WO2013021299A1 - Elektrochemische zellen - Google Patents

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electrochemical cell
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Klaus Leitner
Arnd Garsuch
Oliver Gronwald
Martin Schulz-Dobrick
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Basf Se
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Definitions

  • the present invention relates to electrochemical cells containing
  • (D) at least one electrically non-conductive, porous and ion-permeable layer, which is positioned between the cathode (A) and layer (C), and at least one electrically non-conductive, porous and ion-permeable layer between anode (B) and layer (C ) is positioned.
  • the present invention relates to the use of electrochemical cells according to the invention, their preparation and a special separator for the separation of a cathode and an anode in an electrochemical cell.
  • Electrochemical cells such as batteries or accumulators, can be used to store electrical energy.
  • batteries or accumulators can be used to store electrical energy.
  • lithium-ion batteries are superior in some technical aspects to conventional batteries. So you can create with them voltages that are not accessible with batteries based on aqueous electrolytes.
  • the materials from which the electrodes are made and in particular the material from which the cathode is made, play an important role.
  • lithium-containing transition metal mixed oxides in particular lithium-containing nickel-cobalt-manganese oxides having a layer structure, or manganese-containing spinels which may be doped with one or more transition metals.
  • a problem of many batteries remains the cycle stability, which is still to be improved.
  • a relatively high proportion of manganese for example in electrochemical cells with a manganese-containing spinel electrode and a graphite anode, one often observed a strong loss of capacity within a relatively short time.
  • graphite anodes as counterelectrodes, elemental manganese is deposited on the anode.
  • WO 2009/033627 discloses a sheet which can be used as a separator for lithium-ion batteries. It comprises a nonwoven as well as embedded in the nonwoven particles, which consist of organic polymers and optionally partly of inorganic material. Although such separators can be used to avoid short circuits caused by metal dendrites. In WO 2009/033627, however, no long-term cyclization experiments are disclosed.
  • WO 201 1/024149 discloses lithium-ion batteries containing an alkali metal such as lithium between the cathode and anode, which serves as a scavenger of unwanted by-products or impurities and is referred to as a scavenger. Both in the production of the secondary battery cells and in a later recycling of the disused cells due to the presence of highly reactive alkali metal appropriate safety precautions must be taken.
  • (D) at least one electrically non-conductive, porous and ion-permeable layer, which is positioned between the cathode (A) and layer (C), and at least one electrically non-conductive, porous and ion-permeable layer between anode (B) and layer (C ) is positioned.
  • the cathode (A) contains at least one lithium-ion-containing transition metal compound, such as the transition metal compounds L1C0O2, LiFeP0 4 or lithium manganese spinel known to those skilled in lithium ion battery technology.
  • the cathode (A) contains, as lithium ion-containing transition metal compound, a lithium ion-containing transition metal oxide which contains manganese as the transition metal.
  • lithium ion-containing transition metal oxides which contain manganese as the transition metal are understood to mean not only those oxides which have at least one transition metal in cationic form, but also those which have at least two transition metal oxides in cationic form.
  • such compounds are also encompassed by the term "lithium ion-containing transition metal oxides" which, in addition to lithium, comprise at least one metal in cationic form, which is not a transition metal, for example aluminum or calcium.
  • manganese can occur in the cathode (A) in the formal oxidation state +4. More preferably, manganese occurs in cathode (A) in a formal oxidation state in the range +3.5 to +4.
  • lithium ion-containing transition metal mixed oxide which contains less than 0.1% by weight of sodium is therefore considered to be sodium-free in the context of the present invention. Accordingly, a lithium ion-containing transition metal mixed oxide containing less than 0.1 wt .-% sulfate ions, in the context of the present invention as sulfate-free.
  • lithium ion-containing transition metal oxide is a transition metal mixed oxide containing at least one other transition metal in addition to manganese.
  • lithium ion-containing transition metal compound is selected from manganese-containing lithium iron phosphates and preferably from manganese-containing spinels and manganese-containing transition metal oxides having a layer structure, in particular manganese-containing transition metal mixed oxides having a layer structure.
  • lithium ion-containing transition metal compound is selected from those compounds having a more than stoichiometric amount of lithium.
  • manganese-containing spinels are selected from those of the general formula (I) wherein the variables are defined as follows: 0.9 ⁇ a ⁇ 1, 3, preferably 0.95 ⁇ a ⁇ 1, 15, 0 ⁇ b ⁇ 0.6, for example 0.0 or 0.5,
  • M 1 is selected from one or more elements selected from Al, Mg, Ca, Na, B, Mo, W, and transition metals of the first period of the periodic table of the elements.
  • M 1 is selected from Ni, Co, Cr, Zn, Al, and most preferably M 1 is Ni.
  • manganese-containing spinels are selected from those of the formula LiNio.sMn-i.sC-d and LiM.sup.-C.
  • manganese-containing transition metal oxides having a layer structure of those of the formula (II) where the variables are defined as follows: 0 ⁇ t ⁇ 0.3 and
  • M 2 selected from Al, Mg, B, Mo, W, Na, Ca and transition metals of the first period of the Periodic Table of the Elements, wherein the or at least one transition metal is manganese.
  • At least 30 mol% of M 2 are selected from manganese, preferably at least 35 mol%, based on total content of M 2 .
  • M 2 is selected from combinations of Ni, Co and Mn which contain no other elements in significant amounts.
  • M 2 is selected from combinations of Ni, Co and Mn which contain at least one further element in significant amounts, for example in the range from 1 to 10 mol% of Al, Ca or Na.
  • manganese-containing transition metal oxides having a layered structure are selected from those in which M 2 is selected from Nio, 33Coo, 33Mno, 33, Ni 0 , 5Coo, 2Mn 0 , 3, Ni 0 , 4Coo, 3Mn 0 , 4, Ni 0 , 4Coo, 2Mn 0 , 4 and Ni 0 , 45Coo, ioMn 0 , 45.
  • lithium-containing transition metal oxide is in the form of primary particles agglomerated into spherical secondary particles, the average particle diameter (D50) of the primary particles being in the range of 50 nm to 2 ⁇ m, and the mean particle diameter (D50) of the secondary particles being in the range of 2 ⁇ to 50 ⁇ lies.
  • Cathode (A) may contain one or more ingredients.
  • cathode (A) may contain carbon in conductive modification, for example selected from graphite, carbon black, carbon nanotubes, graphene or mixtures of at least two of the aforementioned substances.
  • cathode (A) may contain one or more binders, also called binders, for example one or more organic polymers.
  • Suitable binders are, for example, organic (co) polymers.
  • Suitable (co) polymers, ie homopolymers or copolymers can be selected, for example, from (co) polymers obtainable by anionic, catalytic or free-radical (co) polymerization, in particular from polyethylene, polyacrylonitrile, polybutadiene, polystyrene, and copolymers of at least two comonomers from ethylene, propylene, styrene, (meth) acrylonitrile and 1, 3-butadiene, in particular styrene-butadiene copolymers.
  • polypropylene is suitable.
  • polyisoprene and polyacrylates are suitable. Particularly preferred is polyacrylonitrile.
  • polyacrylonitrile is understood to mean not only polyacrylonitrile homopolymers, but also copolymers of acrylonitrile with 1,3-butadiene or styrene. Preference is given to polyacrylonitrile homopolymers.
  • polyethylene is understood to mean not only homo-polyethylene, but also copolymers of ethylene which contain at least 50 mol% of ethylene and up to 50 mol% of at least one further comonomer, for example ⁇ -olefins such as Propylene, butylene (1-butene), 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-pentene, furthermore isobutene, vinylaromatics such as styrene, for example
  • ⁇ -olefins such as Propylene, butylene (1-butene), 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-pentene, furthermore isobutene, vinylaromatics such as styrene, for example
  • Polyethylene may be HDPE or LDPE.
  • polypropylene is understood to mean not only homo-polypropylene but also copolymers of propylene which contain at least 50 mol% of propylene polymerized and up to 50 mol% of at least one further comonomer, for example ethylene and ⁇ -propylene.
  • Olefins such as butylene, 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene and 1-pentene.
  • Polypropylene is preferably isotactic or substantially isotactic polypropylene.
  • polystyrene is understood to mean not only homopolymers of styrene, but also copolymers with acrylonitrile, 1,3-butadiene, (meth) acrylic acid, C 1 -C 10 -alkyl esters of (meth) acrylic acid, divinylbenzene, in particular 1, 3. Divinylbenzene, 1, 2-diphenylethylene and a-methylstyrene.
  • Another preferred binder is polybutadiene.
  • Suitable binders are selected from polyethylene oxide (PEO), cellulose, carboxymethyl cellulose, polyimides and polyvinyl alcohol.
  • binders are selected from those (co) polymers which have an average molecular weight M w in the range from 50,000 to 1,000,000 g / mol, preferably up to 500,000 g / mol.
  • Binders may be crosslinked or uncrosslinked (co) polymers.
  • binders are selected from halogenated (co) polymers, in particular from fluorinated (co) polymers.
  • Halogenated or fluorinated (co) polymers are understood as meaning those (co) polymers which contain at least one (co) monomer in copolymerized form which has at least one halogen atom or at least one fluorine atom per molecule, preferably at least two halogen atoms or at least two fluorine atoms per molecule.
  • Examples are polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymers (PVdF-HFP), vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymers, perfluoroalkyl vinyl ether copolymers, ethylene-tetrafluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride copolymers. Chlorotrifluoroethylene copolymers and ethylene-chlorofluoroethylene copolymers.
  • Suitable binders are in particular polyvinyl alcohol and halogenated (co) polymers, for example polyvinyl chloride or polyvinylidene chloride, in particular fluorinated (co) polymers such as polyvinyl fluoride and in particular polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene.
  • cathode (A) may have further conventional components, for example a current conductor, which may be configured in the form of a metal wire, metal grid, metal mesh, expanded metal, metal sheet or a metal foil.
  • a current conductor which may be configured in the form of a metal wire, metal grid, metal mesh, expanded metal, metal sheet or a metal foil.
  • Aluminum foils are particularly suitable as metal foils.
  • cathode (A) has a thickness in the range of 25 to 200 ⁇ , preferably from 30 to 100 ⁇ , based on the thickness without Stromableiter.
  • Inventive electrochemical cells also contain at least one anode (B).
  • anode (B) may be selected from anodes of carbon and anodes containing Sn or Si.
  • Anodes made of carbon can be selected, for example, from hard carbon, soft carbon, graphene, graphite and in particular graphene. phit, intercalated graphite and mixtures of two or more of the aforementioned carbons.
  • Anodes containing Sn or Si can be selected, for example, from nanoparticulate Si or Sn powder, Si or Sn fibers, carbon-Si or carbon-Sn composites and Si-metal or Sn metal alloys.
  • Anode (B) may comprise one or more binders.
  • anode (B) may have further conventional components, for example a current conductor, which may be designed in the form of a metal wire, metal grid, metal mesh, expanded metal, or a metal foil or a metal sheet.
  • a current conductor which may be designed in the form of a metal wire, metal grid, metal mesh, expanded metal, or a metal foil or a metal sheet.
  • metal foils in particular copper foils are suitable.
  • anode (B) has a thickness in the range of 15 to 200 ⁇ , preferably from 30 to 100 ⁇ , based on the thickness without Stromableiter.
  • electrochemical cells according to the invention contain (C) at least one layer, also referred to as layer (C), which (a) comprises at least one lithium and oxygen-containing, electrochemically active transition metal compound, also referred to as transition metal compound (a), and (b) optionally at least one Binder, in short also called binder (b) or binder (b) contains.
  • layer (C) which (a) comprises at least one lithium and oxygen-containing, electrochemically active transition metal compound, also referred to as transition metal compound (a), and (b) optionally at least one Binder, in short also called binder (b) or binder (b) contains.
  • transition metal compounds (a) are known as such.
  • the transition metal compounds (a) are those materials which are already used as electrode materials both in the cathode and in the anode in electrochemical cells.
  • the lithium and oxygen-containing, electrochemically active transition metal compound (a) of layer (C) is a particulate material.
  • transition metal compounds (a) can have an average particle diameter (D50) in the range from 0.05 to 100 ⁇ m, preferably from 2 to 50 ⁇ m.
  • the lithium and oxygen-containing, electrochemically active transition metal compound (a) from layer (C) is a compound selected from the group consisting of lithium titanates of the formula Li 4 + x Ti 5 0 2 with x equal to a numerical value of> 0 to 3, lithium iron phosphate, lithium-nickel-cobalt-manganese oxides, lithium-nickel-cobalt-aluminum oxides, lithium manganese oxides and mixtures thereof, in particular a lithium titanate of the formula
  • the lithium and oxygen-containing, electrochemically active transition metal compound (a) from layer (C) is a compound which has a potential difference between 1 and 5 V, preferably between 1 and 5, in an electrochemical cell 4 V, more preferably between 1 and 2.5 V, in particular between 1 and 1, 8 V with respect to Li / Li * .
  • binder (b) is selected from such binders as described in connection with binder for the cathode (s) (A).
  • layer (C) comprises a binder (b) selected from the group of polymers consisting of polyvinyl alcohol, styrene-butadiene rubber, polyacrylonitrile, carboxymethylcellulose and fluorine-containing (co) polymers, in particular selected from styrene-butadiene- Rubber and fluorine-containing (co) polymers.
  • a binder (b) selected from the group of polymers consisting of polyvinyl alcohol, styrene-butadiene rubber, polyacrylonitrile, carboxymethylcellulose and fluorine-containing (co) polymers, in particular selected from styrene-butadiene- Rubber and fluorine-containing (co) polymers.
  • binder (b) and binder for cathode and for anode, if present, are the same.
  • binder (b) differs from binder for cathode (A) and / or binder for anode (B), or binder for anode (B) and binder for cathode (A) are different.
  • layer (C) has an average thickness in the range from 0.1 ⁇ m to 250 ⁇ m, preferably from 1 ⁇ m to 50 ⁇ m, and particularly preferably from 9 ⁇ m to 35 ⁇ m.
  • Layer (C) may comprise further constituents in addition to the transition metal compound (a) and the optional binder (b), for example support materials such as fibers or nonwovens, which provide improved stability of layer (C), without their necessary porosity and ion permeability affect.
  • Electrochemical cells according to the invention also contain (D) at least one electrically non-conductive, porous and ion-permeable layer positioned between cathode (A) and layer (C) and at least one electrically nonconductive, porous and ion-permeable layer between anode (B ) and layer (C) is positioned.
  • an electrochemical cell according to the invention contains at least two electrically nonconductive, porous and ion-permeable layers, which in the context of the present invention are also called short layers (D) in the plural or layer (D) in the singular.
  • the layers (D) may be the same or different, with a difference between two layers (D), for example, in their chemical composition or their specific material properties such as density, porosity or spatial dimensions, such as For example, the thickness, may be justified, the list of potential differences is not exhaustive.
  • Electrically non-conductive, porous and ion-permeable layers are known as such and are already used, for example, as simple separators in electrochemical cells between cathode and anode.
  • Layer (D) may be, for example, a nonwoven, which may be of inorganic or organic nature, or a porous plastic layer, for example a polyolefin membrane, in particular a polyethylene or a polypropylene membrane.
  • polyolefin membranes can be composed of one or more layers.
  • Layer (D) is preferably a nonwoven.
  • organic nonwovens are polyester nonwovens, in particular polyethylene terephthalate nonwovens (PET nonwovens), polybutylene terephthalate nonwovens (PBT nonwovens), polyimide nonwovens, polyethylene and polypropylene nonwovens, PVdF nonwovens and PTFE nonwovens.
  • PET nonwovens polyethylene terephthalate nonwovens
  • PBT nonwovens polybutylene terephthalate nonwovens
  • polyimide nonwovens polyethylene and polypropylene nonwovens
  • PVdF nonwovens PVdF nonwovens
  • PTFE nonwovens examples of organic nonwovens.
  • inorganic nonwovens examples include glass fiber nonwovens and ceramic fiber nonwovens.
  • the layer (C) or the structural unit consisting of layer (C) and two layers (D) aligned parallel to one another can also be produced as a semifinished product independently of the structure of the electrochemical cell according to the invention and later as a finished separator by a battery manufacturer or part of the separator between the cathode and anode are incorporated in an electrochemical cell
  • Another object of the present invention is therefore also a sheet-like constructed sheet-like separator for the separation of a cathode and an anode in an electrochemical cell containing
  • transition metal compound (a) at least one lithium and oxygen-containing, electrochemically active transition metal compound, called transition metal compound (a) short, and
  • binder (b) optionally at least one binder, called binder (b) for short, and
  • (D) two parallel aligned layers that are electrically nonconductive, porous and ion permeable, abbreviated to layers (D), with layer (C) between the two layers (D).
  • transition metal compound (a) at least one lithium and oxygen-containing, electrochemically active transition metal compound, called transition metal compound (a) short, and
  • binder (b) optionally at least one binder, abbreviated to binder (b), as part of a separator which provides for the separation of a cathode and an anode in an electrochemical cell.
  • the term "sheet-like" means that the described separator, a three-dimensional body, in one of its three spatial dimensions (dimensions), namely the thickness, is smaller than in the other two dimensions, the length and the width.
  • the thickness of the separator is at least a factor of 5, preferably at least a factor of 10, particularly preferably at least a factor of 20 smaller than the second largest extent.
  • Preferred embodiments with respect to layer (C) and the constituents contained therein, namely the transition metal compound (a) and the optionally present binder (b), and with respect to the layers (D) are identical to those described above in connection with the electrochemical cell according to the invention.
  • the separators are sheet-like, they can be installed not only as a flat layers between the cathode and anode, but can also be rolled up depending on the requirements, wound or folded as desired.
  • a sheet-like separator constructed in layers has a thickness in the range from 5 ⁇ m to 250 ⁇ m, preferably from 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the separator according to the invention in the layer (C) as transition metal compound (a) lithium titanate of the formula ⁇ _ ⁇ 4 + ⁇ 5 0 ⁇ 2, wherein x is a numerical value of> 0 to 3, and as binder (b) a styrene-butadiene Rubber or a fluorine-containing (co) polymer, and the two layers (D) are each a non-woven, in particular a non-woven made of an organic polymer.
  • separators having a layer structure (D) / (C) / (D) is known in principle and is described, for example, in WO 2009/033627.
  • the laminar separator constructed in layers according to the invention can be produced, for example, in the form of endless belts, which are further processed by the battery manufacturer, in particular to form an electrochemical cell according to the invention.
  • Inventive electrochemical cells or the separator according to the invention contain in a particularly preferred embodiment as a transition metal compound (a) lithium titanate of the formula Li4 + xTi 5 0i2, wherein x is a numerical value of> 0 to 3.
  • lithium titanate of the formula Li 4 Ti 5 O 2 can be further enriched with lithium, ie, formally reduce the oxidation number of the titanium. This process is called lithiation in the context of the present invention.
  • Lithiation of the lithium titanate of the formula Li 4 Ti 5 O 2 can be carried out before or after Structure of the electrochemical cells according to the invention or of the separator according to the invention take place.
  • Possibilities for lithiation of the lithium titanate of the formula Li 4 Ti 5 O 2 are, for example:
  • Possibility (i) can be realized, for example, by arranging Li 4 Ti 5 O 2 as an electrode in a half cell with lithium as the counterelectrode, and then impressing a current until the potential falls below 1.5 V relative to Li / Li * .
  • a lithium powder such as "SMLP ® " FMC with Li4Ti 5 0i2 be mixed in powder form, or Li4Ti 5 0i2 is coated by gas phase processes such as CVD or PVD with lithium, for example by vapor deposition of lithium for example at 600 ° C in a vacuum.
  • gas phase processes such as CVD or PVD with lithium, for example by vapor deposition of lithium for example at 600 ° C in a vacuum.
  • the Li4Ti 5 Oi2 can also be lithiated by reaction with a lithium alkyl or lithium aryl.
  • a further subject of the present invention is therefore also a process for producing an electrochemical cell as described above, comprising
  • Electrochemical cells according to the invention may further comprise customary constituents, for example conductive salt, nonaqueous solvent, furthermore cable connections and housings.
  • electrochemical cells according to the invention contain at least one non-aqueous solvent, which may be liquid or solid at room temperature, preferably liquid at room temperature, and which is preferably selected from polymers, cyclic or non-cyclic ethers, cyclic or not cyclic acetals, cyclic or non-cyclic organic carbonates and ionic liquids.
  • non-aqueous solvent which may be liquid or solid at room temperature, preferably liquid at room temperature, and which is preferably selected from polymers, cyclic or non-cyclic ethers, cyclic or not cyclic acetals, cyclic or non-cyclic organic carbonates and ionic liquids.
  • polymers are in particular polyalkylene glycols, preferably P0IV-C1-C4-alkylene glycols and in particular polyethylene glycols.
  • Polyethylene glycols may contain up to 20 mol% of one or more C 1 -C 4 -alkylene glycols in copolymerized form.
  • polyalkylene glycols are polyalkylene glycols double capped with methyl or ethyl.
  • the molecular weight M w of suitable polyalkylene glycols and especially of suitable polyethylene glycols may be at least 400 g / mol.
  • the molecular weight M w of suitable polyalkylene glycols and in particular of suitable polyethylene glycols may be up to 5,000,000 g / mol, preferably up to 2,000,000 g / mol
  • non-cyclic ethers are, for example, diisopropyl ether, di-n-butyl ether, 1, 2-dimethoxyethane, 1, 2-diethoxyethane, preference is 1, 2-dimethoxyethane.
  • Suitable cyclic ethers are tetrahydrofuran and 1,4-dioxane.
  • non-cyclic acetals are, for example, dimethoxymethane, diethoxymethane, 1,1-dimethoxyethane and 1,1-diethoxyethane.
  • Suitable cyclic acetals are 1, 3-dioxane and in particular 1, 3-dioxolane.
  • non-cyclic organic carbonates examples include dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and diethyl carbonate.
  • Suitable cyclic organic carbonates are compounds of the general formulas (X) and (XI) in which R 1 , R 2 and R 3 may be identical or different and selected from hydrogen and C 1 -C 4 -alkyl, for example methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec. Butyl and tert-butyl, preferably R 2 and R 3 are not both tert-butyl.
  • R 1 is methyl and R 2 and R 3 are each hydrogen or R 1 , R 2 and R 3 are each hydrogen.
  • Another preferred cyclic organic carbonate is vinylene carbonate, formula (XII).
  • the solvent or solvents are used in the so-called anhydrous state, i. with a water content in the range of 1 ppm to 0.1 wt .-%, determined for example by Karl Fischer titration.
  • Inventive electrochemical cells also contain at least one conductive salt.
  • Suitable conductive salts are in particular lithium salts.
  • suitable lithium salts are LiPF 6 , LiBF 4 , UCIO 4 , LiAsF 6 , L1CF 3 SO 3, LiC (CnF 2n + iSO 2) 3, lithium imides such as LiN (CnF 2 n + iSO 2 ) 2 , where n is an integer in the range of 1 to 20 , LiN (SO 2 F) 2, Li 2 SiFe, LiSbF 6, LiAICU, and salts of the general formula (C n F 2n + i SO 2) m X Li, where m is defined as follows:
  • Electrochemical cells according to the invention furthermore contain a housing which can have any shape, for example cuboid or the shape of a cylinder. In another embodiment, electrochemical cells according to the invention have the shape of a prism. In one variant, a metal-plastic composite film prepared as a bag is used as the housing.
  • Inventive electrochemical cells provide a high voltage of up to about 4.8 V and are characterized by a high energy density and good stability.
  • electrochemical cells according to the invention are characterized by only a very small loss of capacity during repeated cycling.
  • Another object of the present invention is the use of electrochemical cells according to the invention in lithium-ion batteries.
  • Another object of the present invention are lithium-ion batteries, containing at least one electrochemical cell according to the invention.
  • Inventive electrochemical cells can be combined with one another in lithium-ion batteries according to the invention, for example in series connection or in parallel connection. Series connection is preferred.
  • Another object of the present invention is the use of electrochemical cells according to the invention as described above in automobiles, electric motor-powered two-wheelers, aircraft, ships or stationary energy storage.
  • Another object of the present invention is therefore also the use of lithium-ion batteries according to the invention in devices, in particular in mobile devices.
  • mobile devices are vehicles, for example automobiles, two-wheeled vehicles, aircraft or watercraft, such as boats or ships.
  • Other examples of mobile devices are those that you move yourself, such as computers, especially laptops, phones or electrical tools, for example, in the field of construction, in particular drills, cordless screwdrivers or cordless tackers.
  • lithium-ion batteries in devices according to the invention offers the advantage of a longer running time before recharging as well as a lower capacity loss with a longer running time. If one wanted to realize an equal running time with electrochemical cells with a lower energy density, then one would have to accept a higher weight for electrochemical cells.
  • glass fiber fleece (Whatman, 260 ⁇ thickness) punched out discs with 13 mm diameter and dried in a drying oven at 120 ° C for several hours. Thereafter, the glass fiber nonwoven discs were transferred to an argon-filled glove box. Each glass fiber nonwoven disc was divided into two parts, so that two glass fiber fleece discs, each about 130 ⁇ m thick, were formed from a glass fiber fleece disc.
  • Lithium titanate (LTO-2, CHINA ELEMENT INTERNATIONAL LIMITED) was dried for 16 hours at 200 ° C in a vacuum oven. Thereafter, the fine powder was mixed in waxed ratio of 9: 1 with polyvinylidene fluoride commercially available as Kynar FLEX ® 2801 from the company Arkema, and was then added dropwise to N-methyl pyrrolidone, to obtain a viscous paste.. The viscous paste thus obtained was stirred for a period of 16 hours.
  • the resulting paste was stretched evenly over a PET nonwoven, commercially available as fleece "PES20” from APODIS Filtertechnik OHG, and the LTO-coated nonwoven was dried for 2 hours in a drying oven at 120 ° C. After drying, a nonwoven fabric was obtained Approximately 15 mg / cm 2 of LTO coating was then punched out of it with 13 mm diameter disks and dried again in a vacuum drying oven at 120 ° C. for 16 hours to obtain layer C.1.
  • the LTO-coated disc C.1 was transferred to an argon-filled glove box which was sandwiched between two glass fiber fleece discs to obtain separator S.1.
  • Trial 1.1 was repeated, but layer C.1 was placed in a solution of butyllithium in hexane (Aldrich) in an argon-filled glove box for 16 hours to lithiate the LTO, with the originally white layer A.1 becoming uniformly dark. Subsequently, layer C.1 was washed with hexane (anhydrous, Aldrich) and then diethylene carbonate (anhydrous, Aldrich), dried at room temperature for 16 h, to give layer (C.2). Layer C.2 was sandwiched between two glass fiber nonwoven discs to obtain separator S.2.
  • Experiment 1.1 was repeated, but instead of LTO, overlithiated layer oxide Lii, 2Nio, 22Coo, i2Mno, 6602 (BASF) was used to obtain layer C.5 or separator S.5, respectively.
  • overlithiated layer oxide Lii, 2Nio, 22Coo, i2Mno, 6602 (BASF) was used to obtain layer C.5 or separator S.5, respectively.
  • Example 1.1 The experiment of Example 1.1 was repeated under the same conditions, but the PET nonwoven fabric was not coated with LTO but used uncoated to obtain layer C.6 and hence comparative separator V-S.6.
  • Comparative Example I.6 was repeated under the same conditions, but instead of the PET nonwoven (layer C.6), a separator was used, as described in publication WO2004 / 021475, around layer C.7 and consequently comparison separator VS.7 to receive.
  • Experiment 1.1 was repeated in a modified form using lithium powder (Aldrich) instead of LTO, to obtain layer C.8 or comparative separator V-S.8.
  • the PET fleece was coated with the lithium / DOL / Kynarflex dispersion by knife coating in an argon-flooded glove box. Drying was carried out overnight in vacuo at 40 ° C.
  • Cathode (A.1) a lithium-nickel-manganese spinel electrode was used, which was prepared as follows. One mixed with each other:
  • the resulting paste was lazelte on 20 ⁇ thick aluminum foil and dried for 16 hours in a vacuum oven at 120 ° C. The thickness of the coating was 30 ⁇ after drying. Then punched out circular disk-shaped segments, diameter: 12 mm.
  • Anode (B.1) One mixed with each other
  • the resulting paste was laced to 20 ⁇ thick copper foil and dried for 16 hours in a vacuum oven at 120 ° C. The thickness of the coating was after drying 35 ⁇ . Then punched out circular disk-shaped segments, diameter: 12 mm.
  • the separator according to the invention (S.1) prepared according to 1.1 was used as a separator and dripped in an argon-filled glove box with electrolyte and positioned between a cathode (A.1) and an anode (B.1), so that both the anode as well as the cathode had direct contact to the separator. Electrolyte was added and the electrochemical cell EZ.1 according to the invention was obtained. Electrochemical testing was between 4.25V and 4.8V in three-electrode Swagelok cells.
  • Example 11 Analogous to Example 11.1, the electrochemical cells EZ.2, EZ.3, EZ.4. Became separators S.2, S.3, S.4, S.5, as well as VS.6, VS.7 and VS.8 , EZ.5, as well as V-EZ.6, V-EZ.7 and V-EZ.8 and tested accordingly.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a disassembled electrochemical cell for testing separators according to the invention and not according to the invention.
  • FIG. 1 The explanations in FIG. 1 mean:
  • the electrochemical cell EZ.1 could be charged and discharged very stably over 150 cycles and lost only 8% of the starting capacity after 130 cycles
  • the electrochemical cell EZ.2 could be charged and discharged very stable over 150 cycles and lost no starting capacity after 130 cycles.
  • the electrochemical cell EZ.3 could be charged and discharged very stably over 150 cycles and lost only 26% of the starting capacity after 130 cycles
  • the electrochemical cell EZ.4 could be charged and discharged very stably over 150 cycles and lost only 15% of the starting capacity after 130 cycles
  • the electrochemical cell EZ.5 could be charged and discharged very stably over 150 cycles and lost only 17% of the starting capacity after 130 cycles
  • the electrochemical cells V-EZ.6 from the comparative example degraded relatively strongly and lost 42% of the starting capacity after about 130 cycles.
  • the electrochemical cells V-EZ.7 from the comparative example degraded relatively strongly and lost 41% of the starting capacity after about 130 cycles.
  • the electrochemical cell V-EZ.8 from the comparative example could be charged and discharged very stably over 150 cycles and lost only about 4% of the starting capacity after 130 cycles

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, enthaltend (A) mindestens eine Kathode, enthaltend mindestens eine Lithiumionen-haltige Übergangsmetallverbindung, (B) mindestens eine Anode, (C) mindestens eine Schicht, enthaltend (a) mindestens eine lithium- und sauerstoffhaltige, elektrochemisch aktive Übergangsmetallverbindung, und (b) gegebenenfalls mindestens ein Bindemittel, und (D) mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Kathode (A) und Schicht (C) positioniert ist, sowie mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Anode (B) und Schicht (C) positioniert ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer elektrochemischen Zelle, deren Herstellung sowie einen speziellen Separator für die Trennung einer Kathode und einer Anode in einer elektrochemischen Zelle.

Description

Elektrochemische Zellen
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Zellen, enthaltend
(A) mindestens eine Kathode, enthaltend mindestens eine Lithiumionen-haltige Übergangsmetallverbindung,
(B) mindestens eine Anode,
(C) mindestens eine Schicht, enthaltend
(a) mindestens eine lithium- und sauerstoffhaltige, elektrochemisch aktive Übergangsmetallverbindung, und
(b) gegebenenfalls mindestens ein Bindemittel, und
(D) mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Kathode (A) und Schicht (C) positioniert ist, sowie mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Anode (B) und Schicht (C) positioniert ist.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen, deren Herstellung sowie einen speziellen Separator für die Trennung einer Kathode und einer Anode in einer elektrochemischen Zelle.
Energie zu speichern, ist schon seit langer Zeit ein Gegenstand wachsenden Interesses. Elektrochemische Zellen, beispielsweise Batterien oder Akkumulatoren, können zur Speicherung von elektrischer Energie dienen. Besonderes Interesse genießen seit neuerer Zeit die sogenannten Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind in einigen technischen Aspekten den herkömmlichen Batterien überlegen. So kann man mit ihnen Spannungen erzeugen, die mit Batterien auf der Grundlage von wässrigen Elektrolyten nicht zugänglich sind.
Dabei spielen die Materialien, aus denen die Elektroden gemacht werden, und dabei insbesondere das Material, aus dem die Kathode gemacht wird, eine wichtige Rolle.
In vielen Fällen verwendet man Lithium-haltige Übergangmetallmischoxide, insbesondere Lithium-haltige Nickel-Kobalt-Mangan-Oxide mit Schichtstruktur, oder Mangan-haltige Spinelle, die mit einem oder mehreren Übergangsmetallen dotiert sein können. Ein Problem vieler Batterien bleibt jedoch die Zyklenbeständigkeit, die noch zu verbessern ist. Gerade bei solchen Batterien, die einen verhältnismäßig hohen Anteil an Mangan enthalten, beispielsweise bei elektrochemischen Zellen mit einer Mangan-haltigen Spinell-Elektrode und einer Graphit-Anode, beobachtet man häufig einen starken Kapazitätsverlust innerhalb von relativ kurzer Zeit. Weiterhin kann man feststellen, dass in Fällen, in denen man als Gegenelektroden Graphitanoden wählt, elementares Mangan auf der Anode abgeschieden wird. Man stellt sich vor, dass diese auf der Anode abgeschiedenen Mangankeime bei einem Potential von weniger als 1V vs. Li/Li+ als Katalysator für eine reduktive Zersetzung des Elektrolyten wirken. Dabei soll auch Lithium irreversibel gebunden werden, wodurch die Lithium-Ionen-Batterie nach und nach Kapazität verliert. WO 2009/033627 offenbart eine Lage, die als Separator für Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden kann. Sie umfasst ein Vlies sowie in das Vlies eingelagerte Partikel, die aus organischen Polymeren und gegebenenfalls zum Teil aus anorganischem Material bestehen. Durch derartige Separatoren kann man zwar Kurzschlüsse, die durch Metalldendriten verursacht werden, vermeiden. In WO 2009/033627 sind jedoch keine Langzeit-Zyklisierungs-Experimente offenbart.
WO 201 1/024149 offenbart Lithium-Ionen-Batterien, die ein Alkalimetall wie Lithium zwischen Kathode und Anode enthalten, welches als Fänger von unerwünschten Nebenprodukten oder Verunreinigungen dient und als Scavenger bezeichnet wird. Sowohl bei der Herstellung der sekundären Batteriezellen als auch bei einem späteren Recycling der ausgedienten Zellen müssen auf Grund der Anwesenheit von hochreaktivem Alkalimetall geeignete Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.
Es bestand also die Aufgabe, elektrische Zellen bereit zu stellen, die eine verbesserte Lebensdauer aufweisen und in denen man auch nach mehreren Zyklen keine Abscheidung von elementarem Mangan beobachten muss, oder bei deren Herstellung man einen Scavenger einsetzen kann, der eine geringere Sicherheitsproblematik als die Alkalimetalle aufweist und die Lebensdauer der Zelle in dem gewünschten Maße verlängert.
Diese Aufgabe wird durch eine eingangs definierte elektrochemische Zelle gelöst, welche
(A) mindestens eine Kathode, enthaltend mindestens eine Lithiumionen-haltige Übergangsmetallverbindung,
(B) mindestens eine Anode,
(C) mindestens eine Schicht, enthaltend
(a) mindestens eine lithium- und sauerstoffhaltige, elektrochemisch aktive Übergangsmetallverbindung, und
(b) gegebenenfalls mindestens ein Bindemittel, und
(D) mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Kathode (A) und Schicht (C) positioniert ist, sowie mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Anode (B) und Schicht (C) positioniert ist, enthält.
Die Kathode (A) enthält mindestens eine Lithiumionen-haltige Übergangsmetallverbindung, wie beispielsweise die dem Fachmann in der Lithiumionenbatterie-Technologie bekannten Übergangsmetallverbindungen L1C0O2, LiFeP04 oder Lithiummangan-Spinell. Bevorzugt enthält die Kathode (A) als Lithiumionen-haltige Übergangsmetallverbindung ein Lithiumionen-haltiges Ü- bergangsmetalloxid, das als Übergangsmetall Mangan enthält.
Unter Lithiumionen-haltigen Übergangsmetalloxiden, die als Übergangsmetall Mangan enthalten, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur solche Oxide verstanden, die mindestens ein Übergangsmetall in kationischer Form aufweisen, sondern auch solche, die mindestens zwei Übergangsmetalloxide in kationischer Form aufweisen. Außerdem werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch solche Verbindungen unter dem Begriff„Lithiumionen-haltige Übergangsmetalloxide" mit umfasst, die - neben Lithium - mindestens ein Metall in kationischer Form mit umfassen, das kein Übergangsmetall ist, beispielsweise Aluminium oder Calcium.
Mangan kann in einer bevorzugten Ausführungsform in der Kathode (A) in der formalen Oxida- tionsstufe +4 vorkommen. Besonders bevorzugt kommt Mangan in Kathode (A) in einer formalen Oxidationsstufe im Bereich von +3,5 bis +4 vor.
Viele Elemente sind ubiquitär. In gewissen sehr kleinen Anteilen sind beispielsweise Natrium, Kalium und Chlorid in praktisch allen anorganischen Materialien nachzuweisen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Anteile von weniger als 0,1 Gew.-% von Kationen oder Anionen vernachlässigt. Ein Lithiumionen-haltiges Übergangsmetallmischoxid, welches weniger als 0,1 Gew.-% Natrium enthält, gilt im Rahmen der vorliegenden Erfindung also als Natrium-frei. Dementsprechend gilt ein Lithiumionen-haltiges Übergangsmetallmischoxid, das weniger als 0,1 Gew.-% Sulfationen enthält, im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Sulfat-frei.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei Lithiumionen-haltigem Übergangsmetalloxid um ein Übergangsmetallmischoxid, das neben Mangan mindestens ein weiteres Übergangsmetall enthält.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Lithiumionen-haltige Übergangsmetallverbindung aus Mangan-haltigen Lithium-Eisenphosphaten und bevorzugt aus Mangan-haltigen Spinellen und Mangan-haltigen Übergangsmetalloxiden mit Schichtstruktur, insbesondere Mangan-haltigen Übergangsmetallmischoxiden mit Schichtstruktur.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Lithiumionen-haltige Übergangsmetallverbindung aus solchen Verbindungen, die einen überstöchiometrischen Anteil an Lithium aufweisen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Mangan-haltige Spinelle aus solchen der allgemeinen Formel (I)
Figure imgf000004_0001
wobei die Variablen wie folgt definiert sind: 0,9 < a < 1 ,3, bevorzugt 0,95 < a < 1 ,15, 0 < b < 0,6, beispielsweise 0,0 oder 0,5,
wobei für den Fall, dass man M1 = Ni wählt, bevorzugt gilt: 0,4 < b < 0,55, -0,1 < d < 0,4, bevorzugt 0 < d < 0,1 ,
M1 wird gewählt aus einem oder mehreren Elementen, gewählt aus AI, Mg, Ca, Na, B, Mo, W und Übergangsmetallen der ersten Periode des Periodensystems der Elemente. Bevorzugt ist M1 gewählt aus Ni, Co, Cr, Zn, AI und ganz besonders bevorzugt ist M1 Ni.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Mangan-haltige Spinelle aus solchen der Formel LiNio.sMn-i.sC -d und LiM^C .
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Mangan-haltige Übergangsmetalloxide mit Schichtstruktur aus solchen der Formel (I I)
Figure imgf000005_0001
wobei die Variablen wie folgt definiert sind: 0 < t < 0,3 und
M2 gewählt aus AI, Mg, B, Mo, W, Na, Ca und Übergangsmetallen der ersten Periode des Periodensystems der Elemente, wobei das oder mindestens ein Übergangsmetall Mangan ist.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind mindestens 30 mol-% von M2 gewählt aus Mangan, bevorzugt mindestens 35 mol-%, bezogen auf gesamten Gehalt an M2.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist M2 gewählt aus Kombinationen von Ni, Co und Mn, die keine weiteren Elemente in signifikanten Mengen enthalten.
In einer anderen Ausführungsform ist M2 gewählt aus Kombinationen von Ni, Co und Mn, die mindestens ein weiteres Element in signifikanten Mengen enthalten, beispielsweise im Bereich von 1 bis 10 mol-% AI, Ca oder Na.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Mangan-haltige Übergangsmetalloxide mit Schichtstruktur aus solchen, in denen M2 gewählt ist aus Nio,33Coo,33Mno,33, Ni0,5Coo,2Mn0,3, Ni0,4Coo,3Mn0,4, Ni0,4Coo,2Mn0,4 und Ni0,45Coo,ioMn0,45.
In einer Ausführungsform liegt Lithium-haltiges Übergangsmetalloxid in Form von Primärpartikeln vor, die zu sphärischen Sekundärpartikeln agglomeriert sind, wobei der mittlere Partikeldurchmesser (D50) der Primärpartikel im Bereich von 50 nm bis 2 μηη und der mittlere Partikeldurchmesser (D50) der Sekundärpartikel im Bereich von 2 μηη bis 50 μηη liegt. Kathode (A) kann einen oder weitere Bestandteile enthalten. Beispielsweise kann Kathode (A) Kohlenstoff in leitfähiger Modifikation enthalten, beispielsweise aus Graphit, Ruß, Kohlenstoff- nanoröhren, Graphen oder Mischungen von mindestens zwei der vorstehend genannten Stoffen gewählt.
Weiterhin kann Kathode (A) einen oder mehrere Binder, auch Bindemittel genannt, enthalten, beispielsweise ein oder mehrere organische Polymere. Geeignete Bindemittel sind beispielsweise organischen (Co)polymeren. Geeignete (Co)polymere, also Homopolymere oder Copolymere, kann man beispielsweise wählen aus durch anionische, katalytische oder radikalische (Co)polymerisation erhältlichen (Co)polymeren, insbesondere aus Polyethylen, Polyacrylnitril, Polybutadien, Polystyrol, und Copolymeren von mindestens zwei Comonomeren, gewählt aus Ethylen, Propylen, Styrol, (Meth)acrylnitril und 1 ,3-Butadien, insbesondere Styrol-Butadien- Copolymere. Außerdem ist Polypropylen geeignet. Weiterhin sind Polyisopren und Polyacrylate geeignet. Besonders bevorzugt ist Polyacrylnitril.
Unter Polyacrylnitril werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur Polyacrylnitril- Homopolymere verstanden, sondern auch Copolymere von Acrylnitril mit 1 ,3-Butadien oder Styrol. Bevorzugt sind Polyacrylnitril-Homopolymere.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Polyethylen nicht nur Homo-Polyethylen verstanden, sondern auch Copolymere des Ethylens, die mindestens 50 mol-% Ethylen einpolyme- risiert enthalten und bis zu 50 mol-% von mindestens einem weiteren Comonomer, beispielsweise a-Olefine wie Propylen, Butylen (1-Buten), 1 -Hexen, 1 -Octen, 1 -Decen, 1 -Dodecen, 1 - Penten, weiterhin Isobuten, Vinylaromaten wie beispielsweise Styrol, weiterhin
(Meth)acrylsäure, Vinylacetat, Vinylpropionat, Ci-Cio-Alkylester der (Meth)acrylsäure, insbesondere Methylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylacrylat, Ethylmethacrylat, n-Butylacrylat, 2- Ethylhexylacrylat, n-Butylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, weiterhin Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid und Itaconsäureanhydrid. Bei Polyethylen kann es sich um HDPE oder um LDPE handeln.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Polypropylen nicht nur Homo-Polypropylen verstanden, sondern auch Copolymere des Propylens, die mindestens 50 mol-% Propylen ein- polymerisiert enthalten und bis zu 50 mol-% von mindestens einem weiteren Comonomer, beispielsweise Ethylen und α-Olefine wie Butylen, 1 -Hexen, 1 -Octen, 1 -Decen, 1 -Dodecen und 1 - Penten. Bei Polypropylen handelt es sich vorzugsweise um isotaktisches oder um im Wesentlichen isotaktisches Polypropylen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Polystyrol nicht nur Homopolymere des Styrols verstanden, sondern auch Copolymere mit Acrylnitril, 1 ,3-Butadien, (Meth)acrylsäure, Ci-Cio-Alkylester der (Meth)acrylsäure, Divinylbenzol, insbesondere 1 ,3-Divinylbenzol, 1 ,2- Diphenylethylen und a-Methylstyrol. Ein anderes bevorzugtes Bindemittel ist Polybutadien.
Andere geeignete Bindemittel sind gewählt aus Polyethylenoxid (PEO), Cellulose, Carboxy- methylcellulose, Polyimiden und Polyvinylalkohol.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Bindemittel aus solchen (Co)polymeren, die ein mittleres Molekulargewicht Mw im Bereich von 50.000 bis 1 .000.000 g/mol, bevorzugt bis 500.000 g/mol aufweisen.
Bei Bindemitteln kann es sich um vernetzte oder unvernetzte (Co)polymere handeln.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Bindemittel aus halogenierten (Co)polymeren, insbesondere aus fluorierten (Co)polymeren. Dabei werden unter halogenierten bzw. fluorierten (Co)polymeren solche (Co)polymere verstanden, die mindestens ein (Co)monomer einpolymerisiert enthalten, das mindestens ein Halogenatom bzw. mindestens ein Fluoratom pro Molekül aufweist, bevorzugt mindestens zwei Halogenatome bzw. mindestens zwei Fluoratome pro Molekül.
Beispiele sind Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Tetrafluoroethylen-Hexafluorpropylen-Copolymere, Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen- Copolymere (PVdF-HFP), Vinylidenfluorid-Tetrafluorethylen-Copolymere, Perfluoralkylviny- lether-Copolymere, Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymere, Vinylidenfluorid-Chlortrifluorethylen- Copolymere und Ethylen-Chlorfluorethylen-Copolymere.
Geeignete Bindemittel sind insbesondere Polyvinylalkohol und halogenierte (Co)polymere, beispielsweise Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenchlorid, insbesondere fluorierte (Co)polymere wie Polyvinylfluorid und insbesondere Polyvinylidenfluorid und Polytetrafluorethylen.
Weiterhin kann Kathode (A) weitere an sich übliche Bestandteile aufweisen, beispielsweise einen Stromableiter, der in Form eines Metalldrahts, Metallgitters, Metallnetzes, Streckmetalls, Metallblechs oder einer Metallfolie ausgestaltet sein kann. Als Metallfolien sind insbesondere Aluminiumfolien geeignet.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist Kathode (A) eine Dicke im Bereich von 25 bis 200 μηη, vorzugweise von 30 bis 100 μηη auf, bezogen auf die Dicke ohne Stromableiter.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen enthalten weiterhin mindestens eine Anode (B).
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann man Anode (B) aus Anoden aus Kohlenstoff und Anoden, die Sn oder Si enthalten, wählen. Anoden aus Kohlenstoff kann man beispielsweise wählen aus Hart-Carbon, Soft Carbon, Graphen, Graphit und insbesondere Gra- phit, interkaliertem Graphit und Gemischen von zwei oder mehr der vorstehend genannten Kohlenstoffen. Anoden, die Sn oder Si enthalten, kann man beispielsweise wählen aus nanopartiku- lärem Si- bzw. Sn-Pulver, Si- bzw. Sn-Fasern, Kohlenstoff-Si- bzw. Kohlenstoff-Sn- Verbundwerkstoffen und Si-Metall- bzw. Sn-Metall-Legierungen.
Anode (B) kann ein oder mehrere Bindemittel aufweisen. Dabei kann man als Bindemittel ein oder mehrere der vorstehend genannten Bindemittel wählen, die im Rahmen der Beschreibung der Kathode (A) genannt werden.
Weiterhin kann Anode (B) weitere an sich übliche Bestandteile aufweisen, beispielsweise einen Stromableiter, der in Form eines Metalldrahts, Metallgitters, Metallnetzes, Streckmetalls, oder einer Metallfolie oder eines Metallblechs ausgestaltet sein kann. Als Metallfolien sind insbesondere Kupferfolien geeignet.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist Anode (B) eine Dicke im Bereich von 15 bis 200 μηη, vorzugweise von 30 bis 100 μηη auf, bezogen auf die Dicke ohne Stromableiter.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen enthalten weiterhin (C) mindestens eine Schicht, kurz auch Schicht (C) genannt, die (a) mindestens eine lithium- und sauerstoffhaltige, elektrochemisch aktive Übergangsmetallverbindung, kurz auch Übergangsmetallverbindung (a) genannt, und (b) gegebenenfalls mindestens ein Bindemittel, kurz auch Bindemittel (b) oder Binder (b) genannt, enthält.
Lithium- und sauerstoffhaltige, elektrochemisch aktive Übergangsmetallverbindungen (a) sind als solche bekannt. Insbesondere handelt es sich bei den Übergangsmetallverbindungen (a) um solche Materialien, die bereits als Elektrodenmaterialien, sowohl in der Kathode als auch in der Anode in elektrochemischen Zellen eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der lithium- und sauerstoffhaltigen, elektrochemisch aktiven Übergangsmetallverbindung (a) aus Schicht (C) um ein partikuläres Material. Übergangsmetallverbindungen (a) können im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen mittleren Partikel-Durchmesser (D50) im Bereich von 0,05 bis 100 μηη, bevorzugt 2 bis 50 μηη aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der lithium- und sauerstoffhaltigen, elektrochemisch aktiven Übergangsmetallverbindung (a) aus Schicht (C) um eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumtitanaten der Formel Li4+xTi50i2 mit x gleich einem Zahlenwert von > 0 bis 3, Lithiumeisen-phosphat, Li- thium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxiden, Lithium-Nickel- Cobalt-Aluminium-Oxiden, Lithiummanganoxide und Mischungen derselben, insbesondere um ein Lithiumtitanat der Formel
Li4+xTi50i2, worin x ein Zahlenwert von > 0 bis 3 ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der lithium- und sauerstoffhaltigen, elektrochemisch aktiven Übergangsmetallverbindung (a) aus Schicht (C) um eine Verbindung, die in einer elektrochemischen Zelle eine Potentialdifferenz zwischen 1 und 5 V, bevorzugt zwischen 1 und 4 V, besonders bevorzugt zwischen 1 und 2,5 V, insbesondere zwischen 1 und 1 ,8 V gegenüber Li/Li* aufweist.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Bindemittel (b) aus solchen Bindemitteln, wie im Zusammenhang mit Bindemittel für die Kathode(n) (A) beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält Schicht (C) ein Bindemittel (b) ausgewählt aus der Gruppe der Polymere bestehend aus Polyvinylalkohol, Styrol- Butadien-Kautschuk, Polyacrylnitril, Carboxymethylcellulose und fluorhaltigen (Co)polymeren, insbesondere ausgewählt aus Styrol-Butadien-Kautschuk und fluorhaltigen (Co)polymeren.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Bindemittel (b) sowie Bindemittel für Kathode und für Anode, so vorhanden, jeweils gleich.
In einer anderen Ausführungsform unterscheidet sich Bindemittel (b) von Bindemittel für Kathode (A) und/oder Bindemittel für Anode (B), oder Bindemittel für Anode (B) und Bindemittel für Kathode (A) sind verschieden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist Schicht (C) eine mittlere Dicke im Bereich von 0,1 μηη bis 250 μηη, bevorzugt von 1 μηη bis 50 μηη und besonders bevorzugt von 9 μηη bis 35 μηη auf.
Schicht (C) kann neben der Übergangsmetallverbindung (a) und dem fakultativen Bindemittel (b) weitere Bestandteile aufweisen, beispielsweise Stützmaterial wie Fasern oder Vliese, die für eine verbesserte Stabilität von Schicht (C) sorgen, ohne deren notwendige Porosität und lonen- durchlässigkeit zu beeinträchtigen.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen enthalten weiterhin (D) mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Kathode (A) und Schicht (C) positioniert ist, sowie mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Anode (B) und Schicht (C) positioniert ist. Somit enthält eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle mindestens zwei elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schichten, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch kurz Schichten (D) im Plural oder Schicht (D) im Singular genannt werden.
Prinzipiell können die Schichten (D) gleich oder verschieden sein, wobei ein Unterschied zwischen zwei Schichten (D) beispielsweise in deren chemischer Zusammensetzung oder deren spezifischen Materialeigenschaften wie Dichte, Porosität oder räumliche Dimensionen, wie bei- spielsweise der Dicke, begründet sein kann, wobei die Aufzählung der potentiellen Unterschiede nicht abschließend ist.
Elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schichten sind als solche bekannt und werden beispielsweise bereits als einfache Separatoren in elektrochemischen Zellen zwischen Kathode und Anode eingesetzt.
Bei Schicht (D) kann es sich beispielsweise um ein Vlies handeln, das anorganischer oder organischer Natur sein kann, oder um eine poröse Kunststoffschicht, beispielsweise eine Polyole- finmembran, insbesondere eine Polyethylen- oder eine Polypropylenmembran. Polyolefin- membranen können wiederum aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein. Bevorzugt handelt es sich bei Schicht (D) um ein Vlies.
Beispiele für organische Vliese sind Polyester-Vliese, insbesondere Polyethylenterephthalat- Vliese (PET-Vliese), Polybutylenterephthalat-Vliese (PBT-Vliese), Polyimid-Vliese, Polyethylen- und Polypropylen-Vliese, PVdF-Vliese und PTFE-Vliese.
Beispiele für anorganische Vliese sind Glasfaservliese und Keramikfaservliese.
Die in der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle enthaltene Schicht (C) oder die Struktureinheit bestehend aus Schicht (C) und zwei parallel zueinander ausgerichtete Schichten (D) können auch unabhängig vom Aufbau der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle als Halbzeug hergestellt werden und später von einem Batteriehersteller als fertiger Separator oder Bestandteil des Separators zwischen Kathode und Anode in eine elektrochemische Zelle eingebaut werden
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch ein schichtweise aufgebauter flächenförmiger Separator für die Trennung einer Kathode und einer Anode in einer elektrochemischen Zelle enthaltend
(C) mindestens eine Schicht, kurz Schicht (C) genannt, enthaltend
(a) mindestens eine lithium- und sauerstoffhaltige, elektrochemisch aktive Übergangsmetallverbindung, kurz Übergangsmetallverbindung (a) genannt, und
(b) gegebenenfalls mindestens ein Bindemittel, kurz Bindemittel (b) genannt, und
(D) zwei parallel zueinander ausgerichtete Schichten, die elektrisch nicht leitend, porös und ionendurchlässig sind, kurz Schichten (D) genannt, wobei sich Schicht (C) zwischen den beiden Schichten (D) befindet.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung einer Schicht (C) enthaltend
(a) mindestens eine lithium- und sauerstoffhaltige, elektrochemisch aktive Übergangsmetallverbindung, kurz Übergangsmetallverbindung (a) genannt, und
(b) gegebenenfalls mindestens ein Bindemittel, kurz Bindemittel (b) genannt, als Bestandteil eines Separators, der für die Trennung einer Kathode und einer Anode in einer elektrochemischen Zelle sorgt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck„flächenförmig", dass der beschriebene Separator, ein dreidimensionaler Körper, in einer seiner drei räumlichen Dimensionen (Ausdehnungen), nämlich der Dicke, kleiner ist als hinsichtlich der beiden anderen Dimensionen, der Länge und der Breite. Üblicherweise ist die Dicke des Separator mindestens um den Faktor 5, bevorzugt mindestens um den Faktor 10, besonders bevorzugt mindestens um der Faktor 20 kleiner als die zweitgrößte Ausdehnung.
Bevorzugte Ausführungsformen bezüglich Schicht (C) und den darin enthaltenen Bestandteilen, nämlich der Übergangsmetallverbindung (a) sowie dem gegebenenfalls vorhandenen Bindemittel (b), sowie bezüglich den Schichten (D) sind identisch wie vorangehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle beschrieben.
Da die Separatoren flächenförmig sind, lassen sie sich nicht nur als ebene Schichten zwischen Kathode und Anode einbauen, sondern können auch je nach Anforderung aufgerollt, aufgewickelt oder beliebig gefaltet werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist schichtweise aufgebauter flächen- förmiger Separator eine Dicke im Bereich von 5 μηη bis 250 μηη, bevorzugt von 10 μηη bis 50 μηη auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der erfindungsgemäße Separator in der Schicht (C) als Übergangsmetallverbindung (a) Lithiumtitanat der Formel Ι_ΐ4+χΤΊ50ΐ2, worin x ein Zahlenwert von > 0 bis 3 ist, und als Bindemittel (b) einen Styrol-Butadien-Kautschuk oder ein fluorhaltiges (Co)polymer, und die beiden Schichten (D) sind jeweils ein Vlies, insbesondere ein Vlies hergestellt aus einem organischen Polymer.
Die Herstellung von Separatoren mit einem Schichtaufbau (D)/(C)/(D) ist prinzipiell bekannt und wird beispielsweise in WO 2009/033627 beschrieben. Der erfindungsgemäße schichtweise aufgebaute flächenförmige Separator kann beispielsweise in Form von Endlosbändern hergestellt werden, die vom Batteriehersteller weiter verarbeitet werden, insbesondere zu einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen beziehungsweise der erfindungsgemäße Separator enthalten in einer besonders bevorzugten Ausführungsform als Übergangsmetallverbindung (a) Lithiumtitanat der Formel Li4+xTi50i2, worin x ein Zahlenwert von > 0 bis 3 ist. Um ein Lithiumtitanat der Formel Li4+xTi50i2 mit einem Zahlenwert von > 0 bis 3 zu generieren, kann man Lithiumtitanat der Formel Li4Ti50i2 weiter mit Lithium anreichern, das heißt formal die Oxidations- zahl des Titans erniedrigen. Dieser Prozess wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung Lithiie- rung genannt. Die Lithiierung des Lithiumtitanates der Formel Li4Ti50i2 kann vor oder nach dem Aufbau der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen beziehungsweise des erfindungsgemäßen Separators erfolgen. Möglichkeiten zur Lithiierung des Lithiumtitanates der Formel Li4Ti50i2 sind beispielsweise:
(i) Elektrochemische Reduktion von Li4Ti50i2 gegenüber einer Lithiumanode,
(ii) Umsetzung von Li4Ti50i2 mit elementarem Lithium, und
(iii) Umsetzung von Li4Ti50i2 mit einem Lithiumalkyl oder Lithiumaryl.
Möglichkeit (i) kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass Li4Ti50i2 als Elektrode in einer Halbzelle mit Lithium als Gegenelektrode angeordnet wird, und anschließend ein Strom aufprägt wird, bis das Potential unter 1 ,5 V gegenüber Li/Li* fällt.
In Möglichkeit (ii) kann als elementares Lithium beispielsweise ein Lithiumpulver wie„SMLP®" der Firma FMC mit Li4Ti50i2 in Pulverform vermischt werden, oder Li4Ti50i2 wird durch Gasphasenverfahren wie CVD bzw. PVD mit Lithium beschichtet, beispielsweise durch Aufdampfen von Lithium bei beispielsweise 600 °C im Vakuum. Sobald das Li/Li4Ti50i2-Gemisch Kontakt zu einem Elektrolyten hat, kommt es selbstständig zur Lithiierung des Li4Ti50i2.
Gemäß Möglichkeit (iii) kann das Li4Ti50i2 auch durch Umsetzung mit einem Lithiumalkyl oder Lithiumaryl lithiiert werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle wie vorangehend beschrieben, enthaltend
(A) mindestens eine Kathode, enthaltend mindestens eine Lithiumionen-haltige Übergangsmetallverbindung,
(B) mindestens eine Anode,
(C) mindestens eine Schicht, enthaltend
(a) mindestens ein Lithiumtitanat der Formel Li4+xTi50i2, worin x ein Zahlenwert von > 0 bis 3 ist, und
(b) gegebenenfalls mindestens ein Bindemittel, und
(D) mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Kathode (A) und Schicht (C) positioniert ist, sowie mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Anode (B) und Schicht (C) positioniert ist, umfassend als einen der Verfahrensschritte die Lithiierung von Li4Ti50i2 durch einen Verfahrensschritt ausgewählt aus der Gruppe der Verfahrensschritte bestehend aus:
(i) Elektrochemische Reduktion von Li4Ti50i2 gegenüber einer Lithiumanode,
(ii) Umsetzung von Li4Ti50i2 mit elementarem Lithium, und
(iii) Umsetzung von Li4Ti50i2 mit einem Lithiumalkyl oder Lithiumaryl. Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen können weiterhin an sich übliche Bestandteile aufweisen, beispielsweise Leitsalz, nicht-wässriges Lösungsmittel, weiterhin Kabelverbindungen und Gehäuse.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten erfindungsgemäße elektrochemische Zellen mindestens ein nicht-wässriges Lösungsmittel, das bei Zimmertemperatur flüssig oder fest sein kann, vorzugsweise bei Zimmertemperatur flüssig ist, und das bevorzugt gewählt wird aus Polymeren, cyclischen oder nicht-cyclischen Ethern, cyclischen oder nicht-cyclischen Acetalen, cyclischen oder nicht cyclischen organischen Carbonaten und ionischen Flüssigkeiten (englisch ionic liquids).
Beispiele für geeignete Polymere sind insbesondere Polyalkylenglykole, bevorzugt P0IV-C1-C4- alkylenglykole und insbesondere Polyethylenglykole. Dabei können Polyethylenglykole bis zu 20 mol-% ein oder mehrere Ci-C4-Alkylenglykole einpolymerisiert enthalten. Vorzugsweise handelt es sich bei Polyalkylenglykolen um zweifach mit Methyl oder Ethyl verkappte Polyalkylenglykole.
Das Molekulargewicht Mw von geeigneten Polyalkylenglykolen und insbesondere von geeigneten Polyethylenglykolen kann mindestens 400 g/mol betragen.
Das Molekulargewicht Mw von geeigneten Polyalkylenglykolen und insbesondere von geeigneten Polyethylenglykolen kann bis zu 5.000.000 g/mol betragen, bevorzugt bis zu 2.000.000 g/mol betragen
Beispiele für geeignete nicht-cyclische Ether sind beispielsweise Diisopropylether, Di-n- Butylether, 1 ,2-Dimethoxyethan, 1 ,2-Diethoxyethan, bevorzugt ist 1 ,2-Dimethoxyethan.
Beispiele für geeignete cyclische Ether sind Tetrahydrofuran und 1 ,4-Dioxan.
Beispiele für geeignete nicht-cyclische Acetale sind beispielsweise Dimethoxymethan, Dietho- xymethan, 1 ,1 -Dimethoxyethan und 1 ,1-Diethoxyethan.
Beispiele für geeignete cyclische Acetale sind 1 ,3-Dioxan und insbesondere 1 ,3-Dioxolan.
Beispiele für geeignete nicht-cyclische organische Carbonate sind Dimethylcarbonat, Ethylme- thylcarbonat und Diethylcarbonat.
Beispiele für geeignete cyclische organische Carbonate sind Verbindungen der allgemeinen Formeln (X) und (XI)
Figure imgf000014_0001
bei denen R1, R2 und R3 gleich oder verschieden sein können und gewählt aus Wasserstoff und Ci-C4-Alkyl, beispielsweise Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl und tert.-Butyl, wobei vorzugsweise R2 und R3 nicht beide tert.-Butyl sind.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist R1 Methyl und R2 und R3 sind jeweils Wasserstoff, oder R1, R2 und R3 sind jeweils gleich Wasserstoff.
Ein anderes bevorzugtes cyclisches organisches Carbonat ist Vinylencarbonat, Formel (XII).
Figure imgf000014_0002
Vorzugsweise setzt man das oder die Lösungsmittel im so genannten wasserfreien Zustand ein, d.h. mit einem Wassergehalt im Bereich von 1 ppm bis 0,1 Gew.-%, bestimmbar beispielsweise durch Karl-Fischer-Titration.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen enthalten weiterhin mindestens ein Leitsalz. Geeignete Leitsalze sind insbesondere Lithiumsalze. Beispiele für geeignete Lithiumsalze sind LiPF6, LiBF4, UCIO4, LiAsF6, L1CF3SO3, LiC(CnF2n+iS02)3, Lithiumimide wie LiN(CnF2n+iS02)2, wobei n eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 20 ist, LiN(S02F)2, Li2SiFe, LiSbF6, LiAICU, und Salze der allgemeinen Formel (CnF2n+iS02)mXLi, wobei m wie folgt definiert ist:
m = 1 , wenn X gewählt wird aus Sauerstoff und Schwefel,
m = 2, wenn X gewählt wird aus Stickstoff und Phosphor, und
m = 3, wenn X gewählt wird aus Kohlenstoff und Silizium.
Bevorzugte Leitsalze sind gewählt aus LiC(CF3S02)3, LiN(CF3S02)2, LiPF6, LiBF4, LiCI04, und besonders bevorzugt sind LiPF6 und LiN(CFsS02)2. Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen enthalten weiterhin ein Gehäuse, das beliebige Form haben kann, beispielsweise quaderförmig oder die Form eines Zylinders. In einer anderen Ausführungsform haben erfindungsgemäße elektrochemische Zellen die Form eines Prismas. In einer Variante wird als Gehäuse eine als Beutel ausgearbeitete Metall-Kunststoff- Verbundfolie eingesetzt.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen liefern eine hohe Spannung von bis zu ca. 4,8 V und zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und gute Stabilität aus. Insbesondere zeichnen sich erfindungsgemäße elektrochemische Zellen durch einen nur sehr geringen Kapazitätsverlust bei wiederholtem Zyklieren aus.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen in Lithium-Ionen-Batterien. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Lithium-Ionen-Batterien, enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle. Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen lassen sich in erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batterien miteinander kombinieren, beispielsweise in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung. Reihenschaltung ist bevorzugt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen wie vorangehend beschrieben in Automobilen, mit Elektromotor betriebenen Zweirädern, Flugzeugen, Schiffen oder stationären Energiespeichern.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch die Verwendung von erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batterien in Geräten, insbesondere in mobilen Geräten. Beispiele für mobile Geräte sind Fahrzeuge, beispielsweise Automobile, Zweiräder, Flugzeuge oder Wasserfahrzeuge wie Boote oder Schiffe. Andere Beispiele für mobile Geräte sind solche, die man selber bewegt, beispielsweise Computer, insbesondere Laptops, Telefone oder elektrische Handwerkszeuge, beispielsweise aus dem Bereich des Bauens, insbesondere Bohrmaschinen, Akkubohrschrauber oder Akku-Tacker.
Die Verwendung von erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batterien in Geräten bietet den Vorteil einer längeren Laufzeit vor dem Nachladen sowie einen geringeren Kapazitätsverlust bei längerer Laufzeit. Wollte man mit elektrochemischen Zellen mit geringerer Energiedichte eine gleiche Laufzeit verwirklichen, so müsste man ein höheres Gewicht für elektrochemische Zellen in Kauf nehmen.
Die Erfindung wird durch folgende, die Erfindung jedoch nicht einschränkende Beispiele erläutert.
Angaben in Prozent beziehen sich jeweils auf Gew.-%, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben. Herstellung von erfindungsgemäßen Separatoren aus Schicht (C) und zwei Schichten (D)
1.1 Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators (S.1 )
Aus einem Glasfaservlies (Whatman, 260 μηη Dicke) stanzte man Scheiben mit 13 mm Durchmesser aus und trocknete sie im Trockenschrank bei 120 °C für mehrere Stunden. Danach ü- berführte man die Glasfaservlies-Scheiben in eine Argon-gefüllte Glove-box. Man teilte jede Glasfaservlies-Scheiben in zwei Teile, so dass aus einer Glasfaservlies-Scheibe zwei Glasfaservlies-Scheiben entstanden, die je ca. 130 μηη dick waren.
Man trocknete Lithiumtitanat (LTO-2, CHINA ELEMENT INTERNATIONAL LIMITED) über einen Zeitraum von 16 Stunden bei 200 °C im Vakuumtrockenschrank. Danach vermischte man das feine Pulver im Gewichstverhältnis 9:1 mit Polyvinylidenfluorid, kommerziell erhältlich als Kynar® FLEX 2801 der Fa. Arkema, und gab danach tropfenweise N-Methylpyrrolidon zu, bis man eine zähe Paste erhielt. Die so erhaltene zähe Paste rührte man über einen Zeitraum von 16 Stunden.
Man räkelte die so erhaltene Paste gleichmäßig auf ein PET-Vlies, kommerziell erhältlich als Vlies„PES20" der Fa. APODIS Filtertechnik OHG und trocknet das LTO-beschichtete Vlies 2 Stunden bei 120 °C im Trockenschrank. Nach dem Trocknen erhielt man ein Vlies mit einer LTO-Belegung von je ca. 15 mg/cm2. Danach stanzte man daraus Scheiben mit 13 mm Durchmesser aus und trocknete sie nochmals im Vakuumtrockenschrank bei 120 °C für 16 Stunden um Schicht C.1 zu erhalten.
Anschließend überführte man die LTO-beschichtete Scheibe C.1 in eine Argon-gefüllte Glove- box, die man sandwichartig zwischen zwei Glasfaservlies-Scheiben legte, um Separator S.1 zu erhalten.
1.2 Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators (S.2)
Versuch 1.1 wurde wiederholt, jedoch wurde die Schicht C.1 in einer Argon gefüllten Glovebox für 16 h in eine Lösung aus Butyllithium in Hexan (Aldrich) gelegt um das LTO zu lithiieren, wobei sich die ursprünglich weiße Schicht A.1 gleichmäßig dunkel verfärbte. Anschließend wurde die Schicht C.1 mit Hexan (wasserfrei, Aldrich) und dann Diethylencarbonat (wasserfrei, Aldrich) gewaschen, bei Raumtemperatur für 16h getrocknet und man erhielt Schicht (C.2). Schicht C.2 wurde sandwichartig zwischen zwei Glasfaservlies-Scheiben gelegt, um Separator S.2 zu erhalten.
1.3 Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators (S.3)
Versuch 1.1 wurde wiederholt, jedoch wurde anstelle von LTO nun Lithiumeisenphosphat (LFP von BASF) verwendet um Schicht C.3 bzw. Separator S.3 zu erhalten. I.4 Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators (S.4)
Versuch 1.1 wurde wiederholt, jedoch wurde anstelle von LTO nun eine 1 :1 -Mischung (Gewichtsanteile) aus LTO und LFP verwendet, um Schicht C.4 herzustellen bzw. Separator S.4 zu erhalten.
1.5 Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators (S.5)
Versuch 1.1 wurde wiederholt, jedoch wurde anstelle von LTO nun überlithiiertes Schichtoxid Lii,2Nio,22Coo,i2Mno,6602 (BASF) verwendet um Schicht C.5 bzw. Separator S.5 zu erhalten.
1.6 Herstellung eines nicht erfindungsgemäßen Separators (V-S.6)
Der Versuch aus Beispiel 1.1 wurde unter denselben Bedingungen wiederholt, jedoch wurde das PET-Vlies nicht mit LTO beschichtet, sondern unbeschichtet verwendet, um Schicht C.6 und folglich Vergleichsseparator V-S.6 zu erhalten.
1.7 Herstellung eines nicht erfindungsgemäßen Separators (V-S.7)
Der Versuch aus dem Vergleichsbeispiel I.6 wurde unter denselben Bedingungen wiederholt, jedoch wurde anstelle des PET-Vlieses (Schicht C.6) nun ein Separator verwendet, wie er in Veröffentlichung WO2004/021475 beschrieben ist, um Schicht C.7 und folglich Vergleichsseparator V-S.7 zu erhalten.
1.8 Herstellung eines nicht erfindungsgemäßen Separators (V-S.8)
Versuch 1.1 wurde in abgeänderter Form wiederholt, wobei anstelle von LTO nun Lithiumpulver (Aldrich) verwendet wurde, um Schicht C.8 bzw. Vergleichsseparator V-S.8 zu erhalten. Aus dem Lithiumpulver wurde mit Dioxolan (Aldrich) und Kynar-flex (Arkema) (Gewichtsverhältnis Li:PVdF = 4:1 ) eine zähflüssige Suspension hergestellt, die über Nacht gerührt wurde. Die Be- schichtung des PET-Vlieses mit der Lithium/DOL/Kynarflex-Dispersion erfolgte durch Aufrakeln in einer Argon-gefluteten Glove-box. Das Trocknen erfolgte über Nacht im Vakuum bei 40 °C.
II. Herstellung von elektrochemischen Zellen und deren Testung
Man verwendete stets folgende Elektroden:
Kathode (A.1 ): man verwendete eine Lithium-Nickel-Mangan-Spinell-Elektrode, die wie folgt hergestellt wurde. Man vermischte miteinander:
85 % LiMni,5Ni0,5O4
6 % PVdF, kommerziell erhältlich als Kynar Flex® 2801 der Arkema Group, 6 % Ruß, BET-Oberfläche von 62 m2/g, kommerziell erhältlich als„Super P Li" der Firma Timcal,
3 % Graphit, kommerziell erhältlich als KS6 der Fa. Timcal;
in einem verschraubbaren Gefäß. Unter Rühren versetzte man mit so viel N-Methyl-Pyrrolidon, bis man eine zähe klumpenfreie Paste erhalten hatte. Man rührte 16 Stunden.
Dann räkelte man die so erhaltene Paste auf 20 μηη dicke Aluminiumfolie auf und trocknete 16 Stunden lang in einem Vakuumtrockenschrank bei 120 °C. Die Dicke der Beschichtung betrug nach dem Trocknen 30 μηη. Anschließend stanzte man kreisscheibenförmige Segmente aus, Durchmesser: 12 mm.
Anode (B.1 ): Man vermischte miteinander
91 % Graphit ConocoPhillips C5
6 % PVdF, kommerziell erhältlich als Kynar Flex® 2801 der Arkema Group,
3 % Ruß, BET-Oberfläche von 62 m2/g, kommerziell erhältlich als„Super P Li" der Firma Timcal In einem verschraubbaren Gefäß. Unter Rühren versetzte man mit so viel N-Methyl-Pyrrolidon, bis man eine zähe klumpenfreie Paste erhalten hatte. Man rührte 16 Stunden.
Dann räkelte man die so erhaltene Paste auf 20 μηη dicke Kupferfolie auf und trocknete 16 Stunden lang in einem Vakuumtrockenschrank bei 120 °C. Die Dicke der Beschichtung betrug nach dem Trocknen 35 μηη. Anschließend stanzte man kreisscheibenförmige Segmente aus, Durchmesser: 12 mm.
Man verwendete stets folgenden Elektrolyten:
1 M Lösung von LiPF6 in wasserfreiem Ethylencarbonat-Ethylmethylcarbonat-Gemisch (Gewichtsanteile 1 :1 )
11.1 Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle EZ.1 und Testung
Der nach 1.1 hergestellte erfindungsgemäße Separator (S.1 ) wurde als Separator eingesetzt und dazu in einer Argon-gefüllten Glove-box mit Elektrolyt betropft und zwischen einer Kathode (A.1 ) und einer Anode (B.1 ) positioniert, so dass sowohl die Anode als auch die Kathode direkten Kontakt zum Separator hatte. Man setzte Elektrolyt zu und erhielt erfindungsgemäße elektrochemische Zelle EZ.1. Die elektrochemische Untersuchung erfolgte zwischen 4,25 V und 4,8 V in Drei-Elektroden-Swagelokzellen.
Die ersten zwei Zyklen wurden zwecks Formierung bei 0,2C-Rate gefahren; die Zyklen Nr. 3 bis Nr. 50 wurden bei 1 C-Rate gezykelt, danach folgten wieder 2 Zyklen mit 0,2C-Rate gefolgt von 48 Zyklen mit 1 C-Rate usw. Das Laden bzw. Entladen der Zelle wurde mit Hilfe eines„MAC- COR Battery Tester" bei Raumtemperatur durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Batterie-Kapazität über wiederholtes Laden und Entladen sehr stabil blieb.
II.2 bis II.8 Herstellung der elektrochemischen Zellen EZ.2, EZ.3, EZ.4, EZ.5, sowie V-EZ.6, V- EZ.7 und V-EZ.8 und Testung
Analog zu Beispiel 11.1 wurden aus den Separatoren S.2, S.3, S.4, S.5, sowie V-S.6, V-S.7 und V-S.8 die elektrochemischen Zellen EZ.2, EZ.3, EZ.4, EZ.5, sowie V-EZ.6, V-EZ.7 und V-EZ.8 hergestellt und entsprechend ausgetestet.
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer auseinandergenommenen elektrochemischen Zelle zum Testen von erfindungsgemäßen sowie nicht erfindungsgemäßen Separatoren.
Die Erläuterungen in Figur 1 bedeuten:
1 , 1 ' Stempel
2, 2' Mutter
3, 3' Dichtungsring - jeweils doppelt, der jeweils zweite, etwas kleinere Dichtungsring ist hier nicht gezeigt
4 Spiralfeder
5 Stromableiter aus Nickel
6 Gehäuse
Ergebnisse:
Die elektrochemischen Zelle EZ.1 konnte über 150 Zyklen sehr stabil geladen und entladen werden und verlor nach 130 Zyklen nur 8 % der Startkapazität
Die elektrochemischen Zelle EZ.2 konnte über 150 Zyklen sehr stabil geladen und entladen werden und verlor nach 130 Zyklen keine Startkapazität.
Die elektrochemischen Zelle EZ.3 konnte über 150 Zyklen sehr stabil geladen und entladen werden und verlor nach 130 Zyklen nur 26 % der Startkapazität
Die elektrochemischen Zelle EZ.4 konnte über 150 Zyklen sehr stabil geladen und entladen werden und verlor nach 130 Zyklen nur 15 % der Startkapazität
Die elektrochemischen Zelle EZ.5 konnte über 150 Zyklen sehr stabil geladen und entladen werden und verlor nach 130 Zyklen nur 17 % der Startkapazität
Die elektrochemischen Zellen V-EZ.6 aus dem Vergleichsbeispiel degradierte relativ stark und verlor nach ca. 130 Zyklen 42 % der Startkapazität. Die elektrochemischen Zellen V-EZ.7 aus dem Vergleichsbeispiel degradierte relativ stark und verlor nach ca. 130 Zyklen 41 % der Startkapazität.
Die elektrochemischen Zelle V-EZ.8 aus dem Vergleichsbeispiel konnte über 150 Zyklen sehr stabil geladen und entladen werden und verlor nach 130 Zyklen nur ca. 4 % der Startkapazität

Claims

Patentansprüche
Elektrochemische Zelle, enthaltend
(A) mindestens eine Kathode, enthaltend mindestens eine Lithiumionen-haltige Übergangsmetallverbindung,
(B) mindestens eine Anode,
(C) mindestens eine Schicht, enthaltend
(a) mindestens eine lithium- und sauerstoffhaltige, elektrochemisch aktive Übergangsmetallverbindung, und
(b) gegebenenfalls mindestens ein Bindemittel, und
(D) mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Kathode (A) und Schicht (C) positioniert ist, sowie mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Anode (B) und Schicht (C) positioniert ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man Lithiumionen-haltige Übergangsmetallverbindung wählt aus Mangan-haltigen Spinellen und Mangan-haltigen Übergangsmetalloxiden mit Schichtstruktur.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Anode (B) gewählt wird aus Anoden aus Kohlenstoff und Anoden, die Sn oder Si enthalten.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der lithium- und sauerstoffhaltigen, elektrochemisch aktiven Übergangsmetallverbindung aus Schicht (C) um ein partikuläres Material handelt.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der lithium- und sauerstoffhaltigen, elektrochemisch aktiven Übergangsmetallverbindung aus Schicht (C) um eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumtitanaten der Formel Li4+xTi50i2 mit x gleich einem Zahlenwert von > 0 bis 3, Lithiumeisen-phosphat, Lithium-Nickel- Cobalt-Mangan-Oxiden, Lithium-Nickel- Cobalt- Aluminium-Oxiden, Lithiummanganoxide und Mischungen derselben handelt.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der lithium- und sauerstoffhaltigen, elektrochemisch aktiven Übergangsmetallverbindung aus Schicht (C) um eine Verbindung handelt, die in einer elektrochemischen Zelle eine Potentialdifferenz zwischen 1 und 5 V gegenüber Li/Li* aufweist.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der lithium- und sauerstoffhaltigen, elektrochemisch aktiven Übergangsmetall- Verbindung aus Schicht (C) um ein Lithiumtitanat der Formel Li4+xTi50i2 handelt, worin x ein Zahlenwert von > 0 bis 3 ist.
8. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schicht (C) ein Bindemittel (b) enthält ausgewählt aus der Gruppe der Polymere bestehend aus Styrol-Butadien-Kautschuk und fluorhaltigen (Co)polymeren.
9. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schicht (C) eine mittlere Dicke im Bereich von 1 bis 50 μηη aufweist.
10. Verwendung von elektrochemischen Zellen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in Lithium- Ionen-Batterien.
1 1 . Lithium-Ionen-Batterie, enthaltend mindestens eine elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
12. Verwendung von elektrochemischen Zellen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in Automobilen, mit Elektromotor betriebenen Zweirädern, Flugzeugen, Schiffen oder stationären Energiespeichern.
13. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, enthaltend
(A) mindestens eine Kathode, enthaltend mindestens eine Lithiumionen-haltige Übergangsmetallverbindung,
(B) mindestens eine Anode,
(C) mindestens eine Schicht, enthaltend
(a) mindestens ein Lithiumtitanat der Formel Li4+xTi50i2, worin x ein Zahlenwert von > 0 bis 3 ist, und
(b) gegebenenfalls mindestens ein Bindemittel, und
(D) mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Kathode (A) und Schicht (C) positioniert ist, sowie mindestens eine elektrisch nicht leitende, poröse und ionendurchlässige Schicht, die zwischen Anode (B) und Schicht (C) positioniert ist, umfassend als einen der Verfahrensschritte die Lithiierung von Li4Ti50i2 durch einen Verfahrensschritt ausgewählt aus der Gruppe der Verfahrensschritte bestehend aus:
(i) Elektrochemische Reduktion von Li4Ti50i2 gegenüber einer Lithiumanode,
(ii) Umsetzung von Li4Ti50i2 mit elementarem Lithium, und
(iii) Umsetzung von Li4Ti50i2 mit einem Lithiumalkyl oder Lithiumaryl.
14. Schichtweise aufgebauter flächenförmiger Separator für die Trennung einer Kathode und einer Anode in einer elektrochemischen Zelle enthaltend
(C) mindestens eine Schicht, enthaltend
(a) mindestens eine lithium- und sauerstoffhaltige, elektrochemisch aktive Übergangsmetallverbindung, und
(b) gegebenenfalls mindestens ein Bindemittel, und
(D) zwei parallel zueinander ausgerichtete Schichten, die elektrisch nicht leitend, porös und ionendurchlässig sind, wobei sich Schicht (C) zwischen den beiden Schichten (D) befindet.
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