WO2016062512A1 - Galvanische zelle mit robuster trennung von kathode und anode - Google Patents

Galvanische zelle mit robuster trennung von kathode und anode Download PDF

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WO2016062512A1
WO2016062512A1 PCT/EP2015/072599 EP2015072599W WO2016062512A1 WO 2016062512 A1 WO2016062512 A1 WO 2016062512A1 EP 2015072599 W EP2015072599 W EP 2015072599W WO 2016062512 A1 WO2016062512 A1 WO 2016062512A1
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pores
separator
cathode
ion
anode
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PCT/EP2015/072599
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Jean Fanous
Bernd Schumann
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a galvanic cell, a cell stack and a
  • Galvanic cells are constantly being improved and optimized to provide high energy densities and to ensure that they operate safely and reliably.
  • Galvanic cells in particular lithium cells, have known disadvantages. Besides thermal runaway and fire hazards, lithium batteries have the problem that dendrites are formed, which not only reduces the performance of the galvanic cell, but also risks damaging components of the cell, particularly the separator. The problems can lead to a shortened life expectancy of the cell.
  • EP 0 105 173 A1 describes a porous cathodic current collector for use with galvanic cells with non-liquid electrolyte.
  • the porosity increases the number of reaction sites at the cathode.
  • EP 0 105 173 A1 does not describe how the porous material can be used to protect the separator and that various pore sizes can be advantageous.
  • An object of the invention is to provide a galvanic cell, which is structurally designed so that damage to individual components is prevented as possible, so that at high energy density optimal and safe
  • the invention comprises a galvanic cell having a cathode, an anode and a separator, the cathode comprising a cathode electrochemically active material, a porous ion conducting structure and a first current collector, wherein a first side of the porous ion conducting structure at least the first current collector contacting in places and a second side of the porous ion-conducting structure at least in places contacts a cathode side facing the first side of the separator.
  • the porous ion-conducting structure has first pores of a first size as a reservoir in which electrochemically active cathode material is, wherein the reservoirs are connected to each other via second pores of a second size.
  • the second pores of the second size are smaller than the first pores of the first size.
  • the cathode of the galvanic cell thus comprises a porous ion-conducting structure, which between the separator and the first, d. H. the cathodic current collector is arranged and which has at least two different types of pores.
  • This porous ion-conducting structure advantageously has a supporting effect on the separator, which thus does not have to be supported solely on a variable and possibly soft electrochemically active cathode material and then possibly pushed into the cathode by dendrites of a lithium metal anode.
  • the porous ion-conducting structure in the context of the present disclosure denotes a structure which is permeable to an ionic current and preferably has open pores.
  • both the first pores and the second pores are formed open so that they can be filled with the electrochemically active cathode material and with an electrolyte.
  • the second pores form a channel network, which allows movement of ions, ion-conducting gels, ionic liquids or electrolyte from the separator to the cathode material in the first pores.
  • the smaller second pores of the porous ion conducting structure permit ion flux to the larger first pores filled with the electrochemically active cathode material and forming the reservoirs of the cathode for the electrochemically active cathode material.
  • the size of the first pores is thus sized to provide easy-to-fill reservoirs for the electrochemically active materials of the cathode.
  • the porous ion-conducting structure is formed like a dry open-pore sponge which is filled with a finer dispersion of the active material.
  • the second pores are disposed in the walls of the first pores and form
  • Elements of an open-pored foam In the production of the first pores, for example, by using a foaming agent in the walls of the first pores, a quantity of second pores is formed, so that an open-pored foam is formed, which is filled with the electrochemically active cathode material through the second pores or through open walls of the first pores can be.
  • the pores can be generated by ordinary foaming or reaction processes.
  • the material with the different pore sizes can also be produced, for example, by depositing finely porous material in a coarse-pored material. Alternatively, in the
  • pore-forming material of the first pores a portion of the pore-forming mass are replaced by smaller particles that can be dissolved out again before filling the cathode, such as in an extra bath in which they are soluble.
  • the pore sizes can be heated, heated or through
  • the first pores are in one
  • Size of the extent of the cathode thickness is formed to about half to one third of the cathode thickness, preferably in a size of 20% to 80% of the cathode thickness or from 80% to 90% of the cathode thickness.
  • Preferred thicknesses of the cathode are about 50 to 200 ⁇ .
  • the second pores may have a size of about 75% to 5% of the size of the pores of the first type, so are usually smaller than the pores of the first type.
  • the size of the pores is determined as an average diameter, wherein the diameter of the individual pores around the
  • the pore size can be averaged over the entire porous ion conducting structure, over a
  • the solids content ie the wall material of the porous ion-conducting structure, preferably fills the space to less than 30% by volume, preferably only 5% by volume to 15% by volume, so that the majority of the volume is from the small and large pores is formed.
  • An electrolyte can be charged at the same time as the electrochemically active cathode material.
  • the electrolyte may be in liquid or solid form, for example with a solvent to be evaporated, such as NMP, which is evaporated to dry the solid filling.
  • the electrolyte then fills the first and second pores space-filling, such as in a Schlickerguß.
  • the entire empty volume of the pore structure is filled with the electrochemically active cathode material and the electrolyte. It can be provided that a solvent used for liquefying the electrochemically active cathode material is subsequently evaporated.
  • Process can also be done in several steps.
  • the porous ion-conducting structure is made of an electrically conductive material such as a carbon material, a conductive metal oxide, a metal, a conductive mixture of a metal and
  • Metal oxide a conductive mixture of a carbon and a conductive metal oxide or a conductive mixture of a carbon and a catalytically active metal oxide, wherein the conductive metal oxide
  • Metal oxide such as a perovskite or a rare earth chromite such as lanthanum chromite may be in pure or doped form.
  • Conductive tin oxide is obtained, for example, by doping the tin oxide with 5-valent elements, for example with tantalum or niobium, which has been introduced as an oxide to a tin-space in the tin oxide in the crystal lattice. The doping can ranging from about 15% to fractions of a percent.
  • catalytically active metal oxide can be used for lithium-air cathodes.
  • the materials mentioned have the advantage that, on the one hand, they are electrically conductive in order to allow the flow of electrons in the cathode electrode and, through the pores in them, also make possible the ion current.
  • the electronically electrically conductive material may additionally have an intrinsic ionic conductivity for metal ions, such as lithium ions in a lithium accumulator or sodium ions in a sodium accumulator. This would generally lower the resistance to the ions in the cathode.
  • the first side of the porous ion-conducting structure faces the first current collector and preferably contacts it over a large area. This means that from 15% to 75% of the area of the pore-forming structure can touch the first current collector.
  • the second side of the porous ion-conducting structure faces the separator and likewise preferably contacts it over a large area. This means that from 15% to 75% of the area of the pore-forming structure can touch the separator. It can be provided that the cathode-facing first side of the separator is adhesively bonded to the porous ion-conducting structure after filling or in the filled state,
  • connection is made to a dimensionally stable separator-cathode composite, which is further processed as an integrated component in a subsequent winding or stacking process.
  • the porous ion-conducting structure preferably contacts the surface of the separator over a large area in order to support it, this is the main function.
  • the second pores in the contact surface on the separator contact it directly with their openings, so that the ions from the anode via the separator as evenly as possible through the second pores to the reservoirs with the
  • the porous ion-conducting structure contacts the surface of the first kilogram of electricity preferably over a large area, so that the charge can be tapped as uniformly as possible.
  • the separator according to the present invention is a selective barrier which allows the passage of ions and prevents the passage of further particles.
  • a major function of the separator is to isolate the anode and the cathode from each other, to prevent electrical short circuits while allowing ion currents to close the circuit in the galvanic cell.
  • the separator comprises sintered or glued together or otherwise interconnected crystals or ion-conducting particles, for. B. lithium grenade, Lithiumagyrodithe,
  • LiPON Lithium phosphoroxynitrides
  • amorphous lithium ion-conducting glasses The ion-conducting particles leave the lithium ions by switching from
  • the separator may alternatively consist of a polymeric ion conductor such as a polyethylene oxide or a block copolymer having an ion-conducting phase or other polymeric ionic conductor which has a mechanical bearing capacity.
  • a polymeric ion conductor such as a polyethylene oxide or a block copolymer having an ion-conducting phase or other polymeric ionic conductor which has a mechanical bearing capacity.
  • the separator according to the invention has a greater mechanical stability. In the event that dendrites build up on the anode and they touch the separator, the separator does not break, but ideally at most only one of them will loosen
  • the (first) sintered or glued together crystals or ion-conducting particles of the separator are preferably larger, ie have a larger average diameter than the third pores of the third size, or as the other (second) sintered or glued together crystals or ion-conducting particles.
  • the selected size of the (first) sintered or glued-together crystals or the ion-conducting particles with respect to the third pores of the cathode prevents the particles forming the separator from entering the cathode, which increases the lifetime of the particles
  • the layer having the third pores of the third size or with the further (second) sintered crystals or ion-conducting particles can be prepared prior to sintering or processing the further layer or layers of the porous ion-conducting structure and, for example, thereafter deposited thereon and glued, for example.
  • the anode is either a metallic anode, in particular a metallic lithium anode, or comprises a lithium-intercalating material, for example a graphite.
  • the anode may, in principle, be formed from any material known for the production of lithium ion anodes.
  • Other electrochemically active anode materials include sodium, magnesium, aluminum, zinc, or combinations thereof, or any material that can donate electrons and generate ion flux.
  • the electrochemically active anode material are also alloys of lithium with about silicon, a carbonaceous material such as graphite or amorphous
  • Hybrid electrodes with lithium alloy components are common.
  • the anode also includes the second, d. H. anodic
  • Current collector which is made of a metal, such as copper.
  • the second current collector contacts a second side of the separator facing the anode by means of carrier elements arranged at a distance from one another.
  • the separator and a volume between the second current collector and the Separator protected against external forces, for example against deformation.
  • the separator may also lie directly on the current collector or the anode active material, in which case the uniformity of the deposition of the metal, eg, in particular in the case of the metal anodes, has to be taken into consideration so as to not introduce any kinks or edges into the separator by uneven deposition.
  • the support members may be pillar, bridge, or drop shaped, also conical or cylindrical in shape, to provide an adequate structure such that the second current collector is sufficiently spaced from the separator.
  • the dimensions of the carrier elements may vary in width, length and diameter.
  • the carrier elements can be produced for example by printing, spraying, photochemical processes, etching processes or gluing.
  • the carrier elements are designed to be electrically insulating.
  • the carrier elements are electrically conductive.
  • You can e.g. be made of the material of the current collector of the anode.
  • they preferably each end comprise an insulating region, which contacts the second side of the separator facing the anode. This ensures that in the case of metal electrodes at the point of contact no dendrites can grow into the separator.
  • the lithium can be deposited particularly evenly on the second current collector during charging. When unloading the lithium material is degraded evenly. As a result, uniform current densities can be achieved on the anode surface, and thus a uniform load of the cell can be achieved.
  • the uniform construction of the anode material on the anode also minimizes the risk of short circuits between the anode and the cathode and, in particular, the risk of dendritic formation.
  • the spacings of the carrier elements relative to one another and the size of the carrier elements are selected such that the volume between the second current collector and the separator removes the lithium ions and thereafter can absorb the deposited lithium metal.
  • the electrochemically active anode material is deposited in the volume between the second current collector and the separator, in this case the metallic lithium.
  • the volume between the second current collector and the separator may in particular be made larger than a volume of the electrochemically active anode material.
  • An ion-conducting gel, an ionic liquid or an electrolyte may also be provided between the second current collector and the second side of the separator facing the anode, which may also be pasty or more solid than pasty.
  • the ion-conducting gel, ionic liquid, or electrolyte may be displaced into another volume disposed laterally therefrom which is also isolated from the cathode.
  • the ion-conducting gel, the ionic liquid or the electrolyte may be sealed.
  • the volume of the anode thereby increases, so that possibly present carriers detach from the separator.
  • the electrochemically active cathode material may refer to any material suitable for such use. Such materials may include, for example, metal oxides such as lithium cobalt oxide, lithium nickel cobalt oxide, lithium iron phosphate, or lithium manganese oxide or sulfur or carbon, graphene, air or other cathode material.
  • electrochemically active cathode materials are oxidic materials, in particular lithium cobalt dioxide (LiCo0 2 ), lithium iron phosphate (LiFeP0 4 ), lithium manganese oxide spinel (LiMn 2 0 4 ) or nickel comprising mixed oxides suitable. Also nickel / manganese / cobalt / aluminum mixed oxides, lithium metal phosphates or lithium manganese spinels, and sulfur and
  • a preferred first active material is a
  • S-PAN Polyacrylonitrile-sulfur composite material
  • the first current collector may be made of a suitable conductive material, in particular for example aluminum, a conductive polymer or carbon.
  • a cell stack in which at least two such galvanic cells are stacked and share a common first current collector.
  • the stacked galvanic cells z. B. share in the form of a known bifilar winding a common second current collector. As a result, the copper can be saved for the second current collector.
  • a battery comprises one or more of the described galvanic cells or cell stacks.
  • Such a battery can be used for example in electric vehicles, tablets, notebooks and smartphones.
  • porous ion-conducting structure with different pore sizes creates a structural integrity of the cathode which is robust against
  • the walls of the pores form the mechanical strength of the porous ion-conducting structure, so that the risk of breakdown is low.
  • the pores can be more stable than the actual ones
  • electrochemically active cathode material incorporated in the pore volume.
  • a locally existing pressure for example by external deformation, is distributed from the side of the cathode over a large area, so that there is less risk of damage to the separator.
  • the separator and a volume between the second current collector and the separator are protected by carrier elements against external forces.
  • Figure 1 is a side sectional view of an inventive
  • FIG. 2 shows a detailed view of a region in FIG. 1 with the representation
  • FIG. 3 shows a detailed view of a region in FIG. 1 with a view through three second pores of the second size
  • FIG. 4 shows a further detailed view of a region from FIG. 1 and FIG.
  • FIG. 5 shows a cell stack according to the invention.
  • Figure 1 shows a galvanic cell 2 according to an embodiment of the
  • the galvanic cell 2 comprises a cathode 4, an anode 5 and a
  • the cathode 4 comprises a porous ion-conducting structure 6 and a first current collector 8.
  • the porous ion conducting structure 6 comprises first pores 20 of a first size, which form reservoirs for electrochemically active cathode material 7, and which in this embodiment are interconnected by channels 22.
  • the first pores 20 are also connected to each other by second pores 18 of a second size, the second pores 18 of the second size being smaller than the first pores 20 of the first size.
  • the second pores 18 form a channel network, which in particular also allows the movement of ions, ion-conducting gels, ionic liquids and / or electrolyte from the separator 16 to the electrochemically active cathode material 7 in the first pores 20.
  • the porous ion-conducting structure 6 is therefore formed like a dry open-pored sponge.
  • a first side 10 of the porous ion-conducting structure 6 contacts the first current collector 8 over a large area.
  • a second side 12 of the porous ion-conducting structure 6 contacts a first side 14 of the cathode 4 facing the cathode 4
  • a second side 30 of the separator 16 facing the anode 5 is contacted by carrier elements 32, which have a second, anodic
  • the support members 32 may be made of an insulating material.
  • the carrier elements 32 are made of a conductive material and covered with an insulating region 34, which may be formed, for example, thorn-, hood- or hat-shaped.
  • an electrochemically active anode material 11 for example, metallic lithium.
  • the amount of the electrochemically active anode material 11 in the space between the second current collector 28 and the separator 16 varies depending on the state of charge of the galvanic cell 2.
  • Current collector 28 and the separator 16 is also a further material 9, for example an electrolyte or an ion-conducting gel, whose
  • Quantity also varies accordingly.
  • the further material gives way 9 z. B. sideways, d. H. perpendicular to a layer sequence shown with the anode 5, the separator 16 and the cathode 4th
  • FIG. 2 an area A of the porous ion-conducting structure 6 from FIG. 1 is shown enlarged.
  • the region A shows two first pores 20 and a wall portion with the second pores 18 and the channels 22.
  • the second pores 18 and the channels 22 formed larger than the second pores 18 interconnect the first pores 20 and allow exchange of the electrochemically active cathode material 7 with each other, especially during the filling of the cathode. 4
  • FIG. 3 shows a further region of the porous ion-conducting structure 6 from a perspective which is rotated by 90 ° with respect to FIG. 2, namely from an interior space of one of the first pores 20.
  • the channels 22 form through openings in the porous ion-conducting structure 6.
  • Figure 4 shows an area B of the porous ion-conducting structure 6 of Figure 1 in an enlarged view, in which in particular an interface of the
  • Cathode 4 is shown to the separator 16.
  • the separator 16 is made up of one or more layers of particles, in the case shown sintered or glued together crystals 13.
  • the cathode 4 has at the interface to the separator 16, a layer 24 in which third pores of a third size are arranged.
  • this layer 24 further sintered or glued together crystals may be arranged, the size of which is different from the sintered or glued together crystals 13 of
  • Separators 16 differentiates.
  • the third pores are formed smaller than the sintered or glued together crystals 13 of the separator 16, so that they can not penetrate into the cathode 4.
  • the third pores form also part of the porous ion-conducting structure 6 and connect to a region 25 of the porous ion-conducting structure 6, in which the first pores 20 and the second pores 18 are located.
  • FIG. 5 shows a possible cell stack 36, which comprises two galvanic cells 2, which were described with reference to FIGS. 1 to 4.
  • Galvanic cells 2 share a common first current collector 8 and are arranged with respect to this mirror symmetry.
  • the illustrated cell stack 36 comprises in this order the anode 5, the separator 16 and the cathode 4 of the first galvanic cell 2 and the cathode 4, the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle (2) mit einer Kathode (4), einer Anode (5) und einem Separator (16), wobei die Kathode (4) ein elektrochemisch aktives Kathodenmaterial (7), eine poröse ionenleitende Struktur (6) und einen ersten Stromkollektor (8) aufweist, wobei eine erste Seite (10) der porösen ionenleitenden Struktur (6) den ersten Stromkollektor (8) zumindest stellenweise kontaktiert und eine zweite Seite (12) der porösen ionenleitenden Struktur (6) eine der Kathode (4) zugewandte erste Seite (14) des Separators (16) zumindest stellenweise kontaktiert. Dabei ist vorgesehen, dass die poröse ionenleitende Struktur (6) erste Poren (20) einer ersten Größe als Reservoirs aufweist, in denen sich elektrochemisch aktives Kathodenmaterial (7) befindet, wobei die ersten Poren (20) der ersten Größe miteinander über zweite Poren (18) einer zweiten Größe verbunden sind, wobei die zweiten Poren (18) der zweiten Größe kleiner sind als die ersten Poren (20) der ersten Größe.

Description

Beschreibung
Titel
Galvanische Zelle mit robuster Trennung von Kathode und Anode
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle, einen Zellenstapel und eine
Batterie.
Galvanische Zellen werden ständig verbessert und optimiert, um einerseits hohe Energiedichten bereitzustellen und um zu garantieren, dass sie sicher und zuverlässig funktionieren. Galvanische Zellen, insbesondere Lithiumzellen, weisen dabei bekannte Nachteile auf. Neben thermischem Durchgehen und Brandgefahr besteht bei Lithiumbatterien das Problem, dass Dendriten gebildet werden, wodurch nicht nur die Leistungsfähigkeit der galvanischen Zelle verringert wird, sondern wodurch auch das Risiko besteht, dass Komponenten der Zelle, insbesondere der Separator, beschädigt werden. Die Probleme können zu einer verkürzten Lebenserwartung der Zelle führen.
EP 0 105 173 AI beschreibt einen porösen kathodischen Stromabnehmer zum Einsatz bei galvanischen Zellen mit nicht-flüssigem Elektrolyt. Durch die Porosität wird die Anzahl der Reaktionsplätze an der Kathode erhöht. In der EP 0 105 173 AI wird nicht beschrieben, wie das poröse Material zum Schutz des Separators eingesetzt werden kann und dass verschiedene Porengrößen von Vorteil sein können.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine galvanische Zelle bereitzustellen, welche strukturell so ausgelegt ist, dass eine Beschädigung einzelner Komponenten möglichst verhindert ist, so dass bei hoher Energiedichte optimale und sichere
Betriebsbedingungen zyklenstabil vorliegen und ein mechanisch arbeitendes Kathoden und Anodenmaterial nicht den Separator beschädigen kann.
Offenbarung der Erfindung Gemäß einem ersten Aspekt umfasst die Erfindung eine galvanische Zelle mit einer Kathode, einer Anode und einem Separator, wobei die Kathode ein elektrochemisch aktives Kathodenmaterial, eine poröse ionenleitende Struktur und einen ersten Stromkollektor aufweist, wobei eine erste Seite der porösen ionenleitenden Struktur den ersten Stromkollektor zumindest stellenweise kontaktiert und eine zweite Seite der porösen ionenleitenden Struktur eine der Kathode zugewandte erste Seite des Separators zumindest stellenweise kontaktiert. Dabei ist vorgesehen, dass die poröse ionenleitende Struktur erste Poren einer ersten Größe als Reservoirs aufweist, in denen sich elektrochemisch aktives Kathodenmaterial befindet, wobei die Reservoirs miteinander über zweite Poren einer zweiten Größe verbunden sind. Die zweiten Poren der zweiten Größe sind dabei kleiner ausgebildet als die ersten Poren der ersten Größe.
Erfindungsgemäß umfasst die Kathode der galvanischen Zelle also eine poröse ionenleitende Struktur, welche zwischen dem Separator und dem ersten, d. h. dem kathodischen Stromkollektor angeordnet ist und welche zumindest zwei verschiedene Porentypen aufweist. Diese poröse ionenleitende Struktur hat vorteilhaft eine stützende Wirkung auf den Separator, der sich somit nicht allein auf ein veränderliches und unter Umständen weiches elektrochemisch aktives Kathodenmaterial abstützen muss und dann noch eventuell von Dendriten einer Lithium- Metallanode in die Kathode hineingedrückt wird.
Die poröse ionenleitende Struktur bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Struktur, welche durchlässig für einen lonenstrom ist und bevorzugt offene Poren aufweist. Bevorzugt sind sowohl die ersten Poren als auch die zweiten Poren offen ausgebildet, damit sie mit dem elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial und mit einem Elektrolyten gefüllt werden können. Dabei bilden insbesondere die zweiten Poren ein Kanalnetzwerk aus, welches eine Bewegung von Ionen, ionenleitenden Gelen, ionischen Flüssigkeiten oder von Elektrolyt von dem Separator zu dem Kathodenmaterial in den ersten Poren erlaubt. Die kleineren zweiten Poren der porösen ionenleitenden Struktur ermöglichen den lonenfluss zu den größeren ersten Poren, die mit dem elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial gefüllt sind und die Reservoirs der Kathode für das elektrochemisch aktive Kathodenmaterial bilden. Die Größe der ersten Poren ist somit so bemessen, dass sie leicht zu füllende Reservoirs für die elektrochemisch aktiven Materialien der Kathode bilden. Die poröse ionenleitende Struktur ist wie ein trockener offenporiger Schwamm ausgebildet, der mit einer feineren Dispersion des Aktivmaterials gefüllt wird. Die zweiten Poren sind in den Wänden der ersten Poren angeordnet und bilden
Elemente eines offenporigen Schaums. Bei der Herstellung der ersten Poren wird beispielsweise durch Einsatz eines Schaumbildners in den Wänden der ersten Poren eine Menge zweiter Poren gebildet, so dass ein offenporiger Schaum entsteht, der mit dem elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial durch die zweiten Poren oder auch durch offene Wände der ersten Poren gefüllt werden kann.
Die Poren können durch gewöhnliche Schäumungs- oder Reaktionsprozesse erzeugt werden. Das Material mit den verschiedenen Porengrößen kann beispielsweise auch durch eine Ablagerung von feinerporigem Material in einem gröberporigen Material erzeugt werden. Alternativ hierzu kann in dem
porenbildenden Material der ersten Poren ein Anteil der porenbildenden Masse durch kleinere Partikel ersetzt werden, die vor dem Befüllen der Kathode wieder herausgelöst werden können, etwa in einem extra Bad, in dem diese löslich sind. Die Porengrößen kann schließlich durch Aufwärmen, Aufheizen oder durch
Sinterverfahren reduziert werden.
Durch Einstellung der Porengröße werden Lade- und Entladeraten der galvanischen Zelle beeinflusst, so dass hierdurch die Leistungsfähigkeit der galvanischen Zelle festlegbar ist. Idealerweise sind die ersten Poren in einer
Größe von dem Maß der Kathodendicke bis etwa zur Hälfte bis ein Drittel der Kathodendicke ausgebildet, bevorzugt in einer Größe von 20% bis 80% der Kathodendicke oder von 80% bis 90% der Kathodendicke. Bevorzugte Dicken der Kathode liegen bei etwa 50 bis 200 μηη. Die zweiten Poren können eine Größe von etwa 75% bis zu 5% der Größe der Poren der ersten Art aufweisen, sind also in der Regel kleiner als die Poren der ersten Art.
Die Größe der Poren wird dabei als ein durchschnittlicher Durchmesser bestimmt, wobei der Durchmesser der einzelnen Poren um den
Durchschnittswert variiert. Zur Bestimmung der Porengröße können beliebige bekannte Verfahren verwendet werden. Die Porengröße kann sich auf einen Mittelwert über die gesamte poröse ionenleitende Struktur, über ein
ausgewähltes Volumenelement der porösen ionenleitenden Struktur oder auch auf einen Mittelwert an der Oberfläche der porösen ionenleitenden Struktur beziehen.
Der Festkörperanteil, also das Wandmaterial der porösen ionenleitenden Struktur füllt den Raum dabei bevorzugt zu weniger als 30 Vol.-%, bevorzugt nur zu 5 Vol.-% bis 15 Vol.-% so dass der Großteil des Volumens von den kleinen und großen Poren gebildet wird.
Ein Elektrolyt kann zeitgleich mit dem elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial eingefüllt werden. Der Elektrolyt kann in flüssiger oder fester Form vorliegen, beispielsweise mit einem zu verdampfenden Lösemittel wie etwa NMP, welches zum Eintrocknen der festen Füllung verdampft wird. Der Elektrolyt füllt dann die ersten und zweiten Poren raumfüllend wie etwa bei einem Schlickerguß. So ist bestimmungsgemäß das gesamte leere Volumen der Porenstruktur mit dem elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial und dem Elektrolyt befüllt. Es kann vorgesehen sein, dass ein zur Verflüssigung des elektrochemisch aktiven Kathodenmaterials verwendetes Lösemittel anschließend verdampft wird. Dieser
Prozess kann auch in mehreren Schritten geschehen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die poröse ionenleitende Struktur aus einem elektrisch leitfähigen Material wie etwa einem Kohlenstoffmaterial, einem leitenden Metalloxid, einem Metall, einer leitenden Mischung eines Metalls und
Kohlenstoffs, einer leitenden Mischung eines Metalls und eines leitenden
Metalloxids, einer leitenden Mischung eines Kohlenstoffs und eines leitenden Metalloxids oder einer leitenden Mischung eines Kohlenstoffs und eines katalytisch aktiven Metalloxids gefertigt, wobei das leitende Metalloxid
insbesondere und bevorzugt dotiertes Zinnoxid oder auch ein anderes leitfähiges
Metalloxid wie ein Perovskit oder ein Seltene-Erde-Chromit wie Lanthanchromit in reiner oder dotierter Form sein kann. Leitfähiges Zinnoxid ergibt sich beispielsweise durch Dotierung des Zinnoxides mit 5-wertigen Elementen, beispielsweise mit Tantal oder Niob, welches als Oxid auf einen Zinn-Platz in dem Zinnoxid in das Kristallgitter eingebracht worden ist. Die Dotierung kann dabei im Bereich von etwa 15% bis zu Bruchteilen eines Prozents betragen. Bei Lithium- Luft- Kathoden kann katalytisch aktives Metalloxid eingesetzt werden. Die genannten Materialien haben den Vorteil, dass sie einerseits elektrisch leitfähig sind, um den Elektronenstrom in der Kathodenelektrode zu ermöglichen und durch die Poren in ihnen auch den lonenstrom ermöglichen. Andererseits kann auch das elektronisch also elektrisch leitfähige Material zusätzlich eine intrinsische lonenleitfähigkeit für Metallionen besitzen, wie etwa Lithiumionen bei einem Lithium-Akkumulator oder Natriumionen bei einem Natrium-Akkumulator. Dadurch würde sich der Widerstand für die Ionen in der Kathode generell erniedrigen.
Die erste Seite der porösen ionenleitenden Struktur ist dem ersten Stromkollektor zugewandt und kontaktiert diesen bevorzugt großflächig. Das bedeutet, dass von 15% bis 75% der Fläche der porenbildenden Struktur den ersten Stromkollektor berühren können. Die zweite Seite der porösen ionenleitenden Struktur ist dem Separator zugewandt und kontaktiert diesen ebenfalls bevorzugt großflächig. Das bedeutet, dass von 15% bis 75% der Fläche der porenbildenden Struktur den Separator berühren können. Es kann vorgesehen sein, dass die der Kathode zugewandte erste Seite des Separators mit der porösen ionenleitenden Struktur nachträglich nach Befüllung oder im befüllten Zustand verklebt wird,
beispielsweise unter Einsatz eines ionenleitenden Klebers oder Bindemittels. Die Verbindung erfolgt zu einem formstabilen Separator- Kathodenverbund, welcher in einem anschließenden Wickel- oder Stapelprozess als integrierte Komponente weiterverarbeitet wird.
Die poröse ionenleitende Struktur kontaktiert die Oberfläche des Separators bevorzugt großflächig um ihn abzustützen, das ist die Hauptfunktion. Die zweiten Poren in der Kontaktfläche auf dem Separator berühren diesen direkt mit ihren Öffnungen, so dass die Ionen von der Anode über den Separator möglichst gleichmäßig durch die zweiten Poren zu den Reservoirs mit dem
elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial gelangen können, was eine gleichmäßige Verteilung der Ladung in der Kathode ermöglicht, und so dass äußere einwirkende Kräfte gleichmäßig verteilt werden. Ebenso kontaktiert die poröse ionenleitende Struktur die Oberfläche des ersten Strom ko Hektars bevorzugt großflächig, so dass die Ladung möglichst gleichförmig abgegriffen werden kann.
Der Separator gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine selektive Barriere, welche die Passage von Ionen erlaubt und den Durchtritt von weiteren Partikeln verhindert. Eine Hauptfunktion des Separators ist, die Anode und die Kathode voneinander zu isolieren, elektrische Kurzschlüsse zu verhindern und gleichzeitig lonenströme zu erlauben, um den Stromkreis in der galvanischen Zelle zu schließen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Separator gesinterte oder miteinander verklebte oder anders miteinander verbundene Kristalle oder ionenleitende Teilchen auf, z. B. Lithiumgranate, Lithiumagyrodithe,
Lithiumphosphoroxynitride (LiPON) oder amorphe lithiumionenleitende Gläser. Die ionenleitenden Teilchen lassen die Lithiumionen durch Platzwechsel von
Lithiumionen in den Gitterplätzen durch das Kristallgitter wandern. Der Separator kann alternativ aus einem polymeren lonenleiter wie etwa einem Polyethylenoxid oder einem Blockcopolymer mit einer ionenleitenden Phase oder einem anderen polymeren lonenleiter bestehen, der eine mechanische Tragfähigkeit besitzt.
Gegenüber einem Separator, welcher aus einer hochporösen Folie nach dem Stand der Technik besteht, weist der erfindungsgemäße Separator eine größere mechanische Stabilität auf. Für den Fall, dass sich auf der Anode nämlich Dendriten aufbauen und diese den Separator berühren, bricht der Separator nicht, sondern es lockern sich idealerweise höchstens einzelne der den
Separator bildenden Teilchen, wobei die restlichen Teilchen weiterhin stabil zusammenhalten und die Isolationsfunktion des Separators aufrecht erhalten können. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die poröse ionenleitende
Struktur an der zweiten Seite eine Schicht, welche die der Kathode zugewandte erste Seite des Separators kontaktiert und welche dritte Poren einer dritten Größe aufweist oder alternativ weitere (zweite) gesinterte oder miteinander verklebten Kristalle oder ionenleitende Teilchen einer bestimmten Größe, die miteinander verklebt sind. Die (ersten) gesinterten oder miteinander verklebten Kristalle oder ionenleitenden Teilchen des Separators sind bevorzugt größer, d. h. weisen einen größeren mittleren Durchmesser auf als die dritten Poren der dritten Größe, bzw. als die weiteren (zweiten) gesinterten oder miteinander verklebten Kristalle oder ionenleitenden Teilchen. Durch die gewählte Größe der (ersten) gesinterten oder miteinander verklebten Kristalle oder der ionenleitenden Teilchen in Bezug auf die dritten Poren der Kathode ist verhindert, dass die den Separator bildenden Teilchen in die Kathode übertreten können, was die Lebensdauer der
galvanischen Zelle beeinflussen würde. Die Schicht mit den dritten Poren der dritten Größe bzw. mit den weiteren (zweiten) gesinterten Kristallen oder ionenleitenden Teilchen kann vor dem Sintern oder Verarbeiten der weiteren Schicht oder Schichten der porösen ionenleitenden Struktur hergestellt werden und beispielsweise danach hier drauf abgelegt und beispielsweise geklebt werden.
Die Anode ist entweder eine metallische Anode, insbesondere eine metallische Lithium-Anode oder umfasst ein lithiuminterkalierendes Material, beispielsweise ein Graphit. Die Anode kann im Prinzip aus einem beliebigen, für die Herstellung von Lithiumionenanoden bekannten Material ausgebildet werden. Weitere elektrochemisch aktive Anodenmaterialien umfassen Natrium, Magnesium, Aluminium, Zink oder Zusammensetzungen hiervon oder jegliches Material, welches Elektronen abgeben kann und einen lonenfluss erzeugen kann. Als elektrochemisch aktives Anodenmaterial sind auch Legierungen von Lithium mit etwa Silizium, ein kohlenstoffhaltiges Material wie Graphit oder amorphe
Kohlenstoffe oder andere metallische Legierungen von Vorteil. Auch
Hybridelektroden mit Lithium-Legierungsanteilen sind gebräuchlich.
Die Anode umfasst dabei außerdem den zweiten, d. h. anodischen
Stromkollektor, welcher aus einem Metall gefertigt ist, beispielsweise aus Kupfer.
Gemäß einer Ausführungsform kontaktiert der zweite Stromkollektor durch voneinander beabstandet angeordnete Trägerelemente eine der Anode zugewandte zweite Seite des Separators. Durch die Trägerelemente werden der Separator und ein Volumen zwischen dem zweiten Stromkollektor und dem Separator gegen von außen einwirkende Kräfte geschützt, beispielsweise gegenüber Deformationen. Der Separator kann alternativ auch direkt auf dem Stromkollektor oder dem Anodenaktivmaterial zu liegen kommen, wobei hier dann die Gleichmäßigkeit der Abscheidung des Metalls, z.B. insbesondere bei den Metallanoden zu berücksichtigen ist, um keine Knicke oder Kanten durch ungleichmäßige Abscheidung in den Separator einzutragen.
Die Trägerelemente können beispielsweise Säulen-, Brücken- oder Tropfenform, auch konische oder zylindrische Form aufweisen und stellen damit eine adäquate Struktur bereit, dass der zweite Stromkollektor ausreichend von dem Separator beabstandet ist. Die Dimensionen der Trägerelemente können in Breite, Länge und Durchmesser variieren. Die Trägerelemente können beispielsweise durch Drucken, Sprayen, fotochemische Prozesse, Ätzprozesse oder Kleben hergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Trägerelemente elektrisch isolierend ausgebildet. Alternativ sind die Trägerelemente elektrisch leitfähig. Sie können z.B. aus dem Material des Strom kollektors der Anode gefertigt sein. In diesem Fall umfassen sie jeweils bevorzugt endseitig einen isolierenden Bereich, der die der Anode zugewandte zweite Seite des Separators kontaktiert. Damit ist sichergestellt, dass im Falle von Metallelektroden an der Berührungsstelle keine Dendriten in den Separator hineinwachsen können.
Durch die definierte Struktur, welche die Trägerelemente der Anode vermitteln, gelingt es, dass das Lithium bei der Ladung besonders gleichmäßig auf dem zweiten Stromkollektor abgelegt werden kann. Beim Entladen wird das Lithium Material gleichmäßig abgebaut. Hierdurch können gleichmäßige Stromdichten auf den Anodenfläche erzielt werden, und somit eine gleichmäßige Belastung der Zelle erzielt werden. Durch den gleichmäßigen Aufbau des Anodenmaterials auf der Anode wird auch das Risiko von Kurzschlüssen zwischen der Anode und der Kathode minimiert und insbesondere auch das Risiko von Dendritenbildung.
In der bevorzugten Bauweise sind die Abstände der Trägerelemente zueinander und die Größe der Trägerelemente derart gewählt, dass das Volumen zwischen dem zweiten Stromkollektor und dem Separator die Lithiumionen und danach das abgeschiedene Lithiummetall aufnehmen kann. Im Falle der metallischen Anode lagert sich im Volumen zwischen dem zweiten Stromkollektor und dem Separator das elektrochemisch aktive Anodenmaterial ab, in diesem Fall das metallisches Lithium. Das Volumen zwischen dem zweiten Stromkollektor und dem Separator kann insbesondere größer ausgebildet sein als ein Volumen des elektrochemisch aktiven Anodenmaterials.
Zwischen dem zweiten Stromkollektor und der der Anode zugewandten zweiten Seite des Separators kann außerdem ein ionenleitendes Gel, eine ionische Flüssigkeit oder ein Elektrolyt vorgesehen sein, der auch pastös oder fester als pastös sein kann. In einer Ausführungsform dieser Erfindung kann das ionenleitende Gel, die ionische Flüssigkeit oder der Elektrolyt im Fall, dass das Lithiummetall an dem Stromkollektor wächst, in ein weiteres, seitlich davon angeordnetes, Volumen verdrängt werden, welches ebenfalls gegenüber der Kathode isoliert ist. Alternativ hierzu kann das ionenleitende Gel, die ionische Flüssigkeit oder der Elektrolyt dicht eingeschlossen sein. Im Fall, dass das Lithiummetall an dem Stromkollektor wächst, nimmt das Volumen der Anode dabei zu, so dass ggf. vorhandene Träger sich vom Separator lösen.
Das elektrochemisch aktive Kathodenmaterial kann sich auf ein beliebiges Material beziehen, welches sich für einen derartigen Einsatz eignet. Solche Materialien können beispielsweise Metalloxide wie Lithium-Kobaltoxid, Lithium- Nicke-Kobalt-Oxid, Lithium-Eisenphosphat, oder Lithium-Manganoxid umfassen oder Schwefel oder Kohlenstoff, Graphen, Luft oder weiteres Kathodenmaterial. Als elektrochemisch aktive Kathodenmaterialien sind oxydische Materialien, insbesondere Lithium- Kobaltdioxid (LiCo02), Lithium- Eisenphosphat (LiFeP04), Lithium-Manganoxid Spinell (LiMn204) oder Nickel umfassende Mischoxide geeignet. Auch Nickel/Mangan/Cobalt-/Aluminium-Mischoxide, Lithium-Metall- Phosphate oder auch Lithiummanganspinelle, sowie Schwefel und
Schwefelverbindungen sind im Einsatz. Auch beliebige Mischungen daraus sind möglich und im Einsatz. Ein bevorzugtes erstes aktives Material ist ein
Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositmaterial (S-PAN), ebenso sind
Nanokohlenstoffstrukturen wie Nanotubes oder Nanospheres, eingekapselte Schwefelformen oder Schwefelkomposite möglich. Der erste Stromkollektor kann aus einem geeigneten leitfähigen Material bestehen, insbesondere beispielsweise aus Aluminium, einem leitfähigen Polymer oder aus Kohlenstoff.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Zellenstapel bereitgestellt, bei welchem zumindest zwei derartige galvanische Zellen aufeinandergestapelt sind und sich einen gemeinsamen ersten Stromkollektor teilen. Auf diese Weise kann eine optimale Raumnutzung bereitgestellt werden sowie Einsparung des Materials für den Strom kollektor. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die gestapelten galvanischen Zellen sich z. B. in Form einer bekannten bifilaren Wicklung einen gemeinsamen zweiten Stromkollektor teilen. Hierdurch kann das Kupfer für den zweiten Stromkollektor eingespart werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Batterie eine oder mehrere der beschriebenen galvanische Zellen oder Zellenstapel. Eine derartige Batterie kann beispielsweise in Elektrofahrzeugen, Tablets, Notebooks und Smartphones verwendet werden.
Vorteile der Erfindung
Durch die poröse ionenleitende Struktur mit verschiedenen Porengrößen wird eine strukturelle Integrität der Kathode geschaffen, welche robust gegen
Deformationen ist. Die Wände der Poren bilden die mechanische Stärke der porösen ionenleitenden Struktur aus, so dass die Durchbruchgefahr gering ist. Dabei können so die Porenkörper stabiler sein als die eigentliche
elektrochemisch aktive Kathodenmasse, die in dem Porenvolumen eingebracht ist.
Durch einen flächigen Kontakt der porösen ionenleitenden Struktur mit dem Separator wird ein lokal vorhandener Druck, beispielsweise durch Deformation von außen, von Seiten der Kathode auf eine große Fläche verteilt, so dass ein geringeres Risiko der Beschädigung für den Separator besteht. Auf der Anodenseite werden der Separator und ein Volumen zwischen dem zweiten Stromkollektor und dem Separator durch Trägerelemente gegen von außen einwirkende Kräfte geschützt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen
galvanischen Zelle,
Figur 2 eine Detailansicht eines Bereichs in Figur 1 mit der Darstellung
von zweiten Poren einer zweiten Größe,
Figur 3 eine Detailansicht eines Bereichs in Figur 1 mit einer Durchsicht durch drei zweite Poren der zweiten Größe,
Figur 4 eine weitere Detailansicht eines Bereichs aus Figur 1 und
Figur 5 einen erfindungsgemäßen Zellenstapel.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser
Komponenten verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine galvanische Zelle 2 gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung in seitlicher Schnittansicht. Die galvanische Zelle 2 umfasst eine Kathode 4, eine Anode 5 und einen
Separator 16, welcher die Kathode 4 und die Anode 5 zur elektrischen Isolation räumlich voneinander beabstandet.
Die Kathode 4 umfasst eine poröse ionenleitende Struktur 6 und einen ersten Stromkollektor 8.
Die poröse ionenleitende Struktur 6 umfasst erste Poren 20 einer ersten Größe, welche Reservoirs für elektrochemisch aktives Kathodenmaterial 7 bilden, und welche in dieser Ausführungsform durch Kanäle 22 miteinander verbunden sind.
Die ersten Poren 20 sind außerdem miteinander durch zweite Poren 18 einer zweiten Größe verbunden, wobei die zweiten Poren 18 der zweiten Größe kleiner sind als die ersten Poren 20 der ersten Größe. Dabei bilden die zweiten Poren 18 ein Kanalnetzwerk aus, welches insbesondere auch die Bewegung von Ionen, ionenleitenden Gelen, ionischen Flüssigkeiten und/oder von Elektrolyt von dem Separator 16 zu dem elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial 7 in den ersten Poren 20 erlaubt. Die poröse ionenleitende Struktur 6 ist daher wie ein trockener offenporiger Schwamm ausgebildet.
Eine erste Seite 10 der porösen ionenleitenden Struktur 6 kontaktiert den ersten Stromkollektor 8 großflächig. Eine zweite Seite 12 der porösen ionenleitenden Struktur 6 kontaktiert eine der Kathode 4 zugewandte erste Seite 14 des
Separators 16 großflächig.
Eine der Anode 5 zugewandte zweite Seite 30 des Separators 16 wird von Trägerelementen 32 kontaktiert, welche einen zweiten, anodischen
Stromkollektor 28 der Anode 5 vom Separator 16 abstützen und beabstanden. Die Trägerelemente 32 können aus einem isolierenden Material gefertigt sein. Im dargestellten Fall sind die Trägerelemente 32 aus einem leitfähigen Material gefertigt und mit einem isolierenden Bereich 34 bedeckt, welcher beispielsweise dorn-, hauben- oder hutförmig ausgebildet sein kann.
Zwischen dem zweiten Stromkollektor 28 und dem Separator 16 befindet sich ein elektrochemisch aktives Anodenmaterial 11, beispielsweise metallisches Lithium. Die Menge des elektrochemisch aktiven Anodenmaterials 11 im Raum zwischen dem zweiten Stromkollektor 28 und dem Separator 16 variiert in Abhängigkeit des Ladezustands der galvanischen Zelle 2. Zwischen dem zweiten
Stromkollektor 28 und dem Separator 16 befindet sich außerdem ein weiteres Material 9, beispielsweise ein Elektrolyt oder ein ionenleitendes Gel, dessen
Menge ebenfalls entsprechend variiert. Beim Anwachsen der Lithiumschicht weicht das weitere Material 9 z. B. seitlich aus, d. h. senkrecht zu einer dargestellten Schichtfolge mit der Anode 5, dem Separator 16 und der Kathode 4.
In Figur 2 ist ein Bereich A der porösen ionenleitenden Struktur 6 aus Figur 1 vergrößert dargestellt. Der Bereich A zeigt zwei erste Poren 20 und einen Wandabschnitt mit den zweiten Poren 18 und den Kanälen 22. Die zweiten Poren 18 und die größer als die zweiten Poren 18 ausgebildeten Kanäle 22 verbinden die ersten Poren 20 miteinander und ermöglichen einen Austausch des elektrochemisch aktiven Kathodenmaterials 7 untereinander, insbesondere bei der Befüllung der Kathode 4.
Figur 3 zeigt einen weiteren Bereich der porösen ionenleitenden Struktur 6 aus einer Perspektive, welche gegenüber Figur 2 um 90° gedreht ist, nämlich aus einem Innenraum einer der ersten Poren 20 heraus. Die Kanäle 22 bilden in der porösen ionenleitenden Struktur 6 Durchgangsöffnungen aus.
Figur 4 zeigt einen Bereich B der porösen ionenleitenden Struktur 6 aus Figur 1 in vergrößerter Darstellung, in welcher insbesondere eine Grenzfläche der
Kathode 4 zum Separator 16 dargestellt ist. Der Separator 16 ist aus einer oder mehreren Schichten von Teilchen aufgebaut, im dargestellten Fall aus gesinterten oder miteinander verklebten Kristallen 13. Die Kathode 4 weist an der Grenzfläche zum Separator 16 eine Schicht 24 auf, in welcher dritte Poren einer dritten Größe angeordnet sind. Alternativ können in dieser Schicht 24 weitere gesinterte oder miteinander verklebte Kristalle angeordnet sein, deren Größe sich von den gesinterten oder miteinander verklebten Kristallen 13 des
Separators 16 unterscheidet. Die dritten Poren sind kleiner ausgebildet als die gesinterten oder miteinander verklebten Kristalle 13 des Separators 16, so dass diese nicht in die Kathode 4 eindringen können. Die dritten Poren bilden ebenfalls einen Teil der porösen ionenleitenden Struktur 6 und schließen an einen Bereich 25 der porösen ionenleitenden Struktur 6 an, in welchem sich die ersten Poren 20 und die zweiten Poren 18 befinden.
Figur 5 zeigt einen möglichen Zellenstapel 36, welcher zwei galvanische Zellen 2 umfasst, welche mit Bezug zu Figuren 1 bis 4 beschrieben wurden. Die
galvanische Zellen 2 teilen sich einen gemeinsamen ersten Stromkollektor 8 und sind bezüglich diesem spiegelsymmetrisch angeordnet. Somit umfasst der dargestellte Zellenstapel 36 in dieser Reihenfolge die Anode 5, den Separator 16 und die Kathode 4 der ersten galvanischen Zelle 2 und die Kathode 4, den
Separator 16 und die Anode 5 der zweiten galvanischen Zelle 2.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Galvanische Zelle (2) mit einer Kathode (4), einer Anode (5) und einem Separator (16), wobei die Kathode (4) ein elektrochemisch aktives Kathodenmaterial (7), eine poröse ionenleitende Struktur (6) und einen ersten Stromkollektor (8) aufweist, wobei eine erste Seite (10) der porösen ionenleitenden Struktur (6) den ersten Stromkollektor (8) zumindest stellenweise kontaktiert und eine zweite Seite (12) der porösen ionenleitenden Struktur (6) eine der Kathode (4) zugewandte erste Seite (14) des Separators (16) zumindest stellenweise kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse ionenleitende Struktur (6) erste Poren (20) einer ersten Größe als Reservoirs aufweist, in denen sich elektrochemisch aktives Kathodenmaterial (7) befindet, wobei die ersten Poren (20) der ersten Größe miteinander über zweite Poren (18) einer zweiten Größe verbunden sind, wobei die zweiten Poren (18) der zweiten Größe kleiner sind als die ersten Poren (20) der ersten Größe.
2. Galvanische Zelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Festkörperanteil der porösen ionenleitenden Struktur (6) den Raum zu weniger als 30 Vol.-%, bevorzugt zu 5 Vol.-% bis 15 Vol.-% füllt.
3. Galvanische Zelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse ionenleitende Struktur (6) aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem
Kohlenstoffmaterial, einem leitenden Metalloxid, einem Metall, einer leitenden Mischung eines Metalls und eines Kohlenstoffs, einer leitenden Mischung eines Metalls und eines leitenden Metalloxids, einer leitenden Mischung eines Kohlenstoffs und eines leitenden Metalloxids oder einer leitenden Mischung eines Kohlenstoffs und eines katalytisch aktiven Metalloxids gefertigt ist, insbesondere wobei das leitende Metalloxid dotiertes Zinnoxid, ein Perovskit oder ein Seltene-Erde- Chromit wie Lanthanchromit ist.
Galvanische Zelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (16) gesinterte oder miteinander verklebte Kristalle (13) oder ionenleitende Teilchen aufweist, insbesondere Lithiumgranate, Lithiumagyrodithe,
Lithiumphosphoroxynitride (LiPON) oder amorphe lithiumionenleitende Gläser.
Galvanische Zelle (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse ionenleitende Struktur (6) an der zweiten Seite (12) eine Schicht (24) aufweist, welche die der Kathode (4) zugewandte erste Seite (14) des Separators (16) kontaktiert und welche dritte Poren einer dritten Größe aufweist, wobei die gesinterten oder miteinander verklebten Kristalle (13) oder ionenleitenden Teilchen des Separators (16) größer sind als die dritten Poren der dritten Größe.
Galvanische Zelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (5) einen zweiten
Stromkollektor (28) umfasst, welcher durch voneinander beabstandet angeordnete Trägerelemente (32) eine der Anode (5) zugewandte zweite Seite (30) des Separators (16) kontaktiert.
Galvanische Zelle (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (32) elektrisch isolierend ausgebildet sind oder elektrisch leitende Trägerelemente (32) sind, welche endseitig isolierende Bereiche (34) aufweisen, welche die der Anode (5) zugewandte zweite Seite (30) des Separators (16) kontaktieren.
Galvanische Zelle (2) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem zweiten Stromkollektor (28) und der der Anode (5) zugewandten zweiten Seite (30) des Separators (16) ein ionenleitendes Gel, eine ionische Flüssigkeit oder ein Elektrolyt befindet.
9. Zellenstapel (36), wobei zumindest zwei galvanische Zellen (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufeinander gestapelt sind und sich einen gemeinsamen ersten Stromkollektor (8) oder zweiten Stromkollektor (28) teilen.
10. Batterie mit zumindest einer galvanischen Zelle (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder mit zumindest einem Zellenstapel (36) nach Anspruch 9.
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