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DE102018203466A1 - Metal-ion battery and method for producing a metal electrode with an intermediate layer for a metal-ion battery - Google Patents

Metal-ion battery and method for producing a metal electrode with an intermediate layer for a metal-ion battery Download PDF

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DE102018203466A1
DE102018203466A1 DE102018203466.4A DE102018203466A DE102018203466A1 DE 102018203466 A1 DE102018203466 A1 DE 102018203466A1 DE 102018203466 A DE102018203466 A DE 102018203466A DE 102018203466 A1 DE102018203466 A1 DE 102018203466A1
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Germany
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metal
intermediate layer
metal electrode
ion battery
electrode
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Application number
DE102018203466.4A
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German (de)
Inventor
Ulrich Sauter
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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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.
According to a first aspect of the invention, there is proposed a metal-ion battery comprising a cathode, a separator, and a metal electrode as an anode, characterized by an intermediate layer disposed between the metal electrode and the separator and directly contacting the metal electrode, wherein the interlayer
  • - 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 range 40 ° C - 80 ° C) apply.

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.
Embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings, wherein neither the drawings nor the description are to be construed as limiting the invention.
  • 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

1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Metall-Ionen-Batterie 10. Die Metall-Ionen-Batterie 10 kann insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie sein. 1 shows a cross-sectional view of an embodiment of the metal according to the invention Ion battery 10 , The metal-ion battery 10 may in particular be a lithium-ion battery.

Die Metall-Ionen-Batterie 10 umfasst eine Metallelektrode 20, eine Zwischenschicht 30, einen Separator 40, eine Kathode 50 und einen Kathodenstromableiter 60. Die Zwischenschicht 30 ist zwischen dem Separator 40 und der Metallelektrode 20 angeordnet. Auf der der Zwischenschicht 30 abgewandten Seite der Metallelektrode 20 kann ein Anodenstromableiter angeordnet sein. Die Metallelektrode 20 kann eine Lithiumelektrode sein und die Metallionen können Lithiumionen sein.The metal-ion battery 10 includes a metal electrode 20 , an intermediate layer 30 , a separator 40 , a cathode 50 and a cathode current collector 60 , The intermediate layer 30 is between the separator 40 and the metal electrode 20 arranged. On the interlayer 30 opposite side of the metal electrode 20 An anode current collector can be arranged. The metal electrode 20 may be a lithium electrode and the metal ions may be lithium ions.

Die Zwischenschicht 30 ist unmittelbar bzw. direkt auf der Metallelektrode 20 bzw. der Metallschicht der Metallelektrode 20 (wobei die Metallionen aus der Metallschicht stammen) angeordnet, d.h. zwischen der Metallelektrode 20 bzw. der Metallschicht der Metallelektrode 20 ist keine weitere Schicht vorhanden. Insbesondere ist keine weitere Schicht in Form von Reaktionsprodukten der Metallschicht mit der Luft, Wasser oder Ölen vorhanden. Bei einer Lithiummetallelektrode wären die möglichen Reaktionsprodukte z.B. LiO2, Li2CO3, Li3N, LiOH. Insbesondere ist keine Schicht zwischen der Zwischenschicht 30 und der Metallelektrode 20 bzw. der Metallschicht der Metallelektrode 20 im Bereich von Nanometern oder sub-Nanometern vorhanden. D.h. dass keine Schicht zwischen der Zwischenschicht 30 und der Metallelektrode 20 bzw. der Metallschicht der Metallelektrode 20 vorhanden ist, die eine Dicke, die in 1 von oben nach unten verläuft, im Bereich von Nanometern oder noch geringeren Werten vorhanden ist.The intermediate layer 30 is directly or directly on the metal electrode 20 or the metal layer of the metal electrode 20 (where the metal ions originate from the metal layer), ie between the metal electrode 20 or the metal layer of the metal electrode 20 there is no additional layer In particular, no further layer in the form of reaction products of the metal layer with the air, water or oils is present. For a lithium metal electrode, the possible reaction products would be, for example, LiO 2 , Li 2 CO 3 , Li 3 N, LiOH. In particular, there is no layer between the intermediate layer 30 and the metal electrode 20 or the metal layer of the metal electrode 20 in the range of nanometers or sub-nanometers. Ie that no layer between the interlayer 30 and the metal electrode 20 or the metal layer of the metal electrode 20 is present, which has a thickness in 1 from top to bottom, in the range of nanometers or even lower values.

Die Zwischenschicht 30 ist elektrisch isolierend ausgebildet, weist eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und ist ein guter Leiter insbesondere für die Metallionen der Metallelektrode 20 (single ion conductor), z.B. Li+-lonen.The intermediate layer 30 is electrically insulating, has a high dielectric strength and is a good conductor especially for the metal ions of the metal electrode 20 (single ion conductor), eg Li + ions.

Elektrisch isolierend kann insbesondere bedeuten, dass folgende Ungleichung erfüllt wird, wobei σe die Elektronenleitfähigkeit der Zwischenschicht 30, σM+ die Metallionenleitfähigkeit der Zwischenschicht 30 ist, a der kleinste Atomabstand der Zwischenschicht 30 bzw. innerhalb der Zwischenschicht 30 ist und L die größte Dicke der Zwischenschicht 30 ist (wobei die Dicke der Zwischenschicht 30 sich von der Metallelektrode 20 in Richtung des Separators 40 erstreckt bzw. umgekehrt): σ e a L 2 σ M + .

Figure DE102018203466A1_0001
In particular, electrically insulating may mean that the following inequality is satisfied, where σ e is the electron conductivity of the intermediate layer 30 , σ M + the metal ion conductivity of the intermediate layer 30 is, a the smallest atomic distance of the intermediate layer 30 or within the intermediate layer 30 and L is the largest thickness of the intermediate layer 30 is (where the thickness of the intermediate layer 30 from the metal electrode 20 in the direction of the separator 40 extends or vice versa): σ e a L 2 * σ M + ,
Figure DE102018203466A1_0001

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 30 eine LiPON-Schicht ist (LixPOyNz, wobei x, y und z jeweils ganzzahlige Werte sind) und die Betriebstemperatur Raumtemperatur (z.B. 20 °C oder 22 °C) ist, die Zwischensicht eine Metallionenleitfähigkeit σM+, insbesondere eine Lithiumionenleitfähigkeit σL+, von 1,2 ∗ 10-6 S/cm und eine Elektronenleitfähigkeit σe von 8 ∗ 10-14 S/cm aufweisen. Da es sich bei LiPON um ein amorphes Material handelt und ein kleinster Gitterabstand nicht direkt angegeben werden kann, wird dieser konservativ auf 100 pm abgeschätzt. Damit ist die obige Ungleichung für Schichtdicken der Zwischenschicht ≤ 750 µm, insbesondere ≤ 75 µm, bevorzugt ≤ 7,5 µm, besonders bevorzugt ≤ 750 nm, erfüllt.In particular, the electron conductivity σe is less than 1/10, preferably less than 1/100, more preferably less than 1/1000, the value to the right of the specified inequality. For example, if the intermediate layer 30 a LiPON layer is (LixPOyNz where x, y and z are each integer values) and the operating temperature is room temperature (eg 20 ° C or 22 ° C), the intermediate view is a metal ion conductivity σM +, in particular a lithium ion conductivity σL +, of 1.2 * 10 -6 S / cm and have an electronic conductivity σe of 8 * 10 -14 S / cm. Since LiPON is an amorphous material and a smallest lattice spacing can not be given directly, it is conservatively estimated to be 100 pm. Thus, the above inequality for layer thicknesses of the intermediate layer is ≦ 750 μm, in particular ≦ 75 μm, preferably ≦ 7.5 μm, particularly preferably ≦ 750 nm.

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 30.In particular, the electron conductivity is at least so small that the penetration depth of the electrons is smaller than half the smallest atomic distance a within the intermediate layer 30 ,

Die Metall-Ionen-Batterie 10 weist eine hohe Zyklenstabilität auf, d.h. dass die Kapazität der Batterie auch nach mehr als 200 Zyklen, insbesondere mehr als 1000 Zyklen, bevorzugt mehr als 3000 Zyklen im Wesentlichen gleich bzw. unverändert ist. Zudem sind hohe Abscheideraten bzw. Stromdichten von mehr als 0,5 mA/cm2, insbesondere mehr als 2 mA/cm2, bevorzugt mehr als 5 mA/cm2, besonders bevorzugt mehr als 10 mA/cm2, noch bevorzugter mehr als 15 mA/cm2, möglich.The metal-ion battery 10 has a high cycle stability, ie that the capacity of the battery is substantially equal or unchanged even after more than 200 cycles, in particular more than 1000 cycles, preferably more than 3000 cycles. In addition, high deposition rates or current densities of more than 0.5 mA / cm 2 , in particular more than 2 mA / cm 2 , preferably more than 5 mA / cm 2 , more preferably more than 10 mA / cm 2 , more preferably more than 15 mA / cm 2 , possible.

Die Metallelektrode 20 mit der Zwischenschicht 30 kann auf verschiedene Arten und Weisen hergestellt werden:The metal electrode 20 with the intermediate layer 30 can be made in different ways:

Eine Metallelektrode 20 bzw. Metallfolie, insbesondere eine Lithiummetallfolie, wird zunächst bereitgestellt. Auf der Metallelektrode 20 bzw. Metallfolie, insbesondere Lithiummetallfolie, bzw. deren Oberfläche ist eine native Passivierungsschicht aus Reaktionsprodukten des Metalls der Metallfolie mit der Luft, Wasser etc. vorhanden. Die native Passivierungsschicht wird in einer inerten Atmosphäre (z.B. Hochvakuum oder Argonatmosphäre), beispielsweise durch Plasma-Ätzen und/oder chemisches Ätzen, entfernt. Anschließend wird die Zwischenschicht 30 aus einer inerten Lösung (d.h. dass das Lösungsmittel der Lösung thermodynamisch stabil gegen das Metall der Metallfolie ist) in einer inerten Atmosphäre auf die Metallfolie bzw. Metallelektrode 20 aufgebracht. Schließlich wird die Lösung getrocknet. Nun hat man eine Zwischenschicht 30, die unmittelbar bzw. direkt (d.h. ohne weitere Schicht dazwischen) auf der Metallfolie bzw. Metallelektrode 20 angeordnet ist (und mit dieser verbunden ist).A metal electrode 20 or metal foil, in particular a lithium metal foil, is initially provided. On the metal electrode 20 or metal foil, in particular lithium metal foil, or its surface, a native passivation layer of reaction products of the metal of the metal foil with the air, water, etc. is present. The native passivation layer is removed in an inert atmosphere (eg high vacuum or argon atmosphere), for example by plasma etching and / or chemical etching. Subsequently, the intermediate layer 30 from an inert solution (ie that the solvent of the solution is thermodynamically stable to the metal of the metal foil) in an inert atmosphere on the metal foil or metal electrode 20 applied. Finally, the solution is dried. Now you have an intermediate layer 30 that directly or directly (ie without further layer between them) on the metal foil or metal electrode 20 is arranged (and connected to it).

Eine weitere alternative Art und Weise zum Herstellen der Metallelektrode 20 mit der Zwischenschicht 30 ist: Entfernen der nativen Passivierungsschicht von der Metallfolie bzw. Metallelektrode 20 im Hochvakuum durch Plasma-Ätzen und anschließendes Aufbringen der Zwischenschicht 30 auf die Metallfolie bzw. Metallelektrode 20 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (englisch physical vapour deposition, kurz PVD), bevorzugt im Hochvakuum, und/oder chemischer Gasphasenabscheidung (englisch chemical vapour deposition, kurz CVD) und/oder Atomlagenabscheidung (englisch atomic layer deposition, kurz ALD). Nun hat man eine Zwischenschicht 30, die unmittelbar bzw. direkt auf der Metallfolie bzw. Metallelektrode 20 angeordnet ist und mit der Metallfolie bzw. Metallelektrode 20 verbunden ist. Alternativ hierzu kann die Metallelektrode 20 mittels PVD, CVD und/oder ALD auf der Zwischenschicht 30 abgeschieden werden.Another alternative way to make the metal electrode 20 with the intermediate layer 30 is: removing the native passivation layer from the metal foil or metal electrode 20 in a high vacuum by plasma etching and subsequent application of the intermediate layer 30 on the metal foil or metal electrode 20 by physical vapor deposition (English PVD), preferably in a high vacuum, and / or chemical vapor deposition (English chemical vapor deposition, CVD short) and / or atomic layer deposition (abbreviated ALD). Now you have an intermediate layer 30 directly or directly on the metal foil or metal electrode 20 is arranged and with the metal foil or metal electrode 20 connected is. Alternatively, the metal electrode 20 by means of PVD, CVD and / or ALD on the intermediate layer 30 be deposited.

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 20 und Aufbringen der Zwischenschicht 30 auf die Metallschicht der Metallelektrode 20, während sich die Metallschicht weiterhin im Hochvakuum (oder in einer Edelgasatmosphäre) befindet (z.B. in der gleichen Anlage), durchgeführt werden.As an alternative to the method described in the last paragraph, the production of a thin metal layer, in particular a thin lithium layer, on an electronically conductive substrate (eg copper or nickel foil) by physical vapor deposition (English physical vapor deposition, PVD short) in a high vacuum (or in a Noble gas atmosphere) for forming a metal electrode 20 and applying the intermediate layer 30 on the metal layer of the metal electrode 20 while the metal layer continues to be in a high vacuum (or in a noble gas atmosphere) (eg in the same system).

Eine weitere Möglichkeit zum Herstellen der Metallelektrode 20 mit der Zwischenschicht 30 ist, die Durchführung der gesamten Herstellung der Metallelektrode 20 mit der Zwischenschicht 30 in einer inerten Atmosphäre. D.h. dass die Ingotherstellung und der Walzprozess zur Herstellung der Metallelektrode 20 in einer inerten Atmosphäre (z.B. hochreines Argon) durchgeführt wird und anschließend die Zwischenschicht 30 mittels einer inerten Lösung (siehe oben), die anschließend getrocknet wird, oder mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung und/oder Atomlagenabscheidung auf die Metallelektrode 20 aufgebracht wird.Another way to make the metal electrode 20 with the intermediate layer 30 is to carry out the entire production of the metal electrode 20 with the intermediate layer 30 in an inert atmosphere. That is, the ingot production and the rolling process for producing the metal electrode 20 in an inert atmosphere (eg high purity argon) is carried out and then the intermediate layer 30 by means of an inert solution (see above), which is subsequently dried, or by means of physical vapor deposition, chemical vapor deposition and / or atomic layer deposition on the metal electrode 20 is applied.

Die Metallschicht bzw. Metallelektrode 20 kann auf die Zwischenschicht 30 z.B. mittels PVD CVD und/oder ALD aufgebracht werden, wobei die Zwischenschicht 30 eine frei stehende Schicht sein kann oder auf einem inerten Träger angeordnet sein kann. Denkbar ist auch, dass die Zwischenschicht 30 bereits auf dem Separator 40 angeordnet ist, wobei der Separator 40 freistehend sein kann oder bereits mit der Kathode 50 und dem Kathodenstromableiter 60 verbunden ist. Hierbei wird somit das Metall, z.B. Lithium, auf einen fertigen Verbund bestehend aus Separator 40, Kathode 50 und Kathodenstromableiter 60 aufgebracht.The metal layer or metal electrode 20 can on the interlayer 30 For example, be applied by means of PVD CVD and / or ALD, wherein the intermediate layer 30 may be a free-standing layer or may be arranged on an inert support. It is also conceivable that the intermediate layer 30 already on the separator 40 is arranged, wherein the separator 40 may be detached or already with the cathode 50 and the cathode current collector 60 connected is. In this case, therefore, the metal, for example lithium, on a finished composite consisting of separator 40 , Cathode 50 and cathode current collector 60 applied.

Eine weitere Möglichkeit ist, dass die Metallelektrode 20, insbesondere die Lithiummetallelektrode, zwischen der Zwischenschicht 30 und einem Anodenstromableiter, z.B. eine dünne Metallfolie, insbesondere aus Kupfer, galvanisch abgeschieden wird. Dies bedeutet, dass zunächst die Zwischenschicht 30 auf dem Anodenstromableiter direkt bzw. unmittelbar angeordnet wird. Anschließend wird, z.B. beim erstmaligen Laden der Metall-Ionen-Batterie 10, eine Metallschicht bzw. die Metallelektrode 20 zwischen der Zwischenschicht 30 und dem Anodenstromableiter abgeschieden. Dies kann insitu, d.h. in der ansonsten fertigen Metall-Ionen-Batterie 10, oder ex-situ, z.B. in einem galvanischen Standardprozess, durchgeführt werden. Auch dieses galvanische Abscheiden der Lithiumelektrode zwischen der Zwischenschicht 30 und dem Anodenstromableiter ist ein Anordnen der Metallelektrode 20 bzw. der Lithiumelektrode auf der Zwischenschicht 30.Another possibility is that the metal electrode 20 , in particular the lithium metal electrode, between the intermediate layer 30 and an anode current collector, for example a thin metal foil, in particular of copper, is electrodeposited. This means that first the interlayer 30 is arranged directly or directly on the anode current collector. Then, for example, when first loading the metal-ion battery 10 , a metal layer or the metal electrode 20 between the intermediate layer 30 and the anode current collector. This can be in-situ, ie in the otherwise finished metal-ion battery 10 , or ex-situ, for example, in a galvanic standard process performed. Also, this galvanic deposition of the lithium electrode between the intermediate layer 30 and the anode current collector is an arrangement of the metal electrode 20 or the lithium electrode on the intermediate layer 30 ,

Der Elektrolyt des Separators 40 und/oder der Kathode 50 kann ein flüssiger Elektrolyt, ein Gel-Elektrolyt, ein trockener Polymerelektrolyt und/oder ein keramischer und/oder glasartiger Elektrolyt umfassen oder aus diesem/diesen bestehen.The electrolyte of the separator 40 and / or the cathode 50 may comprise or consist of a liquid electrolyte, a gel electrolyte, a dry polymer electrolyte and / or a ceramic and / or vitreous electrolyte.

Die Überführungszahl der Zwischenschicht 30 beträgt mindestens ca. 0,8, vorzugsweise mindestens ca. 0,9, besonders vorzugsweise mindestens ca. 0,99, noch bevorzugter im Wesentlichen 1.The transfer number of the intermediate layer 30 is at least about 0.8, preferably at least about 0.9, more preferably at least about 0.99, even more preferably substantially 1 ,

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)

Metall-Ionen-Batterie (10) 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) comprising a cathode (50), a separator (40), and a metal electrode (20) as an anode, characterized by an intermediate layer (30) arranged between the metal electrode (20) and the separator (40 ) and the metal electrode (20) directly contacted, wherein the intermediate layer (30) - for metal ions of the metal electrode (20) has a transfer coefficient of at least about 0.8, preferably at least about 0.9, more preferably at least about 0th , 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. Metall-Ionen-Batterie (10) nach Anspruch 1, wobei die Metallelektrode (20) eine Lithiummetallelektrode und die Metallionen Li+-Ionen sind.Metal ion battery (10) after Claim 1 wherein the metal electrode (20) is a lithium metal electrode and the metal ions are Li + ions. Metall-Ionen-Batterie (10) nach Anspruch 1, wobei die Metallelektrode (20) eine Alkalimetall- und/oder Erdalkalimetallelektrode ist.Metal ion battery (10) after Claim 1 wherein the metal electrode (20) is an alkali metal and / or alkaline earth metal electrode. Metall-Ionen-Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (30) LixPOyNz, Li2N, Li3xLa2/3-xTiO3, und/oder Granate, z.B. Li7La3Zr3O12, umfasst.Metal ion battery (10) according to one of the preceding claims, wherein the intermediate layer (30) Li x PO y N z , Li 2 N, Li 3x La 2/3-x TiO 3 , and / or garnets, eg Li 7 La 3 Zr 3 O 12 . Metall-Ionen-Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (30) 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, umfasst.A metal-ion battery (10) according to any one of the preceding claims, wherein the intermediate layer (30) 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 phosphorus / or iodine, and / or an antiperowskite, for example Li 3 OCI, in particular an antiperowskite doped with divalent ions, for example barium and / or magnesium. Metall-Ionen-Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (30) 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, aufweist.Metal ion battery (10) according to any one of the preceding claims, wherein the intermediate layer (30) has a thickness of about 1 nm to about 20 microns, in particular about 1 nm to about 5 microns, preferably about 1 nm to about 10 nm. Metall-Ionen-Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektronenleitfähigkeit σe der Zwischenschicht (30) kleiner gleich als folgender Wert, insbesondere kleiner als 1/10 des folgenden Werts, vorzugsweise kleiner als 1/100 des folgenden Werts, ist: σM+ * a/L/2, wobei a der kleinste Atomabstand der Zwischenschicht (30) ist, wobei I eine größte Dicke der Zwischenschicht (30) ist, und wobei σM+ eine Leitfähigkeit der Zwischenschicht (30) für Metallionen der Metallelektrode (20) ist.Metal-ion battery (10) according to one of the preceding claims, wherein the electron conductivity σ e of the intermediate layer (30) 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, is: σ M + * a / L / 2, where a is the smallest atomic distance of the intermediate layer (30), where I is a largest thickness of the intermediate layer (30), and where σ M + is a conductivity of the metal ion intermediate layer (30) (20) is. Verfahren zum Herstellen einer Metallelektrode (20) mit einer Zwischenschicht (30) für eine Metall-Ionen-Batterie (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht (30) zum Kontaktieren eines Separators (40) der Metall-Ionen-Batterie (10) ausgebildet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anordnen einer Zwischenschicht (30) unmittelbar auf einer Metallelektrode (20), insbesondere einer Lithiummetallelektrode, oder Anordnen einer Metallelektrode (20), insbesondere einer Lithiummetallelektrode, unmittelbar auf einer Zwischenschicht (30), 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.Method for producing a metal electrode (20) having an intermediate layer (30) for a metal-ion battery (10), in particular according to one of the preceding claims, wherein the intermediate layer (30) for contacting a separator (40) of the metal-ion battery Battery (10) is formed, wherein the method comprises the following steps: Arranging an intermediate layer (30) directly on a metal electrode (20), in particular a lithium metal electrode, or arranging a metal electrode (20), in particular a lithium metal electrode, directly on an intermediate layer (30), wherein the intermediate layer (30) - For metal ions of the metal electrode (20) has a transfer coefficient of at least about 0.8, preferably at least about 0.9, more 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. Verfahren nach Anspruch 8, wobei vor dem Schritt des Anordnens der Zwischenschicht (30) unmittelbar auf der Metallelektrode (20) oder dem Schritt des Anordnens der Metallelektrode (20) auf der Zwischenschicht (30) eine Passivierungsschicht von der Metallelektrode (20), insbesondere durch Plasma-Ätzen und/oder chemisches Ätzen, in einer inerten Atmosphäre entfernt wird und der Schritt des Anordnens der Zwischenschicht (30) oder des Anordnens der Metallelektrode (20) in einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird.Method according to Claim 8 wherein, before the step of disposing the intermediate layer (30) directly on the metal electrode (20) or the step of arranging the metal electrode (20) on the intermediate layer (30), a passivation layer of the metal electrode (20), in particular by plasma etching and or chemical etching, in an inert atmosphere, and the step of disposing the interlayer (30) or disposing the metal electrode (20) in an inert atmosphere is performed. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei in dem Schritt des Anordnens der Zwischenschicht (30) auf der Metallelektrode (20) die Zwischenschicht (30) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung und/oder Atomlagenabscheidung auf die Metallelektrode (20) aufgebracht wird oder in dem Schritt des Anordnens der Metallelektrode (20) auf der Zwischenschicht (30) die Metallelektrode (20) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung und/oder Atomlagenabscheidung auf die Zwischenschicht (30) aufgebracht wird.Method according to Claim 8 or 9 wherein, in the step of disposing the intermediate layer (30) on the metal electrode (20), the intermediate layer (30) is applied to the metal electrode (20) by physical vapor deposition, chemical vapor deposition and / or atomic layer deposition or in the step of disposing the metal electrode (20) 20) on the intermediate layer (30) the metal electrode (20) by means of physical vapor deposition, chemical vapor deposition and / or atomic layer deposition on the intermediate layer (30) is applied.
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