WO2015197346A1 - Anodenschutzschichtsystem mit flüssigphasenschicht für eine lithium-zelle - Google Patents

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WO2015197346A1
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Jean Fanous
Martin Tenzer
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a lithium cell, a lithium battery, an anode, a cathode and an anode protective layer system and a
  • lithium-sulfur and / or lithium-oxygen cells or batteries metallic lithium is used as the anode material.
  • parasitic reactions can take place with the electrolyte or substances contained therein, for example polysulfides in the case of a lithium-sulfur cell, through which both the lithium and, for example, the electrolyte can be consumed.
  • these reactions can accelerate thermally themselves, which can lead to a thermal runaway of the reactions.
  • dendrites of metallic lithium can form, which may eventually grow through the cell and lead to a short circuit of the cell. To prevent this, can on a metallic lithium anode a
  • Anode protective layer can be provided which has a sufficiently high lithium ion conductivity and prevents direct contact between metallic lithium and electrolyte.
  • the present invention is a lithium cell, in particular for a lithium battery, which is an anode material layer, a
  • Liquid phase layer Liquid phase layer, an anode protective layer and a
  • the liquid phase layer comprises a lithium ion conductive liquid.
  • the liquid phase layer is arranged between the anode material layer and the anode protective layer.
  • the liquid phase layer is arranged in particular on the side of the anode protective layer facing the anode material layer.
  • a lithium cell may, in particular, be understood to mean an electrochemical cell whose anode material comprises lithium.
  • a lithium cell may be a lithium-metal cell, for example, lithium-sulfur cell or lithium-oxygen cell, or a lithium-ion cell.
  • the anode material may comprise metallic lithium or a lithium alloy (lithium-metal anode).
  • An anode protective layer may in particular be understood to mean a layer or a two-layer or multi-layer layer system which protects the anode material layer, in particular against dendrites.
  • the anode protective layer may have a
  • a liquid phase layer may in particular be understood as meaning a layer which comprises a liquid phase, for example liquid, in particular at the operating temperature of the cell.
  • the liquid phase layer may be both a, in particular pure, liquid layer and a layer which, in addition to the liquid phase, in particular liquid, may comprise a solid, in particular flexible or plastically deformable, phase.
  • the solid phase for example in the form of a porous, three-dimensional, for example, sponge-like, matrix, for example in the form of a three-dimensional Nettechnikes be formed.
  • the liquid phase can be formed, for example, by at least one compound which is liquid at room temperature, in particular 25 ° C. In the context of a special embodiment, however, the liquid phase can also be formed by at least one, in particular oligomeric, compound, which only at a temperature above room temperature, in particular at a
  • a lithium ion-conducting liquid can be understood in particular to mean a liquid which can transport lithium ions.
  • a lithium ion-conducting liquid for example, solvate lithium ions and / or - for example, as in the case of an ionic liquid -, for example, salt-like, take up or contain dissolved.
  • Further objects of the invention are an anode, a cathode and a
  • Anode protective layer system which or which can be installed to such a lithium cell and a lithium battery and a method for their preparation.
  • the anode for a lithium cell in particular for an inventive
  • Lithium cell thereby comprising an anode material layer, a
  • Liquid phase layer and an anode protective layer wherein the
  • Liquid phase layer comprises a lithium ion-conducting liquid.
  • the liquid phase layer In this case, it is arranged in particular on the side of the anode protective layer facing the anode material layer.
  • the cathode for a lithium cell in particular for a lithium cell according to the invention, in this case comprises a cathode material layer, a
  • Liquid phase layer comprises a lithium ion-conducting liquid.
  • Liquid phase layer arranged.
  • the liquid phase layer is arranged in particular on the side of the anode protection layer facing away from the cathode material layer.
  • the anode protection layer system for an anode of a lithium cell
  • anode protective layer in particular for a lithium cell according to the invention and / or for an anode according to the invention, in this case comprises an anode protective layer and a
  • Liquid phase layer wherein the liquid phase layer comprises a lithium ion conductive liquid.
  • the liquid phase layer in the state built into the cell, between the anode material, for example a
  • Anodenmaterial Mrs and the anode protection layer can be arranged or arranged.
  • the liquid phase layer in which the
  • the anode material such as an anode material layer, facing side of the
  • Anode protective layer arranged.
  • Anode protective layer system combines the common idea that by a, especially additional, disposed between the anode material layer and an anode protective layer liquid phase layer, which perfectly to surface irregularities and changing surfaces of the two
  • the interface or contact surface between the anode material layer and the anode protective layer can be improved.
  • the improvement of the interface or contact surface between the anode material layer and the anode protective layer can advantageously both in the new state of the cell or a so-equipped lithium battery as well as in, for example, all, states of charge and / or operating conditions of the cell or a lithium battery equipped therewith be achieved. This can be explained by the fact that the between the anode material layer and the
  • Liquid phase layer both surface irregularities of the
  • Anodenmaterial Mrs and / or the anode protective layer which are usually present in the cell production and / or may occur and otherwise impede perfect contact, compensate, as well as dynamic and flexible, in particular continuous, changes in the
  • the contact resistance of the anode material layer and the anode protection layer can be significantly reduced, thereby increasing the overall conductivity of the lithium cell or of a lithium battery equipped therewith. This in turn can advantageously a larger
  • Anodenmaterial Anlagenen containing lithium especially in metallic form, since they can form during operation dendrites of metallic lithium, resulting in an uneven surface morphology of the anode material layer and thereby in turn to a reduction in surface contact between the anode material layer and the
  • the liquid phase layer thus serves to improve the surface area or contact area of the anode material layer and the
  • the anode protective layer can be met.
  • Anodenmaterial remedyen, liquid-phase layer and one, in particular cathode-side, anode protective layer can be advantageously achieved that a good contact between the anode material layer and the anode protective layer can be achieved, with dendrite growth within the liquid phase layer can not adversely or possibly even beneficial effect, with the anode protective layer dendrites locked and in this way the security of the lithium cell or lithium battery can be guaranteed or increased.
  • the lithium ion-conducting liquid may in particular be a liquid that is stable against lithium, in particular a liquid that is chemically stable against metallic lithium.
  • the lithium ion-conducting liquid may be a liquid which forms little or no electrically insulating by-products with metallic lithium, for example in the form of a so-called SEI layer (SEI, English: Solid Electrolyte Interface).
  • Electrolytic solvents for lithium cells and / or ionic liquids may advantageously have a suitable chemical stability to lithium.
  • the lithium ion-conducting liquid comprises at least one electrolyte solvent, in particular for a lithium cell, and / or at least one ionic liquid.
  • the lithium ion-conducting liquid at least one
  • Electrolyte solvents which are selected include from the group of ethers, for example, 1,2-dimethoxyethane (DME) and / or
  • TEGDME Tetraethylene glycol dimethyl ether
  • Lithium ion conducting liquid at least one ionic liquid.
  • Ionic liquids can advantageously conduct good lithium ions, for example, transport or dissolve, have a very low, barely measurable vapor pressure and be difficult to ignite and / or thermally stable.
  • the lithium ion-conducting liquid may comprise at least one ionic liquid which comprises at least one lithium-conducting salt anion.
  • Ionic liquids which have as anion a lithium-Leitsalz anion have to conduct, for example, transport or
  • the at least one lithium conducting salt anion can be selected from the group consisting of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion (TFSI), hexafluorophosphate anion (PF 6 ), tetrafluoroborate anion (BF 4 ), trifluoromethanesulfonate anion (Triflate, CF 3 S0 3 " ) and derivatives and / or
  • the at least one lithium conducting salt anion may comprise or be bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion (TFSI).
  • the at least one ionic liquid may for example comprise at least one cation which is selected from the group consisting of pyrrolidinium cations, piperidinium cations, morpholinium cations, imidazolium cations, pyridinium cations, guanidinium cations, uronium cations. Cations, thiouronium cations, ammonium cations, phosphonium cations and derivatives and / or combinations and / or mixtures thereof.
  • the at least one cation may be a pyrrolidinium cation, for example, at least one N-alkyl-N-alkyl-pyrrolidinium cation, for example at least one N-alkyl-N-methyl-pyrrolidinium cation, include or be.
  • Ionic liquids which have a pyrrolidinium cation as a cation have to conduct, for example transport or
  • lithium ion-conducting liquid at least one ionic liquid which contains a bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion and / or a pyrrolidinium cation, for example an N-alkyl-N-alkyl-pyrrolidinium cation, for example an N-alkyl-N-methyl- pyrrolidinium cation, (PYR-TFSI).
  • a bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion and / or a pyrrolidinium cation for example an N-alkyl-N-alkyl-pyrrolidinium cation, for example an N-alkyl-N-methyl- pyrrolidinium cation, (PYR-TFSI).
  • the liquid phase layer in particular the lithium ion-conducting liquid, comprises at least one lithium conducting salt.
  • the conductivity of the liquid phase layer can be improved and, for example, the specific energy density of the lithium cell can be increased.
  • the at least one lithium conducting salt can be selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium trifluoromethanesulfonate (Li triflate, CF 3 S0 3 Li) and combinations and / or mixtures thereof.
  • the at least one lithium conducting salt may include or be lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) and / or lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI).
  • the at least one lithium conducting salt comprises the same lithium conducting salt anion as the ionic liquid.
  • the at least one lithium conducting salt may be lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI).
  • liquid phase layer for example, both a gel, for example, a polymer gel, as well as a liquid-impregnated porous separator and a pure liquid can be used.
  • the liquid-phase layer is therefore a gel layer, in particular a polymer gel layer, or one with which
  • liquid layer impregnated with lithium ion-conducting liquid for example a separator impregnated with the lithium ion-conducting liquid, or a, in particular, pure, liquid layer.
  • the liquid phase layer is a gel layer.
  • the gel layer can be a polymer gel layer or be formed from a polymer gel.
  • the gel layer may be formed from a lithium, in particular chemically, stable gel, for example polymer gel.
  • the gel layer or a gel liquid phase layer may comprise at least one polymer which is selected from the group consisting of polyethylene glycols, polyacrylates and combinations and / or mixtures thereof.
  • the gel layer or a gel liquid phase layer may comprise polyethylene glycol and / or polyacrylate.
  • the liquid phase layer may have, for example, a layer thickness of ⁇ 100 ⁇ m.
  • a good contact can be achieved.
  • the liquid-phase layer may have a layer thickness of ⁇ 10 ⁇ m, for example of ⁇ 3 ⁇ m.
  • a good contact and a high specific energy density of the cell can be achieved.
  • the anode protective layer may in particular be a dendrite barrier layer or a dendrite barrier layer system.
  • the anode protective layer may be dense, in particular liquid-tight.
  • the anode protective layer can be lithium ion-conducting.
  • the anode protective layer has the highest possible
  • the anode protective layer may in particular be formed from a material having a high mechanical stability.
  • Inorganic, in particular ceramic and / or glassy, materials may for example have a sufficiently high mechanical stability.
  • the anode protective layer may comprise a lithium ion-conducting solid ion conductor.
  • the anode protective layer may be an inorganic, in particular ceramic and / or glassy, layer, for example of a
  • lithium ion-conducting solid ion conductors lithium ion-conducting solid ion conductors.
  • the lithium ion-conducting solid ion conductors lithium ion-conducting solid ion conductors.
  • Anodenschutz stands an inorganic layer, such as ceramic layer, for example, from a lithium ion conductive Festionenleiter be.
  • Anode protective layer but also in addition to at least one inorganic, especially ceramic and / or glassy material, for example, a lithium ion-conducting fixed ion conductor, at least one polymer.
  • the at least one polymer can advantageously improve the mechanical properties of the anode protective layer, for example the
  • the anode protective layer may be formed from a polymer-inorganic composite, for example polymer-ceramic composite
  • the anode protective layer can also be embodied as a polymer-inorganic composite, for example polymer-ceramic laminate, which comprises, for example, at least one inorganic layer, for example a ceramic layer, and / or at least one polymer-inorganic composite layer, for example Ceramic layer, and / or for example comprises at least one polymer layer.
  • Inorganic films in particular, but also to some extent polymer-inorganic composite layers and polymer-inorganic composite layers, as well as the anode material layer, for example, a metallic
  • Lithium anodic layer or lithium alloy layer be relatively solid and can be contacted with conventional direct methods only poorly.
  • the soft liquid phase layer which automatically adapts to the morphology of the surfaces of the adjoining layers, it is nevertheless advantageously possible to achieve good contacting of the layers even with such layers, for which reason the use of a liquid phase layer in combination with an inorganic layer
  • the anode material layer may in particular be lithium-containing.
  • the anode material layer comprises metallic lithium and / or a lithium alloy.
  • the anode material layer may be formed from metallic lithium and / or a lithium alloy.
  • the anode material layer may be a metallic lithium anode.
  • the anode material layer may be a lithium foil.
  • the cathode material layer may in particular comprise a material into which lithium ions can be embedded.
  • the cathode material layer may in particular comprise a material into which lithium ions can be embedded.
  • Cathode material layer comprise a material in which lithium ions are intercalatable. In the context of another embodiment, therefore, is the
  • Cathode material layer intercalatable with lithium ions intercalatable with lithium ions.
  • anode material layer On the side facing away from the liquid phase layer and / or anode protective layer side of the anode material layer may further comprise
  • anode current collector can rest against the anode material layer in particular.
  • the anode current collector made of copper or as
  • Anodenstromableiter be a copper foil.
  • a cathode current collector On the side of the cathode material layer facing away from the liquid phase layer and / or anode protective layer, in particular a cathode current collector can be arranged.
  • the cathode current collector can rest against the cathode material layer.
  • Kathodenstromableiter be an aluminum foil.
  • the lithium cell and / or the anode and / or the cathode and / or the anode protective layer system can be prepared in particular by a manufacturing method explained later.
  • the lithium cell may be a lithium-sulfur cell and / or a lithium-oxygen cell, in particular a lithium-sulfur cell.
  • a further subject matter is a lithium battery which comprises (at least) one cell according to the invention and / or (at least) one anode according to the invention and / or (at least) one cathode according to the invention and / or (at least) one anode protection layer system according to the invention.
  • the lithium battery may comprise (at least) two cells according to the invention and / or (at least) two anodes according to the invention and / or (at least) two cathodes according to the invention and / or (at least) two anode protective layer systems according to the invention.
  • the lithium battery may be a lithium-sulfur battery and / or a lithium-oxygen battery, in particular a lithium-sulfur battery.
  • a Vehicle such as an electric vehicle or hybrid vehicle or pulg-in-hybrid vehicle
  • the lithium battery or the lithium cell is particularly suitable for electric vehicles, hybrid vehicles and pul- in-hybrid vehicles.
  • the lithium battery can in particular by a later explained
  • the invention relates to a method for producing a lithium cell, in particular for a lithium battery, and / or an anode for a lithium cell and / or a cathode for a lithium cell and / or a
  • Anode protective layer system for a lithium cell and / or a lithium battery in which a liquid phase layer between a lithium cell and / or a lithium battery, in which a liquid phase layer between a lithium cell and / or a lithium battery, in which a liquid phase layer between a lithium cell and / or a lithium battery, in which a liquid phase layer between a lithium cell and / or a lithium battery, in which a liquid phase layer between a
  • Cathode and / or an inventive anode protective layer system and / or a lithium battery according to the invention can be produced.
  • the constituents of all individual layers can already be in their correct or final
  • compositions are used.
  • the liquid phase layer may be a gel layer in the process.
  • the anode material layer may comprise, for example, metallic lithium or a lithium alloy or be formed therefrom.
  • the anode material layer may be in the form of a foil, for example a metallic lithium foil or
  • Lithium alloy foil are used.
  • the manufacturing process can be done in various ways.
  • the liquid phase layer can be applied to the anode protective layer.
  • the method comprises the
  • Process step b) can in particular by coating
  • Process step c) can be carried out for example by pressing a film, for example a metallic lithium foil or a lithium alloy foil, onto the liquid-phase layer (see FIG. 2, step c)).
  • the cathode material layer can be applied, for example, to a cathode current collector, for example a
  • the method further comprises a method step aO), in particular carried out before method step a), in which one or the
  • Cathode material layer is applied to a cathode current collector, for example, a Aluminiumstromableiter.
  • Anodenmaterial ist applied to a Anodenstromableiter for example, a Kupferstromableiter, or is provided as an anode material layer with Anodenstromableiter, or that the method further carried out, in particular after the method step c),
  • the anode current collector can be vapor-deposited onto the anode material layer, for example in process step d).
  • the Anodenstromableiter by vapor deposition of copper on the
  • anode current collector for example in
  • Method step d) by pressing, for example, a Kupferstromableiters, are applied to the anode material layer.
  • the method comprises the method steps:
  • starting material in process step a ' for example, metallic lithium or a lithium alloy and / or a film, for
  • Example a metallic lithium foil or lithium alloy foil used.
  • liquid phase layer to the anode protective layer in method step a ') can be effected in particular by coating
  • step a ' or by a coating process (see Figure 3, step a ')).
  • the application of the anode protective layer on the liquid phase layer in process step b ') can be carried out in particular by pressing (see Figure 3, step b')).
  • the application of the cathode material layer to the anode protective layer in method step c ') can also be effected, for example, by pressing on, for example, a cathode material layer with cathode current collector (see FIG. 3, step c')).
  • the anode material layer can be applied to an anode current collector, for example a
  • Kupferstromableiter or be provided as an anode material layer with Anodenstromableiter.
  • the method further comprises a method step a0 '), in particular performed before method step a'), in which the
  • Anodenmaterial Mrs is applied to an anode current collector, for example a Kupferstromableiter.
  • Cathode material layer applied to a Kathodenstromableiter for example, a Aluminiumstromableiter, or as a
  • Cathode material layer is provided with Kathodenstromableiter, or that the method further comprises a, in particular according to the method step c ') performed, process step d'): Applying a Kathodenstromableiters, for example, a Aluminiumstromableiter, on the cathode material layer comprises.
  • the method comprises the
  • Liquid phase layer applied to the anode material layer.
  • the liquid-phase layer is applied to the anode protection layer of an anode protective layer-cathode material layer layer system in method step x).
  • the anode protective layer / cathode material layer layer system may in particular comprise an anode protective layer (s) and a cathode material layer (s).
  • the anode protective layer may be applied to the cathode material layer in the anode protective layer cathode material layer layer system.
  • the application of the liquid phase layer can take place both during the first and within the scope of the second embodiment of method step x) by coating or by a coating process (see FIG. 4).
  • the anode material layer may, for example, comprise a metallic lithium or a lithium alloy or be a foil, for example a metallic lithium foil or a lithium alloy foil.
  • the anode material layer and the anode protective layer are then arranged in such a way that the liquid-phase layer is arranged between the anode material layer and the anode protective layer.
  • the anode material layer, the liquid phase layer and the anode protective layer can be pressed against one another, for example.
  • the anode protective layer in method step y), can be both a single
  • Anodenschutz and an anode protective layer of a layer system, for example, an anode protective layer-Kathodenmaterial ist-
  • step x) can in
  • the anode material layer can be a single anode material layer or a layer system comprising an anode material layer.
  • the anode material layer can be applied to a
  • Anode current drain such as copper arrester
  • the method further comprises a method step xO), in particular performed before method step x), in which the anode material layer is applied to an anode current collector.
  • a method step xO in particular performed before method step x
  • an anode protective layer cathode material layer cathode current collector layer system is provided.
  • the anode protective layer / cathode material layer / cathode current collector layer system may comprise an anode protective layer (s), a cathode material layer and a cathode current collector, in particular wherein
  • Anode protective layer cathode material layer cathode current collector layer system, the anode protective layer on the cathode material layer and the Kathodenmatenal harsh is applied to the cathode current collector.
  • the method further comprises a method step z) carried out, in particular after the method step y): application of a cathode current collector to the cathode material layer, in particular of the anode protection layer-cathode material layer layer system.
  • 1 shows a schematic cross section through an embodiment of an anode according to the invention
  • 2 is a flow chart with schematic cross sections for
  • Fig. 4a-4c are schematic cross-sections to illustrate further
  • Figure 1 shows an embodiment of an anode according to the invention, which comprises a lithium-containing anode material layer 1 1 and an anode protective layer 13, wherein between the anode material layer 1 1 and the
  • liquid phase layer 12 is arranged.
  • the liquid phase layer 12 is thus arranged on the side of the anode protection layer 13 facing the anode material layer 11.
  • the liquid phase layer 12 comprises a lithium ion-conducting liquid.
  • the lithium ion-conducting liquid may comprise, for example, at least one electrolyte solvent and / or at least one ionic liquid and, for example, at least one lithium conducting salt.
  • the lithium ion-conducting liquid may comprise at least one ionic liquid having a bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion and / or an N-alkyl-N-alkyl-pyrrolidinium cation, for example N-alkyl-N-methyl-pyrrolidinium cation, ( PYR-TFSI) and, for example, lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI).
  • the liquid phase layer may be, for example, a gel layer or a porous separator impregnated with the lithium ion conductive liquid or a pure liquid layer.
  • the liquid phase layer 12 may be a gel layer, for example of a polymer gel, for example on the basis of polyethylene glycol and / or polyacrylate.
  • a gel layer 12 the lithium ion-conducting liquid can advantageously be well at the interface with
  • the anode material layer 11 may be, for example, a metallic lithium foil or lithium alloy foil.
  • the anode protective layer 13 may in particular comprise a lithium ion-conducting inorganic, for example ceramic and / or vitreous, material, for example a lithium ion-conducting solid ion conductor.
  • FIG. 1 also illustrates the mode of operation of the liquid phase liquor 12
  • FIG. 1 illustrates that the liquid-phase slurry 12 can compensate for unevenness in the surface morphology of the anode material layer 11 and optionally also the anode protective layer 13 (not shown).
  • surface irregularities of the anode material layer 11 and of the anode protective layer 13 can not be completely avoided (not illustrated) and make complete direct contacting of the two layers 11, 13 difficult.
  • dendrites D on the surface of the cell can be
  • Anodematerial Mrs 11 and the anode protection layer 13 can be ensured.
  • a penetration of the liquid phase soup 12 by dendrites D can even be used to advantage by the dendrites D.
  • FIGS. 2 to 4 show different embodiments of a method according to the invention for producing a cell and / or anode and / or cathode and / or anode protective layer system in which a
  • Flussigphasentik 12 between an anode material layer 1 1 and an anode protective layer 13 is arranged.
  • a liquid phase layer 12 for example in the form of a coating, is applied to the anode protection layer 13.
  • an anode material layer 1 for example, a metallic lithium foil or a lithium alloy foil, on the
  • Liquid phase layer 12 applied, for example, pressed.
  • an anode current collector 15 for example a copper current collector, is then applied to the anode material layer 11,
  • FIG. 2 illustrates that in this way a lithium cell 10 can be produced, which comprises a cathode material layer 14, for example with a cathode current collector (not shown), an anode protection layer 13, a liquid phase layer 12, an anode material layer 11 and a
  • Anodenstromableiter 15 wherein the liquid-phase layer 12 between the anode material layer 1 1 and the anode protective layer 13 and the
  • Anodenschutz slaughter 13 between the liquid phase layer 12 and the Kathodenmatenal Anlagen 14 is arranged.
  • FIG. 2 illustrates that, in particular, the liquid-phase layer 12 on the side of the anode protection layer 13 facing the anode material layer or on which, the cathode material layer 14 facing away from the anode protective layer 13 is arranged.
  • an anode material layer 1 1 is first applied to a first process step a0 ')
  • Anodenstromableiter 15 for example, a Kupferstromableiter applied.
  • a liquid phase layer 12 is applied to the anode material layer 11.
  • an anode protective layer 13 is then applied to the liquid phase layer 12, for example by being pressed on.
  • a cathode material layer 14 with a cathode current collector 16, for example an aluminum current collector is then applied to the anode protective layer 13.
  • FIG. 3 illustrates that in this way a lithium cell 10 can be produced, which comprises an anode current collector 15, an anode material layer 11, a liquid phase layer 12, an anode protective layer 13, a
  • Cathode material layer 14 and a Kathodenstromableiter 16 wherein also the liquid phase layer 12 between the anode material layer 1 1 and the anode protective layer 13 and the anode protective layer 13 between the liquid phase layer 12 and the cathode material layer 14 and the liquid phase layer 12 on the, the anode material layer 1 1 side facing the anode protective layer 13th or on the one who
  • Cathode material layer 14 facing away from the anode protection layer 13 is arranged.
  • an anode material layer 1 1 with anode current collector 15 and an anode protective layer cathode material layer cathode current collector layer system 13, 14, 16 were initially provided in a process step x), not shown, and a liquid phase layer 12 was applied.
  • Liquid phase layer 12 is applied to the anode material layer 1 1 applied to the anode current collector 15.
  • the liquid phase layer 12 is applied to the anode protection layer 13 of the anode protection layer cathode material layer cathode current collector layer system 13, 14, 16.
  • FIGS. 4a, 4b and 4c illustrate that, in a method step y), the anode material layer 11 and the anode protective layer 13 are respectively arranged such that the liquid phase layer 12 or the liquid phase layers 12 between the anode material layer 11 and the
  • Anodenschutz für 13 is arranged or are.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Zelle (10), welche eine Anodenmaterialschicht (11), eine Anodenschutzschicht (13) und eine Kathodenmaterialschicht (14) umfasst. Um die Stromrate der Lithium-Zelle beziehungsweise einer damit ausgestatteten Lithium-Batterie zu verbessern, umfasst die Lithium-Zelle (10) weiterhineine Flüssigphasenschicht (12), welche (12) zwischen der Anodenmaterialschicht (11) und der Anodenschutzschicht (13) angeordnet ist und eine lithiumionenleitende Flüssigkeit umfasst. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein derartige Anode, ein derartige Kathode, ein derartiges Anodenschutzschichtsystem, eine derartige Lithium-Batterie sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Description

Beschreibung Titel
Anodenschutzschichtsystem mit Flüssigphasenschicht für eine Lithium-Zelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Zelle, eine Lithium- Batterie, eine Anode, eine Kathode und ein Anodenschutzschichtsystem sowie ein
Herstellungsverfahren hierfür.
Stand der Technik
Bei verschiedenen Arten von Lithium- Batterien, insbesondere den sogenannten Post- Lithium- Ionen- Batterien, beispielsweise Lithium-Schwefel- und/oder Lithium- Sauerstoff-Zellen beziehungsweise -Batterien, wird als Anodenmaterial metallisches Lithium verwendet.
Bei metallischen Lithiumanoden können jedoch parasitäre Reaktionen mit dem Elektrolyten oder darin enthaltener Stoffe, zum Beispiel Polysulfiden im Falle einer Lithium-Schwefel-Zelle, stattfinden, durch welche sowohl das Lithium als auch beispielsweise der Elektrolyt aufgezehrt werden kann. Gegebenenfalls können sich diese Reaktionen selbst thermisch beschleunigen, was zu einem thermischen Durchgehen der Reaktionen führen kann.
Ferner können sich Dendriten aus metallischem Lithium bilden, welche gegebenenfalls durch die Zelle durchwachsen und zu einem Kurzschluss der Zelle führen können. Um dies zu verhindern, kann auf einer metallischen Lithiumanode eine
Anodenschutzschicht vorgesehen werden, welche eine ausreichend hohe Lithiumionenleitfähigkeit aufweist und einen direkten Kontakt zwischen metallischem Lithium und Elektrolyt verhindert.
Derzeit gehen die meisten Konzepte von einer gegen Dendritenwachstum stabilen Anodenschutzschicht aus, welche wachsende Dendriten daran hindert, durch diese Schicht hindurch zu wachsen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lithium-Zelle, insbesondere für eine Lithium- Batterie, welche eine Anodenmaterialschicht, eine
Flüssigphasenschicht, eine Anodenschutzschicht und eine
Kathodenmaterialschicht umfasst, wobei die Flüssigphasenschicht eine lithiumionenleitende Flüssigkeit umfasst. Dabei ist die Flüssigphasenschicht zwischen der Anodenmaterialschicht und der Anodenschutzschicht angeordnet. Mit anderen Worten, die Flüssigphasenschicht ist dabei insbesondere auf der, der Anodenmaterialschicht zugewandten Seite der Anodenschutzschicht angeordnet.
Unter einer Lithium-Zelle kann insbesondere eine elektrochemische Zelle verstanden werden, deren Anodematerial Lithium umfasst. Beispielsweise kann eine Lithium-Zelle eine Lithium-Metall-Zelle, zum Beispiel Lithium-Schwefel-Zelle oder Lithium-Sauerstoff-Zelle, oder eine Lithium-Ionen-Zelle sein. Insbesondere kann das Anodematerial metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung umfassen (Lithium-Metall-Anode). Unter einer Anodenschutzschicht kann insbesondere eine Schicht oder ein zweilagiges oder mehrlagiges Schichtsystem verstanden werden, welche beziehungsweise welches die Anodenmaterialschicht, insbesondere gegen Dendriten, schützt. Beispielsweise kann die Anodenschutzschicht eine
Sperrfunktion gegen Dendriten aufweisen beziehungsweise als Sperrschicht gegen Dendriten fungieren. Unter einer Flüssigphasenschicht kann insbesondere eine Schicht verstanden werden, welche eine - insbesondere unter Betriebstemperatur der Zelle - flüssige Phase, beispielsweise Flüssigkeit, umfasst. Dabei kann die Flüssigphasenschicht sowohl eine, insbesondere reine, Flüssigkeitsschicht als auch eine Schicht sein, welche zusätzlich zur flüssigen Phase, insbesondere Flüssigkeit, eine feste, insbesondere flexible beziehungsweise plastisch verformbare, Phase umfassen kann. Dabei kann die feste Phase zum Beispiel in Form einer porösen, dreidimensionalen, beispielsweise schwammartigen, Matrix, zum Beispiel in Form eines dreidimensionalen Netwerkes, ausgebildet sein. Die flüssige Phase kann beispielsweise durch mindestens eine Verbindung ausgebildet werden, welche bei Raumtemperatur, insbesondere 25 °C, flüssig ist. Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung kann die flüssige Phase jedoch auch durch mindestens eine, insbesondere oligomere, Verbindung ausgebildet werden, welche erst bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur, insbesondere bei einer
Temperatur > 25 °C, zum Beispiel bei einer Temperatur in einem
Temperaturbereich von > 30 °C bis < 80 °C, flüssig wird.
Unter einer lithiumionenleitenden Flüssigkeit kann insbesondere eine Flüssigkeit verstanden werden, welche Lithiumionen transportieren kann. Dabei kann eine lithiumionenleitende Flüssigkeit beispielsweise Lithiumionen solvatisieren und/oder - zum Beispiel wie im Fall einer ionischen Flüssigkeit -, beispielsweise salzartig, gelöst aufnehmen beziehungsweise enthalten. Weitere Gegenstände der Erfindung sind eine Anode, eine Kathode und ein
Anodenschutzschichtsystem, welche beziehungsweise welches zu einer derartigen Lithium-Zelle verbaut werden kann sowie eine Lithium- Batterie und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Anode für eine Lithium-Zelle, insbesondere für eine erfindungsgemäße
Lithium-Zelle, umfasst dabei eine Anodenmaterialschicht, eine
Flüssigphasenschicht und eine Anodenschutzschicht, wobei die
Flüssigphasenschicht eine lithiumionenleitende Flüssigkeit umfasst. Dabei ist die Flüssigphasenschicht zwischen der Anodenmaterialschicht und der
Anodenschutzschicht angeordnet. Mit anderen Worten, die Flüssigphasenschicht ist dabei insbesondere auf der, der Anodenmaterialschicht zugewandten Seite der Anodenschutzschicht angeordnet.
Die Kathode für eine Lithium-Zelle, insbesondere für eine erfindungsgemäße Lithium-Zelle, umfasst dabei eine Kathodenmaterialschicht, eine
Anodenschutzschicht und eine Flüssigphasenschicht, wobei die
Flüssigphasenschicht eine lithiumionenleitende Flüssigkeit umfasst. Dabei ist die Anodenschutzschicht zwischen der Kathodenmaterialschicht und der
Flüssigphasenschicht angeordnet. Mit anderen Worten, die Flüssigphasenschicht ist dabei insbesondere auf der, der Kathodenmaterialschicht abgewandten Seite der Anodenschutzschicht angeordnet.
Das Anodenschutzschichtsystem für eine Anode einer Lithium-Zelle,
insbesondere für eine erfindungsgemäße Lithium-Zelle und/oder für eine erfindungsgemäße Anode, umfasst dabei eine Anodenschutzschicht und eine
Flüssigphasenschicht, wobei die Flüssigphasenschicht eine lithiumionenleitende Flüssigkeit umfasst. Dabei ist die Flüssigphasenschicht, in dem zur Zelle verbauten Zustand, zwischen dem Anodenmaterial, beispielsweise einer
Anodenmaterialschicht, und der Anodenschutzschicht anordbar beziehungsweise angeordnet. Mit anderen Worten, ist dabei die Flüssigphasenschicht, in dem zur
Zelle verbauten Zustand, insbesondere auf der, dem Anodenmaterial, beispielsweise einer Anodenmaterialschicht, zugewandten Seite der
Anodenschutzschicht angeordnet. Die erfindungsgemäßen Lithium-Zelle, die erfindungsgemäße Anode, die erfindungsgemäße Kathode und das erfindungsgemäße
Anodenschutzschichtsystem verbindet die gemeinsame Idee, dass durch eine, insbesondere zusätzliche, zwischen der Anodenmaterialschicht und einer Anodenschutzschicht angeordnete Flüssigphasenschicht, welche sich perfekt an Oberflächenunebenheiten und sich ändernde Oberflächen der beiden
umliegenden Schichten anpassen kann, die Grenzfläche beziehungsweise Kontaktfläche zwischen der Anodenmaterialschicht und der Anodenschutzschicht verbessert werden kann. Die Verbesserung der Grenzfläche beziehungsweise Kontaktfläche zwischen der Anodenmaterialschicht und der Anodenschutzschicht kann dabei vorteilhafterweise sowohl im Neuzustand der Zelle beziehungsweise einer damit ausgestatteten Lithium- Batterie als auch in, beispielsweise allen, Ladezuständen und/oder Betriebszuständen der Zelle beziehungsweise einer damit ausgestatteten Lithium- Batterie erzielt werden. Dies kann dadurch erklärt werden, dass die zwischen der Anodenmaterialschicht und der
Anodenschutzschicht angeordnete und somit eine Zwischenschicht darstellende
Flüssigphasenschicht sowohl Oberflächenunebenheiten der
Anodenmaterialschicht und/oder der Anodenschutzschicht, welche bei der Zellherstellung üblicherweise vorliegen und/oder auftreten können und ansonsten eine perfekte Kontaktierung behindern könnten, ausgleichen, als auch sich dynamisch und flexibel an, insbesondere stetige, Änderungen der
Oberflächenmorphologie der Anodenmaterialschicht beziehungsweise
Anodenschutzschicht, welche während der Ladezustände und/oder
Betriebszustände auftretenden können, anpassen kann. Durch eine verbesserte Oberflächenkontaktierung zwischen der
Anodenmaterialschicht und der Anodenschutzschicht kann vorteilhafterweise der Übergangswiderstand signifikant verringert und dadurch die Gesamtleitfähigkeit der Lithium-Zelle beziehungsweise einer damit ausgestatteten Lithium- Batterie erhöht werden. Dadurch kann wiederum vorteilhafterweise eine größere
Stromrate der Lithium-Zelle beziehungsweise Lithium- Batterie realisiert werden.
Besonders vorteilhaft ist eine derartige Anodenmaterialschicht- Flüssigphasenschicht- Anodenschutzschicht- Anordnung bei
Anodenmaterialschichten, welche Lithium, insbesondere in metallischer Form, enthalten, da diese während des Betriebes Dendriten aus metallischem Lithium ausbilden können, welche zu einer unebenen Oberflächenmorphologie der Anodenmaterialschicht und dadurch wiederum zu einer Verringerung der Oberflächenkontaktierung zwischen der Anodenmaterialschicht und der
Anodenschutzschicht sowie zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes, einer Verringerung der Gesamtleitfähigkeit und der Stromrate der Lithium-Zelle beziehungsweise Lithium-Batterie führen können.
Da die Flüssigphasenschicht sich flexibel Dendriten bedingten
Oberflächenunebenheiten anpassen kann, kann sogar eine Dendriten bed Oberflächenvergrößerung der Anodenmaterialschicht vorteilhaft dazu genutzt werden, um die Stromrate weiter zu erhöhen.
Die Flüssigphasenschicht dient somit zur Grenzflächen- beziehungsweise Kontaktflächen-Verbesserung der Anodenmaterialschicht und der
Anodenschutzschicht auch im Fall von Dendritenwachstum und erfüllt in ihrer Hauptfunktion selbst keine Sperrfunktion gegen Dendriten.
Die Sperrfunktion gegen Dendriten kann hingegen durch die
Anodenschutzschicht erfüllt werden. Die Anodenschutzschicht kann
insbesondere dazu dienen, ein Dendritenwachstum zu sperren und dadurch die Lithium-Zelle vor einem Durchwachsen von Dendriten, insbesondere zur Kathodenmaterialschicht, zu schützen.
Durch eine derartige Kombination aus einer, insbesondere
anodenmaterialseitigen, Flüssigphasenschicht und einer, insbesondere kathodenseitigen, Anodenschutzschicht, kann vorteilhafterweise erzielt werden, dass eine gute Kontaktierung zwischen der Anodenmaterialschicht und der Anodenschutzschicht erzielt werden kann, wobei sich Dendritenwachstum innerhalb der Flüssigphasenschicht nicht nachteilig oder gegebenenfalls sogar vorteilhaft auswirken kann, wobei durch die Anodenschutzschicht Dendriten gesperrt und auf diese Weise die Sicherheit der Lithium-Zelle beziehungsweise Lithium- Batterie gewährleistet beziehungsweise erhöht werden kann.
Die lithiumionenleitende Flüssigkeit kann insbesondere eine gegen Lithium stabile Flüssigkeit, insbesondere eine gegen metallisches Lithium chemisch stabile Flüssigkeit, sein. Beispielsweise kann die lithiumionenleitende Flüssigkeit eine Flüssigkeit sein, welche mit metallischem Lithium kaum oder keine elektrisch isolierenden Nebenprodukte, beispielsweise in Form einer so genannten SEI-Schicht (SEI, Englisch: Solid Electrolyte Interface), ausbildet. Elektrolytlösungsmittel für Lithium-Zellen und/oder ionische Flüssigkeiten können vorteilhafterweise eine geeignet chemische Stabilität gegen Lithium aufweisen. Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst daher die lithiumionenleitende Flüssigkeit mindestens ein Elektrolytlösungsmittel, insbesondere für eine Lithium- Zelle, und/oder mindestens eine ionische Flüssigkeit. Beispielsweise kann die lithiumionenleitende Flüssigkeit mindestens ein
Elektrolytlösungsmittel umfassen, welches ausgewählt ist, aus der Gruppe der Ether, beispielsweise 1,2-Dimethoxyethan (DME) und/oder
Tetraethylenglycoldimethylether (TEGDME), und Kombinationen
beziehungsweise Mischungen davon.
Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst die
lithiumionenleitende Flüssigkeit mindestens eine ionische Flüssigkeit. Ionische Flüssigkeiten können vorteilhafterweise gut Lithiumionen leiten, beispielsweise transportieren beziehungsweise lösen, einen sehr niedrigen, kaum messbaren Dampfdruck aufweisen sowie schwer entzündlich und/oder thermisch stabil sein.
Insbesondere kann die lithiumionenleitende Flüssigkeit mindestens eine ionische Flüssigkeit umfassen, welch mindestens ein Lithium-Leitsalz-Anion umfasst. Ionische Flüssigkeiten, welche als Anion ein Lithium-Leitsalz-Anion aufweisen haben sich zur Leitung, beispielsweise Transport beziehungsweise
Solvatisierung, von Lithiumionen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Beispielsweise kann dabei das mindestens eine Lithium-Leitsalz-Anion ausgewählt sein, aus der Gruppe bestehend aus Bis-(trifluormethansulfonyl)imid- Anion (TFSI ), Hexafluorophosphat-Anion (PF6 ), Tetrafluoroborat-Anion (BF4 ), Trifluormethansulfonat-Anion (Triflat, CF3S03 ") und Derivaten und/oder
Kombinationen und/oder Mischungen davon. Insbesondere kann das mindestens eine Lithium-Leitsalz-Anion Bis-(trifluormethansulfonyl)imid-Anion (TFSI ) umfassen oder sein.
Als Kation kann dabei die mindestens eine ionische Flüssigkeit beispielsweise mindestens ein Kation umfassen, welches ausgewählt ist, aus der Gruppe bestehend aus Pyrrolidinium-Kationen, Piperidinium-Kationen, Morpholinium- Kationen, Imidazolium-Kationen, Pyridinium-Kationen, Guanidinium-Kationen, Uronium-Kationen, Thiouronium-Kationen, Ammonium-Kationen, Phosphonium- Kationen und Derivaten und/oder Kombinationen und/oder Mischungen davon. Insbesondere kann das mindestens eine Kation ein Pyrrolidinium-Kation, beispielsweise mindestens ein N-Alkyl-N-alkyl-pyrrolidinium-Kation, zum Beispiel mindestens ein N-Alkyl-N-methyl-pyrrolidinium-Kation, umfassen oder sein.
Ionische Flüssigkeiten, welche als Kation ein Pyrrolidinium-Kation aufweisen haben sich zur Leitung, beispielsweise Transport beziehungsweise
Solvatisierung, von Lithiumionen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung umfasst daher die
lithiumionenleitende Flüssigkeit mindestens eine ionische Flüssigkeit, welche ein Bis-(trifluormethansulfonyl)imid-Anion und/oder ein Pyrrolidinium-Kation, beispielsweise ein N-Alkyl-N-alkyl-pyrrolidinium-Kation, zum Beispiel ein N-Alkyl- N-methyl-pyrrolidinium-Kation, (PYR-TFSI) umfasst.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Flüssigphasenschicht, insbesondere die lithiumionenleitende Flüssigkeit, mindestens ein Lithium- Leitsalz. So kann vorteilhafterweise die Leitfähigkeit der Flüssigphasenschicht verbessert und beispielsweise auch die spezifische Energiedichte der Lithium- Zelle erhöht werden. Beispielsweise kann das mindestens eine Lithium-Leitsalz ausgewählt sein der Gruppe bestehend aus Lithium-Hexafluorophosphat (LiPF6), Lithium-Bis-(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithium-Tetrafluoroborat (LiBF4), Lithium-Trifluormethansulfonat (Li-Triflat, CF3S03Li) und Kombinationen und/oder Mischungen davon. Zum Beispiel kann das mindestens eine Lithium-Leitsalz Lithium-Hexafluorophosphat (LiPF6) und/oder Lithium-Bis- (trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), umfassen oder sein.
Zum Beispiel kann es vorteilhaft sein, wenn das mindestens eine Lithium-Leitsalz das gleiche Lithium-Leitsalz-Anion wie die ionische Flüssigkeit umfasst.
Beispielsweise kann, insofern die ionische Flüssigkeit ein Bis- (trifluormethansulfonyl)imid-Anion (TFSI ) umfasst, das mindestens eine Lithium- Leitsalz Lithium-Bis-(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) sein.
Beispielsweise kann die lithiumionenleitende Flüssigkeit aus mindestens einem Elektrolytlösungsmittel, insbesondere für eine Lithium-Zelle, und/oder mindestens einer ionische Flüssigkeit und/oder mindestens einem Lithium-Leitsalz
ausgebildet sein. Als Flüssigphasenschicht kann beispielsweise sowohl ein Gel, beispielsweise ein Polymergel, als auch ein mit Flüssigkeit getränkter poröser Separator als auch eine reine Flüssigkeit eingesetzt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Flüssigphasenschicht daher eine Gelschicht, insbesondere Polymergelschicht, oder eine, mit der
lithiumionenleitenden Flüssigkeit getränkte, poröse Schicht, beispielsweise ein mit der lithiumionenleitenden Flüssigkeit getränkter Separator, oder eine, insbesondere reine, Flüssigkeitsschicht ist.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung ist die Flüssigphasenschicht eine Gelschicht. Die Handhabung einer Gelschicht kann vorteilhafterweise aus mechanischen Gründen einfacher sein. Beispielsweise kann die Gelschicht dabei eine Polymergelschicht beziehungsweise aus einem Polymergel ausgebildet sein. Insbesondere kann die Gelschicht aus einem gegen Lithium, insbesondere chemisch, stabilen Gel, beispielsweise Polymergel, ausgebildet sein.
Beispielsweise kann die Gelschicht beziehungsweise eine Gel- Flüssigphasenschicht mindestens ein Polymer umfassen, welches ausgewählt ist, aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenglycolen, Polyacrylaten und Kombinationen und/oder Mischungen davon. Beispielsweise kann die Gelschicht beziehungsweise eine Gel-Flüssigphasenschicht Polyethylenglycol und/oder Polyacrylat umfassen.
Die Flüssigphasenschicht kann beispielsweise eine Schichtdicke von < 100 μηη aufweisen. So kann vorteilhafterweise eine gute Kontaktierung erzielt werden. Insbesondere kann die Flüssigphasenschicht eine Schichtdicke von < 10 μηη, beispielsweise von < 3 μηη, aufweisen. So kann vorteilhafterweise sowohl eine gute Kontaktierung als auch eine hohe spezifische Energiedichte der Zelle erzielt werden.
Die Anodenschutzschicht kann insbesondere eine Dendritensperrschicht beziehungsweise ein Dendritensperrschichtsystem sein. Beispielsweise kann die Anodenschutzschicht dicht, insbesondere flüssigkeitsdicht, sein. Insbesondere kann die Anodenschutzschicht lithiumionenleitend sein.
Vorzugsweise weist die Anodenschutzschicht eine möglichst hohe
Lithiumionenleitfähigkeit auf.
Die Anodenschutzschicht kann insbesondere aus einem Material mit einer hohen mechanischen Stabilität ausgebildet sein. Anorganische, insbesondere keramische und/oder glasartige, Materialien können beispielsweise eine ausreichend hohe mechanische Stabilität aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst daher die
Anodenschutzschicht ein anorganisches, insbesondere keramisches und/oder glasartiges, Material. Insbesondere kann die Anodenschutzschicht einen lithiumionenleitenden Festionenleiter umfassen.
Gegebenenfalls kann die Anodenschutzschicht eine anorganische, insbesondere keramische und/oder glasartige, Schicht, beispielsweise aus einem
lithiumionenleitenden Festionenleiter, sein. Beispielsweise kann die
Anodenschutzschicht eine Anorganikschicht, beispielsweise Keramikschicht, zum Beispiel aus einem lithiumionenleitenden Festionenleiter, sein.
Um verbesserte mechanische Eigenschaften zu erzielen und beispielsweise die Bruchfestigkeit der Anodenschutzschicht zu erhöhen, kann die
Anodenschutzschicht jedoch auch neben mindestens einem anorganischen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, Material, beispielsweise einem lithiumionenleitenden Festionenleiter, mindestens ein Polymer umfassen. Durch das mindestens eine Polymer können dabei vorteilhafterweise die mechanischen Eigenschaften der Anodenschutzschicht verbessert, beispielsweise die
Bruchfestigkeit der Anodenschutzschicht erhöht beziehungsweise die Brüchigkeit und/oder Sprödigkeit der Anodenschutzschicht reduziert, werden.
Beispielsweise kann die Anodenschutzschicht aus einem Polymer-Anorganik- Komposit, beispielsweise Polymer- Keramik- Komposit, ausgebildet
beziehungsweise als Polymer- Anorganik- Kompositschicht, beispielsweise Polymer- Keramik- Kompositschicht, ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Anodenschutzschicht jedoch auch als Polymer- Anorganik-Schichtverbund, beispielsweise Polymer-Keramik- Schichtverbund, ausgestaltet sein, welcher zum Beispiel mindestens eine Anorganikschicht, beispielsweise Keramikschicht, und/oder mindestens eine Polymer- Anorganik- Kompositschicht, beispielsweise Polymer- Keramik-Schicht, und/oder beispielsweise mindestens eine Polymerschicht umfasst.
Insbesondere Anorganikschichten, jedoch auch in gewissem Maße Polymer- Anorganik- Kompositschichten und Polymer- Anorganik-Schichtverbünde, können ebenso wie die Anodenmaterialschicht, beispielsweise eine metallische
Lithiumanodeschicht oder Lithiumlegierungsschicht, vergleichsweise fest sein und sich mit herkömmlichen direkten Methoden nur schlecht miteinander kontaktieren lassen. Durch die weiche Flüssigphasenschicht, welche sich der Morphologie der Oberflächen der daran angrenzenden Schichten automatisch anpasst, kann jedoch vorteilhafterweise auch bei derartigen Schichten eine gute Kontaktierung der Schichten realisiert werden, weswegen der Einsatz einer Flüssigphasenschicht in Kombination mit einer Anorganikschicht
beziehungsweise Polymer- Anorganik- Kompositschicht und/oder einem Polymer- Anorganik-Schichtverbund besonders vorteilhaft ist.
Die Anodenmaterialschicht kann insbesondere lithiumhaltig sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anodenmaterialschicht metallisches Lithium und/oder eine Lithiumlegierung. Beispielsweise kann die Anodenmaterialschicht aus metallischem Lithium und/oder einer Lithiumlegierung ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Anodenmaterialschicht eine metallische Lithiumanode sein. Zum Beispiel kann die Anodenmaterialschicht eine Lithiumfolie sein. Die Kathodenmaterialschicht kann insbesondere ein Material umfassen, in welches Lithiumionen einlagerbar sind. Beispielsweise kann die
Kathodenmaterialschicht ein Material umfassen, in welches Lithiumionen interkalierbar sind. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist daher die
Kathodenmaterialschicht mit Lithiumionen interkalierbar.
Auf der, von der Flüssigphasenschicht und/oder Anodenschutzschicht abgewandten Seite der Anodenmaterialschicht kann weiterhin ein
Anodenstromableiter angeordnet sein. Dabei kann der Anodenstromableiter insbesondere an der Anodenmaterialschicht anliegen. Beispielsweise kann der Anodenstromableiter aus Kupfer ausgebildet beziehungsweise als
Kupferstromableiter ausgestaltet sein. Zum Beispiel kann der
Anodenstromableiter eine Kupferfolie sein.
Auf der, von der Flüssigphasenschicht und/oder Anodenschutzschicht abgewandten Seite der Kathodenmaterialschicht kann insbesondere ein Kathodenstromableiter angeordnet sein. Dabei kann der Kathodenstromableiter an der Kathodenmaterialschicht anliegen. Beispielsweise kann der
Kathodenstromableiter aus Aluminium ausgebildet beziehungsweise als Aluminiumstromableiter ausgestaltet sein. Zum Beispiel kann der
Kathodenstromableiter eine Aluminiumfolie sein.
Die Lithium-Zelle und/oder die Anode und/oder die Kathode und/oder das Anodenschutzschichtsystems kann insbesondere durch ein später erläutertes Herstellungsverfahren hergestellt sein beziehungsweise werden.
Beispielsweise kann die Lithium-Zelle eine Lithium-Schwefel-Zelle und/oder eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, insbesondere eine Lithium-Schwefel-Zelle, sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle, der erfindungsgemäßen Anode, der erfindungsgemäßen Kathode und des erfindungsgemäßen Anodenschutzschichtsystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie und dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie auf die Figuren und die
Figurenbeschreibung verwiesen. Ein weiterer Gegenstand ist eine Lithium- Batterie, welche (mindestens) eine erfindungsgemäße Zelle und/oder (mindestens) eine erfindungsgemäße Anode und/oder (mindestens) eine erfindungsgemäße Kathode und/oder (mindestens) ein erfindungsgemäßes Anodenschutzschichtsystem umfasst. Insbesondere kann die Lithium- Batterie (mindestens) zwei erfindungsgemäße Zellen und/oder (mindestens) zwei erfindungsgemäße Anoden und/oder (mindestens) zwei erfindungsgemäße Kathoden und/oder (mindestens) zwei erfindungsgemäße Anodenschutzschichtsysteme umfassen.
Beispielsweise kann die Lithium-Batterie eine Lithium-Schwefel- Batterie und/oder eine Lithium-Sauerstoff- Batterie, insbesondere eine Lithium-Schwefel- Batterie, sein.
Zum Beispiel kann die Lithium- Batterie beziehungsweise die Lithium-Zelle in einem Elektrowerkzeug, Gartengerät, Computer, Notebook/Laptop und/oder Mobilfunkgerät, beispielsweise Mobiltelefon und/oder Smartphone und/oder Tablet-PC und/oder PDA, und/oder in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Elektrofahrzeug oder Hybrid- Fahrzeug oder Pulg-in-Hybrid-Fahrzeug, eingesetzt werden. Aufgrund der besonders hohen Anforderungen an die Lebensdauer in Automotive-Anwendungen ist die Lithium-Batterie beziehungsweise die Lithium- Zelle in besonderem Maße für Elektrofahrzeuge, Hybrid- Fahrzeuge und Pulg-in- Hybrid- Fahrzeuge geeignet.
Die Lithium- Batterie kann insbesondere durch ein später erläutertes
Herstellungsverfahren hergestellt sein beziehungsweise werden.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, der erfindungsgemäßen Anode, der
erfindungsgemäßen Kathode, dem erfindungsgemäßen
Anodenschutzschichtsystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Zelle, insbesondere für eine Lithium- Batterie, und/oder einer Anode für eine Lithium- Zelle und/oder einer Kathode für eine Lithium-Zelle und/oder eines
Anodenschutzschichtsystems für eine Lithium-Zelle und/oder einer Lithium- Batterie, in dem eine Flüssigphasenschicht zwischen einer
Anodenmaterialschicht und einer Anodenschutzschicht angeordnet
beziehungsweise ausgebildet wird.
Insbesondere kann durch das Verfahren eine erfindungsgemäße Lithium-Zelle und/oder eine erfindungsgemäße Anode und/oder eine erfindungsgemäße
Kathode und/oder ein erfindungsgemäßes Anodenschutzschichtsystem und/oder eine erfindungsgemäße Lithium-Batterie hergestellt werden.
Im Rahmen des Verfahren können vorteilhafterweise die Bestandteile aller einzelnen Schichten bereits in ihren richtigen beziehungsweise endgültigen
Zusammensetzungen eingesetzt werden.
Die Flüssigphasenschicht kann im Rahmen des Verfahrens beispielsweise eine Gelschicht sein.
Die Anodenmaterialschicht kann im Rahmen des Verfahrens beispielsweise metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Anodenmaterialschicht in Form einer Folie, beispielsweise einer metallischen Lithiumfolie oder
Lithiumlegierungsfolie, eingesetzt werden.
Das Herstellungsverfahren kann auf verschiedene Weisen erfolgen.
Idealerweise kann dabei die Flüssigphasenschicht auf die Anodenschutzschicht aufgebracht werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst daher das Verfahren die
Verfahrensschritte:
a) Aufbringen der Anodenschutzschicht auf eine beziehungsweise die Kathodenmaterialschicht; b) Aufbringen der Flüssigphasenschicht auf die Anodenschutzschicht; und c) Aufbringen der Anodenmaterialschicht auf die Flüssigphasenschicht (siehe Figur 2). Das Aufbringen der Flüssigphasenschicht auf die Anodenschutzschicht in
Verfahrensschritt b) kann dabei insbesondere durch Beschichten
beziehungsweise durch einen Beschichtungsprozess erfolgen (siehe Figur 2, Schritt b)). Das Aufbringen der Anodenmaterialschicht auf die Flüssigphasenschicht in
Verfahrensschritt c) kann dabei beispielsweise durch Aufpressen einer Folie, beispielsweise einer metallischen Lithiumfolie oder einer Lithiumlegierungsfolie, auf die Flüssigphasenschicht erfolgen (siehe Figur 2, Schritt c)). In Verfahrensschritt a) kann die Kathodenmaterialschicht beispielsweise aufgebracht auf einen Kathodenstromableiter, zum Beispiel einen
Aluminiumstromableiter, beziehungsweise als eine Kathodenmaterialschicht mit Kathodenstromableiter bereitgestellt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, dass das Verfahren weiterhin einen, insbesondere vor dem Verfahrensschritt a) durchgeführten, Verfahrensschritt aO) umfasst, in dem eine beziehungsweise die
Kathodenmaterialschicht auf einen Kathodenstromableiter, zum Beispiel einen Aluminiumstromableiter, aufgebracht wird.
Dementsprechend ist es auch möglich, dass in Verfahrensschritt c) die
Anodenmaterialschicht aufgebracht auf einen Anodenstromableiter, zum Beispiel einen Kupferstromableiter, beziehungsweise als eine Anodenmaterialschicht mit Anodenstromableiter bereitgestellt wird, oder dass das Verfahren weiterhin einen, insbesondere nach dem Verfahrensschritt c) durchgeführten,
Verfahrensschritt d): Aufbringen eines Anodenstromableiters, zum Beispiel aus Kupfer, auf die Anodenmaterialschicht, umfasst.
Der Anodenstromableiter kann, beispielsweise in Verfahrensschritt d), auf die Anodenmaterialschicht aufgedampft werden. Beispielsweise kann dabei der Anodenstromableiter durch Aufdampfen von Kupfer auf die
Anodenmaterialschicht aufgebracht werden. Alternativ dazu kann der Anodenstromableiter, beispielsweise in
Verfahrensschritt d), durch Aufpressen, zum Beispiel eines Kupferstromableiters, auf die Anodenmaterialschicht aufgebracht werden.
Anders als in dieser Ausführungsform, ist es jedoch ebenso möglich, die
Flüssigphasenschicht auf die Anodenmaterialschicht aufzubringen.
Im Rahmen einer anderen Ausführungsform, insbesondere mit inversem Aufbau beziehungsweise umgekehrter Schichtreihenfolge, umfasst das Verfahren daher die Verfahrensschritte:
a') Aufbringen der Flüssigphasenschicht auf die Anodenmaterialschicht;
b') Aufbringen der Anodenschutzschicht auf die Flüssigphasenschicht; und c') Aufbringen einer beziehungsweise der Kathodenmaterialschicht auf die Anodenschutzschicht (siehe Figur 3).
Als Ausgangsmaterial kann dabei in Verfahrensschritt a') beispielsweise metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung und/oder eine Folie, zum
Beispiel eine metallische Lithiumfolie beziehungsweise Lithiumlegierungsfolie, eingesetzt werden.
Das Aufbringen der Flüssigphasenschicht auf die Anodenschutzschicht in Verfahrensschritt a') kann dabei insbesondere durch Beschichten
beziehungsweise durch einen Beschichtungsprozess erfolgen (siehe Figur 3, Schritt a')).
Das Aufbringen der Anodenschutzschicht auf die Flüssigphasenschicht in Verfahrensschritt b') kann dabei insbesondere durch Aufpressen erfolgen (siehe Figur 3, Schritt b')).
Das Aufbringen der Kathodenmaterialschicht auf die Anodenschutzschicht in Verfahrensschritt c') kann dabei beispielsweise ebenfalls durch Aufpressen, zum Beispiel einer Kathodenmaterialschicht mit Kathodenstromableiter, erfolgen (siehe Figur 3, Schritt c')). In Verfahrensschritt a') kann beispielsweise die Anodenmaterialschicht aufgebracht auf einen Anodenstromableiter, zum Beispiel einen
Kupferstromableiter, beziehungsweise als eine Anodenmaterialschicht mit Anodenstromableiter bereitgestellt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, dass das Verfahren weiterhin einen, insbesondere vor dem Verfahrensschritt a') durchgeführten, Verfahrensschritt a0') umfasst, in dem die
Anodenmaterialschicht auf einen Anodenstromableiter, zum Beispiel einen Kupferstromableiter, aufgebracht wird.
Dementsprechend ist es auch möglich, dass in Verfahrensschritt c') die
Kathodenmaterialschicht aufgebracht auf einen Kathodenstromableiter, zum Beispiel einen Aluminiumstromableiter, beziehungsweise als eine
Kathodenmaterialschicht mit Kathodenstromableiter bereitgestellt wird, oder dass das Verfahren weiterhin einen, insbesondere nach dem Verfahren schritt c') durchgeführten, Verfahrensschritt d'): Aufbringen eines Kathodenstromableiters, zum Beispiel einen Aluminiumstromableiter, auf die Kathodenmaterialschicht, umfasst.
Im Rahmen einer anderen Ausführungsform, insbesondere mit über die
Flüssigphasenschicht verbundenem Aufbau, umfasst das Verfahren die
Verfahrensschritte x) und y) (siehe Figuren 4a bis 4c).
Im Rahmen einer ersten Ausgestaltung wird in Verfahrensschritt x) die
Flüssigphasenschicht auf die Anodenmaterialschicht aufgebracht.
Im Rahmen einer alternativen oder zusätzlichen, zweiten Ausgestaltung wird in Verfahrensschritt x) die Flüssigphasenschicht auf die Anodenschutzschicht eines Anodenschutzschicht-Kathodenmaterialschicht-Schichtsystems aufgebracht. Dabei kann das Anodenschutzschicht-Kathodenmaterialschicht-Schichtsystem insbesondere eine beziehungsweise die Anodenschutzschicht und eine beziehungsweise die Kathodenmaterialschicht umfassen. Insbesondere kann dabei in dem Anodenschutzschicht-Kathodenmaterialschicht-Schichtsystem die Anodenschutzschicht auf der Kathodenmaterialschicht aufgebracht sein. Das Aufbringen der Flüssigphasenschicht kann sowohl im Rahmen der ersten als auch im Rahmen der zweiten Ausgestaltung von Verfahrensschritt x) durch Beschichten beziehungsweise durch einen Beschichtungsprozess erfolgen (siehe Figur 4).
Die Anodenmaterialschicht kann beispielsweise eine metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung umfassen beziehungsweise eine Folie, beispielsweise eine metallische Lithiumfolie oder eine Lithiumlegierungsfolie, sein. Im Rahmen des Verfahrensschrittes y) werden dann die Anodenmaterialschicht und die Anodenschutzschicht derart angeordnet, dass die Flüssigphasenschicht zwischen der Anodenmaterialschicht und der Anodenschutzschicht angeordnet ist. Dabei können in Verfahren schritt y) die die Anodenmaterialschicht, die Flüssigphasenschicht und die Anodenschutzschicht beispielsweise aneinander gepresst werden.
Im Rahmen der ersten Ausgestaltung von Verfahrensschritt x) kann dabei in Verfahrensschritt y) die Anodenschutzschicht sowohl eine einzelne
Anodenschutzschicht als auch eine Anodenschutzschicht eines Schichtsystems, beispielsweise eines Anodenschutzschicht-Kathodenmaterialschicht-
Schichtsystems, sein.
Im Rahmen der zweiten Ausgestaltung von Verfahrensschritt x) kann in
Verfahrensschritt y) die Anodenmaterialschicht insbesondere die
Anodenmaterialschicht des Anodenschutzschicht-Kathodenmaterialschicht-
Schichtsystems sein. Dabei kann die Anodenmaterialschicht eine einzelne Anodenmaterialschicht oder ein, eine Anodenmaterialschicht umfassendes Schichtsystem sein. Sowohl in der ersten als auch zweiten Ausgestaltung von Verfahrensschritt x) kann die Anodenmaterialschicht beispielsweise aufgebracht auf einen
Anodenstromableiter, beispielsweise Kupferstromableiter, bereitgestellt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, dass das Verfahren weiterhin einen, insbesondere vor dem Verfahrensschritt x) durchgeführten, Verfahrensschritt xO) umfasst, in dem die Anodenmaterialschicht auf einen Anodenstromableiter aufgebracht wird. Dementsprechend ist es auch möglich, dass sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausgestaltung von Verfahrensschritt x) ein Anodenschutzschicht- Kathodenmaterialschicht-Kathodenstromableiter-Schichtsystem bereitgestellt wird. Dabei kann das Anodenschutzschicht-Kathodenmaterialschicht- Kathodenstromableiter-Schichtsystem insbesondere eine beziehungsweise die Anodenschutzschicht, eine beziehungsweise die Kathodenmatenalschicht und einen Kathodenstromableiter umfassen, insbesondere wobei in dem
Anodenschutzschicht-Kathodenmaterialschicht-Kathodenstromableiter- Schichtsystem die Anodenschutzschicht auf der Kathodenmatenalschicht und die Kathodenmatenalschicht auf dem Kathodenstromableiter aufgebracht ist. Es ist jedoch ebenso möglich, dass das Verfahren weiterhin einen, insbesondere nach dem Verfahrenschritt y) durchgeführten, Verfahrensschritt z): Aufbringen eines Kathodenstromableiters auf die Kathodenmatenalschicht, insbesondere des Anodenschutzschicht-Kathodenmaterialschicht-Schichtsystems, umfasst.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, der erfindungsgemäßen Anode, der
erfindungsgemäßen Kathode, dem erfindungsgemäßen
Anodenschutzschichtsystem und der erfindungsgemäßen Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anode; Fig. 2 ein Flussdiagramm mit schematischen Querschnitten zur
Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3 ein Flussdiagramm mit schematischen Querschnitten zur
Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 4a-4c schematische Querschnitte zur Veranschaulichung weiterer
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anode, welche eine lithiumhaltige Anodenmaterialschicht 1 1 und eine Anodenschutzschicht 13 umfasst, wobei zwischen der Anodenmaterialschicht 1 1 und der
Anodenschutzschicht 13 eine Flüssigphasenschicht 12 angeordnet ist. Die Flüssigphasenschicht 12 ist somit auf der, der Anodenmaterialschicht 1 1 zugewandten Seite der Anodenschutzschicht 13 angeordnet. Dabei umfasst die Flüssigphasenschicht 12 eine lithiumionenleitende Flüssigkeit.
Die lithiumionenleitende Flüssigkeit kann beispielsweise mindestens ein Elektrolytlösungsmittel und/oder mindestens eine ionische Flüssigkeit und beispielsweise mindestens ein Lithium-Leitsalz umfassen. Zum Beispiel kann die lithiumionenleitende Flüssigkeit mindestens eine ionische Flüssigkeit mit einem Bis-(trifluormethansulfonyl)imid-Anion und/oder einem N-Alkyl-N-alkyl- pyrrolidinium-Kation, beispielsweise N-Alkyl-N-methyl-pyrrolidinium-Kation, (PYR-TFSI) und beispielsweise Lithium-Bis-(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) umfassen.
Die Flüssigphasenschicht kann beispielsweise eine Gelschicht oder ein, mit der lithiumionenleitenden Flüssigkeit getränkter, poröse Separator oder eine reine Flüssigkeitsschicht sein.
Insbesondere kann die Flüssigphasenschicht 12 eine Gelschicht, beispielsweise aus einem Polymergel, beispielsweise auf der Basis von Polyethylenglycol und/oder Polyacrylat, sein. Durch eine Gelschicht 12 kann vorteilhafterweise die lithiumionenleitende Flüssigkeit gut an der Grenzfläche zur
Anodenmaterialschicht 11 und zur Anodenschutzschicht 13 gehalten und eine hohe morphologische Anpassungsfähigkeit der Flüssigphasenschlcht 12 gewährleistet werden.
Die Anodenmaterialschicht 1 1 kann beispielsweise eine metallische Lithiumfolie oder Lithiumlegierungsfolie sein. Die Anodenschutzschicht 13 kann insbesondere ein lithiumionenleitendes anorganisches, beispielsweise keramisches und/oder glasartiges, Material, beispielsweise einen lithiumionenleitenden Festionenleiter, umfassen. Figur 1 stellt zudem die Funktionsweise der Flüssigphasenschlcht 12
schematisch dar. Figur 1 veranschaulicht, dass die Flüssigphasenschlcht 12 Unebenheiten in der Oberflächenmorphologie der Anodenmaterialschicht 11 und gegebenenfalls auch der Anodenschutzschicht 13 (nicht dargestellt) ausgleichen kann. Bereits beim Aufbau der Anode können Oberflächenunebenheiten der Anodenmaterialschicht 11 und der Anodenschutzschicht 13 nicht vollständig vermieden werden (nicht dargstellt) und eine vollständige direkte Kontaktierung der beiden Schichten 11,13 erschweren. Zusätzlich können sich - wie in Figur 1 dargestellt - während des Betriebes einer damit ausgestatten Zelle, insbesondere beim Wiederaufladen der Zelle, Dendriten D auf der Oberfläche der
Anodenmaterialschicht 11 bilden, durch welche herkömmlicherweise die direkte
Kontaktierung zwischen den beiden Schichten 11,13 weiter verschlechtert wird. Dadurch, dass die Flüssigphasenschlcht 12 zwischen der Anodenmaterialschicht 11 und der Anodenschutzschicht 13 angeordnet ist und aufgrund der darin enthaltenen lithiumionenleitenden Flüssigkeit lithiumionenleitend und
morphologisch anpassungsfähig ist, kann durch die Flüssigphasenschlcht 12 vorteilhafterweise sowohl im Neuzustand als auch im gesamten Zeitraum eines Lade-/Entlade-Zykluses, beispielsweise selbst im Fall einer Dendritenbildung D während des Betriebes, eine gute Kontaktierung zwischen der
Anodematerialschicht 11 und der Anodenschutzschicht 13 sichergestellt werden. Dabei kann eine Durchdringung der Flüssigphasenschlcht 12 durch Dendriten D sogar vorteilhaft genutzt werden, um durch die Dendriten D bedingte
Oberflächenvergrößerung der Anodenmaterialschicht 11 die Stromrate zu erhöhen. Die zentrale Aufgabe der Flüssigphasenschlcht 12 liegt somit nicht in der Unterdrückung von Dendriten D, sondern in der Verbesserung der
Grenzfläche zwischen der Anodenmaterialschicht 11 und der Anodenschutzschicht 13. Durch die Anodenschutzschicht 13 kann dabei vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass Dendriten D nicht durch die Anodenschutzschicht 13 hindurch zur Kathode gelangen können. Die Figuren 2 bis 4 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Zelle und/oder Anode und/oder Kathode und/oder Anodenschutzschichtsystem, in dem eine
Flussigphasenschicht 12 zwischen einer Anodenmaterialschicht 1 1 und einer Anodenschutzschicht 13 angeordnet wird.
Im Rahmen der in Figur 2 gezeigten, ersten Ausführungsform wird zunächst in einem Verfahrensschritt a) eine Anodenschutzschicht 13 auf eine
Kathodenmatenalschicht 14 aufgebracht. Dabei kann die
Kathodenmatenalschicht 14 mit einem Kathodenstromableiter, beispielsweise einem Aluminiumstromableiter, ausgestattet sein (nicht dargestellt). Dann wird in einem Verfahrensschritt b) eine Flussigphasenschicht 12, beispielsweise in Form einer Beschichtung, auf die Anodenschutzschicht 13 aufgebracht. In einem Verfahrensschritt c) wird dann eine Anodenmaterialschicht 1 1 , beispielsweise eine metallische Lithiumfolie oder eine Lithiumlegierungsfolie, auf die
Flüssigphasenschicht 12 aufgebracht, beispielsweise aufgepresst. In einem
Verfahrensschritt d) wird dann ein Anodenstromableiter 15, beispielsweise ein Kupferstromableiter, auf die Anodenmaterialschicht 1 1 aufgebracht,
beispielsweise aufgedampft oder aufgepresst. Figur 2 veranschaulicht, dass auf diese Weise eine Lithium-Zelle 10 hergestellt werden kann, welche eine Kathodenmatenalschicht 14, beispielsweise mit einem Kathodenstromableiter (nicht dargestellt), eine Anodenschutzschicht 13, eine Flüssigphasenschicht 12, eine Anodenmaterialschicht 1 1 und einen
Anodenstromableiter 15 umfasst, wobei die Flüssigphasenschicht 12 zwischen der Anodenmaterialschicht 1 1 und der Anodenschutzschicht 13 und die
Anodenschutzschicht 13 zwischen der Flüssigphasenschicht 12 und der Kathodenmatenalschicht 14 angeordnet ist.
Figur 2 illustriert, dass dabei insbesondere die Flüssigphasenschicht 12 auf der, der Anodenmaterialschicht zugewandten Seite der Anodenschutzschicht 13 beziehungsweise auf der, der Kathodenmaterialschicht 14 abgewandten Seite der Anodenschutzschicht 13 angeordnet ist.
Im Rahmen der in Figur 3 gezeigten, zweiten Ausführungsform wird zunächst in einem Verfahrensschritt a0') eine Anodenmaterialschicht 1 1 auf einen
Anodenstromableiter 15, beispielsweise einen Kupferstromableiter, aufgebracht. Dann wird in einem Verfahrensschritt a') eine Flüssigphasenschicht 12 auf die Anodenmaterialschicht 1 1 aufgebracht. In einem Verfahrensschritt b') wird dann eine Anodenschutzschicht 13 auf die Flüssigphasenschicht 12 aufgebracht, beispielsweise aufgepresst. In einem Verfahrensschritt c') wird dann eine Kathodenmaterialschicht 14 mit einem Kathodenstromableiter 16, beispielsweise einem Aluminiumstromableiter, auf die Anodenschutzschicht 13 aufgebracht.
Figur 3 veranschaulicht, dass auf diese Weise eine Lithium-Zelle 10 hergestellt werden kann, welche einen Anodenstromableiter 15, eine Anodenmaterialschicht 1 1 , eine Flüssigphasenschicht 12, eine Anodenschutzschicht 13, eine
Kathodenmaterialschicht 14 und einen Kathodenstromableiter 16 umfasst, wobei ebenfalls die Flüssigphasenschicht 12 zwischen der Anodenmaterialschicht 1 1 und der Anodenschutzschicht 13 und die Anodenschutzschicht 13 zwischen der Flüssigphasenschicht 12 und der Kathodenmaterialschicht 14 beziehungsweise die Flüssigphasenschicht 12 auf der, der Anodenmaterialschicht 1 1 zugewandten Seite der Anodenschutzschicht 13 beziehungsweise auf der, der
Kathodenmaterialschicht 14 abgewandten Seite der Anodenschutzschicht 13 angeordnet ist.
Im Rahmen der in den Figuren 4a, 4b und 4c gezeigten, weiteren
Ausführungsformen wurde in einem nicht dargestellten Verfahrensschritt x) zunächst eine Anodenmaterialschicht 1 1 mit Anodenstromableiter 15 und ein Anodenschutzschicht-Kathodenmaterialschicht-Kathodenstromableiter- Schichtsystems 13,14,16 bereitgestellt sowie eine Flüssigphasenschicht 12 aufgebracht.
Im Rahmen der in Figur 4a und 4c gezeigten Ausgestaltungen wurde die
Flüssigphasenschicht 12 auf die, auf den Anodenstromableiter 15 aufgebrachte Anodenmaterialschicht 1 1 aufgebracht. Im Rahmen der in Figur 4b und 4c gezeigten Ausgestaltungen wurde alternativ (Figur 4b) beziehungsweise zusätzlich (Figur 4c) die Flüssigphasenschicht 12 auf die Anodenschutzschicht 13 des Anodenschutzschicht-Kathodenmaterialschicht- Kathodenstromableiter-Schichtsystems 13,14,16 aufgebracht.
Die Figuren 4a, 4b und 4c veranschaulichen, dass in einem Verfahrensschritt y) jeweils die Anodenmaterialschicht 1 1 und die Anodenschutzschicht 13 derart angeordnet werden, dass die Flüssigphasenschicht 12 beziehungsweise die Flüssigphasenschichten 12 zwischen der Anodenmaterialschicht 1 1 und der
Anodenschutzschicht 13 angeordnet ist beziehungsweise sind.

Claims

Ansprüche
1. Lithium-Zelle (10), insbesondere für eine Lithium-Batterie, umfassend
- eine Anodenmaterialschicht (1 1 ),
- eine Flüssigphasenschicht (12),
- eine Anodenschutzschicht (13) und
- eine Kathodenmaterialschicht (14),
wobei die Flüssigphasenschicht (12) eine lithiumionenleitende Flüssigkeit umfasst,
wobei die Flüssigphasenschicht (12) zwischen der Anodenmaterialschicht (1 1 ) und der Anodenschutzschicht (13) angeordnet ist.
2. Anode für eine Lithium-Zelle (10), insbesondere für eine Lithium-Zelle nach Anspruch 1, umfassend
- eine Anodenmaterialschicht (1 1 ),
- eine Flüssigphasenschicht (12) und
- eine Anodenschutzschicht (13),
wobei die Flüssigphasenschicht (12) eine lithiumionenleitende Flüssigkeit umfasst, und
wobei die Flüssigphasenschicht (12) zwischen der Anodenmaterialschicht (1 1 ) und der Anodenschutzschicht (13) angeordnet ist.
3. Kathode für eine Lithium-Zelle (10), insbesondere für eine Lithium-Zelle nach Anspruch 1, umfassend
eine Kathodenmaterialschicht (14)
eine Anodenschutzschicht (13) und
eine Flüssigphasenschicht (12),
wobei die Flüssigphasenschicht (12) eine lithiumionenleitende Flüssigkeit umfasst, und
wobei die Anodenschutzschicht (13) zwischen der Kathodenmaterialschicht (14) und der Flüssigphasenschicht (12) angeordnet ist. Anodenschutzschichtsystem (12,13) für eine Anode einer Lithium-Zelle, insbesondere für eine Lithium-Zelle nach Anspruch 1 und/oder für eine Anode nach Anspruch 2, (10), umfassend
- eine Anodenschutzschicht (13) und
- eine Flüssigphasenschicht (12),
wobei die Flüssigphasenschicht (12) eine lithiumionenleitende Flüssigkeit umfasst, und
wobei die Flüssigphasenschicht (12), in dem zur Zelle verbauten Zustand, zwischen dem Anodenmaterial (1 1 ) und der Anodenschutzschicht (13) angeordnet ist.
Zelle und/oder Anode und/oder Kathode und/oder
Anodenschutzschichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die lithiumionenleitende Flüssigkeit mindestens ein Elektrolytlösungsmittel und/oder mindestens eine ionische Flüssigkeit umfasst.
Zelle und/oder Anode und/oder Kathode und/oder
Anodenschutzschichtsystem, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die lithiumionenleitende Flüssigkeit mindestens eine ionische Flüssigkeit umfasst, welche mindestens ein Lithium-Leitsalz-Anion, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bis-(trifluormethansulfonyl)imid-Anion,
Hexafluorophosphat-Anion, Tetrafluoroborat-Anion, Trifluormethansulfonat- Anion und Kombinationen davon, umfasst,
insbesondere wobei die lithiumionenleitende Flüssigkeit mindestens eine ionische Flüssigkeit mit einem Bis-(trifluormethansulfonyl)imid-Anion und/oder einem N-Alkyl-N-alkyl-pyrrolidinium-Kation umfasst.
Zelle und/oder Anode und/oder Kathode und/oder
Anodenschutzschichtsystem, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Flüssigphasenschicht (12) mindestens ein Lithium-Leitsalz, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithium-Hexafluorophosphat, Lithium-Bis-(trifluormethansulfonyl)imid, Lithium-Tetrafluoroborat, Lithium- Trifluormethansulfonat und Mischungen davon, umfasst. Zelle und/oder Anode und/oder Kathode und/oder
Anodenschutzschichtsystem, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Flüssigphasenschicht (12) eine Gelschicht oder eine, mit der
lithiumionenleitenden Flüssigkeit getränkte, poröse Schicht oder eine Flüssigkeitsschicht ist, insbesondere wobei die Flüssigphasenschicht (12) eine Gelschicht ist.
Zelle und/oder Anode und/oder Kathode und/oder
Anodenschutzschichtsystem, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Anodenschutzschicht (13) ein anorganisches Material, insbesondere einen lithiumionenleitenden Festionenleiter, umfasst.
Zelle und/oder Anode und/oder Kathode und/oder
Anodenschutzschichtsystem, nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Anodenmaterialschicht (1 1 ) metallisches Lithium und/oder eine Lithiumlegierung umfasst, und/oder
wobei die Kathodenmaterialschicht (14) mit Lithiumionen interkalierbar ist.
Lithium- Batterie, umfassend eine Zelle und/oder Anode und/oder Kathode und/oder ein Anodenschutzschichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Zelle und/oder einer Anode für eine Lithium-Zelle und/oder einer Kathode für eine Lithium-Zelle und/oder eines Anodenschutzschichtsystems für eine Lithium-Zelle und/oder einer Lithium- Batterie, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei eine Flüssigphasenschicht (12) zwischen einer Anodenmaterialschicht (1 1 ) und einer Anodenschutzschicht (13) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend die Verfahrensschritte:
a) Aufbringen der Anodenschutzschicht (13) auf eine Kathodenmaterialschicht (14);
b) Aufbringen der Flüssigphasenschicht (12) auf die Anodenschutzschicht (13); und c) Aufbringen der Anodenmatenalschicht (1 1 ) auf die Flüssigphasenschicht (12).
14. Verfahren nach Anspruch 12, umfassend die Verfahrensschritte:
a') Aufbringen der Flüssigphasenschicht (12) auf die Anodenmatenalschicht
(1 1 ) ;
b')Aufbringen der Anodenschutzschicht (13) auf die Flüssigphasenschicht
(12) ; und
c') Aufbringen einer Kathodenmaterialschicht (14) auf die Anodenschutzschicht (13).
15. Verfahren nach Anspruch 12, umfassend die Verfahrensschritte:
x) Aufbringen der Flüssigphasenschicht (12) auf die Anodenmatenalschicht (1 1 ) und/oder;
Aufbringen der Flüssigphasenschicht (12) auf die Anodenschutzschicht
(13) eines Anodenschutzschicht-Kathodenmaterialschicht- Schichtsystem (13,14); und
y) Anordnen der Anodenmatenalschicht (1 1 ) und der Anodenschutzschicht (13) derart, dass die Flüssigphasenschicht (12) zwischen der Anodenmatenalschicht (1 1 ) und der Anodenschutzschicht (13) angeordnet ist.
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