WO2017097594A1 - Elektrodenmaterial, batteriezelle dieses enthaltend und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Elektrodenmaterial, batteriezelle dieses enthaltend und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2017097594A1
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WO
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lithium
electrode material
electrode
battery cell
oxide
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PCT/EP2016/078629
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Ingo Kerkamm
Bernd Schumann
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
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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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an electrode material, a
  • an electrode material in contrast, according to the invention an electrode material, a battery cell containing this and a process for their preparation with the
  • an electrode material which, in addition to an electrode active material and an additive which increases the electrical conductivity of the electrode material, additionally contains a solid electrolyte material.
  • Solid electrolyte material formed ternary system is that the cathode material additionally assumes the function of a solid electrolyte layer and therefore can also be referred to as a catholyte.
  • Battery cell according to the invention thus comprises a simplified structure of a cathode, a separator and an anode, wherein the cathode
  • an electrode active material is understood as meaning a material component at which, during operation of a battery cell, the electrochemical processes necessary for the storage or delivery of electric current take place.
  • a solid electrolyte material or ion conductor is understood to be a material component which does not itself or only to a very minor extent run off during the operation of the battery cell for the storage or delivery of electric current
  • electrochemical processes participates, but the ion exchange between the cathode and anode and the ion transport within the same, in particular the necessary lithium ion exchange or transport ensured.
  • Conductivity of the electrode material or an electrode composite understood a material component having an electrical conductivity which is higher than the electrical conductivity of the electrode material or
  • lithium-nickel-manganese-cobalt mixed oxides NCM
  • lithium manganese oxides LMO
  • lithium nickel cobalt aluminum oxides NCA lithium iron phosphate (LFP)
  • Vanadium pentoxide, iron trifluoride or iron difluoride or mixtures thereof are used, since these compounds show a very good functionality with respect to lithiation or Delithi réellesvorêt.
  • Carbon modification is added, in particular carbon black, graphite, pure carbon with a high surface area, for example. Available under the name Super P ® , or graphene, as in this way cost and effectively the electrical conductivity of the
  • Electrode material or einkomposits can be improved.
  • lithium phosphorus sulfides are characterized by a high conductivity for lithium ions.
  • the lithium phosphorus sulfides may also contain halides such as fluorides, chlorides, bromides or iodides.
  • the invention further relates to a battery cell comprising an anode and a cathode, wherein the cathode comprises an electrode material according to the present invention.
  • This procedure allows a significantly simplified construction of a corresponding battery cell, since it comprises a separator between an anode and a cathode, which can be manufactured, for example, from the same solid-state material as it is also contained in the cathode.
  • the cathode comprises, for example, a metallic current collector in the form of an aluminum foil and a layer of the applied on the current collector Electrode material.
  • the anode also comprises a current collector, which is advantageously applied directly flat on the separator.
  • the anode may additionally comprise a lithium layer, for example in the form of a lithium foil, which is applied to the surface of the anode
  • the lithium layer can also be produced by steaming the electricity ko hectare with lithium.
  • the lithium layer is in direct surface contact with the separator.
  • a third object of the present invention is a method for producing the battery cell according to the invention. Accordingly, first a mixture
  • Solid electrolyte material and an optionally provided with an electrically conductive coating electrode active material and, for example, an additive for increasing the electrical conductivity of the electrode material or Elektrodenkomposits This mixture is then applied to an example flat current collector and this finally subjected to reaction conditions, the formation or to improve the properties such as, for example, the ionic conductivity of a
  • the electrode active material contains a vanadium oxide.
  • vanadium oxide are, for example, vanadium pentoxide or a lithium vanadate of the formula L1V3O8, which
  • Lithium vanadate of the formula LixVsOe with x less than 4.5 results. It will be in the
  • Electrode active material contained vanadium oxide or lithium vanadate
  • the coating is preferably carried out with carbon, for example in the form of graphite, graphene, Super P® and the like, or with conductive oxides.
  • conductive oxides include, for example, a doped with tantalum, niobium or a fluoride tin oxide or a lithium stanate of the formula Li2- x Sn03- (x / 2) with x less than or equal to 2.
  • a doping with a suitable fluoride takes place
  • Suitable conductive oxides include, for example, a doped with niobium or tantalum tin or
  • Indium oxide and indium tin mixed oxides can be provided. Again, a fluoride doping can be provided.
  • lithium titanates, lithium niobates or lithium tantalates and also zinc oxide are advantageously suitable.
  • Transition metals such as lithium cobalt oxide, LiCoO 2 or
  • Lithium nickel oxide LiNiO 2 or mixture thereof, optionally doped with manganese having a doping fraction of up to 0.5 mole percent, are suitable.
  • Another suitable paintable coating comprises perovskites of the structure ABOs or ABB * 03 such as La (i- x ) Sr x MnO 3 with x between 0 and 20 mole percent, where a is a rare earth metal and b is a transition metal and b * is an alkaline earth metal ,
  • the electrode material according to the invention or the battery cell according to the invention containing this finds use in lithium-ion batteries, for example for portable devices for telecommunications or portable computers, in mobile applications, such as electric vehicles, hybrid vehicles or plug hybrid vehicles and e-bikes or in stationary systems for storage in particular regeneratively obtained electrical energy.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrode material according to the first embodiment of the present invention, a schematic sectional view through a battery cell according to the invention according to a first embodiment, a schematic representation of a battery cell according to the invention according to a second embodiment, a schematic representation of an inventive
  • Electrode material according to a second embodiment of the present invention a schematic representation of an inventive
  • Electrode material according to a third embodiment of the present invention a schematic representation of a method according to a first embodiment of the present invention and a schematic representation of a method according to the invention according to a second embodiment of the present invention.
  • the electrode material 10 comprises, for example, as a matrix solid electrolyte material 12, in which, for example, an electrode active material 14 and an additive 16 for increasing the electrical conductivity of the Electrode material 10 is introduced.
  • the electrode material 10 is thus designed as a ternary system.
  • the solid electrolyte material 12 serves the
  • Suitable solid electrolyte material 12 are, for example phosphorus sulfides of the formula LiioMeP2Si2 with Me equal to silicon, tin, aluminum or germanium.
  • Such solid electrolyte materials can be prepared by methods known from the literature, as described, for example, in the publications P. Bronn et al. "LiioSnP 2 Si 2: An affordable lithium superionic conductor", Journal of the American Chemical Society 2013, 135, pages 15694 to 15697 and A. Kuhn et al "Ultrafast Li electrolytes based on abundant elements: LiioSnP2Si2 and LinSi2Pi2 (doi:
  • Synthetic routes are from a lithium tin sulfide, lithium sulfide and
  • the starting materials are milled and mixed with one another over an extended period of time, for example under an inert gas atmosphere of argon, followed by a thermal treatment at a higher temperature.
  • Suitable electrode active material 14 are material components on which, during operation of a corresponding battery cell, the electrochemical reactions take place, which are necessary for current delivery or current storage of the battery cell. This applies in particular in this case the inclusion or release of lithium ions.
  • Suitable materials are e.g. Lithium mixed oxides of the genus lithium-nickel-manganese cobalt mixed oxide, lithium manganese oxide, lithium-nickel-cobalt-aluminum oxides, but also compounds such as lithium iron phosphate, iron tetraflouride or iron trifluoride.
  • the particles of the electrode active material may additionally have a coating, for example comprising carbon, aluminum oxide or aluminum trifluoride to increase the chemical stability between the cathode active material and solid ion conductor and to reduce the interfacial resistance.
  • the additive 16 which is furthermore contained in the electrode material 10 for increasing the electrical conductivity of the electrode material 10, serves to ensure a sufficient charge carrier transfer from the electrode material 10 toward a corresponding current collector of the electrode material 10 containing
  • Electrode of a battery cell Electrode of a battery cell.
  • the additive 16 for increasing the electrical conductivity of the electrode material has a higher electrical conductivity than the electrode material 10 without addition of the additive 16.
  • carbon modifications such as carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes and Super P® are suitable as additive 16 for increasing the electrical conductivity of electrode material 10.
  • the thus executed electrode material 10 on the one hand fulfills the functional
  • Solid electrolyte connects.
  • FIG. 2 shows a battery cell according to a first embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals designate the same
  • the battery cell 20 includes in addition to the
  • Electrode material 10 as shown in Figure 1 and explained in the context of Figure 1, in addition, a first current collector 22, which forms a cathode of the battery cell 20 together with the electrode material 10.
  • the first current collector 22 ensures the electrical contacting of the cathode of the battery cell 20 with an external circuit.
  • the battery cell 20 includes a second current collector 24, which takes over the function of an anode in the battery cell 20, for example.
  • the second current collector 24 is in the form of an anode in direct surface contact with a separator 25, which, for example, is designed as a solid electrolyte layer. On another solid electrolyte layer between the cathode and anode can in this
  • Example are omitted.
  • the separator 25 may, for example, comprise the same solid electrolyte material 12 as the electrode material 10.
  • the first current collector 22 can be made of aluminum, for example, which can be provided in addition to increasing the reaction surface with a suitable surface structuring.
  • the second current collector 24 may be embodied, for example, in the form of a copper foil, wherein it may also have a surface structuring for increasing the surface area.
  • a separator layer (not shown in FIG. 2) may be provided between the electrode material 10 and the second current collector 24.
  • FIG. 3 shows a battery cell according to a second embodiment of the present invention
  • the battery cell 20 here additionally comprises a lithium-containing layer 26 which, for example, is in surface contact with the second current collector 24 and together with the latter forms an anode of the battery cell 20.
  • the lithium-containing layer 26 is, for example, as a lithium foil or in the form of one on the second
  • Lithium layer executed. Such a lithium layer 26 is provided particularly when the electrode material 10 is not in a prelithiated state, i. provided with an excess of lithium, initially present. In this case, the lithium layer 26 is in full contact with the second current collector 24 as well as also in full-surface contact with the separator 25th
  • Electrode material 10 may be provided a layer not shown in Figure 3, the electrical resistance between the lithium-containing layer 26 and the
  • FIGS. 4a and 4b show an electrode material according to a second embodiment
  • the electrode material 10 comprises, in addition to a solid electrolyte material 12, which, for example, forms a matrix of the electrode material 10 Electrode Active Material 14.
  • Electrode Active Material 14 As electrode active material 14, as for the electrode active material 14 of the electrode material according to FIG. 1,
  • Vanadium pentoxide or lithium vanadate of the formula UV3O8 If the electrode material 10 is introduced, for example, into a battery cell according to FIG. 2 or 3 and serves there as electrode active material 14 of the cathode, a lithium vanadate of the formula is formed in the discharged state of the battery cell 20 from the vanadium pentoxide with x less than 3 and from the lithium vanadate of the formula UV3O8 a lithium-enriched vanadate of the formula LixVsOe with x less than 4.5.
  • the representation of corresponding lihium-containing vanadium oxides is, for example, the
  • the electrode active material 14 is designed in the form of spherical particles. However, it is also possible to carry out the electrode active material 14 in the form of a flat strip having a layer thickness of 50 nm to 500 nm and a width of 20 nm to 500 nm. The length of the corresponding strip may be, for example, up to 10 ⁇ m.
  • the electrode active material 14 is itself provided, for example, with an additive 16 for increasing the electrical conductivity in the form of an electrically conductive coating 18.
  • the coating 18 may contain, for example, a carbon modification such as carbon black, graphite or graphene.
  • electrically conductive oxides are suitable.
  • Suitable conductive oxide is, for example, zinc oxide or doped tin oxide, the tin oxide being doped with tantalum or niobium oxide, for example.
  • a degree of doping of 0.001 to 10 mole percent, in particular a degree of doping of less than or equal to 1 mole percent of advantage.
  • a doping with a corresponding fluoride, such as, for example, aluminum trifluoride take place.
  • a corresponding fluoride such as, for example, aluminum trifluoride
  • Degree of doping of 0.001 to 10 mole percent, in particular between 0.01 to 5 mole percent of advantage titanium and indium oxides are suitable, which are doped with niobium or tantalum. Furthermore, tin-doped indium oxide is also suitable. These oxides may additionally be doped with a suitable fluoride such as aluminum trifluoride. Here, a degree of doping of 0.001 to 10 mole percent, in particular between 0.01 to 5 mole percent of advantage. Furthermore, also Lithiumstanate of formula Li2- Sn03- (x / 2), with x less than or equal 2, lithium titanates, Lithiumiobate or Lithiumtantanate suitable x.
  • electrically conductive transition metal oxides are suitable, such as lithium cobalt oxide LiCoCh.or lithium nickel oxide LiNiCh and
  • the cobalt or nickel contained in the oxides mentioned may be partially replaced by manganese, preferably up to a fraction of 50 mole percent.
  • perovskites of the structure ABO3 or ABB * 03 are suitable as well.
  • Lai x Sr x MnO 3 where x is between 0 and 20 mole percent.
  • a may be a rare earth metal
  • b is a transition metal
  • b * is an alkaline earth metal.
  • the coating may further contain additional ion-conductive substances such as alumina, alkali aluminates, alkali titanates or aluminum trifluoride.
  • FIG. 4b shows a variant of an electrode material according to the second embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals designate the same component components as in FIGS. 1 to 4a.
  • the electrode material 10 additionally contains an additive 16 for increasing the electrical conductivity of the electrode material 10. This leads to a further improved electrical conductivity of the electrode material 10.
  • FIG. 5 schematically shows a method for producing a battery cell according to first and second embodiments of the present invention. It will presented in a first step, a plurality of starting compounds for producing the solid electrolyte material 12 and mixed or ground together. This can be done, for example, for a period of several hours, if appropriate under a protective gas atmosphere, such as, for example, an argon atmosphere.
  • a protective gas atmosphere such as, for example, an argon atmosphere.
  • an electrode active material is added to the mixture.
  • This is followed in a third step 66 by the addition of an additive 16 for increasing the electrical conductivity of the electrode material 10 to be produced, as well as mixing of the components mentioned.
  • the mixture thus produced is applied in a fourth step 68 to a first current collector 22, for example in the form of an aluminum sheet.
  • a drying process of the coating of the electrode material 10 thus produced on the first current collector 22 takes place.
  • a thermal treatment of the coating applied to the first current collector 22 takes place. This is the
  • Electrode material 10 is formed. Finally, in a seventh step 74, the application of a second current ko hectare 24, optionally provided with a lithium foil, to a separator 25 covering the large area of the produced electrode material 10 takes place.
  • the fifth step 70 and the sixth step 72 it is alternatively possible, between the fifth step 70 and the sixth step 72, to coat at least one of the large areas of the composite of current collector 22 and coating with precursor substances of the solid electrolyte material (12) and also first to coat this coating in a second drying step to produce a separator layer dry before the composite of current collector 22 and coating is subjected to a thermal treatment to produce the electrode material 10 on the surface of the first current collector 22 according to the sixth step 72.
  • FIG. 6 schematically shows the production of a battery cell containing a
  • Electrode material according to the second embodiment with reference to Figures 4A and 4B. Furthermore, the same reference numerals designate the same Component components or method steps as in the context of the preceding figures.
  • an electrode active material for example based on vanadium pentoxide or
  • Lithium vanadates are synthesized, for example, in a band-shaped structure.
  • the coating of the so-synthesized electrode active material 14 with a coating 18 made of an electrically conductive component takes place in a second preliminary step 61.
  • the first pre-step 60 and the second pre-step 61 are the ones already discussed in connection with FIG.
  • Method steps 62 to 74 wherein in the context of the manufacturing method second embodiment, the step 66, ie the addition of an additive to increase the electrical conductivity can be omitted.
  • Lithium ion batteries These are used for example in portable
  • Electric vehicles, hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles and e-bikes as well as in stationary applications, for example, for storing in particular regenerative electrical energy.

Abstract

Es wird ein Elektrodenmaterial für eine Kathode in lithiumhaltigen Batteriesystemen beschrieben, insbesondere für Lithiumionenbatterien oder Lithiumschwefelbatterien, welches ein Elektrodenaktivmaterial (14) und ein die elektrische Leifähigkeit des Elektrodenmaterials(10)erhöhendes Additiv (16) umfasst, wobeizusätzlich ein Festelektrolytmaterial (12) enthalten ist.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrodenmaterial, Batteriezelle dieses enthaltend und Verfahren zu deren Herstellung
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektrodenmaterial, eine
Batteriezelle dieses enthaltend und ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Es besteht ein zunehmender Bedarf an Batterien bzw. Akkumulatoren, die einen kleinen Bauraum sowie ein geringes Gewicht aufweisen und dennoch eine sehr gute Funktionalität und Zuverlässigkeit zeigen. Hierbei spielen lithiumhaltige Batteriesysteme eine zunehmende Rolle. Dabei ist es wünschenswert, den in heutigen Systemen verwendeten flüssigen Elektrolyten durch einen sogenannten Festelektrolyten zu ersetzen. Derartige Solid-State-Batterien sind beispielsweise der US 2014/0093786 AI und der US 2014/0234715 AI zu entnehmen. Diese weisen zwischen einer Kathode und einer Anode eine separate
Festelektrolytschicht auf.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber wird erfindungsgemäß ein Elektrodenmaterial, eine Batteriezelle dieses enthaltend und ein Verfahren zu deren Herstellung mit den
kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüchen zur
Verfügung gestellt. Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Elektrodenmaterial zur Verfügung gestellt, dass neben einem Elektrodenaktivmaterial und einem die elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials erhöhenden Additiv zusätzlich ein Festelektrolytmaterial enthält. Der Vorteil eines aus Elektrodenaktivmaterial, einem die elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials erhöhenden Additiv und einem
Festelektrolytmaterial gebildeten ternären Systems besteht darin, dass das Kathodenmaterial zusätzlich die Funktion einer Festelektrolytschicht übernimmt und daher auch als Katholyt bezeichnet werden kann.
Eine mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial bestückte
erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst somit einen vereinfachten Aufbau aus einer Kathode, einem Separator und einer Anode, wobei die Kathode
vorzugsweise zusätzlich den gleichen Festelektrolyten wie der Separator umfasst.
Dabei wird unter einem Elektrodenaktivmaterial eine Materialkomponente verstanden, an der bei Betrieb einer Batteriezelle die zur Speicherung oder Abgabe von elektrischem Strom notwendigen elektrochemischen Vorgänge ablaufen. Weiterhin wird dabei unter einer Festelektrolytmaterial oder -ionenleiter eine Materialkomponente verstanden, die selbst nicht oder nur in sehr untergeordnetem Umfang an den während des Betriebs der Batteriezelle zur Speicherung oder Abgabe von elektrischem Strom ablaufenden
elektrochemischen Vorgänge partizipiert, jedoch den lonenaustausch zwischen Kathode und Anode und den lonentransport innerhalb derselben, insbesondere den dazu notwendigen Lithiumionenaustausch bzw. -transport, gewährleistet.
Darüber hinaus wird unter einem Additiv zur Erhöhung der elektrischen
Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials bzw. eines Elektrodenkomposits eine Materialkomponente verstanden, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die höher ist als die elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials oder
Elektrodenkomposits ohne das Additiv zur Erhöhung der elektrischen
Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials bzw. Elektrodenkomposits. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So ist es von Vorteil, wenn als Elektrodenaktivmaterial für das Elektrodenmaterial Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Mischoxide (NCM), Lithium-Manganoxide (LMO), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxide NCA), Lithiumeisenphosphat (LFP),
Vanadiumpentoxid, Eisentrifluorid oder Eisendifluorid bzw. Mischungen derselben eingesetzt werden, da diese Verbindungen eine sehr gute Funktionalität in Bezug auf Lithiierungs- bzw. Delithiierungsvorgänge zeigen.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn als Additiv zur Erhöhung der elektrischen
Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials oder Elektrodenkomposits eine
Kohlenstoffmodifikation zugesetzt wird, insbesondere Ruß, Graphit, reiner Kohlenstoff mit hoher Oberfläche, bspw. erhältlich unter der Bezeichnung Super P®, oder Graphen, da auf diese Weise kostengünstig und effektiv die elektrische Leitfähigkeit des
Elektrodenmaterials bzw. Elektrodenkomposits verbessert werden kann.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn dem Elektrodenmaterial als Festelektrolytmaterial eine Verbindung der Formel LiioMeP2Si2 zugesetzt wird, wobei Me für Si, Sn, AI, oder Ge steht. Derartige Lithiumphosphorsulfide zeichnen sich durch eine hohe Leitfähigkeit für Lithiumionen aus. Alternativ können die Lithiumphosphorsulfide auch Halogenide wie Fluoride, Chloride, Bromide oder lodide enthalten.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batteriezelle, enthaltend eine Anode und eine Kathode, wobei die Kathode ein Elektrodenmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Diese Vorgehensweise ermöglicht einen deutlich vereinfachten Aufbau einer entsprechenden Batteriezelle, da diese zwischen einer Anode und einer Kathode einen Separator umfasst, der bspw. aus dem gleichen Festkörpermaterial gefertigt werden kann wie es auch in der Kathode enthalten ist.
Dabei umfasst die Kathode beispielsweise einen metallischen Stromkollektor in Form einer Aluminiumfolie und eine auf dem Stromkollektor aufgebrachte Schicht des Elektrodenmaterials. Die Anode umfasst ebenfalls einen Stromkollektor, der in vorteilhafter Weise direkt flächig auf den Separator aufgebracht ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Anode zusätzlich eine Lithiumschicht beispielsweise in Form einer Lithiumfolie, die auf die Oberfläche des
Strom ko Hektars der Anode aufgebracht ist, umfassen.
Alternativ kann die Lithiumschicht auch durch Bedampfen des Strom ko Hektars mit Lithium erzeugt werden. In diesem Fall steht die Lithiumschicht in direktem flächigen Kontakt mit dem Separator.
Ein dritter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Batteriezelle. Demgemäß wird zunächst eine Mischung
hergestellt, umfassend Ausgangsverbindungen zur Herstellung eines
Festelektrolytmaterials sowie ein ggf. mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehenes Elektrodenaktivmaterial und bspw. ein Additiv zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials bzw. Elektrodenkomposits. Diese Mischung wird dann auf einen beispielsweise flächigen Stromkollektor aufgetragen und dieser abschließend Reaktionsbedingungen unterzogen, die zur Ausbildung oder zur Verbesserung der Eigenschaften wie bspw. der ionischen Leitfähigkeit eines
Festelektrolytmaterials im Elektrodenmaterial führen. Hierbei kann es sich
beispielsweise um eine thermische Behandlung des Verbunds aus Stromkollektor und der aufgetragenen Mischung handeln. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es im Wesentlichen in Form einer Eintopfsynthese gelingt, ein Elektrodenkomposit darzustellen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält das Elektrodenaktivmaterial ein Vanadiumoxid. Dabei handelt es sich beispielweise um Vanadiumpentoxid oder um ein Lithiumvanadat der Formel L1V3O8, welches
beispielsweise im entladenen Zustand einer entsprechenden Batteriezelle ein lithiiertes
Lithiumvanadat der Formel LixVsOe mit x kleiner 4,5 ergibt. Dabei wird das im
Elektrodenaktivmaterial enthaltene Vanadiumoxid bzw. Lithiumvanadat
bevorzugterweise mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen. Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise mit Kohlenstoff beispielsweise in Form von Graphit, Graphen, Super P® und dergleichen, oder mit leitfähigen Oxiden. Unter diese fällt beispielsweise ein mit Tantal, Niobium oder einem Fluorid dotiertes Zinnoxid bzw. ein Lithiumstanat der Formel Li2-xSn03-(x/2) mit x kleiner gleich 2. Dabei wird der Dotierungsanteil des Zinnoxids oder Lithiumstanats mit Tantal oder Niobiumoxid in einem Bereich von 0,01 bis 10 Molprozent, insbesondere von kleiner gleich einem Molprozent gewählt. Eine Dotierung mit einem geeigneten Fluorid erfolgt
beispielsweise mit einem Dotierungsanteil von 0,01 bis 10 Molprozent, insbesondere mit einem Dotierungsanteil von 0,01 bis 5 Molprozent. Weitere geeignete leitfähige Oxide sind beispielsweise ein mit Niobium oder Tantaloxid dotiertes Zinn- oder
Indiumoxid sowie Indiumzinnmischoxide. Auch hier kann eine Fluoriddotierung vorgesehen werden.
Weiterhin eignen sich in vorteilhafter Weise Lithiumtitanate, Lithiumniobate oder Lithiumtantalate sowie Zinkoxid. Auch elektrisch leitfähige Oxide von
Übergangsmetallen wie beispielsweise Lithiumcobaltoxid, LiCo02 oder
Lithiumnickeloxid LiNi02 oder Mischung derselben, gegebenenfalls unter Dotierung mit Mangan mit einem Dotierungsanteil von bis zu 0,5 Molprozent, sind geeignet. Eine weitere geeignete leifähige Beschichtung umfasst Perovskite der Struktur ABOs oder ABB*03 wie beispielsweise La(i-x)SrxMn03 mit x zwischen 0 und 20 Molprozent, wobei a für ein Seltenerdmetall und b für ein Übergangsmetall und b* für ein Erdalkalimetall steht.
Das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial bzw. die erfindungsgemäße Batteriezell dieses enthaltend findet Verwendung in Lithiumionenbatterien beispielsweise für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder portable Computer, in mobilen Anwendungen, wie beispielsweise Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Plug- Hybridfahrzeugen sowie E-bikes oder in stationären Anlagen zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie. Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines Elektrodenmaterials gemäß ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß einer ersten Ausführungsform, eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform, eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Elektrodenmaterials gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Elektrodenmaterials gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine schematische Darstellung eine erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial bzw.
Elektrodenmaterialkomposit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Elektrodenmaterial 10 umfasst beispielsweise als Matrix Festelektrolytmaterial 12, in welches beispielsweise ein Elektrodenaktivmaterial 14 sowie ein Additiv 16 zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials 10 eingebracht ist. Das Elektrodenmaterial 10 ist somit als ternäres System ausgelegt. Das Festelektrolytmaterial 12 dient dabei der
Sicherstellung einer ausreichenden ionischen Leitfähigkeit, beispielsweise für Lithiumionen, im Rahmen von Lithiierungs- bzw. Delithiierungsprozessen im Bereich des Elektrodenmaterials 10. Als Festelektrolytmaterial 12 eignen sich beispielsweise Phosphorsulfide der Formel LiioMeP2Si2 mit Me gleich Silicium, Zinn, Aluminium oder Germanium. Derartige Festelektrolytmaterialien können nach literaturbekannten Verfahren hergestellt werden, wie sie beispielsweise den Publikationen P. Bronn et al „LiioSnP2Si2: An affordable lithium superionic conductor", Journal of the American Chemical Society 2013, 135, S. 15694 bis 15697 und A. Kuhn et al. "Ultrafast Li electrolytes based on abundant elements: LiioSnP2Si2 and LinSi2Pi2 (doi:
http://arxiv.org/abs/1402.4586?context=cond-mat) erhalten werden. Mögliche
Syntheserouten gehen von einem Lithiumzinnsulfid, Lithiumsulfid und
Schwefelpentasulfid bzw. von Lithiumsulfid, Zinnsulfid, Phosphorpentasulfid und elementarem Schwefel oder von Zinn, Phosphor, Schwefel und Lithiumsulfid aus.
Dabei werden die Ausgangsmaterialien über einen längeren Zeitraum beispielsweise unter einer Schutzgasatmosphäre aus Argon miteinander vermählen und vermengt, woran sich eine thermische Behandlung bei höherer Temperatur anschließt.
Als Elektrodenaktivmaterial 14 eignen sich Materialkomponenten, an denen im Betrieb einer entsprechenden Batteriezelle die elektrochemischen Reaktionen ablaufen, die zur Stromabgabe bzw. Stromspeicherung der Batteriezelle nötig sind. Dies betrifft insbesondere in diesem Fall die Aufnahme oder Abgabe von Lithiumionen. Geeignete Materialien sind z.B. Lithiummischoxide der Gattung Lithium-Nickel-Mangan- Cobaltmischoxid, Lithiummanganoxid, Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxide aber auch Verbindungen wie Lithiumeisenphosphat, Eisendiflorid oder Eisentriflorid. Dabei können die Partikel des Elektrodenaktivmaterials zusätzlich eine Beschichtung aufweisen, beispielsweise aus Kohlenstoff, Aluminiumoxid oder Aluminiumtriflorid zur Erhöhung der chemischen Stabilität zwischen Kathodenaktivmaterial und Festkörper- Ionenleiter und zur Reduzierung des Grenzflächenwiderstandes aufweisen.
Das weiterhin im Elektrodenmaterial 10 enthaltene Additiv 16 zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials 10 dient der Sicherstellung eines ausreichenden Ladungsträgertransfers aus dem Elektrodenmaterial 10 hin zu einem entsprechendem Stromkollektor einer das Elektrodenmaterial 10 enthaltenden
Elektrode einer Batteriezelle. Dabei weist das Additiv 16 zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials eine höhere elektrische Leitfähigkeit auf als das Elektrodenmaterial 10 ohne Zusatz des Additivs 16.
Als Additiv 16 zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials 10 eignen sich beispielsweise Kohlenstoffmodifikationen wie Ruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanotubes sowie Super P®.
Das so ausgeführte Elektrodenmaterial 10 erfüllt zum einen die funktionellen
Voraussetzungen eines klassischen Elektrodenmaterials und verbindet diese mit den funktionalen Merkmalen eines Festelektrolyten. Man kann daher in diesem Fall des Elektrodenmaterials 10 auch von einem Katholyten sprechen, also von einer
Materialschicht, die die Funktion eines Kathodenmaterials mit der eines
Festelektrolyten verbindet.
In Figur 2 ist eine Batteriezelle gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
Bauteilkomponenten wie in Figur 1. Die Batteriezelle 20 umfasst neben dem
Elektrodenmaterial 10, wie in Figur 1 dargestellt und im Rahmen der Figur 1 erläutert, zusätzlich einen ersten Stromkollektor 22, der zusammen mit dem Elektrodenmaterial 10 eine Kathode der Batteriezelle 20 bildet. Der erste Stromkollektor 22 stellt dabei die elektrische Kontaktierung der Kathode der Batteriezelle 20 mit einem externen Stromkreis sicher. Weiterhin enthält die Batteriezelle 20 einen zweiten Stromkollektor 24, der in der Batteriezelle 20 beispielsweise die Funktion einer Anode übernimmt. Dabei steht der zweite Stromkollektor 24 als Anode in direktem flächigen Kontakt mit einem Separator 25, der bspw. als Festelektrolytschicht ausgeführt ist. Auf eine weitere Festelektrolytschicht zwischen Kathode und Anode kann in diesem
Ausführungsbeispiel verzichtet werden. Dies vereinfacht den Aufbau der Batteriezelle 20 wesentlich. Der Separator 25 kann dabei bspw. dasselbe Festelektrolytmaterial 12 umfassen wie das Elektrodenmaterial 10. Dies ermöglicht die Herstellung eines Komposits aus Elektrodenmaterial 10 bzw. der Kathode dieses enthaltend mit dem Separator 25. Der erste Stromkollektor 22 kann dabei beispielsweise aus Aluminium ausgeführt werden, welches zusätzlich zur Vergrößerung der Reaktionsoberfläche mit einer geeigneten Oberflächenstrukturierung versehen sein kann. Weiterhin kann der zweite Stromkollektor 24 beispielsweise in Form einer Kupferfolie ausgeführt sein, wobei auch dieser zur Oberflächenvergrößerung eine Oberflächenstrukturierung aufweisen kann. Optional kann zwischen dem Elektrodenmaterial 10 und dem zweiten Stromkollektor 24 eine in Figur 2 nicht dargestellte Separatorschicht vorgesehen sein. In Figur 3 ist eine Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Dabei bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten, wie in den Figuren 1 und 2.
Die Batteriezelle 20 umfasst hier zusätzlich ein lithiumhaltige Schicht 26, welche beispielsweise in flächigem Kontakt mit dem zweiten Stromkollektor 24 steht und zusammen mit diesem eine Anode der Batteriezelle 20 bildet. Die lithiumhaltige Schicht 26 ist beispielsweise als Lithiumfolie oder in Form einer auf dem zweiten
Stromkollektor 24 mittels einer Gasphasenabscheidung abgeschiedenen
Lithiumschicht ausgeführt. Eine derartige Lithiumschicht 26 wird insbesondere dann vorgesehen, wenn das Elektrodenmaterial 10 nicht in einem vorlithiierten Zustand, d.h. mit einem Überschuss an Lithium versehen, initial vorliegt. In diesem Fall steht die Lithiumschicht 26 sowohl in vollflächigem Kontakt mit dem zweiten Stromkollektor 24 als auch in ebenfalls vollflächigem Kontakt mit dem Separator 25.
Optional kann zusätzlich zwischen der lithiumhaltigen Schicht 26 und dem
Elektrodenmaterial 10 eine in Figur 3 nicht dargestellte Schicht vorgesehen sein, die den elektrischen Widerstand zwischen der lithiumhaltigen Schicht 26 und dem
Elektrodenmaterial 10 herabsetzt.
In den Figuren 4a und 4b ist ein Elektrodenmaterial gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Dabei bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten, wie in den Figuren 1 bis 3. Das Elektrodenmaterial 10 umfasst neben einem Festelektrolytmaterial 12, welches beispielsweise eine Matrix des Elektrodenmaterials 10 bildet, ein Elektrodenaktivmaterial 14. Als Elektrodenaktivmaterial 14 eignen sich, wie auch für das Elektrodenaktivmaterial 14 des Elektrodenmaterials gemäß Figur 1,
Vanadiumpentoxid oder Lithiumvanadate der Formel UV3O8. Wird das Elektrodenmaterial 10 beispielsweise in eine Batteriezelle gemäß Figur 2 oder 3 eingebracht und dient dort als Elektrodenaktivmaterial 14 der Kathode, so bildet sich im entladenen Zustand der Batteriezelle 20 aus dem Vanadiumpentoxid ein Lithiumvanadat der Formel
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mit x kleiner 3 und aus dem Lithiumvanadat der Formel UV3O8 ein lithiumangereichertes Vanadat der Formel LixVsOe mit x kleiner 4,5. Die Darstellung entsprechender lihiumhaltiger Vanadiumoxyde ist beispielsweise der
Publikation Mitrii A. Semenko et al.„L1XV2O5 Nanobelts for high capacity lithium-ion battery cathodes"
Electrochemistry Communications 12, 2010, p. 1154 bis 1157 zu entnehmen.
Gemäß Figur 4a ist das Elektrodenaktivmaterial 14 in Form von sphärischen Partikeln ausgeführt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, das Elektrodenaktivmaterial 14 in Form eines flächigen Bandes auszuführen mit einer Schichtdicke von 50nm bis 500 nm und einer Breite von 20 nm bis 500 nm. Die Länge des entsprechenden Bandes kann beispielsweise bis zu 10 μηη betragen.
Weiterhin ist das Elektrodenaktivmaterial 14 beispielsweise selbst mit einem Additiv 16 zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit in Form einer elektrischen leitfähigen Beschichtung 18 versehen. Dazu kann die Beschichtung 18 beispielsweise eine Kohlenstoffmodifikation wie beispielsweise Ruß, Graphit oder Graphen enthalten. Weiterhin sind beispielsweise elektrisch leitfähige Oxide geeignet.
Als leitfähiges Oxid eignet sich beispielsweise Zinkoxid oder dotiertes Zinnoxid, wobei das Zinnoxid beispielsweise mit Tantal- oder Niobiumoxid dotiert ist. Hierbei ist ein Dotierungsgrad von 0,001 bis 10 Molprozent, insbesondere ein Dotierungsgrad von kleiner gleich 1 Molprozent von Vorteil. Weiterhin kann eine Dotierung mit einem entsprechenden Fluorid, wie bspw. Aluminiumtrifluorid erfolgen. Hierbei ist ein
Dotierungsgrad von 0,001 bis 10 Molprozent, insbesondere zwischen 0,01 bis 5 Molprozent von Vorteil. Weiterhin sind Titanium- und Indiumoxide geeignet, welche mit Niobium oder Tantal dotiert sind. Weiterhin eignet sich auch mit Zinn dotiertes Indiumoxid. Diese Oxide können zusätzlich mit einem geeigneten Fluorid wie bspw. Aluminiumtrifluorid dotiert sein. Hierbei ist ein Dotierungsgrad von 0,001 bis 10 Molprozent, insbesondere zwischen 0,01 bis 5 Molprozent von Vorteil. Weiterhin eignen sich auch Lithiumstanate der Formel Li2-xSn03-(x/2) mit x kleiner gleich 2, Lithiumtitanate, Lithiumiobate oder Lithiumtantanate.
Darüber hinaus sind auch elektrisch leitfähige Übergangsmetalloxide geeignet, wie beispielsweise Lithiumcobaltoxid LiCoCh.oder Lithiumnickeloxid LiNiCh sowie
Mischungen derselben. Optional kann dabei das in den erwähnten Oxiden enthaltende Cobalt oder Nickel teilweise durch Mangan ersetzt sein, vorzugsweise bis zu einem Anteil von 50 Molprozent.
Weiterhin eignen sich auch Perovskite der Struktur ABO3 bzw. ABB*03 wie
beispielsweise Lai-xSrxMn03, wobei x zwischen 0 und 20 Molprozent beträgt. Dabei kann a ein Seltenerdmetall sein, b ein Übergangsmetall und b* ein Erdalkalimetall.
Die Beschichtung kann weiterhin zusätzlich ionenleitfähige Substanzen, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Alkalialuminate, Alkalititanate oder Aluminiumtrifluorid enthalten.
In Figur 4b ist ein Elektrodenmaterial gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Variante dargestellt. Es bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten, wie in den Figuren 1 bis 4a.
Hierbei enthält das Elektrodenmaterial 10 neben einem Festelektrolytmaterial 12 und einem mit einer Beschichtung 18 versehenen Elektrodenaktivmaterial 14 zusätzlich ein Additiv 16 zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials 10. Dies führt zu einer weiter verbesserten elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials 10.
In Figur 5 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß erster und zweiter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei wird in einem ersten Schritt eine Mehrzahl von Ausgangsverbindungen zur Erzeugung des Festelektrolytmaterials 12 vorgelegt und miteinander vermischt bzw. gemahlen. Dies kann beispielsweise für einen Zeitraum von mehreren Stunden ggf. unter einer Schutzgasatmosphäre, wie bspw. einer Argonatmosphäre erfolgen.
Nach dem ersten Schritt 62 wird in einem zweiten Schritt 64 ein Elektrodenaktiv- material zu der Mischung hinzugegeben. Darauf erfolgt in einem dritten Schritt 66 die Zugabe eines Additivs 16 zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des zu erzeugenden Elektrodenmaterials 10 sowie eine Durchmischung der genannten Komponenten. Die so erzeugte Mischung wird in einem vierten Schritt 68 auf einen ersten Stromkollektor 22 bspw. in Form eines Aluminiumblechs aufgetragen.
Daraufhin erfolgt in einem fünften Schritt 70 ein Trocknungsvorgang der so auf dem ersten Stromkollektor 22 erzeugten Beschichtung des Elektrodenmaterials 10.
Abschließend erfolgt in einem sechsten Schritt 72 eine thermische Behandlung der auf dem ersten Stromkollektor 22 aufgebrachten Beschichtung. Dabei wird das
Elektrodenmaterial 10 gebildet. Abschließend erfolgt in einem siebten Schritt 74 das Aufbringen eines ggf. mit einer Lithiumfolie versehenen zweiten Strom ko Hektars 24 auf einen die Großfläche des erzeugten Elektrodenmaterials 10 bedeckenden Separator 25.
Dabei ist es alternativ möglich, zwischen dem fünften Schritt 70 und dem sechsten Schritt 72 mindestens eine der Großflächen des Verbundes aus Stromkollektor 22 und Beschichtung mit Precursorsubstanzen des Festelektrolytmaterials (12) zu beschichten und auch diese Beschichtung in einem zweiten Trocknungsschritt zur Erzeugung einer Separatorschicht zunächst zu trocken, bevor der Verbund aus Stromkollektor 22 und Beschichtung einer thermischen Behandlung zur Erzeugung des Elektrodenmaterials 10 auf der Oberfläche des ersten Strom kollektors 22 gemäß des sechsten Schritts 72 unterzogen wird.
In Figur 6 ist schematisch die Herstellung einer Batteriezelle enthaltend ein
Elektrodenmaterial gemäß zweiter Ausführungsform mit Bezug auf die Figuren 4A und 4B dargestellt. Es bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten bzw. Verfahrensschritte wie im Rahmen der vorhergehenden Figuren.
Da hier von einem Elektrodenmaterial gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgegangen wird, wird in einem ersten Vorschritt 60 zunächst ein Elektrodenaktivmaterial bspw. auf Basis von Vanadiumpentoxid bzw.
Lithiumvanadaten synthetisiert beispielsweise in einer bandförmigen Struktur.
Nach dem ersten Vorschritt 60 erfolgt in einem zweiten Vorschritt 61 die Beschichtung des so sythetisierten Elektrodenaktivmaterials 14 mit einer Beschichtung 18 aus einer elektrisch leitfähigen Komponente. An den ersten Vorschritt 60 und den zweiten Vorschritt 61 schließen sich die bereits im Rahmen der Figur 5 diskutierten
Verfahrensschritte 62 bis 74 an, wobei im Rahmen des Herstellungsverfahren zweiter Ausführungsform der Schritt 66, also die Zugabe eines Additivs zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit entfallen kann.
Das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial bzw. die erfindungsgemäße Batteriezelle dieses enthaltend kann in vorteilhafter Weise verwendet werden von
Lithiumionenbatterien. Diese finden beispielsweise Anwendung in portablen
Anwendungen wie portablen Einrichtungen der Telekommunikation sowie in portablen Computern als auch in mobilen Anwendungen, wie beispielsweise in
Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen, Plug-in-Hybridfahrzeugen und E-Bikes sowie in stationären Anwendungen beispielsweise zur Speicherung insbesondere regenerativer erzeugter elektrischer Energie.

Claims

Ansprüche
1. Elektrodenmaterial für eine Kathode in lithiumhaltigen Batteriesystemen,
insbesondere Lithiumionenbatterie oder Lithiumschwefelbatterie, welches ein Elektrodenaktivmaterial (14) und ein die elektrische Leifähigkeit des
Elektrodenmaterials (10) erhöhendes Additiv (16, 18) umfasst, dadurch
gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Festelektrolytmaterial (12) enthalten ist.
2. Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Elektrodenaktivmaterial (14) ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Mischoxid, ein Lithium-Manganoxid, ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid, ein
Lithiumeisenphosphat, ein Vanadiumpentoxid, ein Eisentrifluorid oder ein
Eisendifluorid ist.
3. Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenaktivmaterial (14) ein dotiertes Zinnoxid ist, wobei das Zinnoxid mit Tantal oder Niobium mit einem Dotierungsanteil von 0,001 bis 10 Molprozent, insbesondere mit einem Dotierungsanteil von kleiner gleich 1 Molprozent versehen ist, und/oder dass das Zinnoxid mit einem Fluorid dotiert ist mit einem
Dotierungsanteil von 0,01 bis 10 Molprozent, insbesondere mit einem
Dotierungsanteil von 0,0 bis 5 Molprozent.
4. Elektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Partikel des Elektrodenaktivmaterials (14)
zumindest teilweise mit einer Beschichtung, insbesondere aus Aluminiumoxid oder Aluminiumtrifluorid versehen sind.
5. Elektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Additiv (16, 18) zur Erhöhung der elektrischen
Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials (10) eine Kohlenstoffmodifikation, insbesondere Ruß, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen enthalten ist.
6. Elektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenaktivmaterial (14) ein Vanadiumoxid, insbesondere Vanadiumpentoxid oder ein Lithiumvanadat der Formel UV3O8 ist.
7. Elektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass Partikel des Elektrodenaktivmaterials (14) mit einer elektrischen leitfähigen Beschichtung (18) versehen sind.
8. Elektrodenmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Beschichtung (18) Kohlenstoff, lithiiertes Zinkoxid, dotiertes Zinnoxid oder ein Lithiumstanat der Formel Li2-xSnO(3-x/2) mit x kleiner gleich 2 ist.
9. Elektrodenmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Beschichtung (18) ein Titanoxid oder Indiumoxid ist, welches mit Niobium, Tantal, Zinn oder einem Fluorid dotiert ist.
10. Elektrodenmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Beschichtung (18) ein Lithiumtitanat, ein Lithiumniobat oder ein Lithiumtantanat ist.
11. Elektrodenmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Beschichtung (18) ein Lithiumcobaltoxid der Formel L1C0O2 und/oder ein
Lithiumnickeloxid der Formel LiNiCh umfasst, insbesondere mit einer Dotierung durch Mangan mit einem Dotierungsanteil kleiner gleich 0,5 Molprozent bezogen auf den Gehalt an Nickel bzw. Kobalt.
12. Elektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Festelektrolytmaterial (12) ein Material der Formel LiioMeP2Si2 verwendet wird, wobei Me für Si, Sn, AI oder Ge steht.
13. Batteriezelle eines lithiumhaltigen Batteriesystems, insbesondere
Lihiumionenbatterie oder Lithiumschwefelbatterie, mit einer Kathode oder einer Anode, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode ein Elektrodenmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
14. Batteriezelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode einen ersten Strom ko Hektar (22) und ein darauf aufgebrachtes Elektrodenmaterial (10) umfasst und die Anode einen zweiten Strom ko Hektar (24) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stromkollektor (24) in direktem flächigem Kontakt mit dem Elektrodenmaterial (10) der Kathode steht.
15. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode eine Lithiumschicht, die auf dem Stromkollektor (24) der Anode aufgebracht ist, umfasst, wobei die Lithiumschicht (26) in direktem flächigen Kontakt mit dem Elektrodenmaterial (10) der Kathode steht.
16. Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, insbesondere einer Batteriezelle nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei: a. in einem ersten Schritt (62) Ausgangsmaterialien zur Erzeugung eines Festelektrolytmaterials (12) vorgelegt werden,
b. in einem zweiten Schritt (64) ein insbesondere mit einer elektrisch
leitfähigen Beschichtung 18 versehenes Elektrodenaktivmaterial (14) hinzugefügt wird,
c. insbesondere in einem dritten Schritt (66) ein elektrisch leitfähiges Additiv (16) hinzugefügt wird,
d. in einem vierten Schritt (68) die so erzeugte Mischung auf einen
Stromkollektor (22) einer Elektrode aufgebracht wird und
e. Reaktionsbedingungen ausgesetzt wird, die zur Bildung eines
Elektrodenaktivmaterials (14) auf dem Stromkollektor (22) führen, wobei die Reihenfolge der Schritte auch variiert werden kann.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Verbund aus Stromkollektor (22) und Elektrodenaktivmaterial (10) als Kathode einer Batteriezelle vorgesehen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Schritt (68) nachdem die Mischung auf den Stromkollektor (22) aufgebracht ist, der Verbund aus Stromkollektor (22) und Mischung auf mindestens einer Großfläche mit einer zweiten Schicht enthaltend Ausgangsmaterialien zur Erzeugung eines Festelektrolytmaterials (16) versehen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht getrocknet wird.
20. Verwendung einer Batteriezelle gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15 in Batterien zur Verwendung in portablen Telekommunikationseinrichtungen, in Computern, in Elektrofahrzeugen, E-Bikes, Hybridfahrzeugen und/oder in stationären Anlagen zur Speicherung insbesondere regenerativ erzeugter elektrischer Energie.
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