WO2014040790A1 - Lithium-ionen-zelle mit anorganischem ionenaustauscher - Google Patents

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WO2014040790A1
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lithium
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ion
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Ingo Zeitler
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Robert Bosch Gmbh
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    • B01J39/08—Use of material as cation exchangers; Treatment of material for improving the cation exchange properties
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Definitions

  • the present invention relates to an alkali cell, a separator, an anode, a cathode, processes for their preparation and an energy storage system.
  • the subject of the present invention is an alkali cell comprising an anode, a cathode and a separator disposed between the anode and the cathode.
  • an alkali cell can be understood in particular to be an electrochemical cell or a galvanic element whose electrochemical reaction is based on a redox reaction of an alkali metal.
  • the alkaline cell may comprise an alkali intercalation anode, that is, an anode comprising an intercalation material, such as graphite, into which
  • Alkali metal atoms reversibly incorporated (intercalated) and again outsourced (deintercalated) can be, as well as an alkali metal anode, which is a metallic alkali metal or an alkali metal alloy or with a
  • Metal alloy comprises.
  • the alkaline cell may be a lithium cell.
  • a lithium cell may, in particular, be understood to mean an electrochemical cell or a galvanic element whose electrochemical reaction is based on a redox reaction of lithium.
  • at least one layer disposed between the anode and the cathode includes at least one inorganic ion exchange material loaded with alkali ions.
  • the life-prolonging effect of the ion exchange material is based on the fact that when using high-energy alkaline batteries, in particular high-energy lithium-ion batteries, at the cathode often a resolution of divalent and / or polyvalent metal ions, such as manganese, Nickel and cobalt ions from which the active material of the cathode occurs in the electrolyte. In addition, especially on the cathode side, an oxidation of the electrolyte may occur in which protic degradation products may arise.
  • the degradation products or aging products formed on the cathode side can diffuse through the separator to the anode in conventional cells and be deposited there and / or poisoning of the anode, for example by a, in particular catalytic, degradation of the protective film formed on the anode so-called SEI (English: Solid Electrolyte Interface), and thus lead to accelerated cell aging.
  • SEI Solid Electrolyte Interface
  • at least one layer arranged between the anode and the cathode comprises the alkali-ion-loaded, inorganic ion exchange material
  • degradation products formed on the cathode side must first contain the alkali-ion-charged, inorganic ion exchange material happen.
  • both divalent and polyvalent metal ions such as manganese, nickel and cobalt ions, as well as protons displace the charged alkali ions and release with release of
  • Passing the ion exchange material can therefore only diffuse alkali ions to the anode.
  • a diffusion of both divalent and polyvalent metal ions, such as manganese, nickel and cobalt ions, as well as protons to the anode can be at least significantly reduced or even completely prevented, in particular without the diffusion of
  • a deposition of divalent and polyvalent metals, such as manganese, nickel and cobalt, at the anode and / or poisoning of the anode by the degradation products formed on the cathode side and in particular a degradation of the SEI protective film and a cell aging associated therewith can be advantageously avoided and thus the Life of the cell can be significantly extended.
  • the alkali ions liberated by the ion exchange additionally contribute to an extension of the service life, since this loss of alkali ions which are continuously consumed in the cell to build up the SEI protective film or to repair aging cracks in the SEI protective film on the anode , compensated and so on
  • the ion exchange material-containing layer also has the function of increasing the safety of the cell
  • Safety layer a so-called safety function layer, fulfilled, in which it takes over a mechanically stabilizing and possibly also separating function.
  • a polymeric separator material for example a polyethylene (PE) separator, which contains particles of the inorganic ion exchange material and / or coated with these and otherwise, for example, already at temperatures of> 100 ° C. irreversible shrinkages and deformations could be thermally stabilized and by the inorganic ion exchange material, for example, even in a defect of the polymeric separator layer still a anode and cathode separating layer can be maintained.
  • PE polyethylene
  • a layer of the inorganic ion-loaded, inorganic ion exchange material itself may also function as a separator, so that it may be possible to dispense with the use of temperature-sensitive, polymeric separator materials.
  • the stabilizing and optionally separating action of the inorganic ion exchange material can advantageously a thermal runaway of the cell (English: Thermal Runaway) avoided and thus the safety of the cell can be increased.
  • the inorganic ion exchange material can also be dispensed with the use of chemically non-functional, exclusively for increasing the mechanical stability serving inorganic particles, which advantageously weight and cost and the energy density can be optimized.
  • the ion exchange material It is possible to charge the ion exchange material with ions of an alkali metal which is different from the alkali metal on which the electrochemical (redox) reaction of the cell is based or which is different from the alkali metal of the cathode and / or the anode and / or the electrolyte is.
  • Alkali metals in contrast to divalent and polyvalent metal ions hardly tend to a catalytic effect, which is why by loading with different types of alkali ions, a positive effect can be achieved.
  • Lonen handlingmatenal loaded with ions of the alkali metal on which (also) the electrochemical (redox) reaction of the cell is based.
  • the cell may in particular be a lithium
  • the anode of the cell can be intercalatable and / or alloyable or lithium intercalatable and / or lithium alloyable / lithium alloy capable, for example.
  • the cell may be a lithium-ion cell, in particular with a
  • Lithiuminterkalationsanode for example with graphite as intercalation material, or a lithium metal cell, in particular with a lithium metal anode comprising metallic lithium or a lithium alloy, or with a lithium alloy anode having a lithium alloyable metal / metalloid, for example silicon, or with a Lithium alloyable (semi) metal alloy, for example a silicon alloy, comprises or is formed from, be.
  • the cell may be a (rechargeable bare) secondary cell.
  • the cell is a lithium cell and the at least one ion exchange material loaded with lithium ions.
  • the anode is a
  • Lithium intercalation anode for example based on graphite, or a lithium alloy anode, for example based on silicon.
  • the cell is a lithium-ion
  • the cell in particular with a lithium intercalation anode.
  • the cell may be a lithium-ion cell and the at least one
  • the at least one ion exchange material comprises a silicate and / or aluminate, in particular charged with alkali ions, for example lithium ions.
  • the at least one ion exchange material may be selected from the group of silicates and / or aluminates, in particular charged with alkali ions, for example lithium ions.
  • the at least one ion exchange material may comprise a, in particular alkali ion-loaded, for example, lithium ion-loaded,
  • the ion exchange material may be selected from the group of zeolites, in particular charged with alkali ions, for example lithium ions.
  • the at least one ion exchange material may be a zeolite, especially alkali ion loaded, for example, lithium ion loaded.
  • Zeolites have proven to be particularly advantageous as an ion exchange material, since both a drying effect and an acid-capturing effect can be achieved by these.
  • the use of a dried zeolite therefore advantageously also in the electrolyte located or emerging water and electrolytes or resulting hydrogen fluoride (H F) can be absorbed and thereby rendered harmless to the cell and its environment.
  • the absorption of water and hydrogen fluoride continues to have an advantageous effect on increasing the service life.
  • the at least one ion exchange material may comprise an alkali metal
  • Zeolites for example a lithium zeolite and / or a sodium zeolite.
  • the at least one ion exchange material selected from the group of alkali metal zeolites, for example, the zeolites of lithium and / or sodium.
  • the at least one ion exchange material may be an alkali zeolite, for example, a lithium zeolite and / or a sodium zeolite.
  • the at least one ion exchange material comprises a lithium zeolite.
  • the at least one ion exchange material may be selected from the group of
  • Lithium zeolites Lithium zeolites.
  • ion exchange material may be a lithium zeolite.
  • Lithium zeolites have been found to be particularly advantageous for lithium cells because they can trap and neutralize both divalent and polyvalent metal ions such as manganese, nickel, and cobalt ions, as well as protons, and thereby lithium ions release, which cause no undesirable side reactions at the anode and also advantageously can build up or repair the SEI protective film.
  • the separator comprises the at least one ion exchange material.
  • the separator may advantageously act as a selective ion sieve and filter harmful substances, such as divalent and polyvalent metal ions, for example manganese ions, from the electrolyte.
  • the separator may comprise a layer comprising the at least one ion exchange material.
  • the separator may be a polymer separator, for example a polyolefin separator, for example a polyethylene and / or polypropylene separator, in whose matrix particles of the at least one
  • ion exchange material are introduced and / or, in particular on one or both sides, be provided with a coating containing at least one ion exchange material or formed therefrom, or be formed from the at least one ion exchange material separator.
  • the at least one ion exchange material in particular particles of the at least one ion exchange material, is introduced into a, in particular polymeric, matrix material of the separator.
  • a matrix material for example, polyolefins such as polyethylene (PE) and / or polypropylene (PP) can be used.
  • the separator may comprise a layer of a, in particular polymeric, matrix material, in the matrix of which the at least one ion exchange material, in particular particles of the at least one ion exchange material, is / are introduced.
  • the separator has at least one coating, which the at least one ion exchange material comprises or is formed therefrom.
  • the separator in particular on one or both sides, may have a coating which comprises or is formed from the at least one ion exchange material.
  • the separator may comprise a layer of a, in particular polymeric, material, which, in particular on one or both sides, is provided with a coating which comprises or is formed from the at least one ion exchange material.
  • the layer provided with the coating (s) may both contain and at least be filled with the at least one ion exchange material, for example
  • polystyrene resin such as polyethylene (PE) and / or polypropylene (PP) can be used as the polymeric material for the layer provided with the coating (s).
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • other organic materials or inorganic materials may be used for the layer provided with the coating (s).
  • the separator has a layer, in particular an ion exchange material layer, which is formed from the at least one ion exchange material.
  • the separator may only comprise or consist of this (ion exchange material layer), in other words, the (ion exchange material) layer may serve as a separator or be the separator.
  • Layer / coating substantially, for example, more than 90 wt .-%, based on the total weight of the layer, which consists of at least one ion exchange material and only small amounts of other substances, for example to binders comprises.
  • a layer / coating formed of the at least one ion exchange material may be greater than or equal to 95% by weight, optionally even greater than or equal to
  • Binder which may comprise, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyolefins such as polyethylene (PE) and / or polypropylene (PP), polyimides, carboxymethylcellulose (CMC), styrene-butadiene rubber (SBR) and / or polyacrylates.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • CMC carboxymethylcellulose
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • the anode and / or the cathode has a coating which comprises or is formed from the at least one ion exchange material.
  • the side of the anode facing the cathode and / or the side of the cathode facing the anode may have a coating which comprises or is formed from the at least one ion exchange material.
  • the coating can be both in addition to a
  • Separator for example ion exchange material filled and / or
  • coated or formed therefrom be provided as well as itself, for example, serve as the sole separator.
  • the cell may in particular comprise an electrolyte.
  • the electrolyte may in particular comprise at least one electrolyte solvent and at least one conductive salt.
  • the at least one electrolyte solvent may, for example, be selected from the group of organic carbonates, such as ethylene carbonate and / or dimethyl carbonate, ethers and mixtures thereof.
  • the at least one conductive salt may be, for example, a lithium-containing conductive salt, for example lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ).
  • the cathode may be, for example, one or more metal oxides, for example nickel and / or as, in particular electrochemically active, cathode material
  • Cobalt and / or manganese oxide for example, nickel cobalt manganese oxide (NMC).
  • NMC nickel cobalt manganese oxide
  • a cell according to the invention can be produced, for example, by the process according to the invention explained below.
  • the separator according to the invention the cathode according to the invention and / or anode, the inventive method, the inventive
  • Another object of the present invention is a separator for an alkaline cell, such as a lithium cell, for example a lithium-ion cell or a lithium-metal cell, in particular a lithium-ion cell, which at least one with alkali ions loaded or loadable,
  • a lithium cell for example a lithium-ion cell or a lithium-metal cell, in particular a lithium-ion cell, which at least one with alkali ions loaded or loadable
  • the separator may comprise at least one lithium ion-loaded or loadable inorganic ion exchange material.
  • An ion exchange material which can be charged with alkali ions or lithium ions can, in particular, be understood as meaning an ion exchange material which is loaded with ions, for example ammonium ions, which can be exchanged for alkali ions or lithium ions.
  • this includes at least one
  • alkali ion-loaded or alkali ion-loadable for example lithium-ion loaded or
  • the at least one ion exchange material may be selected from the group of,
  • the at least one ion exchange material may be a silicate and / or aluminate, in particular charged with alkali ions or loaded with alkali ions, for example, charged with lithium ions or loaded with lithium ions.
  • the at least one ion exchange material may comprise a zeolite, in particular charged with alkali ions or charged with alkali ions, for example, charged with lithium ions or loaded with lithium ions.
  • the at least one ion exchange material can be selected from the group of, in particular alkali ion-loaded or
  • alkali ion-loadable for example, lithium-ion loaded or
  • Lithium ion-loading, zeolites Lithium ion-loading, zeolites.
  • the at least one ion exchange material may be, in particular, alkali ion loaded or alkali ion loaded, for example, lithium ion loaded or
  • the at least one ion exchange material may comprise an alkali metal zeolite, for example a lithium zeolite and / or a sodium
  • the at least one ion exchange material can be selected from the group of alkali metal zeolites, for example the zeolites of lithium, sodium and / or ammonium.
  • the at least one ion exchange material may be an alkali zeolite, for example a lithium zeolite and / or sodium zeolite and / or ammonium zeolite.
  • Ammonium zeolites can be selected from the group of alkali metal zeolites, for example the zeolites of lithium, sodium and / or ammonium.
  • lithium ions and / or sodium ions in particular lithium ions, loaded and converted into lithium zeolites or sodium zeolites.
  • the at least one ion exchange material may comprise a lithium zeolite.
  • the at least one ion exchange material may comprise a lithium zeolite.
  • Lonen storagematenal be selected from the group of lithium zeolites.
  • at least one ion exchange material may be a lithium zeolite.
  • the separator may comprise at least one layer comprising or formed from the at least one ion exchange material.
  • ion exchange material in particular particles of the at least one
  • ion exchange material introduced into a, in particular polymeric, matrix material of the separator.
  • a matrix material for example, polyolefins such as polyethylene (PE) and / or polypropylene (PP) can be used.
  • the separator may comprise a layer of a, in particular polymeric, matrix material, in the matrix of which the at least one ion exchange material, in particular particles of the at least one ion exchange material, is introduced.
  • the separator has at least one coating which comprises or is formed from the at least one ion exchange material.
  • the separator in particular on one or both sides, may have a coating which comprises or is formed from the at least one ion exchange material.
  • the separator may comprise a layer of a, in particular polymeric, material, which, in particular on one or both sides, is provided with a coating which comprises or is formed from the at least one ion exchange material.
  • the layer provided with the coating (s) may both contain and at least be filled with the at least one ion exchange material, as well as be free of ion exchange material.
  • the separator has a layer, in particular an ion exchange material layer, which is formed from the at least one ion exchange material.
  • the separator may comprise only this (ion exchange material) layer or consist thereof.
  • (Ion exchange material) layer may serve as a separator or be the separator.
  • the separator may be a polymer separator, for example a polyolefin separator, such as a polyethylene and / or polypropylene separator, in the matrix of which particles of the at least one ion exchange material are introduced and / or which, in particular on one or both sides, with a at least one ion exchange material containing or formed coating is provided, or be formed from the at least one ion exchange material separator.
  • a polyolefin separator such as a polyethylene and / or polypropylene separator
  • a separator according to the invention can be produced, for example, by the method according to the invention explained below.
  • Another object of the present invention is an anode or cathode for an alkali cell, for example a lithium cell, for example a lithium-ion cell or a lithium-metal cell, in particular a
  • a lithium-ion cell having a coating comprising or formed of at least one alkali ion-loaded or loadable inorganic ion exchange material.
  • the anode or cathode may have a coating which has at least one lithium ion-loaded one or loadable, inorganic ion exchange material comprises or is formed therefrom.
  • this includes at least one
  • alkali ion-loaded or alkali ion-loadable for example lithium-ion loaded or
  • the at least one ion exchange material may be selected from the group of silicates and / or aluminates, in particular charged with alkali ions or loaded with alkali ions, for example lithium ion-loaded or lithium-ion-loadable.
  • alkali ion-loaded or alkali ion-loadable for example lithium-ion loaded or
  • lithium ion loadable, silicate and / or aluminate be lithium ion loadable, silicate and / or aluminate.
  • the at least one ion exchange material may comprise a zeolite, in particular charged with alkali ions or charged with alkali ions, for example, charged with lithium ions or charged with lithium ions.
  • the at least one ion exchange material may be selected from the group of, in particular alkali ion-loaded or
  • alkali ion-loadable for example, lithium-ion loaded or
  • the at least one ion exchange material may be a, in particular, alkali ion loaded or alkali ion loadable, for example, lithium ion loaded or
  • the at least one ion exchange material may comprise an alkaline zeolite, for example a lithium zeolite and / or a sodium zeolite and / or an ammonium zeolite.
  • the at least one ion exchange material may be selected from the group of alkali zeolites, for example the zeolites of lithium, sodium and / or ammonium.
  • the at least one ion exchange material may be an alkali zeolite, for example a lithium zeolite and / or sodium zeolite and / or ammonium zeolite.
  • Ammonium zeolites can be used to provide ammonium zeolites.
  • lithium ions and / or Sodium ions in particular lithium ions, loaded and converted into lithium zeolites or sodium zeolites.
  • the at least one ion exchange material may comprise a lithium zeolite.
  • the at least one ion exchange material may comprise a lithium zeolite.
  • ion exchange material selected from the group of lithium zeolites.
  • at least one ion exchange material may be a lithium zeolite.
  • one side of the anode or cathode can be provided with the coating, or the anode or cathode can be coated on one side with the at least one ion exchange material.
  • that side of the anode, which faces the cathode in the cell structure, and / or the side of the cathode, which faces the anode in the cell structure may have the coating.
  • An anode and / or cathode according to the invention can be produced, for example, by the process according to the invention explained below.
  • Anode or cathode layer for example a conventional one A separator, anode or cathode comprising a coating component comprising at least one alkali ion-loaded or loadable inorganic ion exchange material.
  • the coating can be done, for example, by spraying, dipping and / or
  • the coating component may comprise at least one binder and optionally at least one solvent.
  • the at least one binder may be selected, for example, from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF), polyolefins, such as polyethylene (PE) and / or
  • Polypropylene PP
  • polyimides polyimides
  • CMC carboxymethylcellulose
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • the at least one binder can on the one hand for binding of individual (powder) particles of the at least one
  • ion exchange material with each other (cohesion) as well as for the connection of the thus formed layer to the separator, anode or cathode layer (adhesion) serve.
  • a method for producing a separator according to the invention may comprise the method steps: mixing a separator
  • a raw material comprising at least one alkali ion-loaded or loadable inorganic ion exchange material and forming a separator layer of the separator-raw-mass ion exchange material mixture.
  • the at least one ion exchange material can advantageously be dispersed into the separator raw material, for example directly in the preparation of the separator, for example in the form of a powder. Separators made in this manner may then advantageously include very finely divided ion exchange material.
  • the at least one ion exchange material may comprise, for example, a silicate and / or aluminate loaded in particular with alkali ions or with alkali ions, for example lithium ion-loaded or lithium-ion-loadable.
  • the at least one ion exchange material may be selected from the group of, in particular, alkali ion-laden or alkali ion-loadable, for example, lithium ion-loaded or lithium ion loadable, silicates and / or aluminates.
  • the at least one ion exchange material may be a silicate and / or aluminate, especially alkali ion loaded or alkali ion loaded, for example, lithium ion loaded or lithium ion loaded.
  • the at least one ion exchange material may comprise a zeolite, in particular charged with alkali ions or charged with alkali ions, for example, charged with lithium ions or charged with lithium ions.
  • the at least one ion exchange material may be selected from the group of, in particular alkali ion-loaded or
  • alkali ion-loadable for example, lithium-ion loaded or
  • Lithium ion-loading, zeolites Lithium ion-loading, zeolites.
  • the at least one ion exchange material may be one, in particular alkali ion loaded or
  • alkali ion loadable for example, lithium ion loaded or
  • the at least one ion exchange material may comprise an alkaline zeolite, for example a lithium zeolite and / or a sodium zeolite and / or an ammonium zeolite.
  • the at least one ion exchange material may be selected from the group of alkali zeolites, for example the zeolites of lithium, sodium and / or ammonium.
  • the at least one ion exchange material may be an alkali zeolite, for example a lithium zeolite and / or sodium zeolite and / or ammonium zeolite.
  • Ammonium zeolites can advantageously be charged by ion exchange with lithium ions and / or sodium ions, in particular lithium ions, and converted into lithium zeolites or sodium zeolites.
  • the process for producing a separator according to the invention, an anode according to the invention or a cathode according to the invention, for example before or after the coating and / or mixing step, can comprise the process step of loading the at least one, in particular alkali ion-loading, inorganic ion exchange material with alkali ions by means of ion exchange , For example, you can do that Ammonium ions are exchanged for lithium ions and / or sodium ions, in particular lithium ions.
  • the at least one ion exchange material may comprise a lithium zeolite.
  • the at least one ion exchange material may comprise a lithium zeolite.
  • a method for producing a cell according to the invention can in particular comprise the method step of assembling an anode layer, a cathode layer and optionally a separator layer into a galvanic cell, wherein the anode layer, the cathode layer and / or the separator layer comprises at least one alkali ion-loaded inorganic ion exchange material.
  • the anode layer, the cathode layer and / or the separator layer can be replaced by an above-described
  • the invention relates to the use of an alkali ion-laden or loadable, in particular charged or charged with lithium ions, inorganic ion exchange material, for example an alkali metal zeolite, in particular lithium zeolite, for the production of an alkali metal.
  • Cell in particular lithium cell, for example lithium-ion cell, for example for producing a separator and / or an anode and / or a cathode of such a cell.
  • lithium cell for example lithium-ion cell
  • separator for example lithium-ion cell
  • cathode for example for producing a separator and / or an anode and / or a cathode of such a cell.
  • the present invention relates to a battery or an energy storage system, in particular for a vehicle, for example a
  • Electric vehicle or hybrid vehicle or for stationary operation,
  • the battery can be any suitable battery according to the invention, a separator according to the invention, an anode according to the invention and / or a cathode according to the invention.
  • the battery can be any suitable battery according to the invention.
  • FIG. 1 shows an enlarged detail of FIG. 1
  • Fig. 3 is a schematic cross-section to illustrate further
  • FIG. 4 shows a schematic cross section to illustrate yet another embodiment of a cell according to the invention.
  • FIG. 1 shows an alkali cell, in particular a lithium-ion cell, which has two electrodes 1, 2, namely an anode 1 and a cathode 2.
  • FIG. 1 shows that the anode 1 and the cathode 2 are spatially separated from one another by a membrane permeable to alkali ions, the so-called separator 3, and have no direct electrical contact with one another.
  • FIG. 1 shows that the anode 1 and the cathode 2 are spatially separated from one another by a membrane permeable to alkali ions, the so-called separator 3, and have no direct electrical contact with one another.
  • the cell additionally has an anode current collector 4, for example of copper, for example in the form of a copper foil, and a cathode current collector 5, for example made of aluminum, for example in the form of an aluminum foil, which in each case on the outside, in particular of the Separator 3 and the counter electrode 1, 2 facing away, side of the anode 1 and the cathode 2 abut.
  • anode current collector 4 for example of copper, for example in the form of a copper foil
  • a cathode current collector 5 for example made of aluminum, for example in the form of an aluminum foil, which in each case on the outside, in particular of the Separator 3 and the counter electrode 1, 2 facing away, side of the anode 1 and the cathode 2 abut.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail of FIG. 1 and illustrates that the cell further comprises solvated alkali ions A + in an electrolyte (not shown), which are lithium ions (Li + ) in the case of a lithium cell the separator 3 from the cathode 2 to the anode 1 and back can permeate.
  • solvated alkali ions A + in an electrolyte which are lithium ions (Li + ) in the case of a lithium cell the separator 3 from the cathode 2 to the anode 1 and back can permeate.
  • sodium ions (Na + ) or potassium ions (K + ) can be used instead of lithium ions.
  • FIGS. 1 and 2 show that in the case of a lithium-ion cell, the anode 1 comprises an intercalation material 10, 1, for example graphite, which may initially be lithium-free during the assembly of the cell and only in the first charge cycle with lithium atoms.
  • Li) A can be intercalated.
  • FIG. 2 illustrates that, during the first charging cycle, a protective film 12 is also deposited on the anode 1 from the lithium-ion-containing electrolyte Said SEI, which 12 is formed from degradation products of various chemical composition, is only a few nanometers thick and protects the anode 1 from intercalating electrolyte solvent molecules into the intercalation material 10.1, for example into the graphite, which otherwise results in exfoliation and Destruction of Interkalationsmaterials 10.1 1 could lead.
  • FIGS. 1 and 2 further show that the cathode 2 comprises a cathode material 20, which in the case of a lithium-ion cell is, in particular, an oxide of divalent and / or polyvalent metals, for example a nickel,
  • Manganese and / or cobalt oxide for example nickel manganese cobalt oxide (NMC).
  • NMC nickel manganese cobalt oxide
  • FIG. 2 illustrates that in the case of such cathode materials 20 during operation divalent and / or polyvalent metal ions Y x + , such as
  • Manganese ions (Mn 2+ ), nickel ions (Ni 2+ ) and / or cobalt ions (Co 2+ ) can dissolve from the active material 20 of the cathode 2 in the electrolyte.
  • an oxidation of the electrolyte may occur in the protic degradation products (not shown) may arise.
  • the degradation products Y x + formed on the cathode side can be used in conventional
  • FIG. 2 illustrates that diffusion of the cathode-side decomposition products Y x + through the separator 3 to the anode is achieved by means of an inventive method
  • alkali ion loaded A + especially lithium ion loaded (Li + ),
  • inorganic ion exchange material 40 can be prevented, which is shown schematically in Figure 2 and in the following Figures 3 and 4 by pentagons.
  • Figure 2 shows that the cathode-side degradation products, in particular metal ion, Y x + in the cell of the invention, first the alkali ion A + loaded, in particular lithium ion loaded (Li +), inorganic ion exchange material must pass 40th At the alkali ion-loaded A + , in particular lithium ion-loaded (Li + ), inorganic However, ion exchange material 40 displace both divalent and
  • polyvalent metal ions Y x + such as manganese ions (Mn 2+ ), nickel ions (Ni 2+ ) and / or cobalt ions (Co 2+ ), Y x + and protons, the charged alkali ions A + , in particular lithium ions (Li + ), and are Release of alkali ions A + , in particular lithium ions (Li + ), bound to the ion exchange material 40.
  • the cathode-side degradation products Y x + are trapped before reaching the anode 1 and made harmless.
  • FIG. 2 shows that in this way after passing through the
  • Ion exchange material 40 only alkali ions A + , in particular lithium ions (Li + ), diffuse to the anode 1 and thus prevents deposition of divalent and polyvalent metals, such as manganese, nickel and cobalt, at the anode 1 and / or poisoning of the anode 1 and thus the life of the cell can be significantly extended. Since the separator 3 is in a cell between the cathode 2 and anode 1, this spatially separates and
  • the separator 3 acts as a kind of sieve or filter for the degradation products Y x + .
  • the separator 3 essentially prevents the diffusion of aging products Y x + , ie by its pore size or mesh size, but chemically, namely by the ion exchange and can thus advantageously lead to the desired diffusion of alkali ions A + , in particular Provide lithium ions (Li + ), sufficiently large pore size or mesh size.
  • the liberated by the ion exchange alkali ions A + in particular lithium ions (Li + ), can also advantageously contribute in addition to a structure or a repair of the SEI protective film 12 and extend the life in this way.
  • the alkali ion-loaded A + inorganic ion exchange material 40 may be, for example, a chemically active, in particular
  • the ion exchange material 40 may be an alkali ion-loaded zeolite, in particular Lithium zeolite, be.
  • the mode of action of zeolites charged with alkali ions, in particular lithium zeolites, is similar to water softening in which calcium and magnesium ions dissolved in water are exchanged for sodium ions by addition of a zeolite A, but in the present case manganese is used instead of calcium and magnesium ions.
  • FIG. 2 illustrates that the ion exchange material 40 additionally contributes to the mechanical stabilization and possibly also the separating function of the separator 3 due to its inorganic nature.
  • Matrix material 30 introduced increased ion exchange material particles 40 and a thermal runaway of the cell can be prevented.
  • the embodiments shown in FIG. 3 differ essentially from the embodiment shown in FIG. 2 in that the alkali ion-loaded A + , inorganic ion exchange material 40 is not introduced into the matrix of the polymeric matrix material 30 of the separator 3, but in the form of a coating 3 or of two coatings 2a, 3a, la, 3b is provided.
  • the double reference designation indicates that it is both possible for the separator 3, in particular the matrix material layer 30 of the separator 30, to be coated on one or both sides with a coating 3a, 3b comprising the ion exchange material A + , 40 and also the side of the anode facing the cathode 2 1 or the side of the cathode 2 facing the anode 1 with a coating 1a, 2a comprising the ion exchange material A + , 40.
  • one of the coatings 2a, 3a, 1a, 3b shown is sufficient for protecting the anode 1.
  • the coating (s) 2a, 3a, 1a, 3b can in particular be formed from the alkali ion-loaded A + , inorganic ion exchange material 40 and, in particular, contain at most low amounts of binder.
  • the embodiment shown in FIG. 4 differs essentially from the embodiment shown in FIGS. 2 and 3 in that the cell does not comprise a polymeric matrix material layer 30, but only an ion-exchange layer formed from the alkali-ion-charged A + , inorganic ion exchange material 40 such acts as a separator 3.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Alkali-Zelle, beispielsweise Lithium-Ionen-Zelle, welche eine Anode (1), eine Kathode (2) und einen zwischen der Anode (1) und der Kathode (2) angeordneten Separator (3) umfasst. Um die Lebensdauer und Sicherheit der Zelle zu erhöhen, umfasst mindestens eine zwischen der Anode (1) und der Kathode (2) angeordnete Schicht (3, 3a, 3b, 1a, 2a) mindestens ein mit Alkaliionen (A+) beladenes, anorganisches lonenaustauschmaterial (40). Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Separator (3), eine Anode (1) und eine Kathode (2), welche ein mit Alkaliionen (A+) beladenes, anorganisches lonenaustauschmaterial (40) umfasst sowie Verfahren zu deren Herstellung und ein entsprechend ausgestattetes Energiespeichersystem.

Description

Beschreibung Titel
Lithium-Ionen-Zelle mit anorganischem Ionenaustauscher
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Alkali-Zelle, einen Separator, eine Anode, eine Kathode, Verfahren zu deren Herstellung sowie ein Energiespeichersystem.
Stand der Technik
Lithium- Ionen- Batterien sind derzeit stark im Fokus der Forschung und
Entwicklung für die Anwendung als Energiespeicher für Fahrzeuge, wie Elektro- und Hybridfahrzeuge, oder für stationäre Energiespeichersysteme.
Für diese Anwendungen ist eine lange Lebensdauer und hohe Sicherheit der Batterie von besonderem Interesse.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Alkali-Zelle, welche eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator umfasst.
Unter einer Alkali-Zelle kann dabei insbesondere eine elektrochemische Zelle beziehungsweise ein galvanisches Element verstanden werden, deren elektrochemische Reaktion auf einer Redox- Reaktion eines Alkalimetalls beruht. Die Alkali-Zelle kann beispielsweise eine Alkali-Interkalationsanode, also eine Anode, die ein Interkalationsmaterial, wie Graphit, umfasst, in welches
Alkalimetallatome reversibel eingelagert (interkaliert) und wieder ausgelagert (deinterkaliert) werden können, als auch eine Alkali- Metallanode, welche ein metallisches Alkalimetall oder eine Alkalimetalllegierung oder ein mit einem
Alkalimetall legierbares Metall/Halbmetall beziehungsweise (Halb-)
Metalllegierung umfasst, aufweisen.
Insbesondere kann die Alkali-Zelle eine Lithium-Zelle sein.
Unter einer Lithium-Zelle kann insbesondere eine elektrochemische Zelle beziehungsweise ein galvanisches Element verstanden werden, deren elektrochemische Reaktion auf einer Redox- Reaktion von Lithium beruht. Um die Lebensdauer und Sicherheit der Zelle zu erhöhen, umfasst mindestens eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Schicht mindestens ein mit Alkaliionen beladenes, anorganisches lonenaustauschmaterial.
Die Lebensdauer verlängernde Wirkung des lonenaustauschmaterials beruht darauf, dass festgestellt wurde, dass beim Gebrauch von Hochenergie-Alkali- Batterien, insbesondere Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien, an der Kathode häufig eine Auflösung von zweiwertigen und/oder mehrwertigen Metallionen, wie Mangan-, Nickel- und Cobalt-Ionen, aus dem Aktivmaterial der Kathode in dem Elektrolyten auftritt. Zudem kann vor allem auch auf der Kathodenseite eine Oxidation des Elektrolyten auftreten, bei der protische Abbauprodukte entstehen können. Die kathodenseitig gebildeten Abbauprodukte beziehungsweise Alterungsprodukte können bei herkömmlichen Zellen in dem Elektrolyten durch den Separator hindurch zu der Anode diffundieren und dort abgeschieden werden und/oder zu einer Vergiftung der Anode, beispielsweise durch einen, insbesondere katalytischen, Abbau des auf der Anode gebildeten Schutzfilms, die so genannten SEI (Englisch: Solide Electrolyte Interface), und damit zu einer beschleunigten Zellalterung führen. Da bei der erfindungsgemäßen Zelle jedoch mindestens eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Schicht das alkaliionenbeladene, anorganische lonenaustauschmaterial umfasst, müssen kathodenseitig gebildete Abbauprodukte zunächst das alkaliionenbeladene, anorganische lonenaustauschmaterial passieren. An dem alkaliionenbeladenen, anorganischen lonenaustauschmaterial verdängen jedoch sowohl zweiwertige und mehrwertige Metallionen, wie Mangan-, Nickel- und Cobalt-Ionen, als auch Protonen die beladenen Alkaliionen und werden unter Freisetzung von
Alkaliionen an dem lonenaustauschmaterial gebunden und somit vor dem
Erreichen der Anode abgefangen und unschädlich gemacht. Nach dem
Passieren des lonenaustauschmaterials können daher nur noch Alkaliionen zu der Anode diffundieren. Auf diese Weise kann eine Diffusion sowohl von zweiwertigen und mehrwertigen Metallionen, wie Mangan-, Nickel- und Cobalt- Ionen, als auch Protonen zu der Anode zumindest deutlich verringert oder sogar ganz unterbunden werden, insbesondere ohne dabei die Diffusion von
Alkaliionen zu behindern. Eine Abscheidung von zweiwertigen und mehrwertigen Metallen, wie Mangan, Nickel und Cobalt, an der Anode und/oder eine Vergiftung der Anode durch die kathodenseitig gebildeten Abbauprodukte und insbesondere ein Abbau des SEI-Schutzfilms sowie eine damit verbundene Zellalterung können so vorteilhafterweise vermieden und damit die Lebensdauer der Zelle deutlich verlängert werden.
Vorteilhafterweise tragen dabei die durch den lonenaustausch freigesetzten Alkaliionen zusätzlich zu einer Verlängerung der Lebensdauer bei, da durch diese Verlust von Alkaliionen, welche in der Zelle kontinuierlich zum Aufbau des SEI-Schutzfilms beziehungsweise zur Reparatur von Alterungsrissen in dem SEI- Schutzfilm auf der Anode verbraucht werden, kompensiert und so die
Lebensdauer auch auf diese Weise verlängert werden kann.
Zudem kann durch das alkaliionenbeladene, anorganische
lonenaustauschmaterial die Sicherheit der Zelle erhöht werden, da die das lonenaustauschmaterial enthaltende Schicht aufgrund der anorganischen Beschaffenheit des lonenaustauschmaterials auch die Funktion einer
Sicherheitsschicht, einer so genannten Safety- Function- Layer, erfüllt, in dem es eine mechanisch stabilisierende und gegebenenfalls auch separierende Funktion übernimmt. Auf diese Weise kann zum Einen ein polymeres Separatormaterial, beispielsweise eines Polyethylen-(PE)-Separators, welches Partikel des anorganischen lonenaustauschmaterials enthält und/oder mit diesen beschichtet ist und ansonsten beispielsweise bereits bei Temperaturen von > 100°C irreversible Schrumpfungen und Verformungen zeigen könnte, thermisch stabilisiert werden und durch das anorganische lonenaustauschmaterial zum Beispiel selbst bei einem Defekt der polymeren Separatorschicht noch eine die Anode und Kathode separierende Schicht aufrechterhalten werden. Zum
Anderen kann gegebenenfalls auch eine Schicht aus dem alkaliionenbeladenen, anorganischen lonenaustauschmaterial selbst als Separator fungieren, so dass gegebenenfalls auf den Einsatz von temperaturempfindlichen, polymeren Separatormaterialien verzichtet werden kann. Durch die mechanisch
stabilisierende und gegebenenfalls separierende Wirkung des anorganischen lonenaustauschmaterials kann vorteilhafterweise ein thermisches Durchgehen der Zelle (Englisch: Thermal Runaway) vermieden und somit die Sicherheit der Zelle erhöht werden. Durch das anorganische lonenaustauschmaterial kann dabei zudem auch auf den Einsatz von chemisch unfunktionalen, ausschließlich zur Erhöhung der mechanischen Stabilität dienenden anorganischen Partikeln verzichtet werden, wodurch vorteilhafterweise Gewicht und Kosten sowie die Energiedichte optimiert werden können.
Es ist möglich, dass das lonenaustauschmaterial mit Ionen eines Alkalimetalls zu beladen, welches unterschiedlich von dem Alkalimetall ist, auf dem die elektrochemische (Redox-) Reaktion der Zelle beruht beziehungsweise welches unterschiedlich vom Alkalimetall der Katode und/oder der Anode und/oder des Elektrolyten ist. Alkalimetalle neigen im Gegensatz zu zweiwertigen und mehrwertigen Metallionen kaum zu einer katalytischen Wirkung, weswegen auch durch eine Beladung mit andersartigen Alkaliionen ein positiver Effekt erzielt werden kann.
Dadurch, dass das lonenaustauschmaterial mit Ionen des (gleichen) Alkalimetalls beladen ist, auf welchem auch die elektrochemische (Redox-) Reaktion der Zelle beruht beziehungsweise welches das gleiche Alkalimetall wie das Alkalimetall der Kathode und/oder der Anode und/oder des Elektrolyten ist, können jedoch vorteilhafterweise unerwünschte Nebenreaktionen minimiert oder vollständig ausgeschlossen und zudem der zuvor beschriebene Reparatureffekt am SEI- Schutzfilm erzielt werden. Im Rahmen einer Ausführungsform ist daher das mindestens eine
lonenaustauschmatenal mit Ionen des Alkalimetalls beladen, auf welchem (auch) die elektrochemische (Redox-)Reaktion der Zelle beruht. Wie bereits erläutert, kann es sich bei der Zelle insbesondere um eine Lithium-
Zelle handeln. Die Anode der Zelle kann dabei zum Beispiel mit Lithium interkalierbar und/oder legierbar beziehungsweise lithiuminterkalationsfähige und/oder lithiumlegierungsfähig/lithiumalloyfähig sein. Beispielsweise kann die Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere mit einer
Lithiuminterkalationsanode, zum Beispiel mit Graphit als Interkalationsmaterial, oder eine Lithium- Metall-Zelle, insbesondere mit einer Lithiummetallanode, welche metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung umfasst, oder mit einer Lithiumlegierungsanode, welche ein mit lithiumlegierbares Metall/Halbmetall, zum Beispiel Silizium, oder eine mit Lithium legierbare (Halb-) Metalllegierung, zum Beispiel eine Siliziumlegierung, umfasst oder daraus ausgebildet ist, sein.
Insbesondere kann die Zelle eine (wiederauf lad bare) Sekundärzelle sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist daher die Zelle eine Lithium-Zelle und das mindestens eine lonenaustauschmatenal mit Lithiumionen beladen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Anode eine
Lithiuminterkalationsanode, zum Beispiel auf der Basis von Graphit, oder eine Lithiumlegierungsanode, zum Beispiel auf der Basis von Silizium. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Zelle eine Lithium-Ionen-
Zelle, insbesondere mit einer Lithiuminterkalationsanode. Insbesondere kann daher die Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle und das mindestens eine
lonenaustauschmatenal mit Lithiumionen beladen sein. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das mindestens eine lonenaustauschmatenal ein, insbesondere alkaliionenbeladenes, beispielsweise lithiumionenbeladenes, Silikat und/oder Aluminat. Beispielsweise kann das mindestens eine lonenaustauschmatenal ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen, beispielsweise lithiumionenbeladenen, Silikate und/oder Aluminate. Zum Beispiel kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes, beispielsweise lithiumionenbeladenes, Silikat und/oder Aluminat sein.
Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial einen, insbesondere alkaliionenbeladenen, beispielsweise lithiumionenbeladenen,
Zeolithen umfassen. Zum Beispiel kann das mindestens eine
lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen, beispielsweise lithiumionenbeladenen, Zeolithe. Zum Beispiel kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladener, beispielsweise lithiumionenbeladener, Zeolith sein. Zeolithe haben sich als lonenaustauschmaterial als besonders vorteilhaft erwiesen, da durch diese sowohl ein Trocknungseffekt als auch ein säureabfangender Effekt erzielt werden kann. Durch den Einsatz eines getrockneten Zeolithen können daher vorteilhafterweise auch im Elektrolyten befindliches oder entstehendes Wasser sowie Elektrolyten befindlicher oder entstehender Fluorwasserstoff (H F) absorbiert und dadurch für die Zelle und deren Umgebung unschädlich gemacht werden. Die Absorption von Wasser und Fluorwasserstoff wirkt sich dabei weiterhin vorteilhaft auf eine Steigerung der Lebensdauer aus. Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial einen Alkali-
Zeolithen, beispielsweise einen Lithium-Zeolithen und/oder einen Natrium- Zeolithen, umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine
lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Alkali-Zeolithe, beispielsweise der Zeolithe von Lithium und/oder Natrium. Zum Beispiel kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ein Alkali-Zeolith, beispielsweise ein Lithium-Zeolith und/oder ein Natrium-Zeolith, sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das mindestens eine lonenaustauschmaterial einen Lithium-Zeolith. Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der
Lithium-Zeolithe. Zum Beispiel kann das mindestens eine
lonenaustauschmaterial ein Lithium-Zeolith sein. Lithium-Zeolithe haben sich für Lithium-Zellen als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie sowohl zweiwertige und mehrwertige Metallionen, wie Mangan-, Nickel- und Cobalt-Ionen, als auch Protonen abgefangen und unschädlich machen können und dabei Lithiumionen freisetzen, welche an der Anode keine unerwünschte Nebenreaktionen verursachen und zudem vorteilhafterweise den SEI-Schutzfilm aufbauen beziehungsweise reparieren können.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der Separator das mindestens eine lonenaustauschmaterial. Auf diese Weise kann der Separator vorteilhafterweise wie ein selektives lonensieb wirken und schädliche Stoffe, wie zweiwertige und mehrwertige Metallionen, zum Beispiel Manganionen, aus dem Elektrolyten filtrieren.
Beispielsweise kann der Separator eine Schicht aufweisen, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial umfasst.
Zum Beispiel kann der Separator ein Polymerseparator, zum Beispiel ein Polyolefin-Separator, beispielsweise ein Polyethylen- und/oder Polypropylen- Separator, sein, in dessen Matrix Partikel des mindestens einen
lonenaustauschmaterials eingebracht sind und/oder der, insbesondere einseitig oder beidseitig, mit einer das mindestens eine lonenaustauschmaterial enthaltenden oder daraus ausgebildeten Beschichtung versehen ist, oder ein aus dem mindestens einen lonenaustauschmaterial ausgebildeter Separator sein.
Im Rahmen einer Ausgestaltung der Ausführungsform ist das mindestens eine lonenaustauschmaterial, insbesondere Partikel des mindestens einen lonenaustauschmaterials, in ein, insbesondere polymeres, Matrixmaterial des Separators eingebracht. Als Matrixmaterial können zum Beispiel Polyolefine, wie Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), eingesetzt werden.
Gegebenenfalls können auch andere organische Materialien oder anorganische Materialien als Matrixmaterial eingesetzt werden. Insbesondere kann der Separator eine Schicht aus einem, insbesondere polymeren, Matrixmaterial, aufweisen, in dessen Matrix das mindestens eine lonenaustauschmaterial, insbesondere Partikel des mindestens einen lonenaustauschmaterials, eingebracht ist beziehungsweise sind.
Im Rahmen einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung der Ausführungsform weist der Separator mindestens eine Beschichtung auf, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Zum Beispiel kann der Separator, insbesondere einseitig oder beidseitig, eine Beschichtung aufweisen, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Separator eine Schicht aus einem, insbesondere polymeren, Material, aufweisen, welche, insbesondere einseitig oder beidseitig, mit einer Beschichtung versehen ist, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Dabei kann die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht sowohl das mindestens eine lonenaustauschmaterial enthalten und beispielsweise damit gefüllt sein, als auch
ionenaustauschmaterialfrei sein. Als polymeres Material für die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht können zum Beispiel Polyolefine, wie Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), eingesetzt werden. Gegebenenfalls können auch andere organische Materialien oder anorganische Materialien für die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht eingesetzt werden.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung der Ausführungsform weist der Separator eine Schicht, insbesondere eine lonenaustauschmaterialschicht, auf, welche aus dem mindestens einen lonenaustauschmaterial ausgebildet ist.
Gegebenenfalls kann der Separator dabei nur diese (lonenaustauschmaterialschicht aufweisen beziehungsweise daraus bestehen. Mit anderen Worten, die (lonenaustauschmaterial-)Schicht kann als Separator dienen beziehungsweise der Separator sein.
Unter ausgebildet kann insbesondere verstanden werden, dass die
Schicht/Beschichtung im Wesentlichen, beispielsweise zu mehr als 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht, aus dem mindestens einen lonenaustauschmaterial besteht und nur geringe Mengen anderer Stoffe, beispielsweise an Bindemitteln, umfasst. Zum Beispiel kann eine aus dem mindestens einen lonenaustauschmaterial ausgebildete Schicht/Beschichtung größer oder gleich 95 Gew.-%, gegebenenfalls sogar größer oder gleich
98 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht/Beschichtung, an dem mindestens einen lonenaustauschmaterial umfassen. Gegebenenfalls kann eine aus dem mindestens einen lonenaustauschmaterial ausgebildete Schicht beziehungsweise Beschichtung, insbesondere geringe Mengen, eines
Bindemittels enthalten, welches zum Beispiel Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyolefine, wie Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), Polyimide, Carboxymethylcellulose (CMC), Styrolbutadien- Kautschuk (SBR) und/oder Polyacrylate umfassen kann.
Es ist jedoch ebenso möglich direkt die Elektroden mit dem mindestens einen lonenaustauschmaterial zu beschichten.
Im Rahmen einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weist daher die Anode und/oder die Kathode eine Beschichtung auf, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Insbesondere kann dabei die der Kathode zugewandte Seite der Anode und/oder die der Anode zugewandte Seite der Kathode eine Beschichtung aufweisen, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Die Beschichtung kann dabei sowohl zusätzlich zu einem
Separator, beispielsweise lonenaustauschmaterial gefüllten und/oder
beschichteten oder daraus ausgebildeten, Separator, vorgesehen sein als auch selbst, zum Beispiel als einziger, Separator dienen.
Weiterhin kann die Zelle insbesondere einen Elektrolyten umfassen. Der Elektrolyt kann insbesondere mindestens ein Elektrolytlösungsmittel und mindestens ein Leitsalz umfassen. Das mindestens eine Elektrolytlösungsmittel kann zum Beispiel ausgewählt sein aus der Gruppe der organischen Carbonate, wie Ethylencarbonat und/oder Dimethylcarbonat, Ether und Mischungen davon. Das mindestens eine Leitsalz kann beispielsweise ein lithiumhaltiges Leitsalz, zum Beispiel Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), sein.
Die Kathode kann als, insbesondere elektrochemisch aktives, Kathodenmaterial beispielsweise eines oder mehrere Metalloxide, zum Beispiel Nickel- und/oder
Cobalt- und/oder Mangan-Oxid, beispielsweise Nickelcobaltmanganoxid (NMC), aufweisen.
Eine erfindungsgemäße Zelle kann beispielsweise durch das später erläuterte erfindungsgemäße Verfahren hergestellt sein. Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Separator, der erfindungsgemäßen Kathode und/oder Anode, den erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen
Verwendung, dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie auf die Figurenbeschreibung und die Figuren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Separator für eine Alkali-Zelle, beispielsweise eine Lithium-Zelle, zum Beispiel eine Lithium-Ionen- Zelle oder eine Lithium-Metall-Zelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, welcher mindestens ein mit Alkaliionen beladenes oder beladbares,
anorganisches lonenaustauschmaterial umfasst. Insbesondere kann der Separator mindestens ein mit Lithiumionen beladenes oder beladbares anorganisches lonenaustauschmaterial umfassen.
Unter einem mit Alkaliionen beziehungsweise Lithiumionen beladbaren lonenaustauschmaterial kann insbesondere ein lonenaustauschmaterial verstanden werden, welches mit Ionen, beispielsweise Ammoniumionen, beladen ist, die gegen Alkaliionen beziehungsweise Lithiumionen ausgetauscht werden können.
Dies ermöglicht es vorteilhafterweise auch lonenaustauschmaterialien zu verwenden, welche zunächst mit anderen Ionen als Alkaliionen, beispielsweise Ammoniumionen, beladen sind und welche beispielsweise mittels
lonenaustausch mit den gewünschten Alkaliionen beladen und in die
gewünschten alkaliionenbeladenen lonenaustauschmaterialien überführt werden können. So kann vorteilhafterweise die Materialauswahl vergrößert werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst das mindestens eine
lonenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder
lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat. Beispielsweise kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Silikate und/oder Aluminate Zum Beispiel kann das mindestens eine lonenaustauschmatenal ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat sein.
Beispielsweise kann das mindestens eine lonenaustauschmatenal einen, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Zeolithen umfassen.
Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmatenal ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder
alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder
lithiumionenbeladbaren, Zeolithe. Zum Beispiel kann das mindestens eine lonenaustauschmatenal ein, insbesondere alkaliionenbeladener oder alkaliionenbeladbarer, beispielsweise lithiumionenbeladener oder
lithiumionenbeladbarer, Zeolith sein.
Zum Beispiel kann das mindestens eine lonenaustauschmatenal einen Alkali- Zeolithen, beispielsweise einen Lithium-Zeolithen und/oder einen Natrium-
Zeolithen und/oder einen Ammonium-Zeolithen, umfassen. Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmatenal ausgewählt sein aus der Gruppe der Alkali-Zeolithe, beispielsweise der Zeolithe von Lithium, Natrium und/oder Ammonium. Beispielsweise kann das mindestens eine lonenaustauschmatenal ein Alkali-Zeolith, zum Beispiel ein Lithium-Zeolith und/oder Natrium-Zeolith und/oder Ammonium-Zeolith, sein. Ammonium-Zeolithe können
vorteilhafterweise durch einen lonenaustausch mit Lithiumionen und/oder Natriumionen, insbesondere Lithiumionen, beladen und in Lithium-Zeolithe beziehungsweise Natrium-Zeolithe umgewandelt werden.
Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmatenal einen Lithium- Zeolithen umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine
lonenaustauschmatenal ausgewählt sein aus der Gruppe der Lithium-Zeolithe. Zum Beispiel kann mindestens eine lonenaustauschmatenal ein Lithium-Zeolith sein. Zum Beispiel kann der Separator mindestens eine Schicht aufweisen, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine
lonenaustauschmaterial, insbesondere Partikel des mindestens einen
lonenaustauschmaterials, in ein, insbesondere polymeres, Matrixmaterial des Separators eingebracht. Als Matrixmaterial können zum Beispiel Polyolefine, wie Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), eingesetzt werden.
Gegebenenfalls können auch andere organische Materialien oder anorganische Materialien als Matrixmaterial eingesetzt werden. Insbesondere kann der Separator eine Schicht aus einem, insbesondere polymeren, Matrixmaterial, aufweisen, in dessen Matrix das mindestens eine lonenaustauschmaterial, insbesondere Partikel des mindestens einen lonenaustauschmaterials, eingebracht ist.
Im Rahmen einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung weist der Separator mindestens eine Beschichtung auf, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Zum Beispiel kann der Separator, insbesondere einseitig oder beidseitig, eine Beschichtung aufweisen, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Separator eine Schicht aus einem, insbesondere polymeren, Material, aufweisen, welche, insbesondere einseitig oder beidseitig, mit einer Beschichtung versehen ist, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Dabei kann die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht sowohl das mindestens eine lonenaustauschmaterial enthalten und beispielsweise damit gefüllt sein, als auch ionenaustauschmaterialfrei sein. Als polymeres Material für die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht können zum Beispiel Polyolefine, wie Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), eingesetzt werden. Gegebenenfalls können auch andere organische Materialien oder anorganische Materialien für die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht eingesetzt werden. Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung weist der Separator eine Schicht, insbesondere eine lonenaustauschmaterialschicht, auf, welche aus dem mindestens einen lonenaustauschmaterial ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann der Separator dabei nur diese (lonenaustauschmaterial-)Schicht aufweisen beziehungsweise daraus bestehen. Mit anderen Worten, die
(lonenaustauschmaterial-)Schicht kann als Separator dienen beziehungsweise der Separator sein.
Zum Beispiel kann der Separator ein Polymerseparator, beispielsweise ein Polyolefin-Separator, wie ein Polyethylen- und/oder Polypropylen-Separator, sein, in dessen Matrix Partikel des mindestens einen lonenaustauschmaterials eingebracht sind und/oder der, insbesondere einseitig oder beidseitig, mit einer das mindestens eine lonenaustauschmaterial enthaltenden oder daraus ausgebildeten Beschichtung versehen ist, oder ein aus dem mindestens einen lonenaustauschmaterial ausgebildeter Separator sein.
Ein erfindungsgemäßer Separator kann beispielsweise durch das später erläuterte erfindungsgemäße Verfahren hergestellt sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Separators wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, der erfindungsgemäßen Kathode und/oder Anode, den erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verwendung, dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie auf die Figurenbeschreibung und die Figuren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anode oder Kathode für eine Alkali-Zelle, beispielsweise eine Lithium-Zelle, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Zelle oder eine Lithium-Metall-Zelle, insbesondere eine
Lithium-Ionen-Zelle, welche eine Beschichtung aufweist, die mindestens ein mit Alkaliionen beladenes oder beladbares, anorganisches lonenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Insbesondere kann die Anode oder Kathode eine Beschichtung aufweisen, welche mindestens ein Lithiumionen beladenes oder beladbares, anorganisches lonenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst das mindestens eine
lonenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder
lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Silikate und/oder Aluminate. Zum Beispiel kann das mindestens eine
lonenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder
lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat sein.
Beispielsweise kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial einen, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Zeolithen umfassen. Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder
alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder
lithiumionenbeladbaren, Zeolithe. Zum Beispiel kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladener oder alkaliionenbeladbarer, beispielsweise lithiumionenbeladener oder
lithiumionenbeladbarer, Zeolith sein.
Zum Beispiel kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial einen Alkali- Zeolithen, beispielsweise einen Lithium-Zeolithen und/oder einen Natrium- Zeolithen und/oder einen Ammonium-Zeolithen, umfassen. Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Alkali-Zeolithe, beispielsweise der Zeolithe von Lithium, Natrium und/oder Ammonium. Beispielsweise kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ein Alkali-Zeolith, zum Beispiel ein Lithium-Zeolith und/oder Natrium-Zeolith und/oder Ammonium-Zeolith, sein. Ammonium-Zeolithe können
vorteilhafterweise durch einen lonenaustausch mit Lithiumionen und/oder Natriumionen, insbesondere Lithiumionen, beladen und in Lithium-Zeolithe beziehungsweise Natrium-Zeolithe umgewandelt werden.
Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial einen Lithium- Zeolithen umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine
lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Lithium-Zeolithe. Zum Beispiel kann mindestens eine lonenaustauschmaterial ein Lithium-Zeolith sein.
Insbesondere kann eine Seite der Anode oder Kathode mit der Beschichtung versehen sein beziehungsweise die Anode oder Kathode kann einseitig mit dem mindestens einen lonenaustauschmaterial beschichtet sein. Insbesondere kann dabei diejenige Seite der Anode, welche im Zellaufbau der Kathode zugewandte ist, und/oder diejenige Seite der Kathode, welche im Zellaufbau der Anode zugewandt ist, die Beschichtung aufweisen.
Ein erfindungsgemäße Anode und/oder Kathode kann beispielsweise durch das später erläuterte erfindungsgemäße Verfahren hergestellt sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Anode oder Kathode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Separator, den erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen
Verwendung, dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie auf die Figurenbeschreibung und die Figuren verwiesen.
Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators, einer erfindungsgemäßen Anode und/oder Kathode sowie einer erfindungsgemäßen Zelle.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators, einer erfindungsgemäßen Anode beziehungsweise einer erfindungsgemäßen Kathode, kann insbesondere den Verfahrensschritt: Beschichten einer Separator-,
Anoden- oder Kathodenschicht, zum Beispiel eines/einer herkömmlichen Separators, Anode oder Kathode, mit einer Beschichtungskomponente, welche mindestens ein mit Alkaliionen beladenes oder beladbares, anorganisches lonenaustauschmaterial umfasst, umfassen. Das Beschichten kann dabei zum Beispiel durch Sprühen, Tauchen und/oder
Bandbeschichten erfolgen. Die Beschichtungskomponente kann dabei neben dem mindestens einen lonenaustauschmaterial mindestens ein Bindemittel und gegebenenfalls mindestens ein Lösungsmittel umfassen. Das mindestens eine Bindemittel kann dabei zum Beispiel ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyolefinen, wie Polyethylen (PE) und/oder
Polypropylen (PP), Polyimiden, Carboxymethylcellulose (CMC), Styrolbutadien- Kautschuk (SBR), Polyacrylaten und Kombinationen beziehungsweise
Mischungen davon. Das mindestens eine Bindemittel kann dabei zum Einen zum Binden von einzelnen (Pulver-) Partikel des mindestens einen
lonenaustauschmaterials untereinander (Kohäsion) als auch zur Anbindung der dadurch ausgebildeten Schicht an der Separator-, Anoden- beziehungsweise Kathodenschicht (Adhäsion) dienen.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators die Verfahrensschritte: Mischen einer Separator-
Rohmasse mit mindestens einem mit Alkaliionen beladenen oder beladbaren, anorganischen lonenaustauschmaterial und Ausbilden einer Separatorschicht aus der Separator-Rohmassen-Ionenaustauschmaterial-Mischung umfassen. Dabei kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial vorteilhafterweise, insbesondere direkt bei der Herstellung des Separators, zum Beispiel in Form eines Pulvers in die Separator- Rohmasse eindispergiert werden. Auf diese Weise hergestellte Separatoren, können dann vorteilhafterweise sehr fein verteiltes lonenaustauschmaterial beinhalten. Das mindestens eine lonenaustauschmaterial kann dabei zum Beispiel ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Silikate und/oder Aluminate. Zum Beispiel kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat sein.
Beispielsweise kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial einen, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Zeolithen umfassen.
Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder
alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder
lithiumionenbeladbaren, Zeolithe. Zum Beispiel kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladener oder
alkaliionenbeladbarer, beispielsweise lithiumionenbeladener oder
lithiumionenbeladbarer, Zeolith sein.
Zum Beispiel kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial einen Alkali- Zeolithen, beispielsweise einen Lithium-Zeolithen und/oder einen Natrium- Zeolithen und/oder einen Ammonium-Zeolithen, umfassen. Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Alkali-Zeolithe, beispielsweise der Zeolithe von Lithium, Natrium und/oder Ammonium. Beispielsweise kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial ein Alkali-Zeolith, zum Beispiel ein Lithium-Zeolith und/oder Natrium-Zeolith und/oder Ammonium-Zeolith, sein.
Ammonium-Zeolithe können vorteilhafterweise durch einen lonenaustausch mit Lithiumionen und/oder Natriumionen, insbesondere Lithiumionen, beladen und in Lithium-Zeolithe beziehungsweise Natrium-Zeolithe umgewandelt werden.
Daher kann das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators, einer erfindungsgemäßen Anode beziehungsweise einer erfindungsgemäßen Kathode, beispielsweise vor oder nach dem Verfahrensschritt des Beschichtens und/oder Mischens, den Verfahrensschritt des Beiadens des mindestens einen, insbesondere alkaliionenbeladbaren, anorganischen, lonenaustauschmaterials mit Alkaliionen mittels lonenaustausch umfassen. Beispielsweise können dabei Ammoniumionen gegen Lithiumionen und/oder Natriumionen, insbesondere Lithiumionen, ausgetauscht werden.
Insbesondere kann das mindestens eine lonenaustauschmaterial einen Lithium- Zeolithen umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine
lonenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Lithium-Zeolithe. Zum Beispiel kann mindestens eine lonenaustauschmaterial ein Lithium-Zeolith sein. Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zelle kann insbesondere den Verfahrensschritt: Assemblieren einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und gegebenenfalls einer Separatorschicht zu einer galvanischen Zelle, wobei die Anodenschicht, die Kathodenschicht und/oder die Separatorschicht mindestens ein Alkaliionen beladenes, anorganisches lonenaustauschmaterial umfasst. Insbesondere können dabei die Anodenschicht, die Kathodenschicht und/oder die Separatorschicht durch ein vorstehend beschriebenes
Herstellungsverfahren hergestellt sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Separator, der
erfindungsgemäßen Kathode und/oder Anode, der erfindungsgemäßen
Verwendung, dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie auf die Figurenbeschreibung und die Figuren verwiesen.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung eines mit Alkaliionen beladenen oder beladbaren, insbesondere mit Lithiumionen beladenen oder beladbaren, anorganischen lonenaustauschmaterials, beispielsweise eines Alkali-Zeolithen, insbesondere Lithium-Zeolithen, zur Herstellung einer Alkali-
Zelle, insbesondere Lithium-Zelle, beispielsweise Lithium-Ionen-Zelle, zum Beispiel zur Herstellung eines Separators und/oder einer Anode und/oder einer Kathode einer solchen Zelle. Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Separator, der erfindungsgemäßen Kathode und/oder Anode, den erfindungsgemäßen
Verfahren, dem erfindungsgemäßen Energiesystem sowie auf die
Figurenbeschreibung und die Figuren verwiesen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie beziehungsweise ein Energiespeichersystem, insbesondere für ein Fahrzeug, beispielsweise ein
Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, oder zum stationären Betrieb,
beispielsweise in einem Gebäude, welches (mindestens) eine erfindungsgemäße Zelle, einen erfindungsgemäßen Separator, eine erfindungsgemäße Anode und/oder eine erfindungsgemäße Kathode umfasst. Die Batterie kann
insbesondere zwei oder mehr, zum Beispiel eine Vielzahl von,
erfindungsgemäßen Zellen aufweisen und beispielsweise eine
(wiederaufladbare) Batterie beziehungsweise Sekundärbatterie sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Separator, der erfindungsgemäßen Kathode und/oder Anode, den
erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figurenbeschreibung und die Figuren verwiesen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle;
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. 1 ,
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt zur Veranschaulichung weiterer
Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Zelle; und
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt zur Veranschaulichung noch einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle.
Figur 1 zeigt eine Alkali-Zelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, welche zwei Elektroden 1 ,2, nämlich eine Anode 1 und eine Kathode 2, aufweist. Figur 1 zeigt, dass dabei die Anode 1 und die Kathode 2 durch eine für Alkaliionen permeable Membran, den so genannten Separator 3, räumlich voneinander getrennt sind und keinen direkten elektrischen Kontakt miteinander aufweisen. Figur 1 zeigt weiterhin, dass die Zelle zudem einen Anodenstromableiter 4, beispielsweise aus Kupfer, zum Beispiel in Form einer Kupferfolie, und einen Kathodenstromableiter 5, beispielsweise aus Aluminium, zum Beispiel in Form einer Aluminiumfolie, aufweist, welche jeweils an der äußeren, insbesondere vom Separator 3 beziehungsweise der Gegenelektrode 1 ,2 abgewandten, Seite der Anode 1 beziehungsweise der Kathode 2 anliegen.
Figur 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1 und veranschaulicht, dass die Zelle darüber hinaus in einem Elektrolyten (nicht dargestellt) solvatisierte Alkaliionen A+ umfasst, bei denen es sich im Fall einer Lithium-Zelle um Lithiumionen (Li+) handelt, welche durch den Separator 3 von der Kathode 2 zur Anode 1 und zurück permeieren können. Bei chemisch anders ausgelegten Zellen, können statt Lithiumionen auch Natriumionen (Na+) oder Kaliumionen (K+) verwendet werden.
Die Figuren 1 und 2 zeigen, dass die Anode 1 im Fall einer Lithium-Ionen-Zelle ein Interkalationsmaterial 10,1 1 , zum Beispiel Graphit, umfasst, welches bei der Assemblierung der Zelle zunächst lithiumfrei sein kann und erst im ersten Ladezyklus mit Lithiumatomen (Li) A interkaliert werden kann.
Figur 2 veranschaulicht, dass sich während des ersten Ladezyklus zudem aus dem lithiumionenhaltigen Elektrolyt ein Schutzfilm 12 auf der Anode 1 , die so genannte SEI, ausbildet, welcher 12 aus Abbauprodukten verschiedenster chemischer Zusammensetzung ausgebildet wird, nur wenige Nanometer dick ist und die Anode 1 vor dem Interkalieren von Elektrolytlösungsmittelmolekülen in das Interkalationsmaterial 10,1 1 , beispielsweise in den Graphit, schützt, was ansonsten zu einer Exfoliierung und Zerstörung des Interkalationsmaterials 10,1 1 führen könnte.
Die Figur 1 und 2 zeigen weiterhin, dass die Kathode 2 ein Kathodenmaterial 20 umfasst, bei dem es sich im Fall einer Lithium-Ionen-Zelle insbesondere um ein Oxid von zwei- und/oder mehrwertiger Metalle, beispielsweise um ein Nickel-,
Mangan- und/oder Cobalt-Oxid, zum Beispiel Nickelmangancobaltoxid (NMC), handeln kann.
Figur 2 veranschaulicht, dass sich bei derartigen Kathodenmaterialien 20 während des Betriebes zweiwertige und/oder mehrwertige Metallionen Yx+, wie
Manganionen (Mn2+), Nickelionen (Ni2+) und/oder Cobaltionen (Co2+), aus dem Aktivmaterial 20 der Kathode 2 in dem Elektrolyten auflösen können. Zudem kann vor allem auch auf der Kathodenseite eine Oxidation des Elektrolyten auftreten, bei der protische Abbauprodukte (nicht dargestellt) entstehen können. Die kathodenseitig gebildeten Abbauprodukte Yx+ können bei herkömmlichen
Zellen in dem Elektrolyten durch den Separator 3 hindurch zu der Anode 1 diffundieren und dort abgeschieden werden und/oder zu einer Vergiftung der Anode 1, beispielsweise durch einen, insbesondere katalytischen, Abbau der SEI 12 und damit zu einer beschleunigten Zellalterung führen.
Figur 2 veranschaulicht, dass eine Diffusion der kathodenseitigen Abbauprodukte Yx+ durch den Separator 3 zur Anode durch ein erfindungsgemäßes
alkaliionenbeladenes A+, insbesondere lithiumionenbeladenes (Li+),
anorganische lonenaustauschmaterial 40 verhindert werden kann, welches in Figur 2 sowie in den folgenden Figuren 3 und 4 durch Fünfecke schematisiert dargestellt ist. Figur 2 zeigt, dass die kathodenseitigen Abbauprodukte, insbesondere Metallionen, Yx+ in der erfindungsgemäßen Zelle zunächst das alkaliionenbeladene A+, insbesondere lithiumionenbeladenes (Li+), anorganische lonenaustauschmaterial 40 passieren müssen. An dem alkaliionenbeladenen A+, insbesondere lithiumionenbeladenes (Li+), anorganischen lonenaustauschmaterial 40 verdängen jedoch sowohl zweiwertige und
mehrwertige Metallionen Yx+, wie Manganionen (Mn2+), Nickelionen (Ni2+) und/oder Cobaltionen (Co2+), Yx+ als auch Protonen die beladenen Alkaliionen A+, insbesondere Lithiumionen (Li+), und werden unter Freisetzung von Alkaliionen A+, insbesondere Lithiumionen (Li+), an dem lonenaustauschmaterial 40 gebunden. Auf diese Weise werden bei einer erfindungsgemäßen Zelle die kathodenseitigen Abbauprodukte Yx+ vor dem Erreichen der Anode 1 abgefangen und unschädlich gemacht. Figur 2 zeigt, dass auf diese Weise nach dem Passieren des
lonenaustauschmaterials 40 nur noch Alkaliionen A+, insbesondere Lithiumionen (Li+), zu der Anode 1 diffundieren und so eine Abscheidung von zweiwertigen und mehrwertigen Metallen, wie Mangan, Nickel und Cobalt, an der Anode 1 und/oder eine Vergiftung der Anode 1 vermieden und damit die Lebensdauer der Zelle deutlich verlängert werden kann. Da sich der Separator 3 in einer Zelle zwischen Kathode 2 und Anode 1 befindet, diese räumlich trennt und
kathodische Abbauprodukte Yx+ binden kann, wirkt der Separator 3 als eine Art Sieb beziehungsweise Filter für die Abbauprodukte Yx+. Bei dieser siebartigen beziehungsweise filterartigen Funktionsweise unterbindet der Separator 3 die Diffusion von Alterungsprodukten Yx+ jedoch im Wesentlichen nicht sterisch, also durch seine Porengröße beziehungsweise Maschenweite, sondern chemisch, nämlich durch den lonenaustausch und kann so vorteilhafterweise eine zur gewünschten Diffusionen von Alkaliionen A+, insbesondere Lithiumionen (Li+), ausreichend große Porengröße beziehungsweise Maschenweite bereitstellen.
Die durch den lonenaustausch freigesetzten Alkaliionen A+, insbesondere Lithiumionen (Li+), können zudem vorteilhafterweise zusätzlich zu einem Aufbau beziehungsweise einer Reparatur des SEI-Schutzfilms 12 beitragen und die Lebensdauer auch auf diese Weise verlängern.
Bei dem alkaliionenbeladenen A+ anorganischen lonenaustauschmaterial 40 kann es sich beispielsweise um ein chemisch aktives, insbesondere
alkaliionenbeladenes, Silikat beziehungsweise Aluminat oder eine Mischungen beziehungsweise Kombination daraus handeln. Zum Beispiel kann das lonenaustauschmaterial 40 ein alkaliionenbeladener Zeolith, insbesondere ein Lithium-Zeolith, sein. Die Funktionsweise von alkaliionenbeladenen Zeolithen, insbesondere Lithium-Zeolithen, ist dabei ähnlich zur Wasserenthärtung, bei der in Wasser gelöste Calcium- und Magnesiumionen durch Zugabe eines Zeolith A gegen Natriumionen ausgetauscht werden, wobei im vorliegenden Fall jedoch anstelle von Calcium- und Magnesiumionen, Mangan-, Cobalt- und/oder
Nickelionen sowie andere protische Abbauprodukte unter Freisetzung von Alkaliionen A+, insbesondere Lithiumionen (Li+), welche die Zellfunktion nicht beeinträchtigen, gebunden und somit unschädlich gemacht werden. Figur 2 veranschaulicht, dass das lonenaustauschmaterial 40 dabei zudem aufgrund der anorganischen Beschaffenheit zur mechanischen Stabilisierung und gegebenenfalls auch separierenden Funktion des Separators 3 beiträgt. Dabei kann insbesondere die thermische Stabilität eines Separators 3, welcher wie in Figur 2 gezeigt ein - gegebenenfalls temperaturempfindliches - polymeres Matrixmaterial 30, zum Beispiel auf Polyolefinbasis, aufweist, durch in dessen
Matrixmaterial 30 eingebrachte lonenaustauschmaterialpartikel 40 erhöht und ein thermisches Durchgehen der Zelle verhindert werden.
Die im Rahmen von Figur 3 gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch von der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform, dass das alkaliionenbeladene A+, anorganische lonenaustauschmaterial 40 nicht in die Matrix des polymeren Matrixmaterials 30 des Separators 3 eingebracht ist, sondern in Form einer Beschichtung 3 beziehungsweise von zwei Beschichtungen 2a,3a;la,3b vorgesehen ist. Die doppelte Bezugszeichenvergabe deutet an, dass es sowohl möglich ist, den Separator 3, insbesondere die Matrixmaterialschicht 30 des Separators 30, einseitig oder beidseitig mit einer das lonenaustauschmaterial A+,40 umfassenden Beschichtung 3a,3b als auch die der Kathode 2 zugewandte Seite der Anode 1 oder die der Anode 1 zugewandte Seite der Kathode 2 mit einer das lonenaustauschmaterial A+,40 umfassenden Beschichtung la,2a zu versehen.
Grundsätzlich ist dabei eine der gezeigten Beschichtungen 2a,3a;la,3b zum Schutz der Anode 1 ausreichend. Die Beschichtung/en 2a,3a;la,3b können dabei insbesondere aus dem alkaliionenbeladene A+, anorganische lonenaustauschmaterial 40 ausgebildet sein und insbesondere höchstens geringe Bindemittelmengen enthalten. Die im Rahmen von Figur 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von den in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsform, dass die Zelle keine polymere Matrixmaterialschicht 30, sondern nur eine aus dem alkaliionenbeladenen A+, anorganischen lonenaustauschmaterial 40 ausgebildete lonenaustauschschicht umfasst, welche als solches als Separator 3 fungiert.

Claims

Ansprüche
1. Alkali-Zelle, insbesondere Lithium-Ionen-Zelle, umfassend
- eine Anode (1),
- eine Kathode (2) und
- einen zwischen der Anode (1) und der Kathode (2) angeordneten Separator (3),
wobei mindestens eine zwischen der Anode (1) und der Kathode (2) angeordnete Schicht (3,3a,3b,la,2a) mindestens ein mit Alkaliionen (A+) beladenes, anorganisches lonenaustauschmaterial (40) umfasst.
2. Zelle nach Anspruch 1 , wobei das mindestens eine lonenaustauschmaterial (40) mit Ionen (A+) des Alkalimetalls (A) beladen ist, auf welchem die elektrochemische Reaktion der Zelle beruht.
3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zelle eine Lithium-Zelle und das mindestens eine lonenaustauschmaterial (40) mit Lithiumionen (A+) beladen ist.
4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine
lonenaustauschmaterial (40) ein alkaliionenbeladenes, insbesondere lithiumionenbeladenes, Silikat und/oder Aluminat umfasst.
5. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mindestens eine
lonenaustauschmaterial (40) einen alkaliionenbeladenen Zeolithen, insbesondere einen Lithium-Zeolithen, umfasst.
6. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Separator (3) das
mindestens eine lonenaustauschmaterial (40) umfasst. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine lonenaustauschmaterial (40) in ein, insbesondere polymeres,
Matrixmaterial (30) des Separators (3) eingebracht ist.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Separator (3) mindestens eine Beschichtung (3a, 3b) aufweist, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial (40) umfasst.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die der Kathode (2) zugewandte Seite der Anode (1 ) und/oder die der Anode (1 ) zugewandte Seite der Kathode (2) eine Beschichtung (1 a, 2a) aufweist, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial (40) umfasst.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Anode (1) eine
Lithiuminterkalationsanode oder eine Lithiumlegierungsanode ist.
Separator (3) für eine Alkali-Zelle, insbesondere eine Lithium-Zelle, umfassend mindestens ein mit Alkaliionen (A+) beladenes oder beladbares, anorganisches lonenaustauschmaterial (40), insbesondere mindestens ein mit Lithiumionen (A+) beladenes oder beladbares anorganisches lonenaustauschmaterial (40).
Separator (3) nach Anspruch 1 1 , wobei das mindestens eine
lonenaustauschmaterial (40) ein alkaliionenbeladenes oder
alkaliionenbeladbares Silikat und/oder Aluminat, insbesondere einen Lithium-Zeolithen, umfasst.
Separator (3) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das mindestens eine lonenaustauschmaterial (40) in ein, insbesondere polymeres,
Matrixmaterial des Separators (3) eingebracht ist, und/oder
wobei der Separator (3) mindestens eine, insbesondere einseitige oder beidseitige, Beschichtung (3a, 3b) aufweist, welche das mindestens eine lonenaustauschmaterial (40) umfasst, und/oder
wobei der Separator (3) eine Schicht aufweist, welche aus dem mindestens einen lonenaustauschmaterial (40) ausgebildet ist.
14. Anode (1) oder Kathode (2) für eine Alkali-Zelle, insbesondere eine Lithium-Zelle, wobei die Anode (1) oder Kathode (2) mit eine Beschichtung (1 a, 2a) aufweist, welche mindestens ein Alkaliionen (A+) beladenes oder beladbares, anorganisches lonenaustauschmaterial (40), insbesondere mindestens ein Lithiumionen (A+) beladenes oder beladbares
anorganisches lonenaustauschmaterial (40), umfasst.
15. Anode (1) oder Kathode (2) nach Anspruch 14, wobei das mindestens eine lonenaustauschmaterial (40) ein alkaliionenbeladenes oder
alkaliionenbeladbares Silikat und/oder Aluminat, insbesondere einen Lithium-Zeolithen, umfasst.
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