DE102018203466A1 - Metal-ion battery and method for producing a metal electrode with an intermediate layer for a metal-ion battery - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Metall-Ionen-Batterie (10) vorgeschlagen, umfassend eine Kathode (50), einen Separator (40), und eine Metallelektrode (20) als Anode, gekennzeichnet durch eine Zwischenschicht (30), die zwischen der Metallelektrode (20) und dem Separator (40) angeordnet ist und die Metallelektrode (20) unmittelbar kontaktiert, wobei die Zwischenschicht (30)- für Metallionen der Metallelektrode (20) eine Überführungszahl von mindestens ca. 0,8, vorzugsweise mindestens ca. 0,9, besonders vorzugsweise mindestens ca. 0,99, aufweist,- elektrisch isolierend ausgebildet ist, und- eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 1 kV/mm, insbesondere mindestens 5 kV/mm, vorzugsweise mindestens 10 kV/mm, aufweist.A metal-ion battery (10) is proposed, comprising a cathode (50), a separator (40), and a metal electrode (20) as an anode, characterized by an intermediate layer (30) which is arranged between the metal electrode (20). and the separator (40) and directly contacting the metal electrode (20), the intermediate layer (30) - for metal ions of the metal electrode (20) having a transfer coefficient of at least about 0.8, preferably at least about 0.9 preferably at least about 0.99, - is formed electrically insulating, and- has a dielectric strength of at least 1 kV / mm, in particular at least 5 kV / mm, preferably at least 10 kV / mm.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Metall-Ionen-Batterie und ein Verfahren zum Herstellen einer Metallelektrode mit einer Zwischenschicht für eine Metall-Ionen-Batterie.The invention relates to a metal-ion battery and a method for producing a metal electrode with an intermediate layer for a metal-ion battery.
Stand der TechnikState of the art
Eine Vielzahl von Metall-lonen-Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, ist bekannt. Bei Lithium-Ionen-Batterien weist die Kathode beispielsweise ein Metalloxid als Aktivmaterial auf, während die Anode Graphit, amorphen Kohlenstoff, Silizium oder Lithiumtitanat als Aktivmaterial aufweist. Neuere Entwicklungen zielen auf die Verwendung von Lithiummetall als Anode in Kombination mit einem Festelektrolyten. Der Festelektrolyt ist notwendig, um die Lithiummetallelektrode, insbesondere beim Abscheiden von Lithium (d.h. beim Laden der Batterie), ausreichend mechanisch zu unterstützen, so dass Lithium eben und nicht dendritisch aufwächst.A variety of metal-ion batteries, in particular lithium-ion cells, is known. For lithium-ion batteries, for example, the cathode has a metal oxide as the active material, while the anode has graphite, amorphous carbon, silicon or lithium titanate as the active material. Recent developments are aimed at using lithium metal as the anode in combination with a solid electrolyte. The solid electrolyte is necessary to sufficiently mechanically support the lithium metal electrode, particularly when depositing lithium (i.e., charging the battery), so that lithium grows flat rather than dendritically.
Bei bisher bekannten Lithium-Ionen-Zellen weist die Lithiumelektrode bzw. die Lithiumfolie unter Umständen keine klar definierte Oberfläche auf. Die Oberfläche, die später die Grenzfläche zum Festelektrolyten bzw. Separator bildet, umfasst unter ungünstigen Umständen Reaktionsprodukte aus der Lithiumfolienfabrikation und/oder -lagerung, z.B. Reaktionen mit dem Schmiermittel (typischerweise Kohlenwasserstoffe) für das Walzen der Lithiumfolie und Reaktionen mit der Atmosphäre (bei der Folienherstellung und/oder -lagerung). Reaktionen mit der Atmosphäre führen zu Reaktionsprodukten wie Li2O (Reaktion mit O2), Li2CO3 (Reaktion mit CO2), Li3N (Reaktion mit N2) und/oder LiOH (Reaktion mit Wasser). Ähnliches gilt für Alkali- und/oder Erdalkalimetallelektroden. Die Reaktionsprodukte weisen üblicherweise eine geringe elektrische Leitfähigkeit z.B. in dem Bereich 10-8 S/cm bis 10-9 S/cm auf.In previously known lithium-ion cells, the lithium electrode or the lithium foil may not have a clearly defined surface. The surface which later forms the interface to the solid electrolyte or separator, under unfavorable circumstances, comprises lithium foil production and / or storage reaction products, eg reactions with the lubricant (typically hydrocarbons) for rolling the lithium foil and reactions with the atmosphere (in the Film production and / or storage). Reactions with the atmosphere lead to reaction products such as Li 2 O (reaction with O 2 ), Li 2 CO 3 (reaction with CO 2 ), Li 3 N (reaction with N 2 ) and / or LiOH (reaction with water). The same applies to alkali and / or alkaline earth metal electrodes. The reaction products usually have a low electrical conductivity, for example in the range 10 -8 S / cm to 10 -9 S / cm.
Durch diese Reaktionsprodukte sind unter ungünstigen Umständen die Stromdichten, die insbesondere in Laderichtung (d.h. bei der Metallabscheidung) (bei gleichzeitig hoher Zyklenstabilität) bei Metallelektroden, insbesondere bei Lithiummetallelektroden, erreicht werden können, niedrig, z.B. beträgt die maximale Stromdichte weniger als 0,5 mA/cm2.Under unfavorable conditions, the current densities which can be achieved in particular in the charging direction (ie with high cycle stability) with metal electrodes, in particular with lithium metal electrodes, are low owing to these reaction products. For example, the maximum current density is less than 0.5 mA / cm 2 .
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, eine Metall-Ionen-Batterie bzw. ein Verfahren zum Herstellen einer Metallelektrode mit einer Zwischenschicht für eine Metall-Ionen-Batterie aufzuzeigen, die hohe Stromdichten bei gleichzeitig hoher Zyklenstabilität ermöglicht bzw. mittels dem eine Metallelektrode mit einer Zwischenschicht für eine Batterie herstellbar ist, die hohe Stromdichten bei gleichzeitig hoher Zyklenstabilität ermöglicht.Embodiments of the present invention can advantageously make it possible to provide a metal-ion battery or a method for producing a metal electrode with an intermediate layer for a metal-ion battery, which enables high current densities with simultaneously high cycle stability or by means of a metal electrode can be produced with an intermediate layer for a battery, which allows high current densities with high cycle stability.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Metall-Ionen-Batterie vorgeschlagen, umfassend eine Kathode, einen Separator, und eine Metallelektrode als Anode, gekennzeichnet durch eine Zwischenschicht, die zwischen der Metallelektrode und dem Separator angeordnet ist und die Metallelektrode unmittelbar kontaktiert, wobei die Zwischenschicht
- - für Metallionen der Metallelektrode eine Überführungszahl von mindestens ca. 0,8, vorzugsweise mindestens ca. 0,9, besonders vorzugsweise mindestens ca. 0,99, aufweist,
- - elektrisch isolierend ausgebildet ist, und
- - eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 1 kV/mm, insbesondere mindestens 5 kV/mm, vorzugsweise mindestens 10 kV/mm, aufweist.
- - For metal ions of the metal electrode has a transfer coefficient of at least about 0.8, preferably at least about 0.9, particularly preferably at least about 0.99,
- - Is electrically insulated, and
- - Has a dielectric strength of at least 1 kV / mm, in particular at least 5 kV / mm, preferably at least 10 kV / mm.
Ein Vorteil hiervon ist, dass die Batterie in der Regel eine hohe Stromdichte bei gleichzeitig hoher Zyklenstabilität aufweist, u.a. da zwischen der Metallelektrode und der Zwischenschicht keine weitere Schicht vorhanden ist. Die Zwischenschicht kontaktiert unmittelbar bzw. direkt die Metallelektrode (bzw. Lithiumelektrode). Die Batterie ermöglicht in der Regel ein Schnellladen an der Metallanode bzw. Metallelektrode bei technisch relevanten Kathodenbeladungen von über 1,0 mAh/cm2. Insbesondere wird eine C-Rate > 0,5 erreicht, wobei die C-Rate den auf die Nennkapazität des Akkus in Amperestunden (Ah) bezogenen Lade- oder Entladestrom bezeichnet. Die Zwischenschicht leitet üblicherweise im Wesentlichen nur Metallionen der Metallelektrode (auf Englisch: single ion conductor), ist elektrisch isolierend ausgebildet und weist eine hohe Durchschlagsfestigkeit zwischen der Metallelektrode und dem Separator auf. Die Zwischenschicht ist in der Regel thermodynamisch stabil im Kontakt mit der Metallelektrode bzw. Lithiumelektrode und/oder bildet beim ersten Kontakt (bei der Herstellung der Batterie) mit dem Metall bzw. Lithium Reaktionsprodukte, die thermodynamisch stabil gegen das Metall bzw. Lithium sind und die die Eigenschaften der übrigen Zwischenschicht bzw. hierzu ähnliche Eigenschaften hinsichtlich Überführungszahl, elektrischer Isolierung und Durchschlagsfestigkeit aufweisen.One advantage of this is that the battery usually has a high current density with high cycle stability, inter alia, since there is no further layer between the metal electrode and the intermediate layer. The intermediate layer directly or directly contacts the metal electrode (or lithium electrode). The battery usually allows fast charging at the metal anode or metal electrode at technically relevant cathode loadings of about 1.0 mAh / cm 2 . In particular, a C-rate> 0.5 is achieved, wherein the C-rate refers to the nominal capacity of the battery in ampere hours (Ah) related charging or discharging. The intermediate layer usually conducts substantially only metal ions of the metal electrode (in English: single ion conductor), is electrically insulating and has a high dielectric strength between the metal electrode and the separator. The intermediate layer is usually thermodynamically stable in contact with the metal electrode or lithium electrode and / or forms at the first contact (in the production of the battery) with the metal or lithium reaction products that are thermodynamically stable to the metal or lithium and the have the properties of the remaining intermediate layer or similar properties in terms of transfer coefficient, electrical insulation and dielectric strength.
Die Überführungszahl t (auch Hittorfsche Überführungszahl genannt) gibt üblicherweise den Bruchteil des gesamten elektrischen Stromes I an, der von einer bestimmten Ionensorte (hier: Metallionen der Metallelektrode) i transportiert wird: ti = IiMetallionen/Igesamt The transference number, t (also Hittorf transference number called) are usually the fraction of the total electric current I of which by a particular type of ion (here, metal ions of the metal electrode) i is transported: t i = I iMetallionen / I Total
Somit gibt die Überführungszahl der Zwischenschicht für die Metallionen der Metallelektrode im Allgemeinen an, wie groß die Beweglichkeit der Metallionen in der Zwischenschicht im Verhältnis zur Mobilität der Gegenionen (Anionen) in der Zwischenschicht ist. Die Mobilität der Gegenionen bzw. Anionen ist bei einem großen bzw. sehr großen Wert der Überführungszahl für die Metallionen der Metallelektrode gering bis sehr gering bzw. vernachlässigbar gering. Die Überführungszahl lässt sich beispielsweise durch die Hittorfsche Methode bestimmen. Thus, the transfer coefficient of the intermediate metal ion layer of the metal electrode generally indicates how large the mobility of the metal ions in the intermediate layer is relative to the mobility of the counterions (anions) in the intermediate layer. The mobility of the counterions or anions is low to very low or negligible at a large or very large value of the transfer coefficient for the metal ions of the metal electrode. The transfer number can be determined, for example, by the Hittorf method.
Die Zwischenschicht ist im Allgemeinen elektrisch isolierend ausgebildet, d.h. sie weist eine geringe Elektronenleitfähigkeit auf und ist gleichzeitig ein sehr guter lonenleiter (auf Englisch: single ion conductor) für die Ionen der Metallelektrode, z.B. Lithiumionen.The intermediate layer is generally electrically insulating, i. it has a low electron conductivity and is at the same time a very good ion conductor for the ions of the metal electrode, e.g. Lithium ions.
Die Durchschlagsfestigkeit gibt in der Regel an, bis zu welchen Stromdichten kein Elektronendurchschlag (Lawinendurchbruch) stattfindet. Die Durchschlagsfestigkeit ist üblicherweise größer als die höchste erwartete elektrische Feldstärke, der die Zwischenschicht ausgesetzt ist, d.h. es kann insbesondere mindestens folgende Ungleichung zwischen der Durchschlagsfestigkeit und der lonenleitfähigkeit der Zwischenschicht erfüllt werden: Durchschlagsfestigkeit ≥ iM+,max/ σM+, wobei iM+,max die maximale Flächenstromdichte der Metallionen durch die Zwischenschicht ist und σM+ die lonenleitfähigkeit der Zwischenschicht für Metallionen der Metallelektrode ist. Bevorzugt beträgt die Durchschlagsfestigkeit der Zwischenschicht das Zehnfache, insbesondere das Hundertfache, des durch die angegebene Ungleichung bestimmten Mindestwerts. Beispiel: Liegt die Durchschlagsfestigkeit im Bereich technisch relevanter Isolatoren, d.h. im Bereich von ca. 10 kV/mm (z.B. ein Isolator aus Al2O3, Teflon oder ähnliches), so ergibt sich für eine bevorzugte Flächenstromdichte von 10 mA/cm2 eine Mindestleitfähigkeit der Zwischenschicht für Metallionen von mindestens 1 * 10-7 S/cm, insbesondere 1 * 10-6 S/cm, vorzugsweise 1 * 10-5 S/cm. Für typische keramische oder glasartige lonenleiter, wie z.B. LiPON, Li3N, LLTO, Granate, z.B. LLZO, sulfidische Festionenleiter, Antiperowskite (z.B. Li3OCl, die mit zweiwertigen Ionen wie z.B. Ba, Mg dotiert sein können) kann für die Durchschlagsfestigkeit abgeschätzt werden, dass diese geringer als für typische technische Isolatoren (z.B. Al2O3 oder PTFE) ist. Die Durchschlagsfestigkeit typischer keramischer oder glasartiger lonenleiter als Zwischenschicht liegt üblicherweise im Bereich von ca. 1 kV/mm bis ca. 5 kV/mm. Somit beträgt die lonenleitfähigkeit der Zwischenschicht in der Regel bei einer Stromdichte von 10 mA/cm2 mindestens 1 * 10-6 S/cm, bevorzugt mindestens 1 * 10-5 S/cm, besonders bevorzugt mindestens 1 * 10-4 S/cm.The dielectric strength usually indicates up to which current densities no electron breakdown (avalanche breakdown) takes place. The dielectric strength is usually greater than the highest expected electric field strength to which the intermediate layer is exposed, ie in particular at least the following inequality between the dielectric strength and the ionic conductivity of the intermediate layer can be met: dielectric strength ≥ i M +, max / σ M +, where i M +, max is the maximum area current density of the metal ions through the intermediate layer and σ M + is the ionic conductivity of the metal ion intermediate layer of the metal electrode. Preferably, the dielectric strength of the intermediate layer is ten times, in particular one hundred times, the minimum value determined by the stated inequality. Example: If the dielectric strength is in the range of technically relevant insulators, ie in the range of approx. 10 kV / mm (eg an insulator made of Al 2 O 3 , Teflon or the like), a preferred surface current density of 10 mA / cm 2 results Minimum conductivity of the intermediate layer for metal ions of at least 1 * 10 -7 S / cm, in particular 1 * 10 -6 S / cm, preferably 1 * 10 -5 S / cm. For typical ceramic or glassy ionic conductors, such as LiPON, Li 3 N, LLTO, garnets, eg LLZO, sulfidic solid ion conductors, antiperware kites (eg Li 3 OCl, which may be doped with divalent ions such as Ba, Mg) can be estimated for breakdown strength be lower than for typical technical isolators (eg Al 2 O 3 or PTFE). The dielectric strength of typical ceramic or glassy ion conductors as an intermediate layer is usually in the range of about 1 kV / mm to about 5 kV / mm. Thus, the ionic conductivity of the intermediate layer is usually at a current density of 10 mA / cm 2 at least 1 * 10 -6 S / cm, preferably at least 1 * 10 -5 S / cm, more preferably at least 1 * 10 -4 S / cm ,
Die Zwischenschicht kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass die Zwischenschicht kompakt ist, d.h. dass keine perkolierende Porosität (Poren, die eine Seite der Zwischenschicht mit der anderen Seite verbinden) vorhanden ist. Geschlossene Nanoporen sind üblicherweise nicht erwünscht, aber können im Allgemeinen vorhanden sein bzw. hingenommen werden.In particular, the intermediate layer may be formed such that the intermediate layer is compact, i. that no percolating porosity (pores connecting one side of the intermediate layer to the other side) is present. Closed nanopores are usually undesirable, but generally can be present.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Metallelektrode mit einer Zwischenschicht für eine Metall-Ionen-Batterie, insbesondere wie vorstehend beschrieben, vorgeschlagen, wobei die Zwischenschicht zum Kontaktieren eines Separators der Metall-Ionen-Batterie ausgebildet ist, wobei das Verfahren die Schritte des Anordnens einer Zwischenschicht unmittelbar auf einer Metallelektrode, insbesondere einer Lithiummetallelektrode, oder des Anordnens einer Metallelektrode, insbesondere einer Lithiummetallelektrode, unmittelbar auf einer Zwischenschicht umfasst. Die Zwischenschicht weist für Metallionen der Metallelektrode eine Überführungszahl von mindestens ca. 0,8, vorzugsweise mindestens ca. 0,9, besonders vorzugsweise mindestens ca. 0,99, auf, ist elektrisch isolierend ausgebildet, und weist eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 1 kV/mm, insbesondere mindestens 5 kV/mm, vorzugsweise mindestens 10 kV/mm, auf.According to a second aspect of the invention, a method for producing a metal electrode with an intermediate layer for a metal-ion battery, in particular as described above, is proposed, wherein the intermediate layer is designed to contact a separator of the metal-ion battery, the method the steps of arranging an intermediate layer directly on a metal electrode, in particular a lithium metal electrode, or arranging a metal electrode, in particular a lithium metal electrode, directly on an intermediate layer. The intermediate layer has a transfer coefficient of at least about 0.8, preferably at least about 0.9, particularly preferably at least about 0.99, for metal ions of the metal electrode, is electrically insulating, and has a dielectric strength of at least 1 kV /. mm, in particular at least 5 kV / mm, preferably at least 10 kV / mm, on.
Ein Vorteil hiervon ist, dass eine Metallelektrode mit einer Zwischenschicht für eine Metall-Ionen-Batterie in der Regel technisch einfach hergestellt werden kann, wobei die Batterie üblicherweise eine hohe Stromdichte bei gleichzeitig hoher Zyklenstabilität aufweist, u.a. da zwischen der Metallelektrode und der Zwischenschicht keine weitere Schicht vorhanden ist. Die Zwischenschicht kontaktiert im Allgemeinen unmittelbar bzw. direkt die Metallelektrode (bzw. Lithiumelektrode).One advantage of this is that a metal electrode with an intermediate layer for a metal-ion battery can usually be manufactured in a technically simple manner, the battery usually having a high current density with simultaneously high cycle stability, i.a. since there is no further layer between the metal electrode and the intermediate layer. The intermediate layer generally contacts directly the metal electrode (or lithium electrode).
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.Ideas for embodiments of the present invention may be considered, inter alia, as being based on the thoughts and findings described below.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Metallelektrode eine Lithiummetallelektrode und die Metallionen sind Li+-Ionen. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Metall-Ionen-Batterie im Allgemeinen eine besonders hohe Leistung bzw. Kapazität bei geringem Volumen aufweist, d.h. eine hohe Energie- bzw. Leistungsdichte besitzt.In one embodiment, the metal electrode is a lithium metal electrode and the metal ions are Li + ions. An advantage of this is that the metal-ion battery generally has a particularly high capacity or capacity at low volume, ie has a high energy or power density.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Metallelektrode eine Alkalimetall- und/oder Erdalkalimetallelektrode. Vorteilhaft hieran ist, dass die Metall-Ionen-Batterie in der Regel besonders kostengünstig herstellbar und technisch einfach aufgebaut ist.In one embodiment, the metal electrode is an alkali metal and / or alkaline earth metal electrode. The advantage of this is that the metal-ion battery is usually very inexpensive to produce and technically simple.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Zwischenschicht LixPOyNz, Li2N, Li3xLa2/3-xTiO3, und/oder Granate, z.B. Li7La3Zr3O12. Hierdurch kann die Zwischenschicht in der Regel technisch einfach und kostengünstig aufgebaut sein und gleichzeitig eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Bei LixPOyNz können x, y und z jeweils ganzzahlige Werte sein. Bei Li3xLa2/3-xTiO3 kann x üblicherweise den Wert ⅓ oder ⅔ aufweisen. According to one embodiment / the intermediate layer comprises Li x PO y N z, Li 2 N, Li 3x La 2 / 3x TiO 3, and or shell, for example, Li 7 La 3 Zr 3 O 12th As a result, the intermediate layer can usually be constructed in a technically simple and cost-effective manner and at the same time have a high dielectric strength. For Li x PO y N z , x, y and z may each be integer values. For Li 3x La 2/3-x TiO 3 , x can usually be ⅓ or ⅔.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Zwischenschicht einen sulfidischen lonenleiter umfassend Lithium, Schwefel und Phosphor, insbesondere umfassend Lithium, Schwefel und Phosphor in Kombination mit Silizium, Germanium, Zinn, Chlor, Brom und/oder lod, und/oder ein Antiperowskit, z.B. Li3OCI, insbesondere ein Antiperowskit dotiert mit zweiwertigen Ionen, z.B. Barium und/oder Magnesium. Vorzugsweise kann die Zwischenschicht ein sulfidisches Glas umfassend Li2S und P2S5 und/oder eine Glaskeramik/Glaskeramiken umfassend Li2S und P2S5, oder kristalline Materialien aus der LGPS-Klasse, z. B. Li10GeP2S12, Li10SnP2S12, Li9.54Si1.74P1.44S11.7CI0.3, Li9.6P3S12, oder Argyrodite, wie z.B. Li7PS6, Li6PS5CI, Li6PS5Br, umfassen oder jeweils daraus bestehen. Vorteilhaft hieran ist, dass die Zwischenschicht üblicherweise eine besonders hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist.According to one embodiment, the intermediate layer comprises a sulfide ion conductor comprising lithium, sulfur and phosphorus, in particular comprising lithium, sulfur and phosphorus in combination with silicon, germanium, tin, chlorine, bromine and / or iodine, and / or an antiperowskite, eg Li 3 OCI , in particular an antiperowskite doped with divalent ions, for example barium and / or magnesium. Preferably, the intermediate layer may comprise a sulfidic glass comprising Li2S and P2S5 and / or a glass-ceramic / glass-ceramic comprising Li2S and P2S5, or crystalline materials from the LGPS class, e.g. Li10GeP2S12, Li10SnP2S12, Li9.54Si1.74P1.44S11.7CI0.3, Li9.6P3S12, or argyrodites such as Li7PS6, Li6PS5CI, Li6PS5Br, or each consist thereof. An advantage of this is that the intermediate layer usually has a particularly high dielectric strength.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Zwischenschicht eine Dicke von ca. 1 nm bis ca. 20 µm, insbesondere ca. 1 nm bis ca. 5 µm, vorzugsweise ca. 1 nm bis ca. 10 nm, auf. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Metall-Ionen-Batterie üblicherweise ein besonders geringes Volumen aufweisen kann.According to one embodiment, the intermediate layer has a thickness of approximately 1 nm to approximately 20 μm, in particular approximately 1 nm to approximately 5 μm, preferably approximately 1 nm to approximately 10 nm. An advantage of this is that the metal-ion battery can usually have a particularly low volume.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Elektronenleitfähigkeit σe der Zwischenschicht kleiner gleich als folgender Wert, insbesondere kleiner als 1/10 des folgenden Werts, vorzugsweise kleiner als 1/100 des folgenden Werts: σM+ * a/L/2, wobei a der kleinste Atomabstand der Zwischenschicht ist, wobei L eine größte Dicke der Zwischenschicht ist, und wobei σM+ eine Leitfähigkeit der Zwischenschicht für Metallionen der Metallelektrode ist. Hierdurch wird üblicherweise eine besonders gute elektrische Isolierung zwischen Separator und Metallelektrode erreicht.According to one embodiment, the electron conductivity σ e of the intermediate layer is less than or equal to the following value, in particular less than 1/10 of the following value, preferably less than 1/100 of the following value: σ M + * a / L / 2, where a is the smallest atomic distance is the intermediate layer, where L is a maximum thickness of the intermediate layer, and where σ M + is a conductivity of the metal ion intermediate layer of the metal electrode. As a result, a particularly good electrical insulation between separator and metal electrode is usually achieved.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Schritt des Anordnens der Zwischenschicht unmittelbar auf der Metallschicht oder dem Schritt des Anordnens der Metallschicht auf der Zwischenschicht eine Passivierungsschicht von der Metallschicht, insbesondere durch Plasma-Ätzen und/oder chemisches Ätzen, in einer inerten Atmosphäre entfernt und der Schritt des Anordnens der Zwischenschicht oder des Anordnens der Metallschicht wird in einer inerten Atmosphäre durchgeführt. Hierdurch wird in der Regel technisch einfach sichergestellt, dass zwischen der Zwischenschicht und der Metallschicht keine weitere Schicht (z.B. aus Reaktionsprodukten der Metallschicht mit Luft, Wasser, Schmieröl oder ähnlichem) vorhanden ist. Somit ist der elektrische Widerstand zwischen der Zwischenschicht und der Metallschicht üblicherweise besonders gering.According to an embodiment of the method, before the step of arranging the intermediate layer directly on the metal layer or the step of arranging the metal layer on the intermediate layer, a passivation layer is removed from the metal layer, in particular by plasma etching and / or chemical etching, in an inert atmosphere the step of arranging the intermediate layer or arranging the metal layer is performed in an inert atmosphere. As a result, it is generally technically easily ensured that no further layer (for example, of reaction products of the metal layer with air, water, lubricating oil or the like) exists between the intermediate layer and the metal layer. Thus, the electrical resistance between the intermediate layer and the metal layer is usually particularly low.
Gemäß einer Ausführungsform wird in dem Schritt des Anordnens der Zwischenschicht auf der Metallschicht die Zwischenschicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung und/oder Atomlagenabscheidung auf die Metallschicht aufgebracht. Hierdurchkann die Zwischenschicht üblicherweise technisch einfach und sicher ohne weitere Schicht zwischen der Zwischenschicht und der Metallschicht auf die Metallschicht aufgebracht werden.According to one embodiment, in the step of disposing the intermediate layer on the metal layer, the intermediate layer is applied to the metal layer by physical vapor deposition, chemical vapor deposition and / or atomic layer deposition. As a result, the intermediate layer can usually be applied to the metal layer in a technically simple and secure manner without a further layer between the intermediate layer and the metal layer.
Die Batterie kann eine Primärbatterie oder eine Sekundärbatterie sein.The battery may be a primary battery or a secondary battery.
Die Eigenschaften bzw. Werte hinsichtlich der elektrischen Isolierung, der elektrischen Durchschlagsfestigkeit und hinsichtlich der Überführungszahl können insbesondere jeweils für die Betriebstemperatur der Batterie (typischerweise Raumtemperatur (z.B. ca. 20 °C oder ca. 22 °C) oder bei Festkörperbatteriezellen basierend auf Polymerelektrolyten auch höhere Temperaturen, typischerweise im Bereich 40 °C - 80°C) gelten.The properties or values with regard to the electrical insulation, the dielectric strength and the transfer coefficient can also be higher in each case for the operating temperature of the battery (typically room temperature (eg about 20 ° C. or about 22 ° C.) or for solid-state battery cells based on polymer electrolytes Temperatures, typically in the
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen der Metall-Ionen-Batterie bzw. des Verfahrens zum Herstellen einer Metallelektrode mit einer Zwischenschicht für eine Metall-Ionen-Batterie beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.It should be noted that some of the possible features and advantages of the invention are described herein with respect to different embodiments of the metal-ion battery and the method of manufacturing a metal electrode with an intermediate layer for a metal-ion battery. A person skilled in the art will recognize that the features can be suitably combined, adapted or replaced in order to arrive at further embodiments of the invention.
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei weder die Zeichnung noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
-
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Metall-Ionen-Batterie.
-
1 shows a cross-sectional view of an embodiment of the metal-ion battery according to the invention.
Die Figur ist lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.The figure is merely schematic and not to scale.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Metall-Ionen-Batterie
Die Zwischenschicht
Die Zwischenschicht
Elektrisch isolierend kann insbesondere bedeuten, dass folgende Ungleichung erfüllt wird, wobei σe die Elektronenleitfähigkeit der Zwischenschicht
Insbesondere ist die Elektronenleitfähigkeit σe kleiner als 1/10, vorzugsweise kleiner als 1/100, besonders vorzugsweise kleiner als 1/1000, des Werts rechts von der angegebenen Ungleichung. Beispielsweise kann, wenn die Zwischenschicht
Insbesondere ist die Elektronenleitfähigkeit mindestens so klein, dass die die Eindringtiefe der Elektronen kleiner ist als die Hälfe des kleinsten Atomabstands a innerhalb der Zwischenschicht
Die Metall-Ionen-Batterie
Die Metallelektrode
Eine Metallelektrode
Eine weitere alternative Art und Weise zum Herstellen der Metallelektrode
Alternativ zu dem im letzten Absatz ausgeführten Verfahren kann die Herstellung einer dünnen Metallschicht, insbesondere einer dünnen Lithiumschicht, auf einem elektronisch leitfähigen Substrat (z.B. Kupfer- oder Nickelfolie) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (englisch physical vapour deposition, kurz PVD) im Hochvakuum (oder in einer Edelgasatmosphäre) zum Bilden einer Metallelektrode
Eine weitere Möglichkeit zum Herstellen der Metallelektrode
Die Metallschicht bzw. Metallelektrode
Eine weitere Möglichkeit ist, dass die Metallelektrode
Der Elektrolyt des Separators
Die Überführungszahl der Zwischenschicht
Die Angabe „ca.“ kann insbesondere eine Abweichung von ±5%, vorzugsweise ±3%, von dem jeweils angegeben Wert bedeuten.The term "approx." May in particular mean a deviation of ± 5%, preferably ± 3%, of the respectively indicated value.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.Finally, it should be noted that terms such as "comprising," "comprising," etc., do not exclude other elements or steps, and terms such as "a" or "an" do not exclude a multitude. Reference signs in the claims are not to be considered as limiting.
Claims (10)
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