WO2016041770A1 - Separator mit einer polysulfid-sperrschicht für eine batteriezelle und batteriezelle - Google Patents

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battery cell
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Bernd Schumann
Jean Fanous
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a separator for separating an anode and a cathode in a battery cell according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a battery cell according to claim 10 and the
  • Separators are used in batteries, especially in lithium-ion batteries, to separate the anode from the cathode and in particular to prevent short circuits.
  • ions in particular lithium ions
  • the separator must be formed ionically conductive.
  • chemical reactions take place at the cathode and at the anode.
  • lithium-ion batteries with graphite anodes in which lithium ions migrate during discharge from the anode to the cathode through a separator and at the cathode in a
  • Transition metal oxide for example Lii -X Ni 0 , 33 Co 0 , 33Mn 0 , 33O2, be intercalated.
  • the lithium ions are intercalated into the anode.
  • lithium batteries are known with metal anodes, which are
  • the cathode contains an organic or an inorganic sulfur compound or pure sulfur. During discharge, lithium ions enter into a chemical bond with the sulfur or sulfur compound in the cathode, thereby forming polysulfides, for example. Between the electrochemically active sulfur compounds is an electrolyte. As a result, inter alia polysulfides can be released. The released polysulfides can deposit on the anode and pollute it and thereby destroy the battery cell.
  • separators of organic materials which are highly conductive ionically, but which are also permeable to polysulfides, for example of polyethylene or polypropylene. Furthermore, separators are made
  • inorganic materials which are not permeable to polysulfides but which, by comparison, have a relatively low conductivity for ions.
  • lithium ions which deposit on the anode during charging can form dendrites there, which grow through the separator to the cathode and trigger a short circuit when the cathode is reached.
  • dendrites in particular can penetrate porous separators made of organic materials.
  • a separator which comprises a polymer mixture and particles of inorganic materials.
  • the polymer mixture for example, polysulfones, polyepoxides and Polyphenyloxid are provided.
  • WO 00/36671 A1 discloses a separator with a microporous
  • Pseudo-boehmite layer in contact with a protective layer.
  • Protective layer comprises a polymer of a plurality of monomers, such as, for example, acrylates, styrene or epoxides.
  • the protective layer may also comprise a mixture of organic and inorganic material.
  • a separator for batteries contains a layer of additives, such as clay, clay minerals and metal sulfides.
  • a separator for separating an anode and a cathode in a battery cell which comprises at least one ion-conducting conductive layer and at least one polysulfide-impermeable protective layer, wherein the conductive layer and the protective layer have different compositions from one another.
  • the conductive layer is a copolymer formed, which comprises a stabilizing phase and an ionically conductive phase.
  • the protective layer comprises an inorganic substance.
  • the inorganic substance of the protective layer on chemically reactive particles, which with
  • the protective layer acts as a getter layer.
  • the inorganic substance may also consist entirely of said chemically reactive particles.
  • the chemically reactive particles of the protective layer contain, for example, an alkali metal or an alkali metal compound or consist of a
  • Alkali metal or an alkali metal compound are examples.
  • the chemically reactive particles of the protective layer contain an alkaline earth metal or an alkaline earth metal compound, or consist of an alkaline earth metal or an alkaline earth metal compound.
  • the chemically reactive particles of the protective layer are preferably arranged at a distance from one another, wherein free spaces remain between the chemically reactive particles.
  • the inorganic substance of the protective layer on composite particles which are arranged close to each other, wherein several of the composite particles touch each other. This creates a dense composite, which for liquids and
  • the protective layer thus acts as a barrier layer.
  • the inorganic substance of the protective layer is ion-conducting and can be introduced into the separator on both sides.
  • the composite particles of the protective layer contain, for example, ion-conducting
  • the composite particles of the protective layer contain argyrodite or consist of argyrodite.
  • the ionically conductive phase in the copolymer of the conductive layer contains acrylates or polyethylene oxide.
  • a battery cell which comprises at least one separator according to the invention.
  • a battery cell according to the invention advantageously finds use in a traction battery of a vehicle, in particular a hybrid vehicle (HEV), a plug-in hybrid vehicle (PHEV) or an electric vehicle (EV).
  • HEV hybrid vehicle
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • EV electric vehicle
  • the barrier layer and the getter layer as a protective layer of the separator reliably prevent polysulfides from migrating from the cathode to the anode and deposited there. Further, the solid ceramic inorganic barrier layer of the separator prevents dendrites growing at the anode from reaching the cathode, thereby causing a short circuit. Nevertheless, the separator has a relatively high conductivity for ions. Furthermore, the protective layer of the separator is also hermetically sealed for gases, liquids and chemicals. This is particularly advantageous for lithium-sulfur cells or lithium-air cells in which decomposition products such as carbon dioxide are released during the course of the electrochemical reactions. The separator is mechanically strong but nevertheless flexible and can thus be rolled or folded in the arrangement between the cathode and the anode.
  • FIG. 2 shows a section through a second embodiment of a separator with a barrier layer
  • FIG. 3 shows a section through a third embodiment of a separator
  • FIG. 4 shows a section through a fourth embodiment of a three-part
  • FIG. 5 shows a section through a fifth embodiment of a three-part
  • FIG. 6 shows a section through a sixth embodiment of a three-part separator with a barrier layer
  • FIG. 7 shows a section through a part of a battery cell with a seventh
  • Embodiment of a two-part separator with a getter layer Embodiment of a two-part separator with a getter layer
  • a separator 1 is arranged in a battery cell between an anode and a cathode.
  • the separator 1 is on the one hand formed ionically conductive and on the other hand prevents a flow of contaminating substances, in particular of polysulfides and sulfur, from the cathode to the anode. Furthermore, the separator 1 mechanically serves as a spacer between the anode and the cathode and prevents a short circuit between the anode and cathode.
  • a separator 1 according to a first exemplary embodiment, which is illustrated in FIG. 1, comprises a protective layer 40 acting as a gettering layer and a conductive layer 50 which adjoin one another.
  • the protective layer 40 is bounded on its side facing away from the conductive layer 50 from an underside 6, and the conductive layer 50 is bounded on its side facing away from the protective layer 40 from an upper side 5.
  • the conductive layer 50 of the separator 1 is formed as a copolymer and has a mechanically stabilizing phase 2 and an ionically conductive phase 3.
  • the stabilizing phase 2 causes the mechanical strength of the separator 1 and contains, for example, polystyrene (polystyrene), epoxides and / or siloxanes.
  • the ionically conductive phase 3 of the separator 1 serves for the ion conduction through the separator 1 and contains, for example, polyethylene oxide (polyethylene glycol) and / or acrylates.
  • a conductive salt may be incorporated in the ionically conductive phase 3.
  • the conductive layer 50 flows smoothly into the protective layer 40.
  • the protective layer 40 is therefore likewise designed as a copolymer and has a mechanically stabilizing phase 2 and an ionically conductive phase 3.
  • chemically reactive particles 7 are embedded in the ionic conductive phase 3 .
  • the chemically reactive particles 7 are spaced apart in the ionically conductive phase 3, so that free spaces 31 remain between the chemically reactive particles 7. Said free spaces 31 ensure a relatively good ion conduction through the ionically conductive phase 3 of the protective layer 40 and through the separator 1.
  • the chemically reactive particles 7 contain an inorganic substance and in particular react with polysulfides which come from the cathode.
  • the Chemically reactive particles 7 thus prevent polysulfides and other substances that could contaminate the anode, the protective layer 40 and thus penetrate the separator 1.
  • the said free spaces 31 are designed in a size which ensures that even after a reaction of chemically reactive particles 7 with
  • Polysulfides a sufficiently large space for the ion conduction through the ionically conductive phase 3 of the protective layer 40 therethrough is possible.
  • materials for the chemically reactive particles 7 are, for example
  • Alkali metals Alkali metal compounds, alkaline earth metals,
  • Alkaline earth metal compounds and other metals and chemical compounds into consideration.
  • a separator 1 according to a second embodiment shown in Fig. 2 is constructed similarly as in the first embodiment and includes a protective layer 40 and a conductive layer 50 adjacent to each other.
  • the conductive layer 50 is exactly as in the first
  • 40 composite particles 8 are incorporated in the ionically conductive phase 3 of the protective layer 40 acting as a barrier layer.
  • the composite particles 8 are arranged close together in the ionically conductive phase 3 and touch each other.
  • Composite particles 8 thus prevent polysulfides as well as other substances which could contaminate the anode from penetrating the protective layer 40 and thus the separator 1.
  • the composite particles 8 also serve as a protective layer for thermal events.
  • the composite particles 8 conduct lithium ions
  • the composite particles 8 contain an inorganic substance, for example an oxide, a ceramic, a garnet, garnet-type Li 7 La 3 Zr 2 O 2 (LLZO), a glass-ceramic membrane called LISICON, a non-oxidic ion conductor such as sulfur or phosphorus or an argyrodite Lithium argyrodite.
  • the composite particles 8 are ionically conductive, but have a lower ionic conductivity than the ionically conductive phase 3 of the copolymer.
  • the protective layer 40 is made relatively thin. The mechanical stability of the separator 1 is determined by the stabilizing phase 2 in the copolymer of
  • Conductive layer 50 ensured.
  • a separator 1 according to a third embodiment shown in FIG. 3 is constructed similarly as in the second embodiment, and includes a barrier layer protective layer 40 and a conductive layer 50 adjacent to each other.
  • the protective layer 40 is constructed exactly as in the second embodiment.
  • chemically reactive particles 7 are also incorporated in the ionically conductive phase 3 of the conductive layer 50, similar to the protective layer according to the first embodiment
  • the separator 1 thus comprises a conductive layer 50 comprising chemically reactive particles 7, and one as
  • Barrier-layer protective layer 40 comprising composite particles 8.
  • a separator 1 is arranged in a battery cell such that the conductive layer 50 faces the anode, and that the protective layer 40 faces the cathode.
  • Polysulfides which may still penetrate the protective layer 40 slightly between the composite particles 8, react in the conductive layer 50 with the chemically reactive particles 7 located there.
  • the composite particles 8 increase the strength of the separator 1. Furthermore, the dense composite particles 8 prevent this Dendrites that propagate from the anode and partially penetrate into the separator 1, the chemically reactive particles 7 from the separator 1 push out.
  • a separator 1 according to a fourth embodiment is shown in FIG.
  • the separator 1 comprises two conductive layers 50, which are also referred to as upper layer 10 and lower layer 11, and a protective layer 40 acting as a getter layer, which is also referred to as inner layer 9.
  • the inner layer 9 is arranged between the upper layer 10 and the lower layer 11.
  • the upper layer 10 and the lower layer 11 are each formed as a copolymer and each have a mechanically stabilizing phase 2 and an ionically conductive phase 3.
  • the inner layer 9 has only one ionically conductive phase 3, in which chemically reactive particles 7 are embedded. Free spaces 31 remain between the chemically reactive particles 7.
  • Suitable materials for the chemically reactive particles 7 are also the materials which are mentioned in the first exemplary embodiment.
  • a separator 1 according to a fifth embodiment is shown in FIG. 5 and also comprises two conductive layers 50, which are also referred to as upper layer 10 and lower layer 11, and one as
  • Getter Mrs acting protective layer 40 which is also referred to as the inner layer 9.
  • the inner layer 9 is here, as in the fourth
  • the upper layer 10 and the lower layer 11 are each formed as a copolymer and, as in the fourth embodiment, each have a mechanically stabilizing phase 2 and an ionically conductive phase 3.
  • the inner layer 9 is likewise formed as a copolymer and has a mechanically stabilizing phase 2 and an ionically conductive phase 3.
  • the stabilizing phase 2 increases the adhesive forces between the upper Layer 10 and the lower layer 11 and the inner layer 9 and thereby increases the strength of the separator first
  • Suitable materials for the chemically reactive particles 7 are also the materials which are mentioned in the first exemplary embodiment.
  • a separator 1 according to a sixth embodiment shown in Fig. 6 is constructed similarly as in the fourth embodiment.
  • the separator 1 comprises two conductive layers 50, which are also referred to as upper layer 10 and lower layer 11, and a protective layer 40 acting as a barrier layer, which is also referred to as inner layer 9.
  • the inner layer 9 is, as in the fourth embodiment, arranged between the upper layer 10 and the lower layer 11.
  • the upper layer 10 and the lower layer 11 are each formed as a copolymer and each have a mechanically stabilizing phase 2 and an ionically conductive phase 3.
  • the inner layer 9 has only one ionically conductive phase 3, in which composite particles 8 are embedded. The composite particles 8 are arranged close together in the ionically conductive phase 3 and touch each other.
  • Composite particles 8 are the materials in question, which are mentioned in the second embodiment.
  • FIG. 7 shows a separator 1 according to a seventh exemplary embodiment in a battery cell.
  • the battery cell comprises an anode arrangement with a current conductor 13, on which an anode material 16 is applied.
  • the current conductor 13 is a copper foil.
  • the anode material 16 is an electrochemically active material such as lithium, magnesium or sodium.
  • carrier plates 14 which consist of a polymer or a metal-polymer composite material, such as a copper-polymer composite material.
  • carrier plate 14 respectively on the side facing away from the current conductor 13, insulators 15 are arranged.
  • the separator 1 comprises a protective layer 40 acting as a gettering layer and a conductive layer 50 which adjoin one another.
  • the protective layer 40 is applied to the insulators 15.
  • the insulators 15 protrude further from the
  • the conductive layer 50 of the separator 1 is formed as a copolymer and has a mechanically stabilizing phase 2 and an ionically conductive phase 3.
  • the protective layer 40 is likewise designed as a copolymer and has a mechanically stabilizing phase 2 and an ionically conductive phase 3.
  • chemically reactive particles 7 are incorporated in the ionically conductive phase 3 of the protective layer 40 . Free spaces 31 remain between the chemically reactive particles 7.
  • the materials used for the chemically reactive particles 7 are the same materials that are mentioned in the first exemplary embodiment.
  • FIG. 8 shows a modification of the battery cell from FIG. 7. The
  • Battery cell comprises an anode arrangement with a current conductor 13, on which an anode material 16 is applied.
  • Carrier particles 17 for supporting the separator 1 are also applied to the current conductor 13.
  • Carrier particles 17 protrude further from the current collector 13 than the
  • the separator 1 is presently constructed as described in the second embodiment.
  • Separator 1 is facing the current conductor 13 of the anode assembly and rests on the carrier particles 17. But also a separator according to another embodiment can be used.
  • FIG. 9 likewise shows a modification of the battery cell from FIG.
  • the battery cell comprises an anode arrangement with a current conductor 13, on which an anode material 16 is applied.
  • Carrier particles 17, which serve to support the separator 1, are also applied to the current conductor 13.
  • Gaps 21 are filled with ionically conductive material.
  • ionically conductive material for example, the material of the ionic conductive phase of the copolymer of the separator 1 or a mixture of an electrolyte and the ionically conductive phase of the copolymer and a liquid or gel electrolyte are suitable.
  • the separator 1 is constructed as described in the second exemplary embodiment.
  • the conductive layer 50 of the separator 1 in this case faces the current conductor 13 of the anode arrangement and lies on top of the latter
  • Embodiment can be used.
  • the battery cell further includes a cathode assembly having a
  • Cathode layer 20, which consists essentially of compacted electrochemical active material.
  • the cathode layer 20 may further include ionic conductive phase material of the copolymer of the separator 1 and an electrolyte.
  • the cathode assembly further comprises a blend layer 19 having more porous electrochemically active material with increased surface area compared to the cathode layer 20.
  • An intermediate layer 18 is interposed between the barrier layer
  • Protective layer 40 of the separator 1 and the mixed layer 19 is arranged.
  • the mixed layer 19 contains a copolymer having a stabilizing phase 2 and an ionically conductive phase 3. In this case, compared with the copolymer of the separator 1, a higher proportion of the ionically conductive phase 3 and a smaller proportion of the stabilizing phase 2 are included.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Separator (1) zur Trennung einer Anode und einer Kathode in einer Batteriezelle, umfassend mindestens eine ionenleitende Leitschicht (50) und mindestens eine für Polysulfide undurchlässige Schutzschicht (40), wobei die Leitschicht (50) und die Schutzschicht (40) voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, wobei die Leitschicht (50) als Copolymer ausgebildet ist, welches eine stabilisierende Phase (2) sowie eine ionisch leitfähige Phase (3) umfasst, und dass die Schutzschicht (40) eine anorganische Substanz (7, 8) aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche mindestens einen erfindungsgemäßen Separator (1) umfasst, sowie die Verwendung einer solchen Batteriezelle in einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs.

Description

Beschreibung
Titel
SEPARATOR MIT EINER POLYSULFID-SPERRSCHICHT FÜR EINE
BATTERIEZELLE UND BATTERIEZELLE
Die Erfindung betrifft einen Separator zur Trennung einer Anode und einer Kathode in einer Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle nach Anspruch 10 sowie die
Verwendung einer solchen Batteriezelle in einer Traktionsbatterie eines
Fahrzeugs.
Stand der Technik
Separatoren werden in Batterien, insbesondere in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, um die Anode von der Kathode zu trennen und insbesondere Kurzschlüsse zu verhindern. Während des Ladens sowie des Entladens der Batteriezelle wandern Ionen, insbesondere Lithium-Ionen von einer Elektrode zu der anderen. Dazu muss der Separator ionisch leitfähig ausgebildet sein. Im Betrieb der Batteriezelle finden an der Kathode und an der Anode chemische Reaktionen statt. Insbesondere gibt es Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit Graphitanoden, bei denen Lithium-Ionen beim Entladen von der Anode zur Kathode durch einen Separator wandern und an der Kathode in ein
Übergangsmetalloxid, beispielsweise Lii-X Ni0,33 Co0,33Mn0,33O2, interkaliert werden. Bei Laden werden die Lithium-Ionen in die Anode interkaliert.
Auch sind Lithium-Akkumulatoren mit Metallanoden bekannt, welche
insbesondere Lithium enthalten. Die Kathode enthält eine organische oder eine anorganische Schwefelverbindung oder reinen Schwefel. Beim Entladen gehen Lithium-Ionen mit dem Schwefel oder der Schwefelverbindung in der Kathode eine chemische Verbindung ein, wodurch beispielsweise Polysulfide gebildet werden. Zwischen den elektrochemisch aktiven Schwefelverbindungen befindet sich ein Elektrolyt. Dadurch können unter anderem Polysulfide freigesetzt werden. Die freigesetzten Polysulfide können sich auf der Anode ablagern und diese verschmutzen und dadurch die Batteriezelle zerstören. Es sind Separatoren aus organischen Materialien bekannt, welche ionisch hoch leitfähig sind, aber welche auch für Polysulfide durchlässig sind, beispielsweise aus Polyethylene oder Polypropylen. Ferner sind Separatoren aus
anorganischen Materialien bekannt, welche für Polysulfide nicht durchlässig sind, welche jedoch im Vergleich dazu eine verhältnismäßig geringe Leitfähigkeit für Ionen aufweisen.
In der Batteriezelle können Lithium-Ionen, die sich beim Laden an der Anode abscheiden, dort Dendrite bilden, die durch den Separator hindurch auf die Kathode zuwachsen und bei Erreichen der Kathode einen Kurzschluss auslösen. Solche Dendrite können insbesondere poröse Separatoren aus organischen Materialien durchdringen.
Aus der US 3,625,771 ist ein Separator bekannt, welcher eine Polymermischung sowie Partikel anorganischer Materialien aufweist. In der Polymermischung sind beispielsweise Polysulfone, Polyepoxide sowie Polyphenyloxid vorgesehen.
Die WO 00 / 36671 AI offenbart einen Separator mit einer mikroporösen
Pseudo-Böhmit-Schicht, die mit einer Schutzschicht in Kontakt steht. Die
Schutzschicht umfasst dabei ein Polymer aus mehreren Monomeren, wie beispielsweise Acrylate, Styrol oder Epoxide. Die Schutzschicht kann auch eine Mischung aus organischem und anorganischem Material aufweisen.
Auch in der WO 2006 / 088 959 A2 ist ein Separator für Batterien offenbart. Der Separator enthält dabei eine Schicht mit Zusatzstoffen, wie beispielsweise Ton, Tonmineralien sowie Metallsulfide.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Separator zur Trennung einer Anode und einer Kathode in einer Batteriezelle vorgeschlagen, welcher mindestens eine ionenleitende Leitschicht und mindestens eine für Polysulfide undurchlässige Schutzschicht umfasst, wobei die Leitschicht und die Schutzschicht voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Die Leitschicht ist dabei als Copolymer ausgebildet, welches eine stabilisierende Phase sowie eine ionisch leitfähige Phase umfasst. Die Schutzschicht weist eine anorganische Substanz auf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die anorganische Substanz der Schutzschicht chemisch reaktive Partikel auf, welche mit
Polysulfiden reagieren. Die Schutzschicht wirkt dabei als Getterschicht. Die anorganische Substanz kann auch vollständig aus besagten chemisch reaktiven Partikeln bestehen.
Die chemisch reaktiven Partikel der Schutzschicht enthalten beispielsweise ein Alkalimetall oder eine Alkalimetallverbindung oder bestehen aus einem
Alkalimetall oder einer Alkalimetallverbindung.
Alternativ enthalten die chemisch reaktiven Partikel der Schutzschicht ein Erdalkalimetall oder eine Erdalkalimetallverbindung oder bestehen aus einem Erdalkalimetall oder einer Erdalkalimetallverbindung.
Die chemisch reaktiven Partikel der Schutzschicht sind bevorzugt beabstandet zueinander angeordnet, wobei zwischen den chemisch reaktiven Partikeln Freiräume verbleiben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die anorganische Substanz der Schutzschicht Verbundteilchen auf, welche dicht aneinander angeordnet sind, wobei mehrere der Verbundteilchen einander berühren. Dabei entsteht ein dichter Verbund, welcher für Flüssigkeiten und
Chemikalien, insbesondere für Polysulfide, undurchlässig ist. Die Schutzschicht wirkt somit als Sperrschicht. Die anorganische Substanz der Schutzschicht ist ionenleitend und kann beidseitig in den Separator eingebracht werden. Die Verbundteilchen der Schutzschicht enthalten beispielsweise ionenleitende
Keramik oder bestehen aus ionenleitender Keramik.
Auch eine Kombination aus einer Getterschicht und einer Sperrschicht ist denkbar. Alternativ enthalten die Verbundteilchen der Schutzschicht Argyrodit oder bestehen aus Argyrodit.
Vorzugsweise enthält die ionisch leitfähige Phase in dem Copolymer der Leitschicht Acrylate oder Polyethylenoxid.
Ferner wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens einen erfindungsgemäßen Separator umfasst.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs (HEV), eines Plug-In-Hybridfahrzeugs (PHEV) oder eines Elektrofahrzeugs (EV).
Vorteile der Erfindung
Die Sperrschicht sowie die Getterschicht als Schutzschicht des Separators verhindern zuverlässig, dass Polysulfide von der Kathode zur Anode wandern und sich dort ablagern. Ferner verhindert die massive keramische anorganischer Sperrschicht des Separators, dass an der Anode wachsende Dendrite die Kathode erreichen und dadurch einen Kurzschluss auslösen. Der Separator besitzt aber trotzdem eine verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit für Ionen. Ferner ist die Schutzschicht des Separators auch hermetisch dicht für Gase, Flüssigkeiten und Chemikalien ausgebildet. Dies ist insbesondere für Lithium-Schwefel-Zellen oder Lithium-Luft-Zellen vorteilhaft, in denen während der stattfindenden elektrochemischen Reaktionen Zersetzungsprodukte wie Kohlenstoffdioxid freiwerden. Der Separator ist mechanisch fest aber trotzdem flexibel ausgebildet und kann somit bei der Anordnung zwischen der Kathode und der Anode gerollt oder gefaltet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Separators mit einer Getterschicht,
Figur 2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Separators mit einer Sperrschicht,
Figur 3 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Separators ,
Figur 4 einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform eines dreiteilig
ausgeführten Separators mit einer Getterschicht,
Figur 5 einen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines dreiteilig
ausgeführten Separators mit einer Getterschicht,
Figur 6 einen Schnitt durch eine sechste Ausführungsform eines dreiteilig ausgeführten Separators mit einer Sperrschicht,
Figur 7 einen Schnitt durch einen Teil einer Batteriezelle mit einer siebten
Ausführungsform eines zweiteiligen Separators mit einer Getterschicht,
Figur 8 einen Schnitt durch einen Teil einer Abwandlung der Batteriezelle aus
Figur 7 mit einem zweiteiligen Separator mit einer Sperrschicht und
Figur 9 einen Schnitt durch einen Teil einer weiteren Abwandlung der
Batteriezelle aus Figur 7.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein Separator 1 ist in einer Batteriezelle zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet. Der Separator 1 ist dabei einerseits ionisch leitfähig ausgebildet und verhindert andererseits einen Durchfluss von verunreinigenden Substanzen, insbesondere von Polysulfiden und Schwefel, von der Kathode zu der Anode. Weiterhin dient der Separator 1 mechanisch als Abstandshalter zwischen der Anode und der Kathode und verhindert einen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode.
Ein Separator 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, der in Figur 1 dargestellt ist, umfasst eine als Getterschicht wirkende Schutzschicht 40 und eine Leitschicht 50, welche aneinander angrenzen. Die Schutzschicht 40 ist auf ihrer der Leitschicht 50 abgewandten Seite von einer Unterseite 6 begrenzt, und die Leitschicht 50 ist auf ihrer der Schutzschicht 40 abgewandten Seite von einer Oberseite 5 begrenzt.
Die Leitschicht 50 des Separators 1 ist als Copolymer ausgebildet und weist eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. Die stabilisierende Phase 2 bewirkt dabei die mechanische Festigkeit des Separators 1 und enthält beispielsweise Polystyrol (Polystyren), Epoxide und/oder Siloxane.
Die ionisch leitfähige Phase 3 des Separators 1 dient der lonenleitung durch den Separator 1 und enthält beispielsweise Polyethylenoxid (Polyethylenglycol) und/oder Acrylate. Optional kann zur Erhöhung der lonenleitfähigkeit ein hier nicht dargestelltes leitfähiges Salz in der ionisch leitfähigen Phase 3 eingelagert sein.
Die Leitschicht 50 geht vorliegend fließend in die Schutzschicht 40 über. Die Schutzschicht 40 ist somit ebenfalls als Copolymer ausgebildet und weist eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. In der ionisch leitfähigen Phase 3 sind chemisch reaktive Partikel 7 eingelagert. Die chemisch reaktiven Partikel 7 sind dabei beabstandet zueinander in der ionisch leitfähigen Phase 3 verteilt, so dass Freiräume 31 zwischen den chemisch reaktiven Partikel 7 verbleiben. Die besagten Freiräume 31 gewährleisten eine verhältnismäßig gute lonenleitung durch die ionisch leitfähige Phase 3 der Schutzschicht 40 und durch den Separator 1 hindurch.
Die chemisch reaktiven Partikel 7 enthalten eine anorganische Substanz und reagieren insbesondere mit Polysulfiden, welche von der Kathode kommen. Die chemisch reaktiven Partikel 7 verhindern somit, dass Polysulfide sowie weitere Substanzen, welche die Anode verunreinigen könnten, die Schutzschicht 40 und damit den Separator 1 durchdringen. Die besagten Freiräume 31 sind in einer Größe ausgelegt, die gewährleistet, dass auch nach einer Reaktion von chemisch reaktiven Partikel 7 mit
Polysulfiden ein ausreichend großer Raum für die lonenleitung durch die ionisch leitfähige Phase 3 der Schutzschicht 40 hindurch möglich ist. Als Materialien für die chemisch reaktiven Partikel 7 kommen beispielsweise
Alkalimetalle, Alkalimetallverbindungen, Erdalkalimetalle,
Erdalkalimetallverbindungen sowie weitere Metalle und chemische Verbindungen in Betracht.
Ein Separator 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, der in Figur 2 dargestellt ist, ist ähnlich wie in dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut und umfasst eine Schutzschicht 40 und eine Leitschicht 50, welche aneinander angrenzen. Die Leitschicht 50 ist dabei genau so wie in dem ersten
Ausführungsbeispiel aufgebaut.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel sind in der ionisch leitfähigen Phase 3 der als Sperrschicht wirkenden Schutzschicht 40 Verbundteilchen 8 eingelagert. Die Verbundteilchen 8 sind dabei dicht aneinander liegend in der ionisch leitfähigen Phase 3 angeordnet und berühren einander. Die
Verbundteilchen 8 verhindern somit, dass Polysulfide sowie weitere Substanzen, welche die Anode verunreinigen könnten, die Schutzschicht 40 und damit den Separator 1 durchdringen. Die Verbundteilchen 8 dienen auch als Schutzschicht für thermische Ereignisse. Die Verbundteilchen 8 leiten Lithium-Ionen
hinreichend gut.
Die Verbundteilchen 8 enthalten eine anorganische Substanz, beispielsweise ein Oxid, eine Keramik, einen Granat, granatartigen Li7La3Zr20i2 (LLZO), eine als LISICON bezeichnete glaskeramische Membran, einen nicht oxydischen lonenleiter wie Schwefel oder Phosphor oder ein Argyrodit, bzw. ein Lithium- Argyrodit. Die Verbundteilchen 8 sind ionisch leitfähig, weisen aber eine geringere lonenleitfähigkeit auf als die ionisch leitfähige Phase 3 des Copolymers. Die Schutzschicht 40 ist verhältnismäßig dünn ausgeführt. Die mechanische Stabilität des Separators 1 wird durch die stabilisierende Phase 2 in dem Copolymer der
Leitschicht 50 sichergestellt.
Ein Separator 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, der in Figur 3 dargestellt ist, ist ähnlich wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut und umfasst eine als Sperrschicht wirkende Schutzschicht 40 und eine Leitschicht 50, welche aneinander angrenzen. Die Schutzschicht 40 ist dabei genau so wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut.
Im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel sind in der ionisch leitfähigen Phase 3 der Leitschicht 50 auch chemisch reaktiven Partikel 7 eingelagert, ähnlich wie in der Schutzschicht gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
Der Separator 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel umfasst somit eine Leitschicht 50, welche chemisch reaktiven Partikel 7 aufweist, und eine als
Sperrschicht wirkende Schutzschicht 40, welche Verbundteilchen 8 aufweist. Vorzugsweise wird ein solcher Separator 1 derart in einer Batteriezelle angeordnet, dass die Leitschicht 50 der Anode zugewandt ist, und dass die Schutzschicht 40 der Kathode zugewandt ist.
Polysulfide, die vielleicht noch in geringem Maß zwischen den Verbundteilchen 8 hindurch die Schutzschicht 40 durchdringen, reagieren in der Leitschicht 50 mit den dort befindlichen chemisch reaktiven Partikel 7. Die Verbundteilchen 8 erhöhen die Festigkeit des Separators 1. Ferner verhindern die dicht liegenden Verbundteilchen 8 dass Dendrite, die sich von der Anode her ausbreiten und teilweise in den Separator 1 eindringen, die chemisch reaktiven Partikel 7 aus dem Separator 1 heraus drängen.
Ein Separator 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ist in Figur 4 dargestellt. Der Separator 1 umfasst zwei Leitschichten 50, welche auch als obere Schicht 10 und untere Schicht 11 bezeichnet werden, sowie eine als Getterschicht wirkende Schutzschicht 40, welche auch als innere Schicht 9 bezeichnet wird. Die innere Schicht 9 ist dabei zwischen der oberen Schicht 10 und der unteren Schicht 11 angeordnet.
Die obere Schicht 10 und die untere Schicht 11 sind jeweils als Copolymer ausgebildet und weisen je eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. Die innere Schicht 9 weist nur eine ionisch leitfähige Phase 3 auf, in welche chemisch reaktive Partikel 7 eingelagert sind. Zwischen den chemisch reaktiven Partikeln 7 verbleiben Freiräume 31. Als Materialien für die chemisch reaktiven Partikel 7 kommen auch die Materialien in Frage, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel genannt sind.
Der dreischichtige Aufbau des Separators 1, wobei die Schutzschicht 40 beidseitig von je einer Leitschicht 50 aus einem Copolymer umgeben ist, verhindert eine direkte Berührung der Schutzschicht 40 mit der Anode sowie mit der Kathode. Dadurch sind unerwünschte chemische Reaktionen des
Anodenmaterials sowie des Kathodenmaterials mit den chemisch reaktiven Partikeln 7 in der Schutzschicht 40 vermieden.
Ein Separator 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel ist in Figur 5 dargestellt und umfasst ebenfalls zwei Leitschichten 50, welche auch als obere Schicht 10 und untere Schicht 11 bezeichnet werden, sowie eine als
Getterschicht wirkenden Schutzschicht 40, welche auch als innere Schicht 9 bezeichnet wird. Die innere Schicht 9 ist dabei, wie bei dem vierten
Ausführungsbeispiel, zwischen der oberen Schicht 10 und der unteren Schicht 11 angeordnet. Die obere Schicht 10 und die untere Schicht 11 sind jeweils als Copolymer ausgebildet und weisen, wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel, je eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf.
Die innere Schicht 9 ist ebenfalls als Copolymer ausgebildet und weist eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. Die stabilisierende Phase 2 erhöht dabei die Klebekräfte zwischen der oberen Schicht 10 sowie der unteren Schicht 11 und der inneren Schicht 9 und erhöht dadurch die Festigkeit des Separators 1.
In die ionisch leitfähige Phase 3 der inneren Schicht 9 sind chemisch reaktive Partikel 7 eingelagert. Zwischen den chemisch reaktiven Partikeln 7 in der inneren Schicht 9 verbleiben Freiräume 31. Als Materialien für die chemisch reaktiven Partikel 7 kommen auch die Materialien in Frage, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel genannt sind.
Der dreischichtige Aufbau des Separators 1, wobei die Schutzschicht 40 beidseitig von je einer Leitschicht 50 aus einem Copolymer umgeben ist, verhindert eine direkte Berührung der Schutzschicht 40 mit der Anode sowie mit der Kathode. Dadurch sind unerwünschte chemische Reaktionen des
Anodenmaterials sowie des Kathodenmaterials mit den chemisch reaktiven Partikeln 7 in der Schutzschicht 40 vermieden.
Ein Separator 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, der in Figur 6 dargestellt ist, ist ähnlich wie in dem vierten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Der Separator 1 umfasst zwei Leitschichten 50, welche auch als obere Schicht 10 und untere Schicht 11 bezeichnet werden, sowie eine als Sperrschicht wirkende Schutzschicht 40, welche auch als innere Schicht 9 bezeichnet wird. Die innere Schicht 9 ist dabei, wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel, zwischen der oberen Schicht 10 und der unteren Schicht 11 angeordnet.
Die obere Schicht 10 und die untere Schicht 11 sind jeweils als Copolymer ausgebildet und weisen je eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. Die innere Schicht 9 weist nur eine ionisch leitfähige Phase 3 auf, in welche Verbundteilchen 8 eingelagert sind. Die Verbundteilchen 8 sind dabei dicht aneinander liegend in der ionisch leitfähigen Phase 3 angeordnet und berühren einander. Als Materialien für die
Verbundteilchen 8 kommen die Materialien in Frage, die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel genannt sind.
Der dreischichtige Aufbau des Separators 1, wobei die Schutzschicht 40 beidseitig von je einer Leitschicht 50 aus einem Copolymer umgeben ist, verhindert eine direkte Berührung der Schutzschicht 40 mit der Anode sowie mit der Kathode. Dadurch sind unerwünschte chemische Reaktionen des
Anodenmaterials sowie des Kathodenmaterials mit den Verbundteilchen 8 in der Schutzschicht 40 vermieden.
In Figur 7 ist ein Separator 1 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel in einer Batteriezelle dargestellt. Die Batteriezelle umfasst eine Anodenanordnung mit einem Stromableiter 13, auf welchen ein Anodenmaterial 16 aufgebracht ist. Der Stromableiter 13 ist vorliegend eine Kupferfolie. Bei dem Anodenmaterial 16 handelt es sich um ein elektrochemisch aktives Material, wie beispielsweise Lithium, Magnesium oder Natrium.
Auf den Stromableiter 13 sind ferner Trägerplättchen 14 aufgebracht, welche aus einem Polymer oder einem Metall-Polymer-Verbundwerkstoff, beispielsweise einem Kupfer-Polymer-Verbundwerkstoff, bestehen. Auf den Trägerplättchen 14, jeweils auf der dem Stromableiter 13 abgewandten Seite, sind Isolatoren 15 angeordnet.
Der Separator 1 umfasst eine als Getterschicht wirkende Schutzschicht 40 und eine Leitschicht 50, welche aneinander angrenzen. Die Schutzschicht 40 liegt dabei an den Isolatoren 15 an. Die Isolatoren 15 ragen weiter von dem
Stromableiter 13 weg als das Anodenmaterial 16. Somit ist eine direkte
Berührung zwischen der Schutzschicht 40 des Separators 1 und dem
Anodenmaterial 16 vermieden.
Die Leitschicht 50 des Separators 1 ist als Copolymer ausgebildet und weist eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. Die Schutzschicht 40 ist ebenfalls als Copolymer ausgebildet und weist eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. In die ionisch leitfähige Phase 3 der Schutzschicht 40 sind chemisch reaktive Partikel 7 eingelagert. Zwischen den chemisch reaktiven Partikeln 7 verbleiben Freiräume 31. Als Materialien für die chemisch reaktiven Partikel 7 kommen die gleichen Materialien in Frage, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel genannt sind. In Figur 8 ist eine Abwandlung der Batteriezelle aus Figur 7 gezeigt. Die
Batteriezelle umfasst eine Anodenanordnung mit einem Stromableiter 13, auf welchen ein Anodenmaterial 16 aufgebracht ist. Auf den Stromableiter 13 sind ferner Trägerpartikel 17 zum Tragen des Separators 1 aufgebracht. Die
Trägerpartikel 17 ragen weiter von dem Stromableiter 13 weg als das
Anodenmaterial 16. Somit ist eine direkte Berührung zwischen dem Separator 1 und dem Anodenmaterial 16 vermieden.
Der Separator 1 ist vorliegend wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben aufgebaut. Die als Sperrschicht wirkende Schutzschicht 40 des
Separators 1 ist dabei dem Stromableiter 13 der Anodenanordnung zugewandt und liegt auf den Trägerpartikeln 17 auf. Aber auch ein Separator nach einem anderen Ausführungsbeispiel kann eingesetzt werden.
In Figur 9 ist ebenfalls eine Abwandlung der Batteriezelle aus Figur 7 gezeigt. Die Batteriezelle umfasst eine Anodenanordnung mit einem Stromableiter 13, auf welchen ein Anodenmaterial 16 aufgebracht ist. Auf den Stromableiter 13 sind ferner Trägerpartikel 17 aufgebracht, welche zum Tragen des Separators 1 dienen.
Zwischen dem Separator 1 und dem Anodenmaterial 16 verbleibende
Zwischenräume 21 sind mit ionisch leitfähigem Material gefüllt. Hierfür eignen sich beispielsweise das Material der ionisch leitfähigen Phase des Copolymers des Separators 1 oder eine Mischung aus einem Elektrolyt und der ionisch leitfähigen Phase des Copolymers sowie ein flüssiger oder auch gelartiger Elektrolyt.
Der Separator 1 ist vorliegend wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben aufgebaut Die Leitschicht 50 des Separators 1 ist dabei dem Stromableiter 13 der Anodenanordnung zugewandt und liegt auf den
Trägerpartikeln 17 auf. Aber auch ein Separator nach einem anderen
Ausführungsbeispiel kann eingesetzt werden.
Die Batteriezelle umfasst ferner eine Kathodenanordnung mit einer
Kathodenschicht 20, welche im Wesentlichen aus verdichtetem elektrochemisch aktivem Material besteht. Die Kathodenschicht 20 kann ferner Material der ionisch leitfähigen Phase des Copolymers des Separators 1 sowie einen Elektrolyt enthalten. Die Kathodenanordnung umfasst ferner eine Mischschicht 19, welche poröseres elektrochemisch aktives Material mit im Vergleich zu der Kathodenschicht 20 vergrößerter Oberfläche aufweist.
Eine Zwischenschicht 18 ist zwischen der als Sperrschicht wirkenden
Schutzschicht 40 des Separators 1 und der Mischschicht 19 angeordnet. Die Mischschicht 19 enthält ein Copolymer mit einer stabilisierenden Phase 2 und einer ionisch leitfähige Phase 3. Dabei ist, im Vergleich zu dem Copolymer des Separators 1, ein höherer Anteil der ionisch leitfähigen Phase 3 und ein geringerer Anteil der stabilisierenden Phase 2 enthalten.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Separator (1)
zur Trennung einer Anode und einer Kathode in einer Batteriezelle, umfassend mindestens eine ionenleitende Leitschicht (50) und mindestens eine für Polysulfide undurchlässige Schutzschicht (40), wobei die Leitschicht (50) und die Schutzschicht (40) voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitschicht (50) als Copolymer ausgebildet ist, welches
eine stabilisierende Phase (2) sowie
eine ionisch leitfähige Phase (3) umfasst, und dass
die Schutzschicht (40) eine anorganische Substanz (7, 8) aufweist.
2. Separator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die anorganische Substanz der Schutzschicht (40) chemisch reaktive Partikel (7) aufweist, welche mit Polysulfiden reagieren.
3. Separator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die chemisch reaktiven Partikel (7) ein Alkalimetall oder eine
Alkalimetallverbindung enthalten oder aus einem Alkalimetall oder einer Alkalimetallverbindung bestehen.
4. Separator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die chemisch reaktiven Partikel (7) ein Erdalkalimetall oder eine
Erdalkalimetallverbindung enthalten oder aus einem Erdalkalimetall oder einer Erdalkalimetallverbindung bestehen.
5. Separator (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die chemisch reaktiven Partikel (7) beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei zwischen den chemisch reaktiven Partikeln (7) Freiräume (31) verbleiben.
6. Separator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die anorganische Substanz der Schutzschicht (40) Verbundteilchen (8) aufweist, welche dicht aneinander angeordnet sind, wobei mehrere Verbundteilchen (8) einander berühren.
7. Separator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbundteilchen (8) ionenleitende Keramik enthalten oder aus ionenleitender Keramik bestehen.
8. Separator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbundteilchen (8) Argyrodit enthalten oder aus Argyrodit bestehen.
9. Separator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die ionisch leitfähige Phase (3) Acrylate oder Polyethylenoxid enthält.
10. Batteriezelle, umfassend mindestens einen Separator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
11. Verwendung einer Batteriezelle nach Anspruch 10 in einer
Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs (HEV), eines Plug-In- Hybridfahrzeugs (PHEV) oder eines Elektrofahrzeugs (EV).
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US15/512,403 US10431797B2 (en) 2014-09-18 2015-09-01 Separator including a polysulfide barrier layer for a battery cell, and battery cell
JP2017515119A JP2017527972A (ja) 2014-09-18 2015-09-01 バッテリーセル用のポリスルフィド遮断層を備えたセパレータ及びバッテリーセル
CN201580050215.7A CN107078255B (zh) 2014-09-18 2015-09-01 用于电池组电池的具有多硫化物阻挡层的隔膜以及电池组电池

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016177575A1 (de) * 2015-05-06 2016-11-10 Robert Bosch Gmbh Separator für eine batteriezelle und batteriezelle

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110707264B (zh) * 2019-09-19 2022-03-11 河北金力新能源科技股份有限公司 锂硫电池用高电导涂层隔膜及其制备方法和应用
CN110854340B (zh) * 2019-11-12 2021-12-21 常州大学 一种具有自修复功能隔膜涂层材料的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050042503A1 (en) * 2003-08-23 2005-02-24 Kim Ju-Yup Lithium-sulfur battery
WO2013087348A2 (de) * 2011-12-16 2013-06-20 Robert Bosch Gmbh Lithium-schwefel-zellen-separator mit polysulfidsperrschicht
DE102012205931A1 (de) * 2012-04-12 2013-10-17 Robert Bosch Gmbh Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zum Herstellen desselben

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3625771A (en) 1969-03-27 1971-12-07 Mc Donnell Douglas Corp Battery separator
US6277514B1 (en) 1998-12-17 2001-08-21 Moltech Corporation Protective coating for separators for electrochemical cells
EP1782489B1 (de) * 2004-07-07 2020-11-18 LG Chem, Ltd. Organischer/anorganischer verbundseparator und dieser enthaltende elektrochemisches bauelement.
WO2006088959A2 (en) 2005-02-15 2006-08-24 Rovcal, Inc. Separators for use in alkaline cells having high capacity
JP2011096630A (ja) 2009-10-02 2011-05-12 Sanyo Electric Co Ltd 固体リチウム二次電池及びその製造方法
KR101520210B1 (ko) * 2011-03-28 2015-05-13 도요타지도샤가부시키가이샤 리튬 이온 2차 전지
US9455447B2 (en) * 2013-09-26 2016-09-27 Eaglepicher Technologies, Llc Lithium-sulfur battery and methods of preventing insoluble solid lithium-polysulfide deposition
DE102013018235A1 (de) * 2013-10-29 2015-04-30 Li-Tec Battery Gmbh Elektrochemische Zelle

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050042503A1 (en) * 2003-08-23 2005-02-24 Kim Ju-Yup Lithium-sulfur battery
WO2013087348A2 (de) * 2011-12-16 2013-06-20 Robert Bosch Gmbh Lithium-schwefel-zellen-separator mit polysulfidsperrschicht
DE102012205931A1 (de) * 2012-04-12 2013-10-17 Robert Bosch Gmbh Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zum Herstellen desselben

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016177575A1 (de) * 2015-05-06 2016-11-10 Robert Bosch Gmbh Separator für eine batteriezelle und batteriezelle

Also Published As

Publication number Publication date
CN107078255B (zh) 2019-12-06
JP2017527972A (ja) 2017-09-21
DE102014218803A1 (de) 2016-03-24
US10431797B2 (en) 2019-10-01
KR20170056557A (ko) 2017-05-23
CN107078255A (zh) 2017-08-18
US20170288191A1 (en) 2017-10-05

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