[go: up one dir, main page]

DE102015224345A1 - SIC-Separator und SIC-Zelle - Google Patents

SIC-Separator und SIC-Zelle Download PDF

Info

Publication number
DE102015224345A1
DE102015224345A1 DE102015224345.1A DE102015224345A DE102015224345A1 DE 102015224345 A1 DE102015224345 A1 DE 102015224345A1 DE 102015224345 A DE102015224345 A DE 102015224345A DE 102015224345 A1 DE102015224345 A1 DE 102015224345A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
polymer
polyelectrolyte
lithium
lithium ion
ion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102015224345.1A
Other languages
English (en)
Inventor
Ulrich Sauter
Joerg THIELEN
Frank Baumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102015224345.1A priority Critical patent/DE102015224345A1/de
Priority to CN201680070536.8A priority patent/CN108292727A/zh
Priority to PCT/EP2016/078627 priority patent/WO2017093107A1/de
Priority to US15/780,997 priority patent/US20200274124A1/en
Priority to EP16805039.1A priority patent/EP3384541A1/de
Publication of DE102015224345A1 publication Critical patent/DE102015224345A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381—Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382—Lithium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F12/00—Homopolymers and copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring
    • C08F12/02—Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical
    • C08F12/04—Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical containing one ring
    • C08F12/14—Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical containing one ring substituted by hetero atoms or groups containing heteroatoms
    • C08F12/16—Halogens
    • C08F12/20—Fluorine
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F12/00—Homopolymers and copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring
    • C08F12/02—Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical
    • C08F12/04—Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical containing one ring
    • C08F12/14—Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical containing one ring substituted by hetero atoms or groups containing heteroatoms
    • C08F12/26—Nitrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F12/00—Homopolymers and copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring
    • C08F12/02—Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical
    • C08F12/04—Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical containing one ring
    • C08F12/14—Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical containing one ring substituted by hetero atoms or groups containing heteroatoms
    • C08F12/30—Sulfur
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/446—Composite material consisting of a mixture of organic and inorganic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/497—Ionic conductivity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10—Esters
    • C08F220/26—Esters containing oxygen in addition to the carboxy oxygen
    • C08F220/28—Esters containing oxygen in addition to the carboxy oxygen containing no aromatic rings in the alcohol moiety
    • C08F220/285—Esters containing oxygen in addition to the carboxy oxygen containing no aromatic rings in the alcohol moiety and containing a polyether chain in the alcohol moiety
    • C08F220/286—Esters containing oxygen in addition to the carboxy oxygen containing no aromatic rings in the alcohol moiety and containing a polyether chain in the alcohol moiety and containing polyethylene oxide in the alcohol moiety, e.g. methoxy polyethylene glycol (meth)acrylate
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Cell Separators (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator und/oder Schutzschicht (4) für eine Lithium-Zelle (1). Um ein Schnellladen der Zelle (1) zu ermöglichen und die Lebensdauer der Zelle (1) zu verlängern, umfasst der Separator und/oder die Schutzschicht (4) ein Copolymer und/oder eine Polymermischung, wobei das Copolymer mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit umfasst und/oder wobei die Polymermischung mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und mindestens ein mechanisch stabilisierendes Polymer umfasst. Darüber hinaus betrifft die Erfindung Zellen sowie Copolymere, Polymermischungen und Polymerelektrolyte auf der Basis von Polymeren mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator und/oder Schutzschicht für eine Lithium-Zelle und derartige Zellen sowie Copolymere, Polymermischungen und Polymerelektrolyte hierfür.
  • Stand der Technik
  • Lithium-Batteriezellen umfassen eine Kathode, eine Anode und einen Separator. Die Kathode und die Anode sind dabei, insbesondere über Stromkollektoren zur Ab- und Zuleitung von elektrischem Strom über einen externen Stromkreis elektrisch leitend miteinander verbindbar. In der Zelle, insbesondere zwischen der Kathode und der Anode wird der Stromkreis über mindestens einen Elektrolyten geschlossen.
  • Meistens werden Flüssigelektrolyte aus einem flüssigen Lösungsmittel, in dem ein Leitsalz gelöst ist, eingesetzt.
  • Manche Batteriezellen weisen anstatt eines Flüssigelektrolyten einen Polymerelektrolyten auf der Basis eines Polymer mit einem darin gelösten Leitsalz auf. Um die Leitfähigkeit zu erhöhen, kann Polymerelektrolyten ein flüssiges Lösungsmittel zugemischt werden, wodurch ein Polymer-Gel-Elektrolyt gebildet werden kann.
  • Anoden aus metallischem Lithium neigen, insbesondere bei der Verwendung von Flüssigelektrolyten oder Polymer-Gel-Elektrolyten und/oder mechanisch nicht ausreichend stabilen Polymerelektrolyten, zur Bildung von Dendriten.
  • Die Druckschrift EP 1098382 betrifft ein Polyelektrolyt-Gel für eine elektrochemische Vorrichtung.
  • Die Druckschrift US 2006/0177732 betrifft Batterieelektroden und Verfahren zur Herstellung von Alkalimetallelektroden mit einer verstärkten glasartigen Schutzschicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Separator und/oder eine Schutzschicht für eine Lithium-Zelle, beispielsweise für eine Lithium-Ionen-Zelle oder eine Lithium-Schwefel-Zelle, insbesondere in Form einer Feststoffzelle, welcher ein Copolymer und/oder eine Polymermischung (Blend) umfasst.
  • Insbesondere umfasst dabei das Copolymer mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit und/oder umfasst dabei die Polymermischung mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und mindestens ein mechanisch stabilisierendes Polymer.
  • Dabei kann der Separator und/oder die Schutzschicht zum Beispiel ein (einfacher) Separator oder ein Separator mit Schutzschichtfunktion für eine Anode oder Kathode, insbesondere gegen Dendritenwachstum, zum Beispiel für eine Lithium-Metall-Anode, oder eine Schutzschicht für eine Anode oder Kathode, insbesondere gegen Dendritenwachstum, zum Beispiel für eine Lithium-Metall-Anode, sein.
  • Unter einer mechanisch stabilisierenden Wiederholungseinheit kann insbesondere eine Wiederholungseinheit verstanden werden, welche rigide Gruppen, insbesondere aromatische Gruppen, umfasst. Beispielsweise kann die mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit eine aromatische Gruppe umfassen. Zum Beispiel kann die mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit eine Styrol- und/oder Phenylen-basierte Einheit sein. Die mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit kann insbesondere zur Ausbildung eines mechanisch stabilisierenden Polymers ausgelegt sein.
  • Unter einem mechanisch stabilisierenden Polymer kann insbesondere ein Polymer verstanden werden, welches rigide Gruppen, insbesondere aromatische Gruppen, umfasst. Beispielsweise kann das mechanisch stabilisierende Polymer ein aromatische Gruppen aufweisendes Polymer sein. Zum Beispiel kann das mechanisch stabilisierende Polymer ein Styrol- und/oder Phenylen-basiertes Polymer, beispielsweise ein Polystyrol und/oder Polyphenylen, sein.
  • Durch die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 beziehungsweise das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 können vorteilhafterweise extreme Konzentrationsgefälle, welche bei einer Applikation von hohen Stromdichten über längere Zeiträume bei klassischen Flüssigelektrolyten, zum Beispiel einer Lösung des Leitsalzes Lithiumbis-(trifluormethan-sulfonyl)imid (LiTFSl) in einer Mischung aus Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC) und/oder Diethylcarbonat (DEC), welche typischerweise lediglich Überführungszahlen ≤ 0,5 aufweisen, und bei klassischen Polymerelektrolyten, zum Beispiel einer Mischung aus Polyethylenoxid (PEO) und dem Leitsalz Lithiumbis-(trifluormethan-sulfonyl)imid (LiTFSl), welche typischerweise lediglich Überführungszahlen von etwa 0,25 aufweisen, auftreten und zu hohen Überspannungen führen können, welche die erreichbaren Stromdichten begrenzen können, zumindest minimiert oder vermieden werden. Durch eine Minimierung beziehungsweise Vermeidung von extremen Konzentrationsgefällen kann insbesondere zum einen vermieden werden, dass Bereichen an Leitsalz verarmen, was zu einer starken Verminderung der elektrochemischen Kinetik und damit zu einer Erhöhung der kinetischen Überspannungen sowie zu einer Bevorzugung unerwünschter elektrochemischer Nebenreaktionen und gegebenenfalls sogar zur Zellschädigung führen kann. Zum anderen kann so insbesondere vermieden werden, dass in Bereichen sehr hoher Salzkonzentration Leitsalz ausfällt, was zu einer Blockierung von Poren und gegebenenfalls sogar zu einer Reduzierung der lokale Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen führen kann.
  • So können vorteilhafterweise hohe Stromdichten auch über lange Zeiten beziehungsweise große Δ-SOC-Bereiche, insbesondere für eine Konstant-Hochstrombelastung, zum Beispiel von 3C oder höher, in Lade- und Entladerichtung, aufrechterhalten und insbesondere auch ein schnelles Laden der Zelle realisiert werden.
  • Durch die mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit beziehungsweise das mindestens eine mechanisch stabilisierende Polymer kann zudem eine hohe Lithium-Dendriten-Beständigkeit, insbesondere des Separators und/oder der Schutzschicht, erzielt werden, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer einer damit ausgestatteten Zelle, beispielsweise mit einer Lithium-Metall-Anode, auswirken kann.
  • Zusätzlich zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität können mechanisch stabilisierende Einheiten beziehungsweise Polymere, insbesondere Styrol-basierte Einheiten beziehungsweise Polymere, insbesondere im Copolymer, gegebenenfalls vorteilhafterweise die Löslichkeit des Block-Copolymers im Vergleich zu einem reinen einzelionenleitenden Polymer-Homopolymer verbessern. So kann die Herstellung und Applikation dünner Film auf eine Kathode und/oder Anode vereinfacht werden.
  • Insgesamt können daher durch den Einsatz des Copolymers und/oder der Polymermischung beziehungsweise des, darauf basierenden Separators und/oder der, darauf basierenden Schutzschicht Lithium-Zellen, insbesondere auf Festelektrolyt-Basis, auf einfache Weise bereitgestellt werden, welche schnell geladen und entladen werden können sowie eine hohe Lebensdauer aufweisen und insbesondere auch in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden können.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst oder ist die mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit mindestens eine Styrol-basierte Wiederholungseinheit und/oder umfasst oder ist das mindestens eine mechanisch stabilisierende Polymer mindestens ein Styrol-basiertes Polymer.
  • Styrol-basierte Wiederholungseinheit können beispielsweise Styrol und/oder Styrol-Derivate, beispielsweise welche durch einfache oder mehrfache Substitution und/oder Funktionalisierung von Styrol ableitbar sind, sein.
  • Unter einem Styrol-basierten Polymer kann insbesondere ein Polymer verstanden werden, welches durch Polymerisation von Styrol und/oder Styrol-Derivaten, beispielsweise welche durch einfache oder mehrfache Substitution von Styrol ableitbar sind, erhältlich ist.
  • Zum Beispiel kann die mindestens eine Styrol-basierte Wiederholungseinheit und/oder das mindestens eine Styrol-basierte Polymer durch Polymerisation von Styrol und/oder o-Methylstyrol und/oder p-Methylstyrol und/oder m-t-Butoxystyrol und/oder 2,4-Dimethylstyrol und/oder m-Chlorstyrol und/oder p-Chlorstyrol und/oder 4-Carboxystyrol und/oder Vinylanisol und/oder Vinylbenzoesäure und/oder Vinylanilin und/oder Vinylnaphthalen erhältlich sein.
  • Die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und/oder das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 kann insbesondere eine Lithiumionen-Überführungszahl > 0,8 aufweisen.
  • Zum Beispiel kann die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, eine Borat-basierte Einheit und/oder eine Sulfonsäure-basierte Einheit und/oder eine Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Einheit und/oder ein Einheit auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure und/oder eine Perfluorether-basierte Einheit umfassen oder sein. Aus derartigen Einheiten ausgebildet Polymere können vorteilhafterweise Überführungszahlen > 0,8 aufweisen.
  • Alternativ oder zusätzlich dazu kann das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure und/oder ein Perfluorpolyether-basiertes Polymer umfassen oder sein. Derartige Polymere können vorteilhafterweise Überführungszahlen > 0,8 aufweisen.
  • Insbesondere kann die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und/oder das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 eine Lithiumionen-Überführungszahl > 0,9 aufweisen.
  • Einzelionenleitende Polyelektrolyte können vorteilhafterweise Lithiumionen-Überführungszahlen > 0,9, welche insbesondere sogar nahe 1 liegen können, aufweisen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist daher die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten ausgelegt und/oder umfasst oder ist das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, ein einzelionenleitender Polyelektrolyt.
  • Unter einem einzelionenleitenden Polyelektrolyten (SIC, Englisch: Single Ion Conductor) kann insbesondere ein Elektrolyt, insbesondere Polymer beziehungsweise Polymerelektrolyt, verstanden werden, bei dem Anionen fest, insbesondere kovalent, an einen Polymerrücken angebunden und/oder, insbesondere direkt, in einen Polymerrücken beziehungsweise in ein Polymergerüst integriert sind und dadurch nur die korrespondierenden Kationen, insbesondere Lithiumionen, mobil/beweglich sind. So ist dabei lediglich die Ionensorte, nämlich die Lithiumionen, welche auch an der elektrochemischen Elektrodenreaktion teilnimmt, mobil.
  • Einzelionenleitende Polyelektrolyte zeichnen sich durch Überführungszahlen für Lithiumionen (Li+) nahe 1 aus. Daher können durch einzelionenleitende Polyelektrolyte extreme Konzentrationsgefälle vermieden und besonders hohe Stromdichten erzielt werden.
  • Insbesondere kann das Copolymer mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten und mindestens eine Styrol-basierte Wiederholungseinheit und/oder die Polymermischung mindestens einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten und mindestens ein Styrol-basiertes Polymer umfassen.
  • Eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten kann beispielsweise eine fest, insbesondere kovalent, an den Polymerrücken gebundene, beispielsweise angebundene oder darin integrierte, negativ geladene Gruppe Q– beziehungsweise ein Anion und ein mobiles positiv geladenes Gegenion, insbesondere Lithiumion, umfassen.
  • Ein einzelionenleitender Polyelektrolyt kann insbesondere eine fest, insbesondere kovalent, an eine Polymerrücken bildende Einheit gebundene, beispielsweise angebundene oder darin integrierte, negativ geladene Gruppe Q– beziehungsweise ein Anion und ein mobiles positiv geladenes Gegenion, insbesondere Lithiumion, umfassen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, beziehungsweise die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten eine Borat-basierte Einheit und/oder eine Sulfonsäure-basierte Einheit und/oder eine Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Einheit und/oder eine Einheit auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure, und/oder umfasst oder ist das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, beziehungsweise der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure.
  • Im Folgenden werden einige Beispiele derartiger Einheiten beziehungsweise Polymer erläutert, welche Überführungszahlen > 0,8 aufweisen können.
  • Borat-basierte einzelionenleitende Polyelektrolyte können beispielsweise in Form eines anionischen Borat-Netzwerks (Borat-Anion-Netzwerk) ausgebildet sein. Das anionische Borat-Netzwerk kann dabei durch Borat-Anionen ausgebildet sein, welche durch mindestens einen Linker, zum Beispiel Weinsäure, eingebunden sind. Ein Beispiel für einen derartigen Borat-basierten Polyelektrolyten mit der allgemeinen chemischen Formel:
    Figure DE102015224345A1_0002
    ist in Solid State Ionics 262, 2014, S. 747–753 beschrieben.
  • Borat-basierte Polyelektrolyte können jedoch beispielsweise auch in Form von Polymeren mit, insbesondere kovalent, an den Polymerrücken des Polymers angebundenen Borat-Gruppen ausgebildet sein. Ein Beispiel für einen derartigen Borat-basierten Polyelektrolyten, welcher aus Monomeren der allgemeinen chemischen Formel:
    Figure DE102015224345A1_0003
    ausgebildet ist, ist in Polym. Chem., 2015, 6, S. 1052 beschrieben. Diese Polyelektrolyte erreichen jedoch eine ausreichende Leitfähigkeit meist erst in Form eines Gels mit einer flüssigen Komponente.
  • Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung umfasst oder ist die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, eine Borat-basierte Einheit der allgemeinen chemischen Formel:
    Figure DE102015224345A1_0004
    wobei mindestens ein X, insbesondere mindestens zwei X, beispielsweise drei X oder vier X, für
    Figure DE102015224345A1_0005
    stehen, wobei 2 ≤ n ≤ 10, insbesondere 3 ≤ n ≤ 10, ist. wobei die verbleibenden X jeweils unabhängig voneinander für
    Figure DE102015224345A1_0006
    oder R' stehen, wobei 2 ≤ m ≤ 10, insbesondere 3 ≤ m ≤ 10, ist und wobei R' für Wasserstoff oder Fluor steht. Durch mindestens zwei Doppelbindungen kann so vorteilhafterweise ein Netzwerk ausgebildet werden und auf diese Weise die mechanische Stabilität und damit Lithium-Dendriten-Beständigkeit verbessert werden. Durch eine Verlängerung des Linkers und/oder die Einführung weiterer Ethylenoxidgruppen kann so die Lithiumionenleitfähigkeit vorteilhafterweise auch ohne Zugabe von flüssigen Komponenten verbessert werden.
  • Beispiele für Sulfonsäure-basierte Polyelektrolyte sind Li-Nafion, zum Beispiel der allgemeinen chemischen Formel:
    Figure DE102015224345A1_0007
    und/oder vergleichbare Sulfonsäure-basierte Polymere, wie der in von Zhibin Zhou et al in Electrochimica Acta, 93, 2013, S. 254–263 beschriebenen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyte der allgemeinen chemischen Formel:
    Figure DE102015224345A1_0008
  • Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Polyelektrolyte können zum Beispiel auf Poly(perfluoralkylsulfonyl)imid basieren. Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Polyelektrolyte der allgemeinen chemischen Formel:
    Figure DE102015224345A1_0009
    sind in J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15952 beschrieben. Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Polyelektrolyte können zum Beispiel auch auf (4-Styrolsulfonyl)(trifluormethansulfonyimid)-Monomeren basieren. Beispiele hierfür sind Homopolymer beziehungsweise Copolymere der allgemeinen chemischen Formel:
    Figure DE102015224345A1_0010
  • Beispiele für Polyelektrolyte auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure sind zum Beispiel Poly-MMALi beziehungsweise verwandte Polyelektrolyte.
  • Beispiele für Perfluorpolyether-basierte Polymere der allgemeinen chemischen Formeln:
    Figure DE102015224345A1_0011
    sind in Proceedings of the National Academy of Sciences, 111, 2014, S. 3327 beschrieben. Derartige Perfluorpolyether-basierte Polymere sind – im Gegensatz zu den übrigen vorstehend beschriebenen Polyelektrolyten – üblicherweise keine einzelionenleitenden Polyelektrolyte, sondern lithiumionenleitfähige Polymere, welche weder fest angebundene Anionen noch mobile Kationen aufweisen und erst unter der Zugabe eines Lithiumleitsalzes, wie Lithiumbis-(trifluormethan-sulfonyl)imid (LiTFSl), lithiumionenleitend werden. Dennoch können sie hohe Überführungszahlen aufweisen. Dies könnte darauf beruhen, dass durch die Fluorierung die Elektronendichte am Perfluorpolyethersauerstoff gesenkt und damit die Koordination zwischen Sauerstoff und Lithiumion geschwächt und so die Lithiumkationendynamik erhöht wird, wobei gleichzeitig das fluorierte Salzanion sehr stark mit dem Perfluorpolyether wechselwirkt und dessen Mobilität heruntergesetzt wird und damit die Höhe der Überführungszahl positiv beeinflusst wird. Insofern der Elektrolyt der Kathode (Katholyt) und/oder der Anode (Anolyt) lediglich auf einzelionenleitenden Polyelektrolyten und/oder anorganischen Einzelionenleitern beruht, welche keine Zugabe von Lithium-Leitsalz erfordern, ist das Copolymer und/oder die Polymermischung vorzugsweise frei von derartige Perfluorpolyether-basierten Einheiten/Polymeren, um eine Verarmung der Perfluorpolyether-basierten Einheiten/Polymeren und damit des Separators durch Lösung und Diffusion der Salze in die die Kathode beziehungsweise Anode zu vermeiden.
  • Zum Beispiel kann mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, beziehungsweise die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten
    • – eine Borat-basierte Einheit der allgemeinen chemischen Formeln:
      Figure DE102015224345A1_0012
      wobei mindestens ein X insbesondere mindestens zwei X, beispielsweise drei X oder vier X, für
      Figure DE102015224345A1_0013
      wobei 2 ≤ n ≤ 10, insbesondere 3 ≤ n ≤ 10, ist, wobei die verbleibenden X jeweils unabhängig voneinander für
      Figure DE102015224345A1_0014
      wobei 2 ≤ m ≤ 10, insbesondere 3 ≤ m ≤ 10, ist und wobei R' für Wasserstoff oder Fluor steht; und/oder
    • – eine Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Einheit der allgemeinen chemischen Formel:
      Figure DE102015224345A1_0015
    • – eine Sulfonsäure-basierte Einheit der allgemeinen chemischen Formel:
      Figure DE102015224345A1_0016
      umfassen oder sein.
  • Die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und/oder das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 kann insbesondere durch Polymerisation mindestens einer Doppelbindung erhältlich sein. Zum Beispiel kann die Borat-basierte Einheit und/oder die Sulfonsäure-basierte Einheit und/oder die Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Einheit und/oder die Einheit auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure und/oder die Perfluorether-basierte Einheit und/oder der Borat-basierte Polyelektrolyt und/oder der Sulfonsäure-basierte Polyelektrolyt und/oder der Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Polyelektrolyt und/oder der Polyelektrolyt auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure und/oder das Perfluorpolyether-basierte Polymer durch Polymerisation mindestens einer Doppelbindung erhältlich sein. Derartige Einheiten beziehungsweise Polymere können vorteilhafterweise durch klassische Copolymerisation mit Styrol copolymerisiert werden, insbesondere um so auf einfache Weise, ein mechanisch stabilisiertes Copolymer für die Anwendung als Separator und/oder Schutzschicht zu erhalten.
  • Zum Beispiel kann das Copolymer durch Copolymerisation von Styrol und/oder einem Styrol-Derivat, beispielsweise o-Methylstyrol und/oder p-Methylstyrol und/oder m-t-Butoxystyrol und/oder 2,4-Dimethylstyrol und/oder m-Chlorstyrol und/oder p-Chlorstyrol und/oder 4-Carboxystyrol und/oder Vinylanisol und/oder Vinylbenzoesäure und/oder Vinylanilin und/oder Vinylnaphthalen, mit einem Monomer der allgemeinen chemischen Formel:
    Figure DE102015224345A1_0017
    wobei mindestens ein X, insbesondere mindestens zwei X, beispielsweise drei X oder vier X, für
    Figure DE102015224345A1_0018
    stehen, wobei 2 ≤ n ≤ 10, insbesondere 3 ≤ n ≤ 10, ist, wobei die verbleibenden X jeweils unabhängig voneinander für
    Figure DE102015224345A1_0019
    oder R' stehen, wobei 2 ≤ m ≤ 10, insbesondere 3 ≤ m ≤ 10, ist und wobei R' für Wasserstoff oder Fluor steht, und/oder
    mit einem Monomer der allgemeinen chemischen Formel:
    Figure DE102015224345A1_0020
    insbesondere mittels einer Hydrolyse zur Sulfonsäure mit anschließender Lithiierung, und/oder
    mit einem Monomer der allgemeinen chemischen Formel;
    Figure DE102015224345A1_0021
    hergestellt werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Copolymer ein Block-Copolymer. Dabei kann das Block-Copolymer insbesondere mindestens einen, insbesondere einzelionenleitenden, Block (b-A) aus mindestens einer Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 (A) und mindestens einen, insbesondere mechanisch stabilisierenden, Block (b-B) aus mindestens einer mechanisch stabilisierenden Wiederholungseinheit (B) umfassen.
  • Insbesondere kann das Block-Copolymer (b-SIC-b-PS) mindestens einen, insbesondere einzelionenleitenden, Block (b-SIC) aus mindestens einer Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten (SIC) und mindestens einen, insbesondere mechanisch stabilisierenden, Block b-PS) aus mindestens einer Styrol-basierten Wiederholungseinheit (PS) umfassen.
  • Der, insbesondere einzelionenleitende, Block (b-A) kann sowohl ein Homopolymer aus einer Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 (A), insbesondere eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten, als auch ein statistisches Copolymer aus mehreren unterschiedlichen Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 (A), insbesondere eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten, sein.
  • Auch der, insbesondere mechanisch stabilisierende, Block (b-B) kann sowohl ein Homopolymer aus einer mechanisch stabilisierenden, insbesondere Styrol-basierten, Wiederholungseinheit (B) als auch ein statistisches Copolymer aus mehreren unterschiedlichen mechanisch stabilisierenden, insbesondere Styrol-basierten, Wiederholungseinheit (B) sein.
  • Neben einem Di-Block-Copolymer (b-A-b-B) sind dabei beispielsweise auch Tri-Block-Copolymere (b-A-b-B-b-A oder b-B-b-A-b-B, wie b-PS-b-SIC-b-PS) und Multi-Block-Copolymere möglich.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Copolymer weiterhin mindestens eine lithiumionenleitfähige Wiederholungseinheit und/oder umfasst die Polymermischung weiterhin mindestens ein lithiumionenleitfähiges Polymer.
  • So kann vorteilhafterweise die Mobilität der Lithiumionen im System und damit die Leitfähigkeit bei gleichbleibend hoher Überführungszahl nahe 1 erhöht werden. Dies kann insbesondere bei Borat-basierten Einheiten/Polyelektrolyten und/oder Imid-basierten Einheiten/Polyelektrolyten vorteilhaft sein.
  • Unter einem lithiumionenleitfähigen Material, beispielsweise einer lithiumionenleitfähigen Wiederholungseinheit beziehungsweise einem lithiumionenleitfähigen Polymer, kann insbesondere ein Material, beispielsweise eine Wiederholungseinheit beziehungsweise ein Polymer, verstanden werden, welches selbst frei von den zu leitenden Ionen, zum Beispiel Lithiumionen, sein kann, jedoch dazu ausgelegt ist, die zu leitenden Ionen selbst, zum Beispiel Lithiumionen, zu koordinieren und/oder solvatisieren und/oder Gegenionen der zu leitenden Ionen, zum Beispiel Lithium-Leitsalz-Anionen, zu koordinieren, und beispielsweise unter Zugabe der zu leitenden Ionen, zum Beispiel Lithiumionen, insbesondere in Form eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten und/oder gegebenenfalls in Form eines Leitsalzes, lithiumionenleitend wird.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist die mindestens eine lithiumionenleitfähige Wiederholungseinheit eine Alkylenoxid-Einheit, beispielsweise eine Ethylenoxid-Einheit (EO) und/oder eine Propylenoxid-Einheit (PO), insbesondere eine Ethylenoxid-Einheit (EO), und/oder eine Oligoethylenglycolmethacrylat-Einheit (OEGMA) und/oder eine Oligoethylenglycolacrylat-Einheit, insbesondere eine Oligoethylenglycolmethacrylat-Einheit (OEGMA), und/oder umfasst oder ist das mindestens eine lithiumionenleitfähige Polymer ein Polyalkylenoxid, beispielsweise Polyethylenoxid und/oder Polypropylenoxid, insbesondere Polyethylenoxid, und/oder Poly-(oligoethylenglycol)methacrylat (P-(OEGMA)- und/oder Poly-(oligoethylenglycol)acrylat, insbesondere Poly-(oligoethylenglycol)methacrylat (P-(OEGMA).
  • Die mindestens eine lithiumionenleitfähige Wiederholungseinheit kann beispielsweise über eine Block-Copolymerisation oder auch als statistische Copolymerisation in das Copolymer, insbesondere Block-Copolymer, integriert werden.
  • Zum Beispiel kann das Block-Copolymer weiterhin mindestens einen, insbesondere lithiumionenleitfähigen, Block (b-C, beispielsweise b-OEGMA//EO/PO) aus mindestens einer lithiumionenleitfähigen Wiederholungseinheit (C, beispielsweise OEGMA/EO/PO) umfassen.
  • Die Integration des mindestens einen, insbesondere lithiumionenleitfähigen, Blocks kann beispielsweise von einer endständigen Hydroxid-Gruppe (OH-Gruppe) des mindestens einen, insbesondere lithiumionenleitfähigen, Blocks ausgehen, welche mit, zum Beispiel mit Acryloylchlorid oder a-Bromisobutyryl-Bromid, umgesetzt wird, woran sich eine radikalische Polymerisation anschließen kann, durch welche der mindestens eine, insbesondere mechanisch stabilisierende, Block aus mindestens einer mechanisch stabilisierenden, insbesondere Styrol-basierten, Wiederholungseinheit und/oder der mindestens eine, insbesondere einzelionenleitende, Block aus mindestens einer Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten, angeknüpft wird. Zum Beispiel kann die Integration des mindestens einen, insbesondere lithiumionenleitfähigen, Blocks von einer endständigen Hydroxid-Gruppe (OH-Gruppe) des mindestens einen, insbesondere lithiumionenleitfähigen, Blocks ausgehen, welche mit a-Bromisobutyryl-Bromid umgesetzt wird, woran sich eine Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) anschließen kann, durch welche der mindestens eine, insbesondere mechanisch stabilisierende, Block aus mindestens einer mechanisch stabilisierenden, insbesondere Styrol-basierten, Wiederholungseinheit und/oder der mindestens eine, insbesondere einzelionenleitende, Block aus mindestens einer Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten, angeknüpft wird. Durch eine derartige Umsetzung mit Säurechloriden kann insbesondere auch eine Integration von Perfluorpolyether-basierten Polymeren erzielt werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Block-Copolymer ein Di-Block-Copolymer (b-A-b-B, beispielsweise b-SIC-b-PS) oder ein Tri-Block-Copolymer (b-A-b-B-b-A oder b-B-b-A-b-B oder b-A-b-B-b-C, beispielsweise b-SIC-b-PS-b-SIC oder b-PS-b-SIC-b-PS oder b-A-b-B-b-OEGMA/EO/PO) oder ein Multi-Block-Copolymer (b-A-b-C-b-B-b-C-b-A oder b-B-b-C-b-A-b-C-b-B, beispielsweise b-SIC-b-OEGMA/EO/PO-b-PS-b-OEGMA/EO/PO-b-SIC oder b-PS-B-EGMA/EGA/EO/PO-b-SIC-b-OEGMA/EO/PO-b-B).
  • Bei Block-Copolymeren kann gegebenenfalls – zum Beispiel beim Gießen einer Polymerschicht aus einer Lösung – eine lamellenartige Selbstassemblierung erfolgen, was zu verbesserten Eigenschaften des Separators und/oder der Schutzschicht führen kann.
  • Zur Optimierung der mechanischen Stabilität und/oder der Transporteigenschaften können die oben genannten (Co-)Polymere und Block-Copolymere beispielsweise auch zusätzlich miteinander gemischt werden (Blends). Dabei können beispielsweise auch Polymermischungen aus mindestens einem Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere mindestens einem einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens einem mechanisch stabilisierenden, insbesondere Styrol-basierten, Polymer sowie optional mindestens einem lithiumionenleitfähigen Polymer – beispielsweise auch ohne Block-Copolymerisation – eine Separatorschicht liefern, welche ausreichende Lithiumionentransporteigenschaften und eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen können. Tendenziell kann jedoch durch Copolymere, insbesondere durch Block-Copolymere, eine bessere Assemblierung der leitenden und stabilisierenden Einheiten erreicht werden und so bessere Lithiumionentransporteigenschaften erzielt werden.
  • Um die mechanische Stabilität beziehungsweise Lithium-Dendriten-Beständigkeit weiter zu steigern, kann zum Beispiel eine Mischung aus einem Copolymer, insbesondere Block-Copolymer, mit mindestens einem weiteren mechanisch stabilisierenden Polymer verwendet werden.
  • Um die Lithiumionentransporteigenschaften weiter zu steigern, kann zum Beispiel eine Mischung aus einem Copolymer, insbesondere Block-Copolymer, mit mindestens einem weiteren Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und/oder mit mindestens einem weiteren lithiumionenleitfähigen Polymer verwendet werden.
  • Um Bindeeigenschaften zu verbessern, kann zum Beispiel eine Mischung aus einem Copolymer, insbesondere Block-Copolymer, und mindestens einem Binder auf Basis von Polyvinylidenfluorid (PVDF) verwendet werden.
  • Auch sind Mischungen verschiedener Block-Copolymere mit anderen Block-Copolymeren, zum Beispiel b-A-b-B mit b-A-b-B', b-A-b-B-b-A mit b-A-b-B-b-A', b-B-b-A-b-B mit b-B-b-A-b-B' oder b-A-b-B-b-C mit b-A-b-B-b-C', b-A-b-B-b-C mit b-A-b-B-b-A, b-A-b-B-b-C mit b-B-b-A-b-B.
  • Zur zusätzlichen Optimierung der mechanischen Stabilität und/oder der Transporteigenschaften des Separator und/oder der Schutzschicht kann der Separator und/oder die Schutzschicht weiterhin mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, und/oder mindestens ein weiteres Additiv, beispielsweise mindestens einen Füllstoff, zum Beispiel Siliciumdioxid (SiO2), Titandioxid (TiO2) oder Aluminiumoxid (Al2O3), umfassen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der Separator und/oder die Schutzschicht daher weiterhin mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter. Beispielsweise kann der mindestens eine, insbesondere keramische und/oder glasartige, anorganische Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, eine Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, beispielsweise > 0,8, zum Beispiel > 0,9, aufweisen.
  • Unter einem anorganischen Einzelionenleiter kann insbesondere ein anorganischer Elektrolyt, verstanden werden, bei dem Anionen fest, insbesondere ionisch, an eine Struktur, beispielsweise ein Kristallgitter, angebunden und/oder, insbesondere direkt, in eine Struktur, beispielsweise ein Kristallgitter, integriert sind und dadurch nur die korrespondierenden Kationen, insbesondere Lithiumionen, mobil/beweglich sind. So ist dabei lediglich die Ionensorte, nämlich die Lithiumionen, welche auch an der elektrochemischen Elektrodenreaktion teilnimmt, mobil.
  • Anorganischen Einzelionenleiter zeichnen sich ebenfalls durch Überführungszahlen für Lithiumionen (Li+) nahe 1 aus. Daher können auch durch anorganische Einzelionenleiter extreme Konzentrationsgefälle vermieden und hohe Stromdichten erzielt werden.
  • Zum Beispiel kann der mindestens eine, insbesondere keramische und/oder glasartige, anorganische Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, mindestens einen sulfidischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, umfassen oder sein. Der mindestens eine anorganische, insbesondere sulfidische, Ionenleiter kann beispielsweise glasartig sein. Zum Beispiel kann der mindestens eine anorganische, insbesondere sulfidische, Ionenleiter auf der allgemeinen chemischen Formel: (Li2S)x:(P2S5)y:Dz basieren, wobei Dz für eines oder mehrere Additive, beispielsweise LiCl und/oder LiBr und/oder LiI und/oder LiF und/oder Li2Se und/oder Li2O und/oder P2Se5 und/oder P2O5 und/oder Li3PO4 und/oder eines oder mehrere Sulfide von Germanium, Bor, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Silizium, Arsen und/oder Niob, insbesondere Germanium, stehen. x, y und z können dabei insbesondere für Komponentenverhältnisse stehen. Derartige Ionenleiter können beispielsweise aus den Einzelkomponenten Li2S und P2S5 sowie gegebenenfalls D synthetisiert werden. Dabei kann die Synthese gegebenenfalls unter Schutzgas durchgeführt werden.
  • Insbesondere kann der mindestens eine, insbesondere keramische und/oder glasartige, anorganische Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, einen Lithium-Argyroditen und/oder ein sulfidisches Glas umfassen oder sein.
  • Diese Einzelionenleiter haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie eine hohe Ionenleitfähigkeit und geringe Kontaktübergangswiderstände an den Korngrenzen innerhalb des Materials sowie zu weiteren Komponenten, zum Beispiel dem Kathodenaktivmaterial, aufweisen können. Zudem können diese Ionenleiter duktil sein, weshalb sie bei porösen Aktivmaterialien, welche beispielsweise auch eine rauhe Oberfläche aufweisen können, besonders vorteilhaft eingesetzt werden können. Insgesamt kann so vorteilhafterweise die Langzeitstabilität und Performance einer mit dem Kathodenmaterial ausgestatteten Zelle weiter verbessert werden.
  • Unter Lithium-Argyroditen können insbesondere Verbindungen verstanden werden, welche sich von dem Mineral Argyrodit der allgemeinen chemischen Formel: Ag8GeS6 ableiten, wobei Silber (Ag) durch Lithium (Li) ersetzt ist und wobei insbesondere auch Germanium (Ge) und/oder Schwefel (S) durch andere Elemente, zum Beispiel der III., IV., V., VI. und/oder VII. Hauptgruppe, ersetzt sein können.
  • Beispiele für Lithium-Argyrodite sind:
    • – Verbindungen der allgemeinen chemischen Formel: Li7PCh6 wobei Ch für Schwefel (S) und/oder Sauerstoff (O) und/oder Selen (Se), beispielsweise Schwefel (S) und/oder Selen (Se), insbesondere Schwefel (S)
    • – Verbindungen der allgemeinen chemischen Formel: Li6PCh5X wobei Ch für Schwefel (S) und/oder Sauerstoff (O) und/oder Selen (Se), beispielsweise Schwefel (S) und/oder Sauerstoff (O), insbesondere Schwefel (S), und X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder Iod (I) und/oder Fluor (F), beispielsweise X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder Iod (I), steht,
    • – Verbindungen der allgemeinen chemischen Formel: Li7-δBCh6-δXδ wobei Ch für Schwefel (S) und/oder Sauerstoff (O) und/oder Selen (Se), beispielsweise Schwefel (S) und/oder Selen (Se), insbesondere Schwefel (S), B für Phosphor (P) und/oder Arsen (As), X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder Iod (I) und/oder Fluor (F), beispielsweise X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder Iod (I), steht und 0 ≤ δ ≤ 1.
  • Zum Beispiel kann der mindestens eine anorganische Ionenleiter mindestens einen Lithium-Argyroditen der chemischen Formel: Li7PS6, Li7PSe6, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li6PS5I, Li7-δPS6-δClδ, Li7-δPS6-δBrδ, Li7-δPS6-δIδ, Li7-δPSe6-δClδ, Li7-δPSe6-δBrδ, Li7-δPSe6-δIδ, Li7-δAsS6-δBrδ, Li7-δAsS6-δIδ, Li6AsS5I, Li6AsSe5I, Li6PO5Cl, Li6PO5Br und/oder Li6PO5I umfassen. Lithium-Argyrodite werden beispielsweise in den Druckschriften: Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 755–758; Z. Anorg. Allg. Chem., 2010, 636, 1920–1924; Chem. Eur. J., 2010, 16, 2198–2206; Chem. Eur. J., 2010, 16, 5138–5147; Chem. Eur. J., 2010, 16, 8347–8354; Solid State Ionics, 2012, 221, 1–5; Z. Anorg. Allg. Chem., 2011, 637, 1287–1294; und Solid State Ionics, 2013, 243, 45–48 beschrieben.
  • Insbesondere kann der Lithium-Argyrodit ein sulfidischer Lithium-Argyrodit, zum Beispiel bei dem Ch für Schwefel (S) steht, sein.
  • Lithium-Argyrodite können insbesondere durch einen mechanisch-chemischen Reaktionsprozess hergestellt werden, zum Beispiel wobei Ausgangsstoffe, wie Lithiumhalogenide, beispielsweise LiCl, LiBr und/oder LiI, und/oder Lithiumchalkogenide, beispielsweise Li2S und/oder Li2Se und/oder Li2O, und/oder Chalkogenide der V. Hauptgruppe, beispielsweise R2S5, P2Se5, Li3PO4, insbesondere in stöchiometrischen Mengen, miteinander vermahlen werden. Dies kann beispielsweise in einer Kugelmühle, insbesondere einer Hochenergiekugelmühle, zum Beispiel mit einer Umdrehungszahl von 600 rpm, erfolgen. Insbesondere kann das Mahlen unter Schutzgasatmosphäre erfolgen.
  • Zum Beispiel kann der mindestens eine anorganische Ionenleiter mindestens ein sulfidisches Glas der chemischen Formel: Li10GeP2S12, Li2S-(GeS2)-P2S5 und/oder Li2S-P2S5 umfassen. Beispielsweise kann der mindestens eine anorganische Ionenleiter ein germaniumhaltiges, sulfidisches Glas, zum Beispiel Li10GeP2S12 und/oder Li2S-(GeS2)-P2S5, insbesondere Li10GeP2S12, umfassen. Sulfidische Lithiumionenleiter können vorteilhafterweise eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit und chemische Stabilität aufweisen.
  • Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung umfasst beziehungsweise ist der mindestens eine anorganische Ionenleiter ein Lithium-Argyrodit. Lithium-Argyrodite zeichnen sich vorteilhafterweise durch besonders geringe Kontaktübergangswiderstände an den Korngrenzen innerhalb des Materials sowie zu weiteren Komponenten, beispielsweise den Aktivmaterialpartikeln, aus. So kann vorteilhafterweise eine besonders gute Ionenleitung an und innerhalb der Korngrenzflächen erzielt werden. Vorteilhafterweise können Lithium-Argyrodite auch ohne einen Sinterprozess einen geringen Übergangswiderstand zwischen Körnern aufweisen. So kann vorteilhafterweise die Herstellung der Elektrode beziehungsweise der Zelle vereinfacht werden.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungemäßen Separators und der erfindungsgemäßen Schutzschicht wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Zellen, dem erfindungsgemäßen Copolymer, der erfindungsgemäßen Polymermischung und dem erfindungsgemäßen Polymerelektrolyten sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Lithium-Zelle, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle oder Lithium-Schwefel-Zelle, und/oder Feststoffzelle, welche einen erfindungsgemäßen Separator und/oder eine erfindungsgemäße Schutzschicht umfasst. Dabei kann die Zelle eine Kathode und eine Anode umfassen, wobei der Separator und/oder die Schutzschicht zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist. Die Anode kann beispielsweise eine Lithium-Metall-Anode, insbesondere aus metallischem Lithium, sein.
  • Der erfindungsgemäße Separator und/oder die erfindungsgemäße Schutzschicht kann vorteilhafterweise zusätzlich die Funktion einer Barriere für flüssige Komponenten, beispielsweise Flüssigelektrolyte und/oder ionische Flüssigkeiten, im Elektrolyten der Kathode (Katholyt) und/oder im Elektrolyten der Anode (Anolyt) übernehmen, da der Separator und/oder die Schutzschicht nur in sehr geringem Umfang von diesen lösbar und damit auch kaum von diesen quellbar ist.
  • Die Kathode, insbesondere der Katholyt, und/oder die Anode, insbesondere der Anolyt, kann daher in Kombination mit einem erfindungsgemäßen Separator mindestens einen Flüssigelektrolyten, zum Beispiel aus mindestens einem Lösungsmittel, beispielsweise mindestens einem organischen Carbonat, und mindestens einem Lithium-Leitsalz, beispielsweise Lithiumbis-(trifluormethan-sulfonyl)imid (LiTFSl), und/oder mindestens eine ionische Flüssigkeit (Englisch: Ionic Liquid) aufweisen. Durch diese Flüssigkomponenten kann vorteilhafterweise bei weiterhin hoher Lithiumionen-Überführungszahl (t+) die Leitfähigkeit und Lithiumdiffusion des Katholyten beziehungsweise Anolyten deutlich erhöht werden.
  • Berechnungen haben ergeben, dass es beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Separators und/oder einer erfindungsgemäßen Schutzschicht ausreichen kann, in der Kathode und/oder Anode gegebenenfalls auch einen Elektrolyten, beispielsweise Katholyten beziehungsweise Anolyten, einzusetzen, welcher lediglich eine Überführungszahl von ≤ 0,7, vorzugsweise von ≥ 0,5, aufweist. Daher kann in Kombination mit einem erfindungsgemäßen Separator die Kathode und/oder die Anode gegebenenfalls auch mindestens einen Flüssigelektrolyten und/oder Polymer-Gel-Elektrolyten mit mindestens einem darin gelösten Lithium-Leitsalz, beispielsweise Lithiumbis-(trifluormethan-sulfonyl)imid (LiTFSl), mit einer Überführungszahl ≤ 0,7, vorzugsweise von ≥ 0,5, verwendet werden.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung umfasst die Kathode, insbesondere der Katholyt, jedoch mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, und/oder mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, beispielsweise mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, und/oder umfasst die Anode, insbesondere der Anolyt, mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, und/oder mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, beispielsweise mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile einer derartigen erfindungsgemäßen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Zelle verwiesen.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist nämlich eine Lithium-Zelle, beispielsweise eine Lithium-Schwefel-Zelle oder Lithium-Ionen-Zelle, und/oder Feststoffzelle, umfassend eine Kathode und eine Anode, wobei zwischen der Kathode und der Anode ein Separator und/oder eine Schutzschicht angeordnet ist. Dabei umfasst der Separator und/oder die Schutzschicht mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, und/oder mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, zum Beispiel einen Einzelionenleiter, wobei die Kathode, insbesondere der Katholyt, (ebenfalls) mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, und/oder mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, beispielsweise mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, zum Beispiel einen Einzelionenleiter, umfasst und/oder wobei die Anode, insbesondere der Anolyt, (ebenfalls) mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, und/oder mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, beispielsweise mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, zum Beispiel einen Einzelionenleiter, umfasst.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, des Separators und/oder der Schutzschicht einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten.
  • Im Rahmen einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst oder ist das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, der Kathode einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten.
  • Im Rahmen einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst oder ist das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, der Anode einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten.
  • Dadurch, dass mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere ein einzelionenleitender Polyelektrolyt, und/oder mindestens ein anorganischer Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, insbesondere anstelle eines Polymerelektrolyten auf der Basis eines lithiumionenleitfähigen Polymers mit mindestens einem darin gelösten Lithium-Leitsalz, sowohl im Separator und/oder der Schutzschicht als auch in der Kathode und/oder Anode eingesetzt wird, können vorteilhafterweise extreme Konzentrationsgefälle und damit einhergehende Überspannungen, welche die erreichbare Stromdichte begrenzen können, zumindest minimiert oder vermieden werden. Durch eine Minimierung beziehungsweise Vermeidung von extremen Konzentrationsgefällen kann insbesondere zum einen vermieden werden, dass Bereiche an Leitsalz verarmen, was zu einer starken Verminderung der elektrochemischen Kinetik und damit zu einer Erhöhung der kinetischen Überspannungen sowie zu einer Bevorzugung unerwünschter elektrochemischer Nebenreaktionen und gegebenenfalls sogar zur Zellschädigung führen kann. Zum anderen kann so insbesondere vermieden werden, dass in Bereichen sehr hoher Salzkonzentration Leitsalz ausfällt, was zu einer Blockierung von Poren und gegebenenfalls sogar zu einer Reduzierung der lokale Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen führen kann.
  • So können vorteilhafterweise hohe Stromdichten auch über lange Zeiten beziehungsweise große Δ-SOC-Bereiche, insbesondere für eine Konstant-Hochstrombelastung, zum Beispiel von 3C oder höher, in Lade- und Entladerichtung, aufrechterhalten und insbesondere auch ein schnelles Laden der Zelle realisiert werden.
  • Der Separator kann dabei neben der Funktion der elektronischen Isolation von Anode und Kathode auch die Funktion einer Schutzschicht für eine oder beide Elektroden, beispielsweise die Anode und/oder die Kathode, zum Beispiel eine Lithium-Metall-Anode, übernehmen, wodurch eine verbesserte Lithium-Dendriten-Beständigkeit erzielt werden kann, die sich vorteilhaft auf die Lebensdauer einer damit ausgestatteten Zelle, beispielsweise mit einer Lithium-Metall-Anode, auswirken kann.
  • Insgesamt kann daher durch den Einsatz des mindestens einen Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere des einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und/oder des mindestens einen anorganischen Ionenleiters, insbesondere Einzelionenleiters, beispielsweise mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, sowohl in dem Separator und/oder der Schutzschicht als auch in der Kathode und/oder Anode ein schnelles Laden und Entladen und eine verlängerte Lebensdauer der Zelle ermöglicht und die Zelle insbesondere auch in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden.
  • Einzelionenleitende Polyelektrolyte können verglichen mit den üblicherweise verwendeten Polymerelektrolyten, beispielsweise auf Basis von Polyethylenoxid/Salzmischungen, welche eine elektrochemische Stabilität deutlich unter 4 V gegenüber Lithium-Metall aufweisen, vorteilhafterweise eine höhere elektrochemische Stabilität aufweisen. Dies kann insbesondere für deren Einsatz als Elektrolyt in der Kathode (Katholyt) relevant sein, insbesondere wenn deren gesamte Kapazität genutzt werden soll, da viele bekannte Interkalationsverbindungen, wie Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (NCM), Hochenergie-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (HE-NCM), Lithium-Mangan-Oxid (LMO) und/oder Hochvoltspinelle (HV-LMO), die als Kathodenmaterial Verwendung finden und aufgrund ihrer Eigenschaften für Zellen mit hohen Energiedichten prädestiniert sind beziehungsweise aufgrund der im Vergleich zu LiS-basierten Zellen einen für das Batteriemanagementsystem vorteilhaftere vergleichsweise höhere mittlere Lade/Entladespannung aufweisen, im delithiierten Zustand Potentiale > 4 V aufweisen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist der mindestens eine, insbesondere keramische und/oder glasartige, anorganische Einzelionenleiter des Separators und/oder der Schutzschicht ein Lithium-Argyrodit und/oder ein sulfidisches Glas.
  • Im Rahmen einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst oder ist der mindestens eine, insbesondere keramische und/oder glasartige, anorganische Einzelionenleiter der Kathode ein Lithium-Argyrodit und/oder ein sulfidisches Glas.
  • Im Rahmen einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst oder ist der mindestens eine, insbesondere keramische und/oder glasartige, anorganische Einzelionenleiter der Anode ein Lithium-Argyrodit und/oder ein sulfidisches Glas.
  • Insbesondere können der Separator und/oder die Schutzschicht und die Kathode mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, zum Beispiel einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten, umfassen.
  • Beispielsweise kann das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, beziehungsweise der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt des Separators und/oder der Schutzschicht und/oder der Kathode und/oder der Anode einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure und/oder ein Perfluorpolyether-basiertes Polymer umfassen Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, beziehungsweise der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt des Separators und/oder der Schutzschicht einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure.
  • Im Rahmen einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst oder ist das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, beziehungsweise der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt der Kathode einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure.
  • Im Rahmen einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst oder ist das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, beziehungsweise der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt der Anode einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Separator und/oder die Schutzschicht eine Mischung aus mindestens einem Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, insbesondere einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens einem, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, beispielsweise mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, insbesondere Einzelionenleiter, zum Beispiel einem Lithium-Argyrodit und/oder einem sulfidischen Glas.
  • Im Rahmen einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst die Kathode eine Mischung aus mindestens einem Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, insbesondere einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens einem, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, beispielsweise mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, insbesondere Einzelionenleiter, zum Beispiel einem Lithium-Argyroditen und/oder einem sulfidischen Glas.
  • Im Rahmen einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst die Anode eine Mischung aus mindestens einem Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, insbesondere einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens einem, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, beispielsweise mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, insbesondere Einzelionenleiter, zum Beispiel einem Lithium-Argyroditen und/oder einem sulfidischen Glas.
  • Der Vorteil derartiger Mischungen liegt darin, dass durch die Mischung mit vergleichsweise weichem Polymer, insbesondere einzelionenleitendem Polyelektrolyten, die Herstellung einer dichten Kathode mit geringer Porosität einfacher sein kann und/oder die Übergangswiderstände noch geringer ausfallen können als im Falle von reinem anorganischen Ionenleiter, beispielsweise Lithium-Argyrodit und/oder sulfidischem Glas, als Katholyt beziehungsweise Anolyt. Im Falle eines Separators kann durch eine derartige Mischung zudem vorteilhafterweise die mechanische Stabilität weiter verbessert werden.
  • Das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und/oder der mindestens eine, insbesondere keramische und/oder glasartige, anorganische Ionenleiter des Separators und/oder der Schutzschicht sowie der Kathode und/oder der Anode müssen nicht notwendigerweise identisch sein.
  • Die Kathode kann beispielsweise mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, oder eine Mischung aus mindestens einem, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, beispielsweise einem Lithium-Argyroditen und/oder einem sulfidischen Glas, und mindestens einem Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, beispielsweise einem einzelionenleitenden Polyelektrolyten, umfassen.
  • Der Separator und/oder die Schutzschicht kann insbesondere mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, beispielsweise einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten, oder eine Mischung aus mindestens einem Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, beispielsweise einem einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens einem, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, beispielsweise einem Lithium-Argyroditen und/oder einem sulfidischen Glas und mindestens einem Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, beispielsweise einem einzelionenleitenden Polyelektrolyten, umfassen. So kann der Separator und/oder die Schutzschicht vorteilhafterweise auf einfache Weise als dünner Film von < 50 μm, zum Beispiel durch einen Slurry- und/oder Gießprozess hergestellt und beispielsweise direkt auf die Kathode oder Anode applizierbar sein. Zudem sind Polymere mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, beispielsweise einzelionenleitende Polyelektrolyte, tendenziell weicher als anorganische Ionenleiter, wie sulfidische Gläser und/oder Lithium-Argyrodite, und können daher tendenziell geringere Übergangswiderstände realisieren.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform ist der Separator und/oder die Schutzschicht ein erfindungsgemäßer Separator und/oder eine erfindungsgemäße Schutzschicht. Dabei kann die Lithium-Zelle beispielsweise eine zuerst erläuterte erfindungsgemäße Lithium-Zelle sein.
  • Die Kathode kann insbesondere ein partikuläres Kathodenaktivmaterial umfassen. Das Kathodenaktivmaterial kann beispielsweise ein Lithiumkonversionsmaterial, also ein Material, welches eine Konversionsreaktion mit Lithium eingehen kann, zum Beispiel auf Schwefel-Basis, oder ein Lithium-Interkalationsmaterial, also ein Material, welches Lithium interkalieren kann, zum Beispiel auf Metalloxid-Basis, beispielsweise Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA) und/oder Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (NCM), Hochenergie-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (HE-NCM), Lithium-Mangan-Oxid (LMO) und/oder Hochvoltspinelle (HV-LMO), umfassen oder daraus ausgebildet sein.
  • Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung umfasst das Kathodenaktivmaterial einen Schwefel-Kohlenstoff-Komposit, insbesondere Schwefel-Polymer- und/oder -Kohlenstoffmodifikation-Komposit, oder ist daraus ausgebildet. Zum Beispiel kann das Kathodenaktivmaterial einen Schwefel-Polymer-Komposit, beispielsweise einen Komposit aus einem, insbesondere elektrisch leitfähigen, Polymer mit kovalent und/oder ionisch, insbesondere kovalent, gebundenem Schwefel, umfassen oder daraus ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Kathodenaktivmaterial einen Schwefel-Polyacrylnitril-Komposit umfassen oder daraus ausgebildet sein. Zum Beispiel kann das Kathodenaktivmaterial SPAN umfassen oder daraus ausgebildet sein.
  • Unter SPAN kann insbesondere ein auf Polyacrylnitril (PAN), insbesondere cyclisiertem Polyacrylnitril (cPAN), basierendes Komposit beziehungsweise Polymer mit, insbesondere kovalent, gebundenem Schwefel verstanden werden, insbesondere welches durch eine thermische Umsetzung und/oder chemische Reaktion von Polyacrylnitril in der Gegenwart von Schwefel erhältlich ist. Insbesondere können dabei Nitrilgruppen zu einem Polymer, insbesondere mit konjugiertem π-System, reagieren, bei dem die Nitrilgruppen zu aneinander anhängenden, stickstoffhaltigen Ringen, insbesondere Sechsringen, insbesondere mit kovalent gebundenem Schwefel, umgesetzt werden. Zum Beispiel kann SPAN durch Erhitzen von Polyacrylnitril (PAN) mit einem Überschuss an elementarem Schwefel, insbesondere auf eine Temperatur von ≥ 300°C, beispielsweise etwa ≥ 300°C bis ≤ 600°C, hergestellt werden. Dabei kann der Schwefel insbesondere zum einen das Polyacrylnitril (PAN) unter Ausbildung von Schwefelwasserstoff (H2S) cyclisieren und zum anderen – beispielsweise unter Ausbildung einer kovalenten S-C-Bindung – fein verteilt in der cyclisierten Matrix gebunden werden, beispielweise wobei eine cyclisierte Polyacrylnitril-Struktur mit kovalenten Schwefel-Ketten, ausgebildet wird. SPAN wird in Chem. Mater., 2011, 23, 5024 und J. Mater. Chem., 2012, 22, 23240, J. Elektrochem. Soc., 2013, 160 (8) A1170, und in der Druckschrift WO 2013/182360 A1 beschrieben.
  • Beim Einsatz von Schwefel, zum Beispiel SPAN, als Aktivmaterial kann der Separator und/oder die Schutzschicht zusätzlich die Funktion einer Diffusionsbarriere übernehmen.
  • Die Anode kann insbesondere eine Lithium-Metall-Anode sein. So kann vorteilhafterweise eine besonders hohe spezifische Energiedichte erzielt werden. Dabei können der Separator und/oder die Schutzschicht und die Kathode, insbesondere jeweils, mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, zum Beispiel einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten, umfassen Es ist jedoch auch möglich eine Anode auf der Basis eines partikulären Anodenaktivmaterials zu verwenden. So kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Ratenfähigkeit erzielt werden. Zum Beispiel kann das partikuläre Anodenaktivmaterial ein Lithium-Interkalationsmaterial, zum Beispiel Graphit und/oder amorphen Kohlenstoff und/oder Lithium-Titanat, und/oder ein Lithium-Legierungsmaterial, zum Beispiel Silicium und/oder Zinn, umfassen oder daraus ausgebildet sein. Dabei kann das Anodenaktivmaterial insbesondere in Form von, beispielsweise kugelförmigen und/oder länglichen und/oder flockenartigen und/oder faserförmig, Partikeln ausgebildet und von dem Elektrolyten umgeben sein.
  • Insbesondere insofern die Anode ein partikuläres Anodenaktivmaterial, beispielsweise ein Lithium-Interkalationsmaterial oder Lithium-Legierungsmaterial umfasst, können der Separator und/oder die Schutzschicht und die Kathode und die Anode, insbesondere jeweils beziehungsweise alle, mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, zum Beispiel einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten, umfassen.
  • Das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, zum Beispiel der einzelionenleitende Polyelektrolyt, des Separators und/oder der Schutzschicht und der Kathode und gegebenenfalls der Anode müssen nicht notwendigerweise identisch sein, sondern können insbesondere an die jeweiligen Bedürfnisse, zum Beispiel bezüglich Lösungsverhalten, Spannungsstabilität, Volumenarbeit, et cetera, im jeweiligen Einsatzbereich der Zelle, angepasst und/oder optimiert sein.
  • Die Kathode und/oder die Anode können weiterhin mindestens einen Leitzusatz umfassen. Der mindestens eine Leitzusatz der Kathode und/oder der Anode kann beispielsweise mindestens eine Kohlenstoffmodifikation, zum Beispiel Ruß und/oder Graphit, umfassen oder sein. So kann ein perkolierendes elektrisch leitendes Netzwerk gebildet oder verbessert werden und auf diese Weise die elektrische Leitfähigkeit erhöht werden. Insbesondere kann die Kathode und/oder die Anode mindestens ein Kathodenaktivmaterial beziehungsweise Anodenaktivmaterial, mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und/oder mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, und mindestens einen Leitzusatz umfassen.
  • Weiterhin kann der Separator und/oder die Schutzschicht und/oder die Kathode und/oder die Anode beispielsweise mindestens ein lithiumionenleitfähiges Polymer, insbesondere ein Polyalkylenoxid, beispielsweise Polyethylenoxid und/oder Polypropylenoxid, zum Beispiel Polyethylenoxid, und/oder Poly-(oligoethylenglycol)methacrylat (P-(OEGMA) und/oder Poly-(oligoethylenglycol)acrylat, insbesondere Poly-(oligoethylenglycol)methacrylat (P-(OEGMA), umfassen.
  • Weiterhin kann die Kathode gegebenenfalls, insbesondere zusätzlich zu dem mindestens einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten, mindestens einen Flüssigelektrolyten, zum Beispiel aus mindestens einem Lösungsmittel, beispielsweise mindestens einem organischen Carbonat, wie Ethylencarbonat (EC) und/oder Dimethylcarbonat (DMC) und/oder Diethylcarbonat (DEC), und mindestens einem Lithium-Leitsalz, beispielsweise Lithiumbis-(trifluormethan-sulfonyl)imid (LiTFSl), zum Beispiel EC:DMC:DEC + LiTFSl, und/oder mindestens eine ionische Flüssigkeit (Englisch: Ionic Liquid) umfassen. Durch die Zugabe eines Flüssigelektrolyten und/oder einer ionischen Flüssigkeit kann vorteilhafterweise – bei weiterhin ausreichend hohen Lithiumionen-Überführungszahlen (t+) nahe 1 – die Lithiumionen-Leitfähigkeit und Lithiumionen-Diffusion erhöht und der Lithiumionentransport in der Zelle optimiert werden. Dabei kann der, insbesondere erfindungsgemäße, Separator zusätzlich die Funktion einer Barriere für die flüssigen Komponenten des Katholyten und/oder des Anolyten übernehmen. Dabei kann der, insbesondere erfindungsgemäße, Separator vorteilhafterweise seine mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Eigenschaft, Dendriten zu unterdrücken, beibehalten und beispielsweise wenn überhaupt kaum gelöst beziehungsweise gequollen.
  • Zum Beispiel können die erfindungsgemäßen Zellen in einer Batterie für ein Fahrzeug, beispielsweise für Elektro- und/oder Hybrid-Fahrzeug, und/oder für eine Consumer-Anwendung, beispielsweise für ein mobiles Gerät, wie einen mobilen Computer und/oder ein Tablet und/oder ein Smartphones, eingesetzt werden.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zellen wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Separator, der erfindungsgemäßen Schutzschicht, dem erfindungsgemäßen Copolymer, der erfindungsgemäßen Polymermischung und dem erfindungsgemäßen Polymerelektrolyten sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Copolymer und/oder Polymermischung (Blend) und/oder einen Polymerelektrolyten, insbesondere für eine Lithium-Zelle, beispielsweise für eine Lithium-Schwefel-Zelle oder eine Lithium-Ionen-Zelle, und/oder für eine Feststoffzelle.
  • Dabei umfasst das Copolymer insbesondere mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, insbesondere zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit.
  • Die Polymermischung kann dabei insbesondere mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, insbesondere mindestens einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens ein mechanisch stabilisierendes Polymer umfassen.
  • Der Polymerelektrolyt kann dabei zumindest mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, insbesondere zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und/oder mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,8, beispielsweise > 0,9, insbesondere mindestens einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten, umfassen. Gegebenenfalls kann der Polymerelektrolyt weiterhin mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit und/oder mindestens ein mechanisch stabilisierendes Polymer umfassen. Zum Beispiel kann Polymerelektrolyt auf einem, beispielsweise derartigen, Copolymer und/oder einer, beispielsweise derartigen, Polymermischung (Blend) basieren.
  • Dabei kann die mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit insbesondere mindestens eine Styrol-basierte Wiederholungseinheit und/oder das mindestens eine mechanisch stabilisierende Polymer ein Styrol-basiertes Polymer umfassen oder sein.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten, des Copolymers und/oder Polymerelektrolyten eine Borat-basierte Einheit und/oder eine Sulfonsäure-basierte Einheit und/oder eine Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Einheit und/oder ein Einheit auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure und/oder eine Perfluorether-basierte Einheit und/oder das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt, der Polymermischung und/oder des Polymerelektrolyten einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyt auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure und/oder ein Perfluorpolyether-basiertes Polymer.
  • Die mindestens eine Styrol-basierte Wiederholungseinheit und/oder das mindestens eine Polymer können beispielsweise durch Polymerisation von Styrol und/oder o-Methylstyrol und/oder p-Methylstyrol und/oder m-t-Butoxystyrol und/oder 2,4-Dimethylstyrol und/oder m-Chlorstyrol und/oder p-Chlorrstyrol und/oder 4-Carboxystyrol und/oder Vinylanisol und/oder Vinylbenzoesäure und/oder Vinylanilin und/oder Vinylnaphthalen und/oder Analoga erhältlich sein.
  • Die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 kann insbesondere zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten ausgelegt sein. Das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 kann insbesondere ein einzelionenleitender Polyelektrolyt sein.
  • Die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, beziehungsweise die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten kann beispielsweise eine Borat-basierte Einheit und/oder eine Sulfonsäure-basierte Einheit und/oder eine Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Einheit und/oder ein Einheit auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure umfassen oder sein.
  • Das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere > 0,9, beziehungsweise der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt kann beispielsweise einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure umfassen oder sein.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Copolymer ein Block-Copolymer. Dabei kann das Block-Copolymer mindestens einen, insbesondere einzelionenleitenden, Block (b-A, beispielsweise b-SIC) aus mindestens einer Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 (A, beispielsweise SIC) und mindestens einen, insbesondere mechanisch stabilisierenden, Block (b-B, beispielsweise b-PS) aus mindestens einer mechanisch stabilisierende, insbesondere Styrol-basierten, Wiederholungseinheit umfassen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Copolymer weiterhin mindestens eine lithiumionenleitfähige Wiederholungseinheit. Dabei kann die mindestens eine lithiumionenleitfähige Wiederholungseinheit eine Alkylenoxid-Einheit, insbesondere eine Ethylenoxid-Einheit (EO) und/oder eine Propylenoxid-Einheit (PO), insbesondere eine Ethylenoxid-Einheit (EO), und/oder eine Oligoethylenglycolmethacrylat-Einheit (OEGMA) und/oder eine Oligoethylenglycolacrylat-Einheit, insbesondere eine Oligoethylenglycolmethacrylat-Einheit (OEGMA), umfassen oder sein.
  • Im Rahmen einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst die Polymermischung weiterhin mindestens ein lithiumionenleitfähiges Polymer. Dabei kann das mindestens eine lithiumionenleitfähige Polymer ein Polyalkylenoxid, insbesondere Polyethylenoxid und/oder Polypropylenoxid, insbesondere Polyethylenoxid, und/oder Poly-(oligoethylenglycol)methacrylat (P-(OEGMA) und/oder Poly-(oligoethylenglycol)acrylat, insbesondere Poly-(oligoethylenglycol)methacrylat (P-(OEGMA), umfassen oder sein.
  • Zum Beispiel kann das Block-Copolymer weiterhin mindestens einen, insbesondere lithiumionenleitfähigen, Block aus mindestens einer lithiumionenleitfähigen Wiederholungseinheit umfassen.
  • Zum Beispiel kann das Block-Copolymer ein Di-Block-Copolymer (b-A-b-B, beispielsweise b-SIC-b-PS) oder ein Tri-Block-Copolymer (b-A-b-B-b-A oder b-B-b-A-b-B, beispielsweise b-SIC-b-PS-b-SIC oder b-PS-b-SIC-b-PS) oder Multi-Block-Copolymer (b-A-b-C-b-B-b-C-b-A, beispielsweise b-SIC-b-OEGMA//EO/PO-b-PS-b-OEGMA/EO/PO-b-SIC) sein.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Copolymers, der erfindungsgemäßen Polymermischung und des erfindungsgemäßen Polymerelektrolyten wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Separator, der erfindungsgemäßen Schutzschicht und den erfindungsgemäßen Zellen sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Zeichnungen
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lithium-Zelle; und
  • 2 einen Graphen zur Veranschaulichung der Abhängigkeit zwischen einer minimal nötigen Überführungszahl (t+ min) für einen kathodischen Polymerelektrolyten bei einer angenommener ionischer Leitfähigkeit beziehungsweise Diffusionskoeffizient des kathodischen Polymerelektrolyten in einer Zelle zur Erreichung einer 1C, 2C und 3C Ratenfähigkeit der Zelle.
  • 1 zeigt eine Lithium-Zelle 1, insbesondere in Form einer Feststoffzelle, welche eine Kathode 2 und eine Anode 3 umfasst, wobei zwischen der Kathode 2 und der Anode 3 ein Separator 4 angeordnet ist. Die Anode 3 ist dabei eine Lithium-Metall-Anode aus metallischem Lithium. Der Separator 4 erfüllt dabei auch die Funktion einer Schutzschicht gegen eine Dendritenbildung von der Anode 3.
  • Der Separator 4 umfasst dabei insbesondere mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7. Insbesondere kann der Separator 4 hierfür mindestens einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten umfassen. Zum Beispiel kann der Separator 4 einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure umfassen. Weiterhin kann der Separator 4 mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, beispielsweise einen Lithium-Argyroditen und/oder ein sulfidisches Glas, umfassen (nicht dargestellt).
  • Die Kathode 2 umfasst dabei ein, insbesondere partikuläres, Kathodenaktivmaterial 5, zum Beispiel auf Metalloxid-Basis, wie Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (NCM), Hochenergie-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (HE-NCM), Lithium-Mangan-Oxid (LMO) und/oder Hochvoltspinelle (HV-LMO), oder auf Schwefel-Basis, sowie, insbesondere als Katholyt 6, mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und/oder mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7. Insbesondere kann die Kathode 2 hierfür mindestens einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten und/oder mindestens einen Lithium-Argyroditen und/oder sulfidisches Glas umfassen. Zum Beispiel kann die Kathode 2 einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure umfassen. Weiterhin umfasst die Kathode 2 einen Leitzusatz 7, Beispiel Ruß und/oder Graphit, zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Kathode 2.
  • Das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt, des Separators 4 und das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt, der Kathode 2 können unterschiedlich oder gegebenenfalls auch zumindest ähnlich sein.
  • 1 zeigt weiterhin, dass die Kathode 2 mit einem Stromkollektor 8 ausgestattet ist.
  • Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung umfasst der Separator 4 ein Copolymer und/oder eine Polymermischung (Blend), wobei das Copolymer mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit umfasst und/oder wobei die Polymermischung mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere mindestens einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens ein mechanisch stabilisierendes Polymer umfasst. Dabei kann die mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit mindestens eine Styrol-basierte Wiederholungseinheit und/oder das mindestens eine mechanisch stabilisierende Polymer mindestens ein Styrol-basiertes Polymer umfassen oder sein. Insbesondere können sich dabei das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 des Separators 4 und das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 der Kathode 2 sich dabei zumindest dadurch voneinander unterscheiden, dass das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 der Kathode 2 frei von einer mechanisch stabilisierenden, beispielsweise Styrol-basierten, Wiederholungseinheit und/oder von einem mechanisch stabilisierenden, insbesondere Styrol-basierten, Polymer ist. Die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und/oder das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 des Separators 4 und das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 der Kathode 2 können ansonsten ebenfalls unterschiedlich oder insbesondere auch zumindest ähnlich zueinander oder gegebenenfalls sogar gleich sein.
  • 2 veranschaulicht, die Ergebnisse von Berechnungen, in denen minimal nötige Lithiumionen-Überführungszahlen t+ min eines kathodischen Polymerelektrolyten mit einer angenommenen Leitfähigkeit beziehungsweise Diffusionskoeffizienten für eine Zelle berechnet wurden, welche benötigt werden, um einen Ladevorgang mit konstanter C-Rate von SOC = 0% bis SOC = 75% zu realisieren. Als Basis diente dabei eine Zelle mit einem 10 μm dicken Separator, der als klassischer Polymerelektrolyt, zum Beispiel PEO/LiTFSl, mit einer Leitfähigkeit von 4 e–4 S/cm, einem Salzdiffusionskoeffizient von 1 e–12 m2/s und einer Lithiumionen-Überführungszahl t+ von 0,25 ausgeführt ist und dessen Transporteigenschaften nicht variiert werden, und mit einer Kathode, die eine Beladung von 4 mAh/cm2 aufweist und die ebenfalls einen Polymerelektrolyt, zum Beispiel PEO/LiTFSl, enthält, dessen Transporteigenschaften jedoch variiert wurden. Von den Transporteigenschaften des Polymerelektrolyten der Kathode wurden dabei insbesondere die Leitfähigkeit I und der Diffusionskoeffizient D eines Leitsalzes im Polymerelektrolyten der Kathode variiert.
  • In 2 sind die Ergebnisse für simulierte Ladevorgänge mit konstanter C-Rate, nämlich für 1C in Kurve 10, für 2C in Kurve 11 und für 3C in Kurve 12, dargestellt. In 2 kann Kurve 12 bei etwa 1 e2 S/cm dahingehend gedeutet werden, dass für eine Konstantstromladung mit 3C eine Überführungszahl t+ > 0,5 benötigt wird. Bei der Berechnung des in 2 dargestellten Graphen wurde allerdings ein PEO-basierter Polymerelektrolyt mit einer Lithiumionen-Überführungszahl t+ von 0,25 als Separator betrachtet, welcher zu einer zusätzlichen Konzentrationspolarisation führt und damit die Anforderung an die Überführungszahl des Polymerelektrolyten der Kathode (Katholyten) erhöht. Bei Verwendung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und insbesondere bei der Verwendung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten, beispielsweise mit eine Lithiumionen-Überführungszahl > 0,8 oder > 0,9, als Separator und/oder Schutzschicht, verringern sich vorteilhafterweise die Anforderungen bezüglich der minimal nötigen Lithiumionen-Überführungszahlen t+ min des Katholyten gegenüber dem in 2 dargestellten. So scheint sich vorteilhafterweise zum Beispiel ein 3C Ladevorgang bereits bei einer Katholyt-Leitfähigkeit von 1 e–3 S/cm und einer Lithiumionen-Überführungszahl t+ < 0,7, zum Beispiel bereits für eine Lithiumionen-Überführungszahl t+ = 0,5, im Katholyten erreichen zu lassen (nicht dargestellt in den Figuren).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1098382 [0006]
    • US 2006/0177732 [0007]
    • WO 2013/182360 A1 [0111]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Solid State Ionics 262, 2014, S. 747–753 [0035]
    • Polym. Chem., 2015, 6, S. 1052 [0036]
    • Zhibin Zhou et al in Electrochimica Acta, 93, 2013, S. 254–263 [0038]
    • J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15952 [0039]
    • Proceedings of the National Academy of Sciences, 111, 2014, S. 3327 [0041]
    • Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 755–758 [0073]
    • Z. Anorg. Allg. Chem., 2010, 636, 1920–1924 [0073]
    • Chem. Eur. J., 2010, 16, 2198–2206 [0073]
    • Chem. Eur. J., 2010, 16, 5138–5147 [0073]
    • Chem. Eur. J., 2010, 16, 8347–8354 [0073]
    • Solid State Ionics, 2012, 221, 1–5 [0073]
    • Z. Anorg. Allg. Chem., 2011, 637, 1287–1294 [0073]
    • Solid State Ionics, 2013, 243, 45–48 [0073]
    • Chem. Mater., 2011, 23, 5024 [0111]
    • J. Mater. Chem., 2012, 22, 23240 [0111]
    • J. Elektrochem. Soc., 2013, 160 (8) A1170 [0111]

Claims (20)

  1. Separator und/oder Schutzschicht (4) für eine Lithium-Zelle (1), umfassend ein Copolymer und/oder eine Polymermischung, wobei das Copolymer mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit umfasst, und/oder wobei die Polymermischung mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und mindestens ein mechanisch stabilisierendes Polymer umfasst.
  2. Separator und/oder Schutzschicht (4) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine mechanisch stabilisierende Wiederholungseinheit mindestens eine Styrol-basierte Wiederholungseinheit umfasst oder ist, und/oder wobei das mindestens eine mechanisch stabilisierende Polymer mindestens ein Styrol-basiertes Polymer umfasst oder ist.
  3. Separator und/oder Schutzschicht (4) nach 1 oder 2, wobei die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten ausgelegt ist, und/oder wobei das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 ein einzelionenleitender Polyelektrolyt ist.
  4. Separator und/oder Schutzschicht (4) nach Anspruch 1 oder 3, wobei die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 beziehungsweise die mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten eine Borat-basierte Einheit und/oder eine Sulfonsäure-basierte Einheit und/oder eine Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Einheit und/oder ein Einheit auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure umfasst oder ist, und/oder wobei das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 beziehungsweise der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure umfasst oder ist.
  5. Separator und/oder Schutzschicht (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Copolymer ein Block-Copolymer ist, wobei das Block-Copolymer mindestens einen Block aus mindestens einer Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere eines einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens einen Block aus mindestens einer mechanisch stabilisierenden, insbesondere Styrol-basierten, Wiederholungseinheit umfasst.
  6. Separator und/oder Schutzschicht (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Copolymer weiterhin mindestens eine lithiumionenleitfähige Wiederholungseinheit umfasst, und/oder wobei die Polymermischung weiterhin mindestens ein lithiumionenleitfähiges Polymer umfasst.
  7. Separator und/oder Schutzschicht (4) nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine lithiumionenleitfähige Wiederholungseinheit eine Alkylenoxid-Einheit, insbesondere eine Ethylenoxid-Einheit, und/oder eine Oligoethylenglycolmethacrylat-Einheit und/oder Oligoethylenglycolacrylat-Einheit, insbesondere eine Oligoethylenglycolmethacrylat-Einheit, ist und/oder wobei das mindestens eine lithiumionenleitfähige Polymer ein Polyalkylenoxid, insbesondere Polyethylenoxid, und/oder Poly-(oligoethylenglycol)methacrylat und/oder Poly-(oligoethylenglycol)acrylat, insbesondere Poly-(oligoethylenglycol)methacrylat, ist.
  8. Separator und/oder Schutzschicht (4) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Block-Copolymer ein Di-Block-Copolymer oder ein Tri-Block-Copolymer oder Multi-Block-Copolymer ist.
  9. Separator und/oder Schutzschicht (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Separator und/oder die Schutzschicht (4) weiterhin mindestens einen anorganischen Einzelionenleiter umfasst, insbesondere wobei der mindestens eine anorganische Einzelionenleiter ein Lithium-Argyrodit und/oder ein sulfidisches Glas ist.
  10. Lithium-Zelle (1), umfassend einen Separator und/oder eine Schutzschicht (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Lithium-Zelle (1), umfassend eine Kathode (2) und eine Anode (3), wobei zwischen der Kathode (2) und der Anode (3) ein Separator und/oder eine Schutzschicht (4) angeordnet ist, wobei der Separator und/oder die Schutzschicht (4) mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und/oder mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 umfasst, und wobei die Kathode (2) mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und/oder mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, umfasst, und/oder wobei die Anode (3) mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und/oder mindestens einen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, anorganischen Ionenleiter, insbesondere Einzelionenleiter, umfasst.
  12. Lithium-Zelle (1) nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine anorganische Einzelionenleiter des Separators und/oder der Schutzschicht (4) ein Lithium-Argyrodit und/oder ein sulfidisches Glas ist, und/oder wobei der mindestens eine anorganische Einzelionenleiter der Kathode (2) ein Lithium-Argyrodit und/oder ein sulfidisches Glas ist, und/oder wobei der mindestens eine anorganische Einzelionenleiter der Anode (3) ein Lithium-Argyrodit und/oder ein sulfidisches Glas ist.
  13. Lithium-Zelle (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das mindestens eine Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 des Separators und/oder der Schutzschicht (4) einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten umfasst oder ist, und wobei das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 der Kathode (2) einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten umfasst oder ist, und/oder wobei das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 der Anode (3) einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten umfasst oder ist.
  14. Lithium-Zelle (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 beziehungsweise der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt des Separators und/oder der Schutzschicht (4) einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure umfasst oder ist, und wobei das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 beziehungsweise der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt der Kathode (2) einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure umfasst oder ist, und/oder wobei das mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 beziehungsweise der mindestens eine einzelionenleitende Polyelektrolyt der Anode (3) einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyten auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure umfasst oder ist.
  15. Lithium-Zelle (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Separator (4) und/oder die Schutzschicht eine Mischung aus mindestens einem Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens einem anorganischen Ionenleiter, insbesondere einem Lithium-Argyrodit und/oder einem sulfidischen Glas, umfasst, und wobei die Kathode (2) eine Mischung aus mindestens einem Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens einem anorganischen Ionenleiter, insbesondere einem Lithium-Argyroditen und/oder einem sulfidischen Glas, und/oder wobei die Anode (3) eine Mischung aus mindestens einem Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere einzelionenleitenden Polyelektrolyten, und mindestens einem anorganischen Ionenleiter, insbesondere einem Lithium-Argyroditen und/oder einem sulfidischen Glas, umfasst.
  16. Lithium-Zelle (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Anode (3) eine Lithium-Metall-Anode ist und wobei der Separator und/oder die Schutzschicht (4) und die Kathode (2) mindestens einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten umfassen, oder wobei die Anode (3) ein partikuläres Anodenaktivmaterial umfasst, wobei der Separator und/oder die Schutzschicht (4) und die Kathode (2) und die Anode (3) mindestens einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten umfassen.
  17. Lithium-Zelle (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei der Separator und/oder die Schutzschicht (4) ein Separator und/oder eine Schutzschicht (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.
  18. Copolymer und/oder Polymermischung und/oder Polymerelektrolyt auf der Basis eines Copolymers und/oder einer Polymermischung, wobei das Copolymer mindestens eine Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere eine Borat-basierte Einheit und/oder eine Sulfonsäure-basierte Einheit und/oder eine Imid-basierte, insbesondere Sulfonylimid-basierte, Einheit und/oder ein Einheit auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure und/oder eine Perfluorether-basierte Einheit, und mindestens eine Styrol-basierte Wiederholungseinheit, umfasst, und/oder wobei die Polymermischung mindestens ein Polymer mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7, insbesondere einen Borat-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Sulfonsäure-basierten Polyelektrolyten und/oder einen Imid-basierten, insbesondere Sulfonylimid-basierten, Polyelektrolyten und/oder einen Polyelektrolyt auf Basis von lithiierter Acrylsäure und/oder Methacrylsäure und/oder ein Perfluorpolyether-basiertes Polymer, und mindestens ein Styrol-basiertes Polymer, umfasst.
  19. Copolymer und/oder Polymermischung und/oder Polymerelektrolyt nach Anspruch 18, wobei das Copolymer ein Block-Copolymer ist, wobei das Block-Copolymer mindestens einen Block aus mindestens einer Wiederholungseinheit zur Ausbildung eines Polymers mit einer Lithiumionen-Überführungszahl > 0,7 und mindestens einen Block aus mindestens einer Styrol-basierten Wiederholungseinheit umfasst.
  20. Copolymer und/oder Polymermischung und/oder Polymerelektrolyt nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Copolymer weiterhin mindestens eine lithiumionenleitfähige Wiederholungseinheit umfasst, insbesondere wobei die mindestens eine lithiumionenleitfähige Wiederholungseinheit eine Alkylenoxid-Einheit, insbesondere eine Ethylenoxid-Einheit, und/oder eine Oligoethylenglycolmethacrylat-Einheit und/oder eine Oligoethylenglycolacrylat-Einheit umfasst oder ist, und/oder wobei die Polymermischung weiterhin mindestens ein lithiumionenleitfähiges Polymer umfasst, insbesondere wobei das mindestens eine lithiumionenleitfähige Polymer ein Polyalkylenoxid, insbesondere Polyethylenoxid, und/oder Poly-(oligoethylenglycol)methacrylat und/oder Poly-(oligoethylenglycol)acrylat umfasst oder ist, insbesondere wobei das Block-Copolymer weiterhin mindestens einen Block aus mindestens einer lithiumionenleitfähigen Wiederholungseinheit umfasst.
DE102015224345.1A 2015-12-04 2015-12-04 SIC-Separator und SIC-Zelle Withdrawn DE102015224345A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015224345.1A DE102015224345A1 (de) 2015-12-04 2015-12-04 SIC-Separator und SIC-Zelle
CN201680070536.8A CN108292727A (zh) 2015-12-04 2016-11-24 Sic-隔膜和sic-电池
PCT/EP2016/078627 WO2017093107A1 (de) 2015-12-04 2016-11-24 Sic-separator und sic-zelle
US15/780,997 US20200274124A1 (en) 2015-12-04 2016-11-24 Sic separator and sic cell
EP16805039.1A EP3384541A1 (de) 2015-12-04 2016-11-24 Sic-separator und sic-zelle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015224345.1A DE102015224345A1 (de) 2015-12-04 2015-12-04 SIC-Separator und SIC-Zelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102015224345A1 true DE102015224345A1 (de) 2017-06-08

Family

ID=57460484

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015224345.1A Withdrawn DE102015224345A1 (de) 2015-12-04 2015-12-04 SIC-Separator und SIC-Zelle

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20200274124A1 (de)
EP (1) EP3384541A1 (de)
CN (1) CN108292727A (de)
DE (1) DE102015224345A1 (de)
WO (1) WO2017093107A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018218486A1 (de) * 2018-01-10 2019-07-11 Robert Bosch Gmbh Kompositzusammensetzung, umfassend Elektrodenaktivmaterial und anorganischem Feststoffelektrolyt mit verbesserter Kontaktierung
EP4078698A4 (de) * 2019-12-20 2024-08-14 Blue Current, Inc. Zusammengesetzte elektrolyte mit bindemitteln
US12355075B2 (en) 2016-07-29 2025-07-08 Blue Current, Inc. Compliant solid-state ionically conductive composite materials and method for making same

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019060196A1 (en) 2017-09-21 2019-03-28 Applied Materials, Inc. FABRICATION OF STACKS OF LITHIUM ANODE DEVICES
CN109273647B (zh) * 2018-08-10 2020-12-08 中国地质大学（武汉） 一种多孔单离子导电聚合物电解质隔膜及其制备方法和应用
CN111326736B (zh) * 2018-12-17 2021-05-28 宁德时代新能源科技股份有限公司 锂金属电池
CN109713204A (zh) * 2018-12-17 2019-05-03 欣旺达电动汽车电池有限公司 一种陶瓷隔膜及其制备方法
US11631840B2 (en) 2019-04-26 2023-04-18 Applied Materials, Inc. Surface protection of lithium metal anode
JP2021034133A (ja) * 2019-08-19 2021-03-01 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ Ｇｍｂｈ 電池及び膜電極接合体
KR20230032401A (ko) * 2021-08-31 2023-03-07 현대자동차주식회사 인-도핑된 흑연질 탄소 질화물과 단일 이온 전도성 고분자로 이루어진 계면층을 포함하는 리튬이차전지용 음극, 이를 포함하는 리튬이차전지 및 이의 제조방법
CN115799441B (zh) * 2023-02-10 2023-07-14 欣旺达电动汽车电池有限公司 一种锂离子电池及用电装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1098382A2 (de) 1999-11-05 2001-05-09 Ilion Technology Corporation Polyelektrolytgel
US20060177732A1 (en) 2001-07-25 2006-08-10 Polyplus Battery Company Battery cell with barrier layer on non-swelling membrane
US20120141881A1 (en) * 2009-08-14 2012-06-07 Seeo, Inc High energy polymer battery
EP2555307A1 (de) * 2010-03-26 2013-02-06 Tokyo Institute of Technology Festes sulfid-elektrolytmaterial, batterie und verfahren zur herstellung des festen sulfid-elektrolytmaterials
WO2013182360A1 (de) 2012-06-08 2013-12-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum herstellen eines polyacrylnitril-schwefel-kompositwerkstoffs
US20140272600A1 (en) * 2011-09-05 2014-09-18 Universite D'aix-Marseille Block copolymer including a polyanion based on a tfsili anion monomer as a battery electrolyte
DE102013219602A1 (de) * 2013-09-27 2015-04-16 Robert Bosch Gmbh Herstellungsverfahren für Lithium-Zellen-Funktionsschicht

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6432586B1 (en) * 2000-04-10 2002-08-13 Celgard Inc. Separator for a high energy rechargeable lithium battery
KR100399785B1 (ko) * 2001-04-07 2003-09-29 삼성에스디아이 주식회사 겔형 고분자 전해질을 포함하는 권취형 리튬 2차 전지용세퍼레이터 및 그 제조방법
WO2009048663A2 (en) * 2007-07-20 2009-04-16 Regents Of The University Of Minnesota Nano-structured polymer composites and process for preparing same
JP4612664B2 (ja) * 2007-09-25 2011-01-12 セイコーエプソン株式会社 全固体二次電池、全固体二次電池の製造方法
DE102007048289A1 (de) * 2007-10-08 2009-04-09 Universität Siegen Lithium-Argyrodite
CN101747642B (zh) * 2008-12-05 2012-07-25 比亚迪股份有限公司 凝胶聚合物电解质和聚合物电池及其制备方法
JP5775001B2 (ja) * 2009-02-11 2015-09-09 ダウ グローバル テクノロジーズ エルエルシー 高電導性ポリマー電解質およびそれを含む二次電池
US9450272B2 (en) * 2012-04-14 2016-09-20 Seeo, Inc. Small domain-size multiblock copolymer electrolytes
EP2969917B1 (de) * 2012-09-12 2022-11-02 Drexel University Polymerisierte blockcopolymere mit ionischer flüssigkeit als batteriemembranen
CN103066323B (zh) * 2012-12-17 2015-03-04 华中科技大学 一种无机纳米粒子改性的聚合物电解质及其制备方法
EP3031798B1 (de) * 2014-12-10 2017-09-27 Belenos Clean Power Holding AG Neuartiger Vernetzer zur Herstellung einer neuen Familie einzelner Ionenleitungspolymere für elektrochemische Vorrichtungen und diese Polymere
CN106935904B (zh) * 2017-02-28 2019-07-19 中山大学 一种基于功能化硼酸锂盐的锂单离子传导聚合物电解质

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1098382A2 (de) 1999-11-05 2001-05-09 Ilion Technology Corporation Polyelektrolytgel
US20060177732A1 (en) 2001-07-25 2006-08-10 Polyplus Battery Company Battery cell with barrier layer on non-swelling membrane
US20120141881A1 (en) * 2009-08-14 2012-06-07 Seeo, Inc High energy polymer battery
EP2555307A1 (de) * 2010-03-26 2013-02-06 Tokyo Institute of Technology Festes sulfid-elektrolytmaterial, batterie und verfahren zur herstellung des festen sulfid-elektrolytmaterials
US20140272600A1 (en) * 2011-09-05 2014-09-18 Universite D'aix-Marseille Block copolymer including a polyanion based on a tfsili anion monomer as a battery electrolyte
WO2013182360A1 (de) 2012-06-08 2013-12-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum herstellen eines polyacrylnitril-schwefel-kompositwerkstoffs
DE102013219602A1 (de) * 2013-09-27 2015-04-16 Robert Bosch Gmbh Herstellungsverfahren für Lithium-Zellen-Funktionsschicht

Non-Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 755–758
Chem. Eur. J., 2010, 16, 2198–2206
Chem. Eur. J., 2010, 16, 5138–5147
Chem. Eur. J., 2010, 16, 8347–8354
Chem. Mater., 2011, 23, 5024
J. Elektrochem. Soc., 2013, 160 (8) A1170
J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15952
J. Mater. Chem., 2012, 22, 23240
Polym. Chem., 2015, 6, S. 1052
Proceedings of the National Academy of Sciences, 111, 2014, S. 3327
Solid State Ionics 262, 2014, S. 747–753
Solid State Ionics, 2012, 221, 1–5
Solid State Ionics, 2013, 243, 45–48
Z. Anorg. Allg. Chem., 2010, 636, 1920–1924
Z. Anorg. Allg. Chem., 2011, 637, 1287–1294
Zhibin Zhou et al in Electrochimica Acta, 93, 2013, S. 254–263

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12355075B2 (en) 2016-07-29 2025-07-08 Blue Current, Inc. Compliant solid-state ionically conductive composite materials and method for making same
DE102018218486A1 (de) * 2018-01-10 2019-07-11 Robert Bosch Gmbh Kompositzusammensetzung, umfassend Elektrodenaktivmaterial und anorganischem Feststoffelektrolyt mit verbesserter Kontaktierung
EP4078698A4 (de) * 2019-12-20 2024-08-14 Blue Current, Inc. Zusammengesetzte elektrolyte mit bindemitteln

Also Published As

Publication number Publication date
US20200274124A1 (en) 2020-08-27
EP3384541A1 (de) 2018-10-10
CN108292727A (zh) 2018-07-17
WO2017093107A1 (de) 2017-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102015224345A1 (de) SIC-Separator und SIC-Zelle
US11063292B2 (en) Composite electrolyte structure and lithium metal battery including the same
US10741846B2 (en) Negative electrode for lithium metal battery and lithium metal battery comprising the same
US10847799B2 (en) Negative electrode for lithium metal battery and lithium metal battery comprising the same
EP3175501B1 (de) Kompositelektrode für eine elektrochemische zelle und elektrochemische zelle
EP2991153B1 (de) Verbundelektrolyt und lithiumbatterie damit
EP3002814B1 (de) Elektrolyt, verfahren zur herstellung des elektrolyts und sekundärbatterie mit dem elektrolyt
EP3723169B1 (de) Negativelektrode für lithium-metall-batterie und lithium-metall-batterie damit
DE102015224335A1 (de) Feststoffelektrode mit elektrolytgetränkten Aktivmaterialpartikeln
DE102016226291A1 (de) Schutzschicht mit verbesserter Kontaktierung für Lithium-Zellen und/oder Lithium-Batterien
DE102014206829A1 (de) Galvanisches Element
DE102016225273A1 (de) SIC-MOF-Elektrolyt
DE102013219606A1 (de) Elektrodenmaterial mit Lithium-Argyrodit
DE102013219602A1 (de) Herstellungsverfahren für Lithium-Zellen-Funktionsschicht
KR20150063021A (ko) 전고체 2 차 전지용 슬러리, 전고체 2 차 전지용 전극의 제조 방법, 전고체 2 차 전지용 전해질층의 제조 방법 및 전고체 2 차 전지
DE102012022607A1 (de) Feststoff-/Gelelektrolyt-Akkumulator mit Binder aus anorganisch-organischem Hybridpolymer und Verfahren zu dessen Herstellung
DE112013003242T5 (de) Metall/Luft-Batterie mit gasgetriebenem Gemisch
EP3240088A1 (de) Verfahren zur herstellung eines einzelionenleitenden lithium-polyelektrolyten
DE102016215064A1 (de) Beschichteter Festkörperelektrolyt
DE102019206133A1 (de) Festkörperelektrolytschicht und Batteriezelle aufweisend eine Festkörperelektrolytschicht
DE102012209313A1 (de) Lithium-Luft-Zelle
DE102024110213A1 (de) Verfahren zum Herstellen von voraktivierten Lithiumübergangsmetalloxiden für Akkumulatoren, die Lithiumionen zyklisieren
WO2017118570A1 (de) Elektrolyt und batteriezelle diesen enthaltend
DE102019206131A1 (de) Elektrode und Batteriezelle aufweisend eine Elektrode
DE102017217654A1 (de) Elektrochemische Zelle umfassend mindestens ein Molekularsieb

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R012 Request for examination validly filed
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee