WO2015158479A1 - Lithium-zelle, batterie mit der lithium-zelle, sowie kraftfahrzeug, mobiles gerät oder stationäres speicherelement umfassend die batterie - Google Patents

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Hideki Ogihara
Thomas Wöhrle
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • Lithium cell battery with the lithium cell, as well
  • Motor vehicle, mobile device or stationary storage element comprising the battery
  • Lithium cells in particular because of their high
  • lithium cells already come as batteries in motor vehicles, especially as energy storage in
  • Lithium cells for example, are chargeable
  • Lithium batteries secondary cells or primary non-rechargeable lithium cells understood.
  • lithium cells also include lithium-ion batteries having anodes and cathodes that can intercalate and deintercalate lithium ions, and lithium batteries containing metallic lithium anodes.
  • Lithium cells include an electrolyte disposed within or between two different electrodes, the anode and cathode, storing electrochemical-based energy by converting chemical energy into electrical energy.
  • the medium between the two electrodes must have at least two functions
  • One function is to take up the electrolyte while maintaining a lithium-ion conduction within the electrodes and between the anode (negative Electrode) and cathode (positive electrode).
  • the other function is to electrically and mechanically isolate the two electrodes from each other to
  • separators which are both continuous for the ions of the electrolyte solution and to electrically and mechanically isolate the electrodes from one another, polymer membranes, for example based on polyethylene (PE), are frequently used. Although these separators are cheap, but have only a small thermal and
  • these polymer membranes can, for example, also be punctured by lithium dendrites, which can grow on the anode side during the operation of the lithium cells.Furthermore, the polyethylene membranes are poorly soluble in the membrane because of their low polarity polar, non-aqueous
  • Electrolyte solutions of the lithium cells are wetted.
  • Silica also not as gelation agent for lithium ⁇ cells, since silica does not react with liquid electrolytes
  • Silica is very hygroscopic and difficult to dry, and would introduce moisture / water into a lithium cell, adversely affecting service life and performance.
  • the object of the present invention is to provide a lithium cell, which compared to the above
  • the lithium cell such as a lithium-ion battery.
  • the invention furthermore also batteries comprising the lithium cells, and motor vehicles or mobile devices or stationary storage comprising the batteries.
  • the present invention according to claim 1 is a lithium cell, comprising:
  • the advantage of the lithium cell according to the invention is that the composite electrolyte gel with the fibers wettable by the lithium-ion-Leitsalz solution is mechanically stable compared to conventional electrolyte gels and also due to its high viscosity at the same time greatly reduces the growth of lithium dendrites starting from the anode, or can be completely prevented.
  • Electrolyte gel sure that anode and cathode are electrically separated from each other while the lithium ions
  • Fibers are polar fibers having a high surface tension of at least 30 mN / m, preferably 36 mN / m or 39 mN / m
  • Polarity of the fibers is, for example
  • the reinforced by the fibers electrolyte gel has
  • the fibers may be obtained, for example, by means of a rapid mixing granulator (English: High shear mixer) z. B. at 2000 rpm to 3000 rpm are mixed into the electrolyte gel. Furthermore, the fibers can still be mixed in a ball mill with the electrolyte gel.
  • a rapid mixing granulator English: High shear mixer
  • Polymer fibers or glass fibers are used.
  • the polymer fibers may be selected, for example, from plastics and biopolymers and combinations thereof.
  • biopolymers are understood as meaning naturally occurring polymers synthesized by cells, as well as polymers which can be formed by derivatization from biopolymers.
  • the biopolymers are polar polymers which have high surface tensions and can therefore be wetted particularly well by the nonaqueous, polar ion-conductive salt solutions of lithium-ion batteries.
  • the biopolymers may in particular be selected from cellulose, polylactide (polylactic acid), polyhydroxybutyrate, chitin and starch and any combinations thereof. All of these biopolymers have very high surface tensions.
  • biopolymers for example, so-called ⁇ regenerated fibers can be used that are manufactured from renewable raw materials, especially cellulose become.
  • biopolymers may be, for example, viscose obtained from pure cellulose, modal prepared by a modified viscose process, lyocell prepared by a wet-spinning process using N-methylmoropholine N-oxide monohydrate as the solvent, and Cupro, U.S. Pat is produced by the copper oxide-ammonia process.
  • plastics with an upper surface tension of 30 mN / m, preferably at least 36 mN / m are used. These are thus highly polar and can be well wetted by the lithium-ion-conducting salt solutions.
  • Suitable plastics with such a high polarity for example, polyamides, polyimides, polyesters, and combinations of these undesirables ⁇ be mentioned groups of plastics can be used.
  • PA polyamides
  • aromatic poly ⁇ amides aromatic poly ⁇ amides
  • aromatic poly-para-Phenylenpthalamide include (PPTA) and aliphatic polyamides, polyesters, for example, polyethylene terephthalate (PET) or
  • Polyethylene naphthalate include.
  • the aramids have a high thermal and mechanical and electrochemical stability, which are accordingly positively affects the reinforced by the fibers electrolyte gel.
  • the electrolyte gel may comprise a gel matrix and the gel matrix non-aqueous lithium-ionic conductive salt solution.
  • the gel matrix may in particular comprise a polymer which swells upon contact with the non-aqueous lithium-ion-conducting salt solution.
  • This polymer may include, for example, polyethylene oxide (PEO), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropene (PVDF-HFP), and any combinations thereof.
  • PEO polyethylene oxide
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVDF-HFP polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropene
  • Such polymers are particularly easy to form an electrolyte gel together with the non-aqueous, polar lithium-ion-Leitsalz solution, the good electrical separation of the anode and cathode, while high ionic conductivity
  • Lithium ion secondary salt are polymerized.
  • unsaturated polymerizable monomers acrylates such as triethylene glycol diacrylate and trimethylolpropane triacrylate may be reacted with a free radical initiator such as t-butyl peroxypivalate.
  • the proportion of fibers in the electrolyte gel between 0.05 wt% and 70 wt%, preferably between 0.1 wt% and 50 wt%, more preferably between 1 wt% and 10 wt%.
  • Such proportions of the fibers on Electrolyte gel ensures that a highly viscous
  • Invention is the length of the fibers between 0.01 mm and 3 mm, preferably between 0.1 and 2 mm, more preferably
  • the cathode comprises a lithiated transition metal oxide (U.S.
  • Example cobalt or nickel) or lithiated olivine or a lithiated spinel may have materials which can intercalate and deintercalate lithium ions particularly easily, for example graphite or nanocrystalline, amorphous silicon, or the anode may also comprise or consist of lithium metal directly.
  • the cathode may, for example, LiCo0 2, Li i0 2, Li (Ni, Co) 0 2 (NCA), Li (NiCoMn) 0 2 (NCM), LiFeP0 4 or LiMn 2 0 4 comprise.
  • Lithium ion accumulators according to the invention can also be used in particular with so-called high-voltage spinels for nominal voltages of approximately 4.6 V, such as LiMn 1 . 5 Nio. 5 O 4
  • Li1.17Nio.17Coo.1Mno.56O2 be used as active materials with a specific capacity of about 270mAh / g.
  • the anode can also be made particularly advantageously directly from lithium metal or Lithium metal, since the fiber-reinforced electrolyte gel effectively counteracts the formation of lithium dendrites.
  • lithium-ion conductive salts such as lithium hexafluorophosphate LiPF 6 , lithium tetrafluoroborat L1BF 4 and as a solvent aprotic polar non-aqueous solvent z.
  • ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate can be used
  • Incombustible Elektrolytgele can be realized by Elektrolytgele based on ionic liquids at the Inventive ⁇ contemporary lithium-ion batteries. It can be z.
  • bis (trifluoromethanesulfonyl) imide-lithium [F 3 C- (S0 2 ) -N- (S0 2 ) -CF 3 ] Li + in 1-methyl-1-propylpiperidinium bis (fluorosulfonyl) imide or 1
  • acrylates or other polymerizable compounds such as poly (ethylene glycol) dimethacrylate and vinylene carbonate with free-radical initiators in the presence of the ionic solutions, then-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide can be prepared the non-combustible electrolyte gels based on the ionic
  • the present invention also relates to batteries which contain at least two lithium cells as above
  • batteries can such as notebooks, mobile phones and tablet PCs in the consumer sector, are used because of their high performance ⁇ dense with advantage, for example in motor vehicles, such as electric cars, or in mobile devices, such as consumer mobile devices. Furthermore, batteries of the invention and lithium cells in the
  • FIG. 1 shows schematically a lithium-ion battery 1 with an anode 2 and an opposite cathode 3. Between the electrodes, an electrolyte gel 4 is arranged, in which fibers 6 and 7 are present. The electrolyte gel also concurrently contains the non-aqueous aprotic and polar electrolyte solution 8 and thus binds both
  • Electrodes 2 and 3 ionic with each other. For clarity, the gel matrix of the electrolyte gel is not shown.
  • the fibers present in the electrolyte gel can be dispersed homogeneously example ⁇ as the electrolyte gel, and can only of a single fiber, for example a
  • Polymer fiber such as polyamide, polyimide or polyester
  • the individual fibers are not particularly covalently or firmly bonded to one another, but are merely homogeneously compounded in the electrolyte gel as individual fibers or. dispersed.
  • Such a lithium-ion battery has due to the
  • electrolyte gel according to the invention with the fibers increased mechanical and thermal stability. Due to the good wettability of the polar fibers with the components of the electrolyte gel results in a particularly homogeneous
  • the lithium-ion battery also has improved electrical parameters over batteries, which are just a conventional
  • electrolyte gel or contain the conventional membrane separators, for example based on polyethylene or polypropylene.

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Abstract

Lithium-Zelle, Batterie mit der Lithium-Zelle, sowie Kraftfahrzeug, mobiles Gerät oder stationäres Speicherelement umfassend die Batterie Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lithium-Zelle (1), umfassend: - Eine Anode (2) und Kathode (3), und - ein zumindest zwischen der Anode und der Kathode befindliches Elektrolytgel (4) mit einer LithiumIonen-Leitsalz-Lösung - wobei das Elektrolytgel (4) durch die LithiumIonen-Leitsalz-Lösung benetzbare Fasern (6, 7) mit einer Oberflächenspannung von zumindest 30 mN/m beinhaltet. Eine derartige Zelle weist aufgrund des faserverstärkten Elektrolytgels eine erhöhte mechanische und thermische Stabilität auf.

Description

Beschreibung
Lithium-Zelle, Batterie mit der Lithium-Zelle, sowie
Kraftfahrzeug, mobiles Gerät oder stationäres Speicherelement umfassend die Batterie
Lithium-Zellen, werden insbesondere wegen ihrer hohen
Energiedichte bzw. spezifischen Energie, und ihrer hohen Lebensdauer sowie geringen Selbstentladung immer häufiger bei zahlreichen Anwendungen als Energiespeicher verwendet.
Beispielsweise kommen Lithium-Zellen bereits als Batterien in Kraftfahrzeugen, insbesondere als Energiespeicher in
Elektroautos oder auch als Akkumulatoren in mobilen
elektronischen Geräten sowie in stationären Speichern zum Einsatz .
Unter Lithium-Zellen werden beispielsweise aufladbare
Lithium-Akkumulatoren (sekundäre Zellen) oder primäre nicht- wiederaufladbare Lithium-Zellen verstanden. Insbesondere umfassen Lithium-Zellen auch Lithium-Ionen-Akkumulatoren, die Anoden und Kathoden aufweisen, die Lithium-Ionen inter- kalieren und deinterkalieren können, sowie Lithium-Akkumulatoren, die Anoden mit metallischen Lithium beinhalten.
Lithium-Zellen beinhalten einen Elektrolyten, der innerhalb beziehungsweise zwischen zwei unterschiedlichen Elektroden, der Anode und Kathode angeordnet ist, wobei Energie auf elektrochemischer Basis durch Umwandlung von chemischer in elektrischer Energie gespeichert wird. Das Medium zwischen den beiden Elektroden muss wenigstens zwei Funktionen
erfüllen. Eine Funktion besteht darin, den Elektrolyten aufzunehmen und gleichzeitig eine Lithium-Ionen-Leitung innerhalb der Elektroden und zwischen der Anode (negative Elektrode) und Kathode (positive Elektrode) zu gewährleisten. Die weitere Funktion besteht darin, die beiden Elektroden elektrisch und mechanisch voneinander zu isolieren, um
Kurzschlüsse zu vermeiden.
Als sogenannte Separatoren, die sowohl durchgängig für die Ionen der Elektrolytlösung sind als auch die Elektroden voneinander elektrisch und mechanisch zu isolieren, werden häufig Polymermembranen, beispielsweise auf der Basis von Polyethylen (PE) eingesetzt. Diese Separatoren sind zwar günstig, weisen aber nur eine geringe thermische und
mechanische Stabilität auf, wobei sie oberhalb von 90 °C deformiert werden und oberhalb von 130 °C bereits ein
Schmelzen bzw. flächiges Schrumpfen (im Englischen
„Shrinking") der Polymermembran einsetzt. Insbesondere können diese Polymermembranen z. Bsp. auch von Lithiumdendriten durchstoßen werden, die während des Betriebs der Lithium- Zellen auf der Anodenseite wachsen können. Weiterhin können die Polyethylen-Membranen aufgrund ihrer geringen Polarität nur schlecht von den polaren, nichtwässrigen
Elektrolytlösungen der Lithium-Zellen benetzt werden.
Aus der DE 36 03 196 AI ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bleiakkumulators mit einem Gelelektrolyten bekannt. Im Gegensatz zu Lithium-Zellen werden in Bleiakkumulatoren durch chemische Umwandlungen der Elektroden und des Elektrolyten Energie gespeichert. Zur Herstellung des Gelelektrolyten wird dabei bei einem Gel-Sol-Ansatz aus Kieselsäure zusammen mit der Akkumulatorsäure, Schwefelsäure, eine gewisse Menge an Fasermaterial, beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen zugemischt und in die Zelle des Bleiakkumulators eingebracht. Nach der Gelierung entsteht ein Elektrolytgel, das durch die darin befindlichen Fasern verstärkt wird. Der Nachteil dieses Systems besteht darin, dass es unter anderem wegen des sauren, wässrigen Elektrolyten prinzipiell nicht für Lithiumzellen eingesetzt werden kann. Weiterhin eignet sich
Kieselsäure auch nicht als Gelierungsagens für Lithium¬ zellen, da Kieselsäure nicht mit Flüssigelektrolyten
physikalisch und chemisch in Wechselwirkung tritt.
Kieselsäure ist sehr hygroskopisch und schlecht zu trocknen und würde Feuchte/Wasser in eine Lithium-Zelle einführen, was die Lebensdauer und Performance negativ beeinflußt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lithium-Zelle bereitzustellen, die gegenüber den oben
genannten Nachteilen verbessert ist. Gegenstand weiterer abhängiger Patentansprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Lithium-Zelle, wie beispielsweise ein Lithium-Ionen- Akkumulator. Gegenstand der Erfindung sind weiterhin auch Batterien umfassend die Lithium-Zellen, sowie Kraftfahrzeuge oder mobile Geräte bzw. stationäre Speicher umfassend die Batterien .
Gegenstand der vorliegenden Erfindung nach Patentanspruch 1 ist eine Lithium-Zelle, umfassend:
- Eine Anode und Kathode, und
- ein zumindest zwischen der Anode und Kathode
befindliches Elektrolytgel mit einer Lithium-Ionen- Leitsalz-Lösung,
- wobei das Elektrolytgel durch die Lithium-Ionen- Leitsalz-Lösung benetzbare Fasern mit einer
Oberflächenspannung von zumindest 30 mN/m beinhaltet.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle besteht darin, das zusammengesetzte Elektrolytgel mit dem durch die die Lithium-Ionen-Leitsalz-Lösung benetzbaren Fasern gegenüber herkömmlichen Elektrolytgelen mechanisch stabiler ist und zudem aufgrund seiner hohen Viskosität gleichzeitig auch das Wachstum von Lithiumdendriten ausgehend von der Anode stark wirksam vermindert, beziehungsweise komplett verhindert werden kann.
Gleichzeitig stellt das durch die Fasern verstärkte
Elektrolytgel sicher, dass Anode und Kathode elektrisch voneinander separiert sind, während die Lithium-Ionen
Leitfähigkeit zwischen den zwei Elektroden nach wie vor gewährleistet ist.
Die durch die Lithium-Ionen-Leitsalz-Lösung benetzbare
Fasern, sind polare Fasern, die eine hohe Oberflächenspannung von zumindest 30 mN/m, bevorzugt 36 mN/m oder 39 mN/m
aufweisen. Die gute Benetzbarkeit der Fasern stellt sicher, dass sich um die Fasern herum das Elektrolytgel durchgehend bilden kann und damit insbesondere nach Gelierung ein
homogenes mit Fasern verstärktes Elektrolytgel vorhanden ist.
Die Oberflächenspannung der Fasern, die ein Maß für die
Polarität der Fasern ist, kann beispielsweise dadurch
gemessen werden, dass Rechteckplatten aus den Kunststoffen der Faser hergestellt werden und deren Oberflächenspannung nach deutscher Industrienorm DIN ISO 8296 mit entsprechenden Testtinten bestimmt wird.
Das durch die Fasern verstärkte Elektrolytgel weist
gleichzeitig hohe Schmelztemperaturen von > 200°C auf, so dass mit den erfindungsgemäßen Lithium-Zellen hohe
Betriebstemperaturen realisiert werden können. Weiterhin sind Lithium-Zellen mit den erfindungsgemäßen Gelelektrolyten aufgrund der elektrochemischen Stabilität der Fasern z. Bsp. umfassend Polyimid oder Aramid und der daraus resultierenden Faserverstärkung auch für Hochvoltanwendungen bei hohen
Potentialen von beispielsweise ungefähr 5V geeignet.
Die Fasern können beispielsweise mittels eines Schnellmisch- Granulators (engl. High shear mixer) z. B. bei 2000 rpm bis 3000 rpm in das Elektrolytgel eingemischt werden. Weiterhin können die Fasern noch in einer Kugelmühle mit dem Elektrolytgel gemischt werden.
Als geeignete Fasern für das Elektrolytgel können gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beispielsweise
Polymerfasern oder Glasfasern verwendet werden.
Die Polymerfasern können beispielsweise ausgewählt sein aus Kunststoffen und Biopolymeren sowie Kombinationen davon.
Unter Biopolymeren werden dabei in der Natur vorkommende, von Zellen synthetisierte Polymere, sowie Polymere, die durch Derivatisierung aus Biopolymeren gebildet werden können, verstanden. Die Biopolymere sind dabei polare Polymere, die hohe Oberflächenspannungen aufweisen und daher besonders gut durch die nichtwässrigen, polaren Ionen-Leitsalz-Lösungen der Lithium-Ionen-Akkumulatoren benetzt werden können.
Die Biopolymere können insbesondere ausgewählt sein aus Cellulose, Polylactid (Polymilchsäure) , Polyhydroxybutyrat , Chitin und Stärke sowie beliebigen Kombinationen daraus. Alle diese Biopolymere haben sehr hohe Oberflächenspannungen.
Als Derivate von Biopolymeren können beispielsweise so¬ genannte Regeneratfasern eingesetzt werden, die aus nachwachsenden Rohstoffen, vor allem aus Cellulose hergestellt werden. Diese Biopolymere können beispielsweise Viskose sein, das aus reiner Cellulose gewonnen wird, Modal, das nach einem modifizierten Viskoseverfahren hergestellt wird, Lyocell, das mittels eines Nassspinnverfahrens hergestellt wird, wobei als Lösungsmittel N-Methylmoropholin-N-Oxidmonohydrat verwendet wird, sowie Cupro, das nach dem Kupferoxid-Ammoniak-Verfahren hergestellt wird.
Weitere Derivate von Biopolymeren sind Acetat-Fasern
(Cellulose-Acetat ) . Diese werden in einem Trocken¬ spinnverfahren aus in Aceton gelöstem Cellulose-Acetat ersponnen .
Unter Kunststoffen werden im Sinne der Erfindung im
Unterschied zu Biopolymeren dabei synthetisch gefertigte Polymere verstanden, die somit in der Natur nicht vorkommen. Erfindungsgemäß werden dabei Kunststoffe mit einer Ober¬ flächenspannung von 30 mN/m, bevorzugt zumindest 36 mN/m verwendet. Diese sind somit hochpolar und können gut durch die Lithium-Ionen-Leitsalz-Lösungen benetzt werden.
Als Kunststoffe mit einer derartigen hohen Polarität können beispielsweise Polyamide, Polyimide, Polyester, sowie be¬ liebige Kombinationen dieser genannten Kunststoffgruppen verwendet werden.
Die Polyamide (PA) können beispielsweise aromatische Poly¬ amide (Aramide) , zum Beispiel Polypara-Phenylenpthalamide (PPTA) und aliphatische Polyamide umfassen, die Polyester können beispielsweise Polyethylenterepthalat (PET) oder
Polyethylennapthalat (PEN) beinhalten. Insbesondere weisen die Aramide eine hohe thermische und mechanische sowie elektrochemische Stabilität auf, die sich dementsprechend positiv auf das durch die Fasern verstärkte Elektrolytgel auswirkt .
Weiterhin kann das Elektrolytgel eine Gelmatrix und die in der Gelmatrix befindliche nichtwässrige polare Lithium-Ionen- Leitsalz-Lösung umfassen.
Die Gelmatrix kann dabei insbesondere ein Polymer umfassen, das bei Kontakt mit der nichtwässrigen Lithium-Ionen- Leitsalz-Lösung aufquillt. Dieses Polymer kann beispielsweise Polyethylenoxid (PEO) , Polyvinylidenfluorid (PVDF) , Poly- vinylidenfluorid-Co-hexafluoropropen (PVDF-HFP) , und beliebige Kombinationen davon umfassen. Derartige Polymere können besonders einfach zusammen mit der nichtwässrigen, polaren Lithium-Ionen-Leitsalz-Lösung ein Elektrolytgel bilden, das eine gute elektrische Separierung der Anode und Kathode, bei gleichzeitig hoher Ionenleitfähigkeit
gewährleistet, da die Lithium-Ionen-Leitfähigkeit von der flüssigen Komponente bestimmt wird. Weiterhin sind diese Alternativ oder zusätzlich kann ein Gelelektrolyt dadurch gebildet werden, dass polymerisierbare Monomere (enthaltend ungesättigte Gruppen wie C=C-Doppelbindungen) zusammen mit einem nichtwässrigen, polaren Lösungsmittel und einem
Lithium-Ionenleitsalz polymerisiert werden. Beispielsweise können als ungesättige, polymerisierbare Monomere Acrylate, wie Triethylenglycol-Diacrylat und Trimethylolpropan- Triacrylat mit einem Radikalstarter wie t-Butylperoxypivalat ungesetzt werden.
Weiterhin bevorzugt kann der Anteil der Fasern am Elektrolytgel zwischen 0,05 Gew% und 70 Gew%, bevorzugt zwischen 0,1 Gew% und 50 Gew%, weiter bevorzugt zwischen 1 Gew% und 10 Gew% betragen. Derartige Anteile an den Fasern am Elektrolytgel stellen sicher, dass ein hochviskoses,
mechanisch stabiles Elektrolytgel gebildet wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung beträgt die Länge der Fasern zwischen 0,01 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 2 mm, weiter bevorzugt
zwischen 0,02 und 1 mm. Derartige Faserlängen stellen sicher, dass bei einer Gelmatrix einerseits eine mechanische Stabi¬ lisierung aufgrund der Fasern eintritt, aber andererseits nicht die Gelierung zu stark behindert wird.
Bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator umfasst die Kathode beispielsweise ein lithiiertes Übergangsmetalloxid (zum
Beispiel Kobalt oder Nickel) oder lithiierte Olivine oder einen lithiierten Spinell. Die Anode kann dabei insbesondere Materialien aufweisen, die besonders einfach Lithium-Ionen interkalieren und deinterkalieren können, beispielsweise Graphit oder nanokristallines , amorphes Silizium oder die Anode kann auch direkt Lithiummetall umfassen oder daraus bestehen. Die Kathode kann beispielsweise LiCo02, Li i02, Li(Ni,Co)02 (NCA) , Li(NiCoMn)02 (NCM) , LiFeP04 oder LiMn204 umfassen. Erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Akkumulatoren können insbesondere auch mit sogenannten Hochvoltspinellen für nominale Spannungen von ca. 4,6 V wie LiMn1.5Nio.5O4
Oder LiMn1.5Ni0.42M0.0sO4 (M = Cr, Fe, and Ga) als Kathodenmaterial verwendet werden. Es können auch sogenannte
überlithiierte Oxide, wie z. B. Li1.17Nio.17Coo.1Mno.56O2 als Aktivmaterialien mit einer spezifischen Kapazität von ca. 270mAh/g eingesetzt werden.
Aufgrund der hohen mechanischen Stabilität des erfindungs¬ gemäßen Elektrolytgels mit den Fasern kann die Anode auch besonders vorteilhaft direkt aus Lithiummetall bestehen oder Lithiummetall beinhalten, da das mit den Fasern verstärkte Elektrolytgel wirksam der Bildung von Lithiumdendriten entgegenwirkt .
Als Elektrolytlösung können beispielsweise Lithium-Ionen- Leitsalze wie Lithiumhexafluorophosphat LiPF6, Lithiumtetra- fluoroborat L1BF4 und als Lösungsmittel aprotische, polare nichtwässrige Lösungsmittel z. B. Ethylencarbonat , Propylen- carbonat, Dimethylcarbonat , Diethylcarbonat verwendet werden
Nicht-brennbare Elektrolytgele können bei den erfindungs¬ gemäßen Lithium-Ionen-Akkus durch Elektrolytgele auf der Basis ionischer Flüssigkeiten realisiert werden. Dabei kann z. B. durch Lösen von Bis (trifluoromethansulfonyl) imid- Lithium [F3C- (S02) -N- (S02) -CF3] " Li+ in 1-Methyl-l- Propylpiperidinium bis ( fluorosulfonyl ) imid oder 1-Butyl-l- Methylpyrrolidinium-bis (trifluoromethanesulfonyl) imid eine ionische Lösung erzeugt werden. Durch Polymerisieren von den bereits weiter oben beschriebenen Acrylaten oder anderen polymerisierbaren Verbindungen wie Poly (ethyleneglycol ) dimethacrylat und Vinylen-Carbonat mit Radikalstartern in Gegenwart der ionischen Lösungen können dann die nichtbrennbaren Elektrolytgele auf der Basis der ionischen
Flüssigkeiten gebildet werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindungen sind auch Batterien, die wenigstens zwei Lithium-Zellen wie weiter oben
beschrieben umfassen, wobei diese elektrisch miteinander verschaltet sind. Dieses kann beispielsweise mittels einer elektrischen Parallel- oder Reihenschaltung realisiert werden . Derartige Batterien können aufgrund ihrer hohen Leistungs¬ dichten mit Vorteil beispielsweise in Kraftfahrzeugen, wie Elektroautos, oder in mobilen Geräten, beispielsweise mobilen Endkundengeräten, wie Notebooks, Mobiltelefonen oder Tablet- PCs im Consumerbereich, eingesetzt werden. Weiterhin können erfindungsgemäße Batterien und Lithium-Zellen auch im
stationären Speichern verwendet werden.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Lithium- Ionen-Akkus anhand der Figur 1 näher erläutert.
Figur 1 zeigt dabei schematisch einen Lithium-Ionen-Akku 1 mit einer Anode 2 und einer gegenüberliegenden Kathode 3. Zwischen den Elektroden ist ein Elektrolytgel 4 angeordnet, in dem Fasern 6 und 7 vorhanden sind. Das Elektrolytgel enthält auch gleichzeitig die nichtwässrige aprotische und polare Elektrolytlösung 8 und verbindet somit beide
Elektroden 2 und 3 ionisch miteinander. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Gelmatrix des Elektrolytgels nicht gezeigt .
Die im Elektrolytgel befindlichen Fasern können beispiels¬ weise homogen im Elektrolytgel dispergiert sein und können nur aus einer einzigen Faser, beispielsweise einer
Polymerfaser, wie Polyamid, Polyimid oder Polyester,
bestehen, oder können auch eine Mischung verschiedener Fasern umfassen. So ist es beispielsweise möglich, aus Kostengründen neben teureren polaren Kunststofffasern, wie z. B. Polyimid- Fasern auch günstigere Fasern aus Biopolymeren, beispielsweise Cellulose zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass derartige faserverstärkte Elektrolytgele kostengünstiger sind, als Gele, die polare Kunststoffe enthalten, aber die Biopolymere aufgrund deren hoher Polarität dennoch gut benetzt werden und somit gut zur mechanischen Verstärkung des Elektrolytgels beitragen.
Besonders vorteilhaft sind dabei die einzelnen Fasern nicht miteinander kovalent oder fest verbunden, sondern sind lediglich als einzelne Fasern homogen im Elektrolytgel eincompoundiert bzw . dispergiert .
Ein derartiger Lithium-Ionen-Akku weist aufgrund des
erfindungsgemäßen Elektrolytgels mit den Fasern eine erhöhte mechanische und thermische Stabilität auf. Aufgrund der guten Benetzbarkeit der polaren Fasern mit den Komponenten des Elektrolytgels resultiert eine besonders homogene
Dispergierung der Fasern im Elektrolytgel. Somit weist der Lithium-Ionen-Akku auch verbesserte elektrische Parameter gegenüber Akkus auf, die lediglich ein herkömmliches
Elektrolytgel umfassen oder die herkömmlichen Membran- Separatoren, beispielsweise auf der Basis von Polyethylen oder Polypropylen beinhalten.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Lithium-Zelle (1), umfassend:
- Eine Anode (2) und Kathode (3), und
- ein zumindest zwischen der Anode und der Kathode befindliches Elektrolytgel (4) mit einer Lithium- Ionen-Leitsalz-Lösung
- wobei das Elektrolytgel (4) durch die Lithium- Ionen-Leitsalz-Lösung benetzbare Fasern (6, 7) mit einer Oberflächenspannung von zumindest 30 mN/m beinhaltet .
2. Lithium-Zelle nach dem vorhergehenden Patentanspruch, wobei Fasern (6, 7) Polymer-Fasern (6) und/oder Glasfasern (7) umfassen.
3. Lithium-Zelle nach dem vorhergehenden Patentanspruch, wobei die Polymerfaser ausgewählt sind aus:
Kunststoffen und Biopolymeren sowie Kombinationen davon .
4. Lithium-Zelle nach einem der vorhergehenden
Patentansprüche 2 oder 3, wobei die Polymerfasern eine Oberflächenspannung von zumindest 39 mN/m aufweisen .
5. Lithium-Zelle nach einem der vorhergehenden
Patentansprüche 2 bis 4, wobei die Polymerfasern ausgewählt sind aus einer Gruppe bestehend aus: Cellulose, Polylactid, Polyhydroxybutyrat , Chitin, Stärke, Polyamid, Polyester und Polyimid sowie Kombinationen davon.
6. Lithium-Zelle nach einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei das Elektrolytgel
- eine Gelmatrix und
- die in der Gelmatrix befindliche nichtwässrige
polare Lithium-Ionen-Leitsalz-Lösung umfasst.
7. Lithium-Zelle nach dem vorhergehenden Patentanspruch, wobei die Gelmatrix ein Polymer umfasst, das bei Kontakt mit der nichtwässrigen Lithium-Ionen- Leitsalz-Lösung aufquellt.
8. Lithium-Zelle nach dem vorhergehenden Patentanspruch, wobei das Polymer ausgewählt ist aus: Polyethylenoxid (PEO), Polyvinylidenfluorid (PVDF) ,
Polyvinylidenfluorid-Co-hexafluoropropen (PVDF-HFP) , und Kombinationen davon.
9. Lithium-Zelle nach einem der vorhergehenden
Patentansprüche 6 bis 8, wobei die Lithium-Ionen- Leitsalz-Lösung ein Lithium-Ionen-Leitsalz und ein nichtwässriges , polares Lösungsmittel umfasst.
10. Lithium-Zelle nach einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei der Anteil der Fasern am
Elektrolytgel zwischen 0,05 Gew% und 70 Gew%,
bevorzugt zwischen 0,1 Gew% und 50 Gew% beträgt.
11. Lithium-Zelle nach einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei die Länge der Fasern zwischen 0,01 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 2 mm beträgt .
12. Lithium-Zelle nach einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei einzelne im Elektrolytgel befindliche Fasern nicht miteinander verbunden sind.
13. Lithium-Zelle nach einem der vorhergehenden
Patentansprüche ausgebildet als Lithium-Ionen- Akkumulator, wobei die Anode ein Material umfasst, dass Lithium-Ionen interkalieren und deinterkalieren kann und die Kathode ein lithiiertes Metalloxid umfasst .
14. Lithium-Zelle nach einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei die Anode Lithiummetall umfasst oder daraus besteht.
15. Batterie, umfassend wenigstens zwei Lithium-Zellen nach einem der vorherigen Ansprüche, die miteinander elektrisch verschaltet sind.
16. Kraftfahrzeug umfassend eine Batterie nach dem
vorhergehenden Anspruch.
17. Mobiles Gerät oder stationärer Energiespeicher,
umfassend eine Batterie nach Anspruch 15.
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