Poren oder Dendriten an der Grenzfläche und damit ohne die Ausbildung mechanischer Belastungen auf die Zelle, insbesondere auf de ren Feststoffelektrolyten. Diese Bedingungen schränken den Einsatzbereich bisher drastisch ein. Dieses Problem wurde bisher nicht gelöst. Aus diesem Grund wurden Festkörper-Batterien noch nicht großtechnisch produziert. However, there are still many challenges associated with the use of lithium as an anode. In the cell there is a two-dimensional interface to the electrolyte, through which the ions diffuse during the charging and discharging process. The reversible mass transport of lithium ions without the formation of pores or dendrites at the interface and thus without the formation of mechanical loads on the cell, in particular on their solid electrolytes, is only possible with low charging currents, elevated temperatures and high pressure on the cell stack. These conditions have so far drastically restricted the area of application. This problem has not yet been resolved. For this reason, solid-state batteries have not yet been produced on an industrial scale.
Es ist bekannt, dass sich Festkörperbatterien mit Grafitanoden stabil betreiben lassen. Diese sind jedoch in ihrer spezifischen Kapazität auf 372 mAh/g (Inter- kalationsmechanismus von Lithium in Graphit) eingeschränkt. It is known that solid-state batteries with graphite anodes can be operated stably. However, their specific capacity is limited to 372 mAh / g (intercalation mechanism of lithium in graphite).
Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alka limetall-Sekundärbatterie bereitzustellen, die sich durch eine hohe spezifische Kapazität, eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Zyklenstabilität auszeich net und bei deren Betrieb möglichst geringe mechanische Belastungen auf die Bestandteile der Sekundärbatterie einwirken, sodass deren Langzeitstabilität und Betriebssicherheit erhöht ist. Based on this, it was the object of the present invention to provide an alkali metal secondary battery, which is characterized by a high specific capacity, a high power density and high cycle stability and the lowest possible mechanical loads act on the components of the secondary battery during their operation, so that whose long-term stability and operational safety are increased.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Lithium-Sekundärbatterie mit den Merkma len von Anspruch 1 und die Verwendung gemäß Anspruch 16. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. The object is achieved by the lithium secondary battery with the Merkma len of claim 1 and the use according to claim 16. The dependent claims show advantageous developments.
Erfindungsgemäß wird eine Alkalimetall-Sekundärbatterie bereitgestellt, ent haltend a) eine Kathode; According to the present invention, there is provided an alkali metal secondary battery containing it a) a cathode;
a) eine Anode, die eine Kohlenstoffschicht enthält oder daraus besteht, wo bei die Kohlenstoffschicht alleine oder in Kombination mit einem elektrisch leitfähigen Substrat einen elektrisch leitfähigen Kontakt ausbil det; und a) an anode that contains or consists of a carbon layer, where the carbon layer alone or in combination with an electrically conductive substrate forms an electrically conductive contact; and
b) einen Elektrolyten, der zwischen der Kathode und Anode angeordnet ist und einen Alkalimetall-Ionen-Ieitfähigen Kontakt zur Kathode und zu der Kohlenstoffschicht der Anode aufweist; b) an electrolyte which is arranged between the cathode and anode and has an alkali metal ion-conductive contact to the cathode and to the carbon layer of the anode;
dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht Poren einer ersten Art enthält, die für den Elektrolyten nicht zugänglich sind und die dazu geeignet sind, während einem Ladevorgang der Alkalimetall-Sekundärbatterie elektro chemisch abgeschiedenes Alkalimetall in metallischer Form aufzunehmen. characterized in that the carbon layer contains pores of a first type which are not accessible to the electrolyte and which are suitable for receiving electrochemically deposited alkali metal in metallic form during a charging process of the alkali metal secondary battery.
Mit dem Begriff„Kohlenstoffschicht" ist insbesondere eine Schicht gemeint, die aus elektrisch leitfähigen Kohlenstoffmaterialien besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus porösem Kohlenstoff, Ruß, Graphen, Gra phit, Graphite-Like-Carbon (GLC), Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanofasern, Kohlenstoffhohlkugeln sowie Mischungen oder Kombinationen hiervon. The term "carbon layer" means in particular a layer which consists of electrically conductive carbon materials selected from the group consisting of porous carbon, carbon black, graphene, graphite, graphite-like carbon (GLC), carbon fibers, carbon nanofibers, Carbon hollow spheres and mixtures or combinations thereof.
Die bevorzugten spezifischen Merkmale der„Kohlenstoffschicht" (z.B. Poren volumen, spezifische Dichte, Porengröße etc.) beziehen sich somit auf eine Schicht, die nur aus Kohlenstoff besteht. Grundsätzlich kann diese Kohlenstoff schicht natürlich weitere Stoffe (z.B. Binder und/oder Alkalimetall) enthalten. Enthält die Kohlenstoffschicht beispielsweise noch weitere Stoffe (z.B. in ihren Poren der zweiten Art) können die spezifischen Merkmale von den hier ange gebenen Bereichen abweichen. The preferred specific features of the "carbon layer" (eg pore volume, specific density, pore size etc.) thus relate to a layer that consists only of carbon. In principle, this carbon layer can of course contain other substances (eg binder and / or alkali metal) If, for example, the carbon layer contains other substances (for example, in its pores of the second type), the specific characteristics may differ from the ranges given here.
Die Alkalimetall-Sekundärbatterie hat den Vorteil, dass sie nicht nur durch eine sehr hohe spezifische Kapazität und eine hohe Leistungsdichte gekennzeichnet ist, sondern bei deren Betrieb sehr geringe mechanische Belastungen auf die Bestandteile der Sekundärbatterie einwirken, sodass die Alkalimetall-Sekun därbatterie eine hohe Langzeitstabilität und eine hohe Betriebssicherheit auf weist. The alkali metal secondary battery has the advantage that it is not only characterized by a very high specific capacity and a high power density, but also that the components of the secondary battery are subjected to very little mechanical stress during operation, so that the alkali metal secondary battery has high long-term stability and has a high level of operational reliability.
Ein Grund für die hohe spezifische Kapazität, hohe Leistungsdichte und Zyklen stabilität sind die Poren erster Art. Die Poren erster Art erlauben eine effiziente und reversible Aufnahme von abgeschiedenem metallischen Alkalimetall. Wichtig ist hierbei der Umstand, dass der Elektrolyt der Sekundärbatterie nicht in die Poren der ersten Art eindringen kann. One reason for the high specific capacity, high power density and cycle stability are the pores of the first type. The pores of the first type allow efficient and reversible uptake of deposited metallic alkali metal. What is important here is the fact that the electrolyte of the secondary battery cannot penetrate into the pores of the first type.
Tatsächlich geht die bereitgestellte Alkalimetall-Sekundärbatterie auf eine überraschenden Entdeckung zurück: Es ist bekannt, dass beim Entladevorgang einer Alkalimetall-Sekundärbatterie metallisches Alkalimetall durch Abgabe von Elektronen zu Alkalimetallionen oxidiert wird. Theoretisch können die hier bei entstehenden Alkalimetallionen nur dann effizient von dem Elektrolyten aufgenommen und abgeleitet werden, falls dieser in direktem Kontakt mit den Alkalimetallionen steht. Anders ausgedrückt sollte im Falle eines Kontaktverlus tes der entstehenden Alkalimetallionen zum Elektrolyt der Transport von Alka limetallionen zum Elektrolyten sehr inneffizient werden oder sogar abbrechen. Die Anmelderin hat jedoch überraschenderweise gefunden, dass dies im Falle einer Verwendung der oben beschriebenen Kohlenstoffschicht nicht der Fall ist. Es wurde bemerkt, dass auch entfernt zum Elektrolyt innerhalb der Poren der ersten Art entstehende Alkalimetallionen über das Kohlenstoffgerüst (insbe sondere innerhalb der Poren der ersten Art) effizient an den Elektrolyten wei tergeleitet werden und es nicht - wie erwartet - zu einem Abriss des Ladungs transports kommt. In fact, the provided alkali metal secondary battery goes back to a surprising discovery: It is known that during the discharge process of an alkali metal secondary battery, metallic alkali metal is oxidized to alkali metal ions by releasing electrons. Theoretically, the resulting alkali metal ions can only be efficiently absorbed and diverted by the electrolyte if it is in direct contact with the alkali metal ions. In other words, in the event of a loss of contact between the resulting alkali metal ions and the electrolyte, the transport of alkali metal ions to the electrolyte should become very inefficient or even break off. However, the applicant has surprisingly found that this is not the case when the carbon layer described above is used. It was noted that alkali metal ions that are removed to the electrolyte within the pores of the first type are efficiently passed on to the electrolyte via the carbon structure (in particular within the pores of the first type) and do not - as expected - lead to a break in the charge transport comes.
Die Alkalimetall-Sekundärbatterie kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die die Poren der ersten Art mit einer chemischen Modifikation versehen sind, wel che eine Aufnahme von durch Abscheidung erzeugtem metallischen Alkalime tall begünstigt. Die chemische Modifikation ist bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Schicht auf der Porenoberfläche, Nanopartikel auf der Porenoberfläche, mindestens eine chemische funktionelle Gruppe auf der Po renoberfläche und Kombinationen hiervon. Ferner können die Poren erster Art eine bestimmte Porengeometrie und/oder Porenbeschaffenheit aufweisen. Durch die Porengeometrie und/oder Porenbeschaffenheit kann die Bildung metallischer Strukturen in den Poren erster Art begünstigt werden. Das Über potential (die Energiebarriere) zur Abscheidung von Alkalimetall aus dem Elekt rolyten kann so abgesenkt werden. In mikroporösen Kohlenstoffen (Poren durchmesser < 2 nm) konnte zudem die Bildung von metallischen Li-Clustern oberhalb von 0 V (vs. Li/Li+) beobachtet werden, was auf eine Absenkung der thermodynamischen Bildungsenthalpie hinweist. Die Poren der ersten Art können eine Porengröße im Bereich von 0,5 bis 100 nm aufweisen. Ferner können die Poren erster Art eine Porengröße von > 2 nm aufweisen. Besonders bevorzugt weisen die Poren erster Art eine Porengröße von < 2nm auf, denn in diesem Fall konnte die Bildung von metallischen Li-Clus- tern oberhalb von 0 V (vs. Li/Li+) beobachtet werden, was auf eine Absenkung der thermodynamischen Bildungsenthalpie hinweist (siehe Beispiel) wobei die Porengröße bevorzugt mit Stickstoffphysisorption bestimmbar ist. The alkali metal secondary battery can be characterized in that the pores of the first type are provided with a chemical modification which favors an absorption of metallic alkali metal produced by deposition. The chemical modification is preferably selected from the group consisting of a layer on the pore surface, nanoparticles on the pore surface, at least one chemical functional group on the pore surface and combinations thereof. Furthermore, the pores of the first type can have a specific pore geometry and / or pore nature. The formation of metallic structures in the pores of the first type can be promoted by the pore geometry and / or the pore nature. The over potential (the energy barrier) for the separation of alkali metal from the electrolyte can thus be reduced. In microporous carbons (pore diameter <2 nm), the formation of metallic Li clusters above 0 V (vs. Li / Li +) could be observed, which indicates a decrease in the thermodynamic enthalpy of formation. The pores of the first type can have a pore size in the range from 0.5 to 100 nm. Furthermore, the pores of the first type can have a pore size of> 2 nm. The pores of the first type particularly preferably have a pore size of <2 nm, because in this case the formation of metallic Li clusters could be observed above 0 V (vs. Li / Li +), which indicates a lowering of the thermodynamic enthalpy of formation (see example) where the pore size can preferably be determined with nitrogen physisorption.
Die Kohlenstoffschicht kann ferner Poren einer zweiten Art und/oder Hohl räume enthalten, die für den Elektrolyten zugänglich sind. Die Poren zweiter Art stellen eine große Kontaktfläche für den Elektrolyten bereit, sodass ein ef fektiver Transport von Alkalimetallionen vom Elektrolyten zur Kohlenstoff schicht und zurück möglich ist und damit hohe Lade- und Entladeströme bei ausgezeichneter Reversibilität (Zyklenstabilität) erreicht werden. Wichtig ist hierbei, dass der Elektrolyt über die Poren zweiter Art tief in die Kohlenstoff schicht eindringen kann und somit eine Abscheidung von metallischem Alkali metall auch in tieferen Schichten der Kohlenstoffschicht der Anode erfolgen kann, d.h. in gewisser Weise über eine tiefe,„dreidimensionale" Grenzfläche mit einer vergrößerten Oberfläche gegenüber einer nicht in die tiefe gehenden, „zweidimensionalen" Grenzfläche. Hierbei dienen auch in den tiefen Schichten der Kohlenstoffschicht die Poren erster Art als„Freiräume" für die Aufnahme von abgeschiedenem, metallischen Alkalimetall, da diese Poren nicht mit Elekt rolyt gefüllt sind. Als Folge der Abscheidung des metallischen Alkalimetalls über eine große Oberfläche und in Freiräume, die nicht mit Elektrolyt gefüllt sind, ist die mechanische Belastung auf die Komponenten der Sekundärbatterie wäh rend dem Betrieb der Sekundärbatterie deutlich reduziert. Damit weist die er findungsgemäße Alkalimetall-Sekundärbatterie eine höhere Langzeitstabilität und Betriebssicherheit auf als bekannte Alkalimetall-Sekundärbatterien. The carbon layer can also contain pores of a second type and / or cavities that are accessible to the electrolyte. The pores of the second type provide a large contact area for the electrolyte, so that an effective transport of alkali metal ions from the electrolyte to the carbon layer and back is possible and thus high charging and discharging currents with excellent reversibility (cycle stability) are achieved. It is important here that the electrolyte can penetrate deep into the carbon layer via the pores of the second type and thus a deposition of metallic alkali metal can also take place in deeper layers of the carbon layer of the anode, i.e. in a certain way via a deep, "three-dimensional" interface with an enlarged surface compared to a "two-dimensional" interface that does not go deep. The pores of the first type also serve as "free spaces" in the deep layers of the carbon layer for the absorption of deposited, metallic alkali metal, since these pores are not filled with electrolyte. As a result of the deposition of the metallic alkali metal over a large surface and in free spaces that are not filled with electrolyte, the mechanical load on the components of the secondary battery is significantly reduced during operation of the secondary battery. The alkali metal secondary battery according to the invention thus has a higher long-term stability and operational reliability than known alkali metal secondary batteries.
Im Vergleich mit einer nicht in die tiefe gehenden,„zweidimensionalen" Grenz fläche stellt die„dreidimensionale" Grenzfläche vorteilhafterweise eine Kon taktoberfläche zum Elektrolyten bereit, die 2 bis <100 mal so groß, bevorzugt 3 bis 30 mal so groß, besonders bevorzugt 5 ca. 20 mal so groß, insbesondere 8 bis 12 mal so groß ist wie die„zweidimensionale" Kontaktoberfläche zum Elekt- rolyten. Eine höhere, beispielsweise im Bereich 100-1000 mal so große„dreidi mensionale" Kontaktoberfläche wäre wiederrum nachteilig, da an der Grenz fläche zwischen Kohlenstoffschicht und Elektolyt auch Verluste durch Neben reaktionen stattfinden und diese ab einer zu großen Kontaktfläche nachteilig werden. In comparison with a "two-dimensional" interface that does not go deep, the "three-dimensional" interface advantageously provides a contact surface to the electrolyte that is 2 to <100 times as large, preferably 3 to 30 times as large, particularly preferably 5 approx . 20 times as large, in particular 8 to 12 times as large as the "two-dimensional" contact surface to the electrical rolytes. A higher "three-dimensional" contact surface, for example in the range 100-1000 times as large, would in turn be disadvantageous, since losses due to secondary reactions also occur at the interface between carbon layer and electrolyte and these become disadvantageous if the contact surface is too large.
Die Poren der zweiten Art und/oder die Hohlräume können eine räumliche Aus dehnung in alle drei Raumrichtungen aufweisen, die im Mikrometerbereich liegt, insbesondere im Bereich von 1 pm bis 1000 miti, wobei die räumliche Aus dehnung bevorzugt mit Elektronenmikroskopie bestimmbar ist. The pores of the second type and / or the cavities can have a spatial expansion in all three spatial directions which is in the micrometer range, in particular in the range from 1 μm to 1000 μm, the spatial expansion preferably being determinable with electron microscopy.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform enthalten die Poren der zweiten Art und/oder die Hohlräume Elektrolyt, bevorzugt in einem gesamten Volumen ih rer räumlichen Ausdehnung. In a preferred embodiment, the pores of the second type and / or the cavities contain electrolyte, preferably in an entire volume of their spatial extent.
Die Kohlenstoffschicht kann in einem geladenen Zustand ein Alkalimetall, be vorzugt Lithium oder Natrium, enthalten, wobei das Alkalimetall bevorzugt in einem Anteil von 10 bis 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Koh lenstoffschicht, enthalten ist. In a charged state, the carbon layer can contain an alkali metal, preferably lithium or sodium, the alkali metal preferably being contained in a proportion of 10 to 90% by weight, based on the total weight of the carbon layer.
Ferner kann die Kohlenstoffschicht in einem ungeladenen Zustand kein Lithium oder Natrium, bevorzugt kein Alkalimetall, enthalten. Furthermore, the carbon layer cannot contain any lithium or sodium, preferably no alkali metal, in an uncharged state.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Elektrolyt ein sulfidischer Fest stoffelektrolyt. In a preferred embodiment, the electrolyte is a sulfidic solid electrolyte.
Der Elektrolyt kann jedoch auch ein Flüssigelektrolyt oder Gelelektrolyt sein und alle Bestandteile des Elektrolyten, insbesondere alle Moleküle des Elektro lyten, können eine Größe aufweisen, welche die Größe der Poren der ersten Art übersteigt und/oder die Größe von Poren einer Schutzschicht übersteigt, die zwischen dem Elektrolyten und den porösen Kohlenstoffpartikeln angeord net ist, wobei die Schutzschicht leitfähig für Alkalimetall-Ionen ist. Bevorzugt enthält der Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit oder besteht daraus. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform bildet die Kohlenstoffschicht ein Koh lenstoffgerüst aus, das zum Transport von Alkalimetall-Ionen entlang des Koh- lenstoffgerüsts geeignet ist. Hiermit ist insbesondere gemeint, dass die Poren der ersten Art dazu geeignet sind, Alkalimetallionen innerhalb der Poren der ersten Art (z.B. entlang der Porenwände) zu transportieren. Beim Entladen der Alkalimetall-Sekundärbatterie entsteht zwangsweise eine bestimmte Distanz zwischen in den Poren abgeschiedenem Alkalimetall und dem Elektrolyt, die je nach Porengröße mehrere 100 nm betragen kann. Für eine vollständige Entla dung ist ein kompletter Rücktransport des in den Poren gespeicherten Alkali metalls bzw. nach deren Oxidation der dort gespeicherten Alkalimetallionen in den Elektrolyten nötig. Ein solcher kompletter Rücktransport kann nur dann er folgen kann, falls das Kohlenstoffgerüst, speziell die Poren der ersten Art, dazu geeignet ist/sind, die Alkalimetallionen zum Elektrolyt hin zu leiten. Bevorzugt weisen die Poren der ersten diese Eigenschaften auf, da somit die Entladeka pazität der Sekundärbatterie erhöht ist. The electrolyte can, however, also be a liquid electrolyte or gel electrolyte and all components of the electrolyte, in particular all molecules of the electrolyte, can have a size which exceeds the size of the pores of the first type and / or exceeds the size of pores of a protective layer between the electrolyte and the porous carbon particles is angeord net, wherein the protective layer is conductive for alkali metal ions. The electrolyte preferably contains or consists of an ionic liquid. In a preferred embodiment, the carbon layer forms a carbon structure that is suitable for transporting alkali metal ions along the carbon structure. This means in particular that the pores of the first type are suitable for transporting alkali metal ions within the pores of the first type (for example along the pore walls). When the alkali metal secondary battery is discharged, there is inevitably a certain distance between the alkali metal deposited in the pores and the electrolyte, which, depending on the pore size, can be several 100 nm. For a complete discharge, a complete return transport of the alkali metal stored in the pores or, after their oxidation, the alkali metal ions stored there in the electrolyte is necessary. Such a complete return transport can only follow if the carbon structure, especially the pores of the first type, is / are suitable for guiding the alkali metal ions to the electrolyte. The pores of the first preferably have these properties, since this increases the discharge capacity of the secondary battery.
Die Poren der ersten Art der Kohlenstoffschicht können zusammen ein Poren volumen von > 0,5 cm3/g Kohlenstoff, bevorzugt > 0,8 cm3/g Kohlenstoff, be sonders bevorzugt > 1,0 cm3/g Kohlenstoff, aufweisen. Ein hohes Porenvolu men hat den Vorteil, dass ein großer Raum für die Aufnahme von durch Ab scheidung erzeugtem, metallischen Alkalimetall bereitgestellt wird, was hohe Kapazitäten bereitstellt und die Kontaktfläche zum Elektrolyten maximiert ist, was hohe Lade- bzw. Entladeströme sicherstellt. Zudem bewirkt ein großes Po renvolumen, dass das Gewicht der Sekundärbatterie niedrig gehalten werden kann, was vor allem für mobile Anwendungen ein entscheidender Vorteil ist (geringeres Leistungsgewicht). The pores of the first type of carbon layer can together have a pore volume of> 0.5 cm 3 / g carbon, preferably> 0.8 cm 3 / g carbon, particularly preferably> 1.0 cm 3 / g carbon. A high pore volume has the advantage that a large space is provided for accommodating metallic alkali metal produced by deposition, which provides high capacities and the contact area with the electrolyte is maximized, which ensures high charging and discharging currents. In addition, a large pore volume means that the weight of the secondary battery can be kept low, which is a decisive advantage especially for mobile applications (lower power to weight ratio).
Die Kohlenstoffschicht kann Mikroporen, Mesoporen und/oder Makroporen, klassifiziert nach IUPAC, aufweisen, bevorzugt Mikroporen, klassifiziert nach IU- PAC, aufweisen. The carbon layer can have micropores, mesopores and / or macropores classified according to IUPAC, preferably have micropores classified according to IUPAC.
Die Kohlenstoffschicht kann dazu geeignet sein, durch Abscheidung erzeugtes metallisches Alkalimetall in einer Menge aufzunehmen, dass die Kohlenstoff schicht eine spezifische Kapazität von > 400 mAh/g, bevorzugt > 600 mAh/g, besonders bevorzugt > 800 mAh/g, insbesondere > 1000 mAh/g, bezogen auf die Masse des Kohlenstoffmaterials, aufweist. Der Elektrolyt kann eine ionische Leitfähigkeit s von mindestens IO 10 S-cm 1, bevorzugt mindestens 10~8 S-cm 1, besonders bevorzugt mindestens 10 6 S-cm 1, ganz besonders bevorzugt mindestens 10 4 S-cm 1, insbesondere min destens 10 3 S-cm 1, aufweisen. The carbon layer can be suitable for absorbing metallic alkali metal produced by deposition in an amount such that the carbon layer has a specific capacity of> 400 mAh / g, preferably> 600 mAh / g, particularly preferably> 800 mAh / g, in particular> 1000 mAh / g, based on the mass of the carbon material. The electrolyte can have an ionic conductivity s of at least 10 10 S-cm 1 , preferably at least 10 ~ 8 S-cm 1 , particularly preferably at least 10 6 S-cm 1 , very particularly preferably at least 10 4 S-cm 1 , in particular at least 10 3 S-cm 1 .
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist der Elektrolyt eine geringere Leitfähigkeit für Elektronen auf als das elektrisch leitfähige Substrat bzw. der Kohlenstoffschicht der Anode und/oder als die Kathode, bevorzugt weist er im Wesentlichen keine Leitfähigkeit für Elektronen auf. In a preferred embodiment, the electrolyte has a lower conductivity for electrons than the electrically conductive substrate or the carbon layer of the anode and / or than the cathode, preferably it has essentially no conductivity for electrons.
Der Elektrolyt kann als Folie ausgestaltet sein. The electrolyte can be designed as a foil.
Ferner kann der Elektrolyt von der Anode in Richtung Kathode eine maximale Ausdehnung in einem Bereich von 1 miti bis 100 miti, bevorzugt 10 miti bis 50 miti, aufweisen. Furthermore, the electrolyte from the anode in the direction of the cathode can have a maximum expansion in a range from 1 miti to 100 miti, preferably 10 miti to 50 miti.
Die Kathode kann einen Stromableiter enthalten, wobei der Stromableiter be vorzugt in Form einer Schicht ausgebildet ist, wobei die Schicht besonders be vorzugt als Streckschicht, Schicht mit doppelseitiger Beschichtung, Schicht aus Fasergewebe, Schicht mit Primerschicht ausgebildet ist. The cathode can contain a current collector, the current collector preferably being designed in the form of a layer, the layer being particularly preferably designed as a stretch layer, layer with double-sided coating, layer of fiber fabric, layer with primer layer.
Ferner kann die Kathode keine Alkalimetallquelle enthalten oder eine Alkalime tallquelle enthalten, wobei die Alkalimetallquelle bevorzugt in einem Anteil von 60 bis 99 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Kathode, enthalten ist. Furthermore, the cathode can contain no alkali metal source or contain an alkali metal source, the alkali metal source preferably being present in a proportion of 60 to 99% by weight, based on the total weight of the cathode.
Zudem kann die Kathode einen Feststoffelektrolyten enthalten. In addition, the cathode can contain a solid electrolyte.
Darüber hinaus kann die Kathode ein elektrisch leitfähiges Leitadditiv enthal ten. In addition, the cathode can contain an electrically conductive conductive additive.
Abgesehen davon kann die Kathode zumindest teilweise fibrilläres Polytetraf luorethylen enthalten, wobei das zumindest teilweise fibrilläre Polytetrafluo rethylen bevorzugt in einem Anteil von < 1 Gew.-%., bezogen auf das Gesamt gewicht der Kathode, enthalten ist. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform besteht die Kathode aus den oben genannten Komponenten. Apart from this, the cathode can contain at least partially fibrillar polytetrafluoroethylene, the at least partially fibrillar polytetrafluoroethylene preferably being contained in a proportion of <1% by weight, based on the total weight of the cathode. In a preferred embodiment, the cathode consists of the components mentioned above.
Die Alkalimetall-Sekundärbatterie kann eine Lithium-Sekundärbatterie oder eine Natrium-Sekundärbatterie sein. The alkali metal secondary battery may be a lithium secondary battery or a sodium secondary battery.
Es wird ferner vorgeschlagen, die erfindungsgemäße Alkalimetall-Sekundärbat terie für ein Transportmittel, ein Gebäude und/oder ein Elektronikgerät zu ver wenden, bevorzugt als Energiequelle für ein Transportmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Automobil, Flugzeug, Drohne, Zug und Kombinatio nen hiervon. It is also proposed to use the alkali metal secondary battery according to the invention for a means of transport, a building and / or an electronic device, preferably as an energy source for a means of transport selected from the group consisting of automobiles, aircraft, drones, trains and combinations thereof.
Anhand der nachfolgenden Figuren und des nachfolgenden Beispiels soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten, spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen. The subject according to the invention is intended to be explained in more detail with reference to the following figures and the following example, without wishing to restrict it to the specific embodiments shown here.
Figur 1A-C zeigen schematisch die Vorgänge an der Schnittstelle zwischen ei nem Kohlenstoffpartikel 6 der Kohlenstoffschicht der Anode und dem Elektro lyten 8 der erfindungsgemäßen Alkalimetall-Sekundärbatterie, die hier eine Li thium-Sekundärbatterie ist. Beim in Figur 1A dargestellten Ladevorgang erfolgt ein Transport von Lithiumionen von der Kathode (nicht dargestellt) durch den Elektrolyten 8 in eine Pore 7 erster Art des Kohlenstoffpartikels 6. Dort nehmen die Lithiumionen Elektronen auf, die von der leitfähigen Schicht der Anode (nicht gezeigt) zu dem Kohlenstoffpartikel 6 strömen, und werden zu Lithium metall 10 reduziert, das sich nun innerhalb der Poren 7 der ersten Art befindet. Beim in Figur 1B dargestellten Entladevorgang wird das metallische Lithium 10 durch Elektronenentzug zu Lithiumionen oxidiert (d.h. metallisches Lithium wird aufgelöst) und die Lithiumionen können vom Elektrolyten aufgenommen werden und bis zur Kathode transportiert werden. Die in Figur IC dargestellte Situation beschreibt den überraschenden Fund, dass selbst Lithiummetall 10, das weit vom Elektrolyten 8 entfernt zu Lithiumionen aufgelöst wird, noch in effizienter Weise zu dem Elektrolyten 8 und von dort zur Kathode transportiert wird. Es muss also ein effizienter Transport von Lithiumionen entlang der Pore 7 der ersten Art in Richtung Elektrolyt 8 möglich sein. Figur 2A-B zeigen schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Alkalime tall-Sekundärbatterie. In Figur 2A ist die Sekundärbatterie im ungeladenen Zu stand dargestellt und in Figur 2B ist die Sekundärbatterie im geladenen Zustand dargestellt. Die dargestellte Alkalimetall-Sekundärbatterie enthält eine Ka thode 1 und eine Anode 2, die ein elektrisch leitfähiges Substrat 3 enthält, wo bei das elektrisch leitfähige Substrat 3 eine Ausdehnung über eine bestimmte geometrische Fläche 4 aufweist und auf dieser Fläche 4 zumindest bereichs weise eine Kohlenstoffschicht 5 angeordnet ist, wobei die Kohlenstoffschicht 5 Kohlenstoffpartikel 6 enthält, die Poren 7 der ersten Art aufweisen und mit dem elektrisch leitfähigen Substrat 3 der Anode 2 und untereinander einen elektrisch leitfähigen Kontakt ausbilden. Ferner enthält die Sekundärbatterie einen Elektrolyten 8, der zwischen der Kathode 1 und Anode 2 angeordnet ist und einen Alkalimetall-Ionen-Ieitfähigen Kontakt zur Kathode 1 und zu den Koh lenstoffpartikeln 6 der Anode 2 aufweist. Die Kohlenstoffschicht 5 weist zwi schen den Kohlenstoffpartikeln 6 Poren 9 der zweiten Art auf, die zumindest bereichsweise den Elektrolyt 8 enthalten, wobei die Poren 7 der ersten Art eine so geringe Porengröße aufweisen, dass sie ungeeignet zur Aufnahme des Elekt rolyten sind und dazu geeignet sind, durch Abscheidung erzeugtes metallisches Alkalimetall 10 aufzunehmen. In Figur 10 ist die Abscheidung von metallischem Alkalimetall 10 vereinfacht in nur einigen Poren 7 der ersten Art dargestellt. 1A-C show schematically the processes at the interface between a carbon particle 6 of the carbon layer of the anode and the electrolyte 8 of the alkali metal secondary battery of the invention, which is a lithium secondary battery here. During the charging process shown in FIG. 1A, lithium ions are transported from the cathode (not shown) through the electrolyte 8 into a pore 7 of the first type of the carbon particle 6. There the lithium ions take up electrons which are released from the conductive layer of the anode (not shown) to the carbon particles 6 flow, and are reduced to lithium metal 10, which is now located within the pores 7 of the first type. In the discharge process shown in FIG. 1B, the metallic lithium 10 is oxidized to lithium ions by withdrawing electrons (ie metallic lithium is dissolved) and the lithium ions can be absorbed by the electrolyte and transported to the cathode. The situation shown in FIG. 1C describes the surprising discovery that even lithium metal 10, which is dissolved to lithium ions far away from the electrolyte 8, is still efficiently transported to the electrolyte 8 and from there to the cathode. An efficient transport of lithium ions along the pore 7 of the first type in the direction of the electrolyte 8 must therefore be possible. 2A-B show schematically the structure of an alkali metal secondary battery according to the invention. In Figure 2A, the secondary battery is shown in the uncharged state and in Figure 2B, the secondary battery is shown in the charged state. The alkali metal secondary battery shown contains a cathode 1 and an anode 2, which contains an electrically conductive substrate 3, where the electrically conductive substrate 3 extends over a certain geometrical area 4 and on this area 4 at least partially a carbon layer 5 is arranged, wherein the carbon layer 5 contains carbon particles 6 which have pores 7 of the first type and form an electrically conductive contact with the electrically conductive substrate 3 of the anode 2 and with one another. The secondary battery also contains an electrolyte 8, which is arranged between the cathode 1 and anode 2 and has an alkali metal-ion-conductive contact with the cathode 1 and with the carbon particles 6 of the anode 2. The carbon layer 5 has between the carbon particles 6 pores 9 of the second type, which at least partially contain the electrolyte 8, the pores 7 of the first type having such a small pore size that they are unsuitable for receiving the electrolyte and are suitable for this to pick up metallic alkali metal 10 generated by deposition. In FIG. 10, the deposition of metallic alkali metal 10 is shown in simplified form in only a few pores 7 of the first type.
Figur 3 zeigt das Ergebnis eines mit einer erfindungsgemäßen Alkalimetall-Se kundärbatterie (Lithium-Sekundärbatterie) durchgeführten Versuchs. Der Spannungsverlauf für die Lithiierung ist gestrichelt dargestellt und der Span nungsverlauf für die Delithiierung ist als durchgehende Linie dargestellt. Es han delte sich bei der Lithium-Sekundärbatterie um eine Halbzelle mit einer in An spruch 1 beschriebenen Anode, einer Lithium-Metall-Folie als Kathode und ei nem sulfidischen Festelektrolyt. Die Lithiierung bzw. Delithiierung erfolgten bei einem konstantem Strom von 0,05 mA/cm2. Als spezifische Kapazität konnte bei der Delithiierung 423 mAh/g bestimmt werden. FIG. 3 shows the result of an experiment carried out with an alkali metal secondary battery (lithium secondary battery) according to the invention. The voltage curve for the lithiation is shown in dashed lines and the voltage curve for the delithiation is shown as a solid line. The lithium secondary battery was a half-cell with an anode described in claim 1, a lithium metal foil as the cathode and a sulfidic solid electrolyte. The lithiation or delithiation took place at a constant current of 0.05 mA / cm 2 . The specific capacity determined for delithiation was 423 mAh / g.
Figur 4 zeigt die resultierenden Potentialprofile des dritten und vierten Zyklus der Lithiierung und Delithiierung für die TiC-CDC-Zelle aus dem Beispiel. Es konnte eine reversible Lithiierungskapazität von 521,0 mAh/gTiC-CDC im drit ten Zyklus der Halbzelle beobachtet werden. Beispiel - Kapazität einer erfindungsgemäßen Alkalimetall-Sekundärbatterie FIG. 4 shows the resulting potential profiles of the third and fourth cycle of lithiation and delithiation for the TiC-CDC cell from the example. A reversible lithiation capacity of 521.0 mAh / gTiC-CDC could be observed in the third cycle of the half-cell. Example - capacity of an alkali metal secondary battery according to the invention
Alle Materialbehandlungen wurden unter Inertgas durchgeführt. All material treatments were carried out under inert gas.
Zunächst wurde das Kohlenstoffmaterial TiC-CDC für 12 h bei 200 °C unter Inertgasbedingungen getrocknet. Dieses Kohlenstoff material weist Poren ers ter Art mit einer Porengröße von < 2 nm auf, wobei die Porengröße mit Stick- stoffphysisorption bestimmbar ist. First, the carbon material TiC-CDC was dried for 12 h at 200 ° C. under inert gas conditions. This carbon material has pores of the first type with a pore size of <2 nm, the pore size being determinable with nitrogen physisorption.
Zur Herstellung einer pulverförmigen Verbundelektrode (Anode) wurde das ge trocknete TiC-CDC anschließend manuell i) mit Kohlenstoff-Nanofasern (VG- CNF), die aus der Gasphase gewachsenen wurden, ii) mit einem leitfähigem Kohlenstoffzusatz und iii) mit einem Festelektrolyt (Ü6PS5CI = SE) für 30 min. im Massenverhältnis 60:5:35 in einem Achat-Mörser gemischt. To produce a powdery composite electrode (anode), the dried TiC-CDC was then manually i) with carbon nanofibers (VG-CNF) grown from the gas phase, ii) with a conductive carbon additive and iii) with a solid electrolyte (Ü6PS5CI = SE) for 30 min. mixed in a mass ratio of 60: 5: 35 in an agate mortar.
Dann wurde in einem Edelstahl-Außengehäuse mit einerTeflonauskleidung un ter Verwendung einer Matrize mit einem Durchmesser von 13 mm eine Halb zelle hergestellt. Dazu wurde eine Li-Folie mit einem Durchmesser von 13 mm und einer Dicke von 50 pm (Gegenelektrode) in der Matrize angeordnet und 150 g Festelektrolytpulver (LiePSsCI-Pulver = SE-Pulver) mit einem Mikrospatel gleichmäßig darauf verteilt. Diese Zusammensetzung wurde komprimiert und zu einem Pellet verdichtet. Then a half-cell was produced in a stainless steel outer casing with a Teflon lining using a die with a diameter of 13 mm. For this purpose, a Li foil with a diameter of 13 mm and a thickness of 50 μm (counter electrode) was placed in the die and 150 g of solid electrolyte powder (LiePSsCI powder = SE powder) was evenly distributed on it with a microspatula. This composition was compressed and compacted into a pellet.
Danach wurde das TiC-CDC -Verbundpulver (7,44 mg) (Testelektrode) homogen über die verdichtete Festelektrolytoberfläche in der Matrize verteilt und erneut mit einer hydraulischen Presse mit 4 Tonnen für 30 s verdichtet. Die resultie rende Aktivmaterial-Beladung der Zelle betrug 3,36 mg/cm2. The TiC-CDC composite powder (7.44 mg) (test electrode) was then distributed homogeneously over the compacted solid electrolyte surface in the die and compacted again with a hydraulic press with 4 tons for 30 s. The resulting active material loading of the cell was 3.36 mg / cm 2 .
Das elektrochemische Verhalten der Zelle wurde mit einem Batterietester VMP3 (BioLogic, Frankreich) gemessen. Hierbei wurde bei einer konstanten Temperatur von 25 °C die reversible Kapazität der Anode (mit der erfindungs gemäßen Kohlenstoffschicht) gegen die Gegenelektrode (Lithium-Metallfolie) bei Potentialen oberhalb 0 V und bei Potentialen von 0 V (vs. Li/Li+) getestet. Es wurden verschiedene Zyklen mit der Lithiierung des kohlenstoffaktiven Ma terials der Kohlenstoffschicht bis 0 V mit einem anschließenden Schritt mit kon stanter Spannung bei 0 V, bis der Strom -0,01 mA übersteigt, und der Delithiie- rung des kohlenstoffaktiven Materials der Kohlenstoffschicht bis 2 V durchge- führt. Der angelegte Strom betrug 0,065 mA. The electrochemical behavior of the cell was measured with a battery tester VMP3 (BioLogic, France). The reversible capacity of the anode (with the carbon layer according to the invention) against the counter electrode (lithium metal foil) at potentials above 0 V and at potentials of 0 V (vs. Li / Li +) was tested at a constant temperature of 25 ° C. There were different cycles with the lithiation of the carbon-active material of the carbon layer up to 0 V with a subsequent step with constant voltage at 0 V until the current exceeds -0.01 mA, and the delithiation of the carbon-active material of the carbon layer up to 2 V carried out. The current applied was 0.065 mA.
Die resultierenden Potentialprofile des dritten und vierten Zyklus der Lithiie rung und Delithiierung für die TiC-CDC -Zelle sind in der Figur 4 dargestellt. Es konnte eine reversible Lithiierungskapazität von 521,0 mAh/gTiC-CDC im drit- ten Zyklus der Halbzelle beobachtet werden. The resulting potential profiles of the third and fourth cycle of lithiation and delithiation for the TiC-CDC cell are shown in FIG. A reversible lithiation capacity of 521.0 mAh / gTiC-CDC could be observed in the third cycle of the half-cell.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1: Kathode; 1: cathode;
2: Anode; 2: anode;
3: elektrisch leitfähiges Substrat der Anode; 3: electrically conductive substrate of the anode;
4: Ausdehnung über eine bestimmte geometrische Fläche; 4: expansion over a certain geometric area;
5: Kohlenstoffschicht; 5: carbon layer;
6: Kohlenstoffpartikel; 6: carbon particles;
7: Poren der ersten Art der Kohlenstoffschicht; 7: pores of the first type of carbon layer;
8: Elektrolyt; 8: electrolyte;
9: Poren der zweiten Art der Kohlenstoffschicht; 9: pores of the second type of carbon layer;
10: durch Abscheidung erzeugtes metallisches Alkalimetall (z.B. Lithium) in 10: metallic alkali metal produced by deposition (e.g. lithium) in
Pore der ersten Art. Pore of the first kind.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Alkalimetall-Sekundärbatterie, enthaltend 1. Alkali metal secondary battery containing
a) eine Kathode; a) a cathode;
b) eine Anode, die eine Kohlenstoffschicht enthält oder daraus be steht, wobei die Kohlenstoffschicht alleine oder in Kombination mit einem elektrisch leitfähigen Substrat einen elektrisch leitfähi gen Kontakt ausbildet; und b) an anode which contains or consists of a carbon layer, the carbon layer alone or in combination with an electrically conductive substrate forming an electrically conductive contact; and
c) einen Elektrolyten, der zwischen der Kathode und Anode ange ordnet ist und einen Alkalimetall-Ionen-Ieitfähigen Kontakt zur Ka thode und zu der Kohlenstoffschicht der Anode aufweist; c) an electrolyte which is arranged between the cathode and anode and has an alkali metal-ion-conductive contact to the cathode and to the carbon layer of the anode;
dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht Poren einer ers ten Art enthält, die für den Elektrolyten nicht zugänglich sind und die dazu geeignet sind, während einem Ladevorgang der Alkalimetall- Sekundärbatterie elektrochemisch abgeschiedenes Alkalimetall in me tallischer Form aufzunehmen. characterized in that the carbon layer contains pores of a first type which are not accessible to the electrolyte and which are suitable for receiving electrochemically deposited alkali metal in metallic form during a charging process of the alkali metal secondary battery.
2. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der ersten Art mit einer che mischen Modifikation versehen sind, welche eine Aufnahme von durch Abscheidung erzeugtem metallischen Alkalimetall begünstigt, wobei die chemische Modifikation bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Schicht auf der Porenoberfläche, Nanopartikel auf der Porenoberfläche, mindestens eine chemische funktionelle Gruppe auf der Porenoberfläche und Kombinationen hiervon. 2. Alkali metal secondary battery according to the preceding claim, characterized in that the pores of the first type are provided with a chemical modification which favors an uptake of metallic alkali metal generated by deposition, the chemical modification preferably being selected from the group consisting of Layer on the pore surface, nanoparticles on the pore surface, at least one chemical functional group on the pore surface and combinations thereof.
Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der ersten Art eine Porengröße Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the pores of the first type have a pore size
i) im Bereich von 0,5 bis 100 nm aufweisen; oder ii) von > 2 nm aufweisen; oder i) in the range from 0.5 to 100 nm; or ii) of> 2 nm; or
iii) von < 2 nm aufweisen; iii) of <2 nm;
wobei die Porengröße bevorzugt mit Stickstoffphysisorption bestimm bar ist. wherein the pore size is preferably determinable with nitrogen physisorption.
4. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht ferner Poren einer zweiten Art und/oder Hohlräume enthält, die für den Elektrolyten zugänglich sind, wobei die Poren der zweiten Art und/oder die Hohlräume eine räumliche Ausdehnung in alle drei Raumrichtungen aufweisen, die im Mikrometerbereich liegt, insbeson dere im Bereich von 1 pm bis 1000 miti, wobei die räumlich Ausdeh nung bevorzugt mit Elektronenmikroskopie bestimmbar ist. 4. Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon layer further contains pores of a second type and / or cavities which are accessible to the electrolyte, the pores of the second type and / or the cavities having a spatial extension have in all three spatial directions, which is in the micrometer range, in particular in the range from 1 pm to 1000 miti, the spatial expansion preferably being determinable with electron microscopy.
5. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der zweiten Art und/oder die Hohlräume Elektrolyt enthalten, bevorzugt in einem ge samten Volumen ihrer räumlichen Ausdehnung. 5. Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the pores of the second type and / or the cavities contain electrolyte, preferably in an entire volume of their spatial extent.
6. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht i) in einem geladenen Zustand ein Alkalimetall, bevorzugt Lithium oder Natrium, enthält, wobei das Alkalimetall bevorzugt in einem Anteil von 10 bis 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Kohlenstoffschicht, enthalten ist; und/oder 6. Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon layer i) in a charged state contains an alkali metal, preferably lithium or sodium, the alkali metal preferably in a proportion of 10 to 90 wt .-%, based on the total weight of the carbon layer; and or
ii) in einem ungeladenen Zustand kein Lithium oder Natrium, bevor zugt kein Alkalimetall, enthält. ii) in an uncharged state, does not contain any lithium or sodium, preferably no alkali metal.
Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt ein sulfidischer Feststoffelektrolyt ist, bevorzugt aus dem System U2S-P2S5, Ü2S-GeS2, U2S-B2S3, LiePSsCI, Li2S-SiS2, U2S-P2S5-UX (X=CI, Br, I), U2S-P2S5-U2O, Li S- P2S5-U2O-U I, Li2S-SiS2-Lil, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCI, Li2S-SiS2-B2S3-Lil, Ü2S-SiS2-P2S5-Lil, Ü2S-P2S5-ZmSn (wobei m und n ganze Zahlen sind und M ausgewählt ist aus P, Si oder Ge), Ü2S-SiS2-Ü3P04, Li2S-SiS2-LipMOq (wobei p und q ganze Zahlen sind und M ausgewählt ist aus P, Si oder Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte is a sulphidic solid electrolyte, preferably from the system U2S-P2S5, Ü2S-GeS2, U2S-B2S3, LiePSsCI, Li 2 S-SiS 2 , U2S-P2S5- UX (X = CI, Br, I), U2S-P2S5-U2O, Li S- P2S5-U2O-U I, Li 2 S-SiS 2 -Lil, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCI, Li 2 S-SiS2-B 2 S3-Lil, Ü2S-SiS2-P2S5-Lil, Ü 2 SP 2 S 5 -Z m S n (where m and n are integers and M is selected from P, Si or Ge), Ü2S-SiS2-Ü3P04, Li2S-SiS2-Li p MO q (where p and q are integers and M is selected from P, Si or
Na S-P2S5-ZmSn (wobei m und n ganze Zahlen sind und M ausgewählt ist aus P, Si oder Ge), Na2S-SiS2-Na3PC>4, Na2S-SiS2-NapMOq (wobei p und q ganze Zahlen sind und M ausgewählt ist aus P, Si oder Ge) oder eine Mischung daraus aufweist. Na S-P2S5-Z m S n (where m and n are integers and M is selected from P, Si or Ge), Na 2 S-SiS 2 -Na 3 PC> 4 , Na2S-SiS2-Na p MO q (where p and q are integers and M is selected from P, Si or Ge) or a mixture thereof.
8. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt ein Flüssigelekt rolyt oder Gelelektrolyt ist und alle Bestandteile des Elektrolyten, ins besondere alle Moleküle des Elektrolyten, eine Größe aufweisen, wel che die Größe 8. Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte is a liquid electrolyte or gel electrolyte and all components of the electrolyte, in particular all molecules of the electrolyte, have a size wel che the size
i) der Poren erster Art übersteigt; und/oder i) the pores of the first type exceed; and or
ii) von Poren einer Schutzschicht übersteigt, die zwischen dem Elekt rolyten und den porösen Kohlenstoffpartikeln angeordnet ist, wobei die Schutzschicht leitfähig für Alkalimetall-Ionen ist; ii) of pores of a protective layer which is arranged between the electrolyte and the porous carbon particles, wherein the protective layer is conductive to alkali metal ions;
wobei der Elektrolyt bevorzugt eine ionische Flüssigkeit enthält oder daraus besteht. wherein the electrolyte preferably contains or consists of an ionic liquid.
9. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht ein Koh lenstoffgerüst ausbildet, das zum Transport von Alkalimetall-Ionen ent lang des Kohlenstoffgerüsts geeignet ist. 9. Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon layer forms a carbon structure which is suitable for transporting alkali metal ions along the carbon structure.
10. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht i) Poren der ersten Art enthält, die zusammen ein Porenvolumen von > 0,5 cm3/g Kohlenstoff, bevorzugt > 0,8 cm3/g Kohlenstoff, besonders bevorzugt > 1,0 cm3/g Kohlenstoff, aufweisen; 10. Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon layer i) contains pores of the first type which together have a pore volume of> 0.5 cm 3 / g carbon, preferably> 0.8 cm 3 / g Carbon, particularly preferably> 1.0 cm 3 / g carbon;
und/oder ii) Mikroporen, Mesoporen und/oder Makroporen, klassifiziert nach IUPAC, aufweist, bevorzugt Mikroporen, klassifiziert nach IUPAC, aufweist. and or ii) having micropores, mesopores and / or macropores classified according to IUPAC, preferably having micropores classified according to IUPAC.
11. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht dazu geeignet ist, durch elektrochemische Abscheidung erzeugtes metalli sches Alkalimetall in einer Menge aufzunehmen, dass die Kohlenstoff schicht eine spezifische Kapazität von > 400 mAh/g, bevorzugt > 600 mAh/g, besonders bevorzugt > 800 mAh/g, insbesondere > 1000 mAh/g, bezogen auf die Masse des Kohlenstoffmaterials, aufweist. 11. Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon layer is suitable for receiving metallic alkali metal generated by electrochemical deposition in an amount that the carbon layer has a specific capacity of> 400 mAh / g, preferably> 600 mAh / g, particularly preferably> 800 mAh / g, in particular> 1000 mAh / g, based on the mass of the carbon material.
12. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt 12. Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte
i) eine ionische Leitfähigkeit s von mindestens 10 10 S-crrr1, bevor zugt mindestens 10 8 S-crrr1, besonders bevorzugt mindestens 10 6 S-crrr1, ganz besonders bevorzugt mindestens 10 4 S-crrr1, insbesondere mindestens 10 3 S-crrr1, aufweist; und/oder ii) eine geringere Leitfähigkeit für Elektronen aufweist als das i) an ionic conductivity s of at least 10 10 S-cm- 1 , preferably at least 10 8 S-cm- 1 , particularly preferably at least 10 6 S-cm- 1 , very particularly preferably at least 10 4 S-cm- 1 , in particular at least 10 3 S-cmrr 1 ; and / or ii) has a lower conductivity for electrons than that
elektrisch leitfähige Substrat der Anode und/oder als die Kathode, bevorzugt im Wesentlichen keine Leitfähigkeit für Elektronen auf weist. electrically conductive substrate of the anode and / or as the cathode, preferably has essentially no conductivity for electrons.
13. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt 13. Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte
i) als Folie ausgestaltet ist; und/oder i) is designed as a film; and or
ii) von der Anode in Richtung Kathode eine maximale Ausdehnung in einem Bereich von 1 pm bis 100 miti, bevorzugt 10 pm bis 50 pm, aufweist. ii) from the anode in the direction of the cathode has a maximum extension in a range from 1 μm to 100 μm, preferably 10 μm to 50 μm.
14. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode 14. Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode
i) einen Stromableiter enthält, wobei der Stromableiter bevorzugt in Form einer Schicht ausgebildet ist, wobei die Schicht besonders bevorzugt als Streckschicht, Schicht mit doppelseitiger Beschich- tung, Schicht aus Fasergewebe, Schicht mit Primerschicht ausge- bildet ist; i) contains a current collector, wherein the current collector is preferably designed in the form of a layer, the layer particularly preferably as a stretch layer, layer with double-sided coating device, layer of fiber fabric, layer is formed with a primer layer;
ii) keine Alkalimetallquelle enthält oder eine Alkalimetallquelle ent hält, wobei die Alkalimetallquelle bevorzugt in einem Anteil von 60 bis 99 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Kathode, enthalten ist; ii) does not contain an alkali metal source or contains an alkali metal source, the alkali metal source preferably being contained in a proportion of 60 to 99% by weight, based on the total weight of the cathode;
iii) einen Feststoffelektrolyten enthält; iii) contains a solid electrolyte;
iv) ein elektrisch leitfähiges Leitadditiv enthält; und iv) contains an electrically conductive conductive additive; and
v) zumindest teilweise fibrilläres Polytetrafluorethylen enthält, wo- bei das zumindest teilweise fibrilläre Polytetrafluorethylen bevor zugt in einem Anteil von < 1 Gew.-%., bezogen auf das Gesamtge wicht der Kathode, enthalten ist; v) contains at least partially fibrillar polytetrafluoroethylene, with the at least partially fibrillar polytetrafluoroethylene preferably being contained in a proportion of <1% by weight, based on the total weight of the cathode;
wobei die Kathode bevorzugt aus den genannten Komponenten be steht. 15. Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkalimetall- Sekundärbatterie eine Lithium-Sekundärbatterie oder eine Natrium- Sekundärbatterie ist. wherein the cathode is preferably made up of the components mentioned. 15. Alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims, characterized in that the alkali metal secondary battery is a lithium secondary battery or a sodium secondary battery.
16. Verwendung einer Alkalimetall-Sekundärbatterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche für ein Transportmittel, ein Gebäude und/oder ein Elektronikgerät, bevorzugt als Energiequelle für ein Transportmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Automobil, Flugzeug, Drohne, Zug und Kombinationen hiervon. 16. Use of an alkali metal secondary battery according to one of the preceding claims for a means of transport, a building and / or an electronic device, preferably as an energy source for a means of transport selected from the group consisting of automobiles, aircraft, drones, trains and combinations thereof.
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