DE102019203820B4

DE102019203820B4 - Lithiummetall-Elektrode und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102019203820B4
Application number: DE102019203820.4A
Authority: DE
Inventors: Miriam Kunze; Jennifer Heine; Johannes Schornsheim
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2039-03-21
Also published as: DE102019203820A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Lithiummetall-Elektrode (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:a) Bereitstellen einer elektronisch leitfähigen Folie (2),b) Aufbringen von Lithiummetallpartikeln (4) oder eines Gemenges von Lithiummetallpartikeln (4) oder Lithiummetall und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials (6) auf die elektronisch leitfähige Folie (2), undc) Ausbilden einer Schicht von Lithiummetall (8) auf der Oberfläche der elektronisch leitfähigen Folie (2) aus den in Schritt b) aufgebrachten Lithiummetallpartikeln (4) oder dem Gemenge von Lithiummetallpartikeln (4) oder Lithiummetall und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials (6), wobei man zum Ausbilden der Schicht aus Lithiummetall (8) die aufgebrachten Lithiummetallpartikel (4) oder das Gemenge von Lithiummetallpartikeln (4) oder von Lithiummetall und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials (6) auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur von Lithium im Bereich von 180 °C bis 200 °C erwärmt, und wobei bei Aufbringen des Gemenges von Lithiummetallpartikeln (4) oder von Lithiummetall und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials (6) auf der Lithiummetallschicht (8) weiterhin eine Schicht des Festkörperelektrolytmaterials ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiummetall-Elektrode, eine entsprechend hergestellte Lithiummetall-Elektrode sowie eine diese enthaltende Festkörperzelle oder Festkörperbatterie.
Festkörper-Akkumulatoren, die auch als Feststoffbatterien oder All-Solid-State-Batterien bezeichnet werden, werden für mobile Anwendungen wie Fahrzeuge derzeit als Batterietechnik der Zukunft betrachtet. Festkörper-Akkumulatoren umfassen wie übliche Lithium-Batteriezellen eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten bzw. Separator. Kathode und Anode sind vielfach über elektronisch leitfähige Folien zur Ab- und Zuleitung von elektrischem Strom, so genannte Stromsammler, über einen externen Stromkreis elektrisch leitend miteinander verbunden. In einem Festkörper-Akkumulator wird der Stromkreis zwischen Kathode und Anode über einen Lithiumionen leitenden Festkörperelektrolyten geschlossen. Dieser dient in der Feststoff-Zelle auch als Separator und verhindert einen direkten Kontakt von Anode und Kathode, während es Lithiumionen möglich ist hindurchzutreten.
Die Verwendung von Elektrodenmaterialien mit einer hohen Energiedichte ist für Lithium-Ionen-Batterien angestrebt, um Batteriezellen kleinerer Größe herstellen zu können. Häufig werden dafür neben reinem Lithiummetall Übergangsmetalle wie Silizium (Si) oder Metalle wie Zinn (Sn) oder Indium (In) genutzt. Dabei werden Nanopartikel oder Nanofasern eingesetzt, um eine möglichst effektive Nutzung des Materials als Anode zu erreichen.
Die Verwendung von metallischem Lithium als Anodenmaterial erlaubt eine beträchtliche Steigerung der volumetrischen wie auch der gravimetrischen Kapazität einer Batterie. Lithiummetall kann hierbei allein verwendet werden und als Aktivmaterial der Anode und gleichzeitig als Stromableiter dienen, üblich sind jedoch Lithiummetallschichten auf einem Stromsammler aus Kupfer, Nickel oder Aluminium. Für eine optimale Ausnutzung des verfügbaren Bauraums sind dünne Lithiummetallschichten auf einem Stromsammler notwendig. Diese lassen sich jedoch nur schwer herstellen, da Lithiummetall meist auf den Stromsammler gewalzt wird. Weiterhin ist die Handhabung und die Stabilität dünner Lithiumschichten aufgrund der hohen Oberfläche sehr limitiert.
Die US 2002/0037457 A1 beschreibt eine Lithiumbatterie enthaltend eine Lithiumanode, die hergestellt wird, indem flüssiges Lithium unter Inertgas auf einen Stromsammler beschichtet wird. Hierdurch werden Schichten einer Dicke von 250 µm erhalten. Weiterhin ist auch die Handhabung von flüssigem Lithium nur unter sorgfältig kontrollierte Bedingungen möglich. Die DE 10 2013 225 734 A1 beschreibt eine Lithiumanode enthaltend sphärische Lithiummetallpartikel mit einem mittleren Durchmesser zwischen 5 und 200 µm, die mit Hilfe eines fluorfreien kautschukartigen Bindemittels gebunden sind. Die Lithiummetallpartikel und Bindemittel werden zur Herstellung einer Anodenschicht in einem Lösemittel suspendiert und auf eine elektronisch leitfähige Folie aufgebracht.
Die US 2007/0048170 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung einer Schicht von Lithium oder einer Lithiumlegierung sowie eine Vorrichtung hierfür. Die WO 2002/021632 A1 beschreibt eine Lithiumpulveranode, eine diese enthaltende Lithiumbatterie sowie deren Herstellung. Die EP 3246968 A1 beschreibt Schutzschichten für Elektroden und elektrochemische Zellen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lithiummetall-Elektrode mit einer dünnen Lithiummetallschicht und ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner durch die Merkmale der Ansprüche 7 und 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiummetall-Elektrode, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen einer elektronisch leitfähigen Folie,
b) Aufbringen von Lithiummetallpartikeln oder eines Gemenges von Lithiummetallpartikeln oder Lithiummetall und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials auf die elektronisch leitfähige Folie, und
c) Ausbilden einer Schicht von Lithiummetall auf der Oberfläche der elektronisch leitfähigen Folie aus den in Schritt b) aufgebrachten Lithiummetallpartikeln oder dem Gemenge von Lithiummetallpartikeln oder Lithiummetall und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials,

Durch Schmelzen der aufgebrachten Lithiummetallpartikel kann auf der Oberfläche der elektronisch leitfähigen Folie eine dünne Schicht aus Lithiummetall ausgebildet werden. Durch das Verfahren können sehr dünne Schichten, beispielsweise einer Dicke von 5-20 µm, erzeugt werden. Dies erlaubt die Herstellung von Lithiummetallanoden mit geringen Volumenänderungen während der Zyklisierung. Weiterhin kann durch Vermeiden eines hohen Lithiumüberschusses an der Anode eine hohe Energiedichte der Zelle zur Verfügung gestellt werden. Das Verfahren resultiert in einer Verringerung der Prozesskosten wie auch der Materialkosten für die Herstellung der Elektrode. Insbesondere kann das Bauteilvolumen reduziert werden. Weiter erhöht sich hierdurch das Gewicht des Bauteils nicht oder allenfalls in geringem Ausmaß.
Unter dem Begriff einer Lithiummetall-Elektrode wird eine Elektrode verstanden, deren Aktivmaterial aus Lithiummetall ausgebildet ist. Die Lithiummetall-Elektrode ist insbesondere eine Anode. Der Begriff Aktivmaterial bezeichnet ein Material, das unter den Arbeitsbedingungen einer Lithium-Ionen-Batterie Lithiumionen reversibel aufnehmen und abgeben kann. Es ist hierbei vorgesehen, dass die Lithiummetallschicht auf einem Stromsammler aus einem elektronisch leitfähigen Material ausgebildet wird. Unter dem Begriff der elektronischen Leitfähigkeit wird der Beitrag zur Leitfähigkeit verstanden, bei dem der elektrische Strom wie bei Metallen durch elektronische Ladungsträger, d. h. Elektronen oder Löcher, transportiert wird. Das elektronisch leitfähige Material des Stromsammlers kann beispielsweise Kupfer, Nickel oder Aluminium sein. Insbesondere ist eine Kupferfolie als anodischer Stromsammler verwendbar.
Lithiummetallpartikel sind in Form von Lithiummetallpulver kommerziell erhältlich. Die Lithiummetallpartikel können einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 10 µm bis 150 µm, bevorzugt von 20 µm bis 100 µm oder 50 µm bis 80 µm, aufweisen.
Lithiummetallpartikel in Form von Pulver kann auf der Oberfläche der elektronisch leitfähigen Folie in sehr dünnen Schichten aufgebracht und auf der Folie geschmolzen werden. Hierdurch sind Lithiummetall-Anoden mit sehr dünnen Schichten aus Lithiummetall herstellbar.
Alternativ zu reinem Lithiummetallpulver kann ein Gemenge von Lithiummetallpulver oder Lithiummetall und einem Lithiumionen leitfähigen Festkörperelektrolyten wie LLZO verwendet werden. Unter dem Begriff eines Gemenges wird eine Mischung aus Stoffen, die sich nur miteinander vermengen, aber nicht homogen mischen und sich nicht chemisch verändern, verstanden. Wird ein Gemenge von Lithium und Festkörperelektrolyt auf der Folie auf Temperaturen über der Schmelztemperatur von Lithium erhitzt, schmilzt das Metall zwischen den Festkörperelektrolyt-Partikeln heraus und wird als Metallschicht auf der Folie abgeschieden. Es versteht sich, dass das Lithium hierbei nicht vollständig auf den Stromsammler absinken muss. Durch das Schmelzen kann ein Teil des Lithiums in die Poren oder in die Kristallstruktur des Festkörperelektrolyten wie LLZO eindringen. Die verbleibende Schicht des Festkörperelektrolyten kann als Elektrolyt bzw. Separator in einer Zelle fungieren. Der Festkörperelektrolyt kann ein Dendritenwachstum des Lithiums verhindern und einen Kurzschluss einer Zelle vermeiden. Bei einer Verwendung von reinem Lithiummetallpulver kann eine Schicht an Festkörperelektrolyt separat aufgebracht werden.
Das Gemenge von Lithiummetallpartikeln und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials kann nach dem Vermengen der Partikel als pulverförmiges Gemenge auf die elektronisch leitfähige Folie aufgebracht und dort geschmolzen werden. In Ausführungsformen wird das Gemenge von Lithiummetallpartikeln und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials bereits vor dem Aufbringen auf die elektronisch leitfähige Folie angeschmolzen.
Unter Anschmelzen wird verstanden, dass das Lithium zumindest erweicht und/oder ein wenig zum Schmelzen gebracht wird oder zu schmelzen beginnt. Geeignete Temperaturen liegen im Bereich der Schmelztemperatur von Lithium. Die Zeitspanne der Vorbehandlung wird jedoch so kurz gewählt, dass das Lithium zwar schmilzt oder anschmilzt, jedoch lediglich seine partikuläre Struktur verliert und, zumindest teilweise, in die Poren oder Zwischenkristallgitter des Festkörperelektrolytmaterials eindringt. Dies führt dazu, dass das Lithiummetall seine partikuläre Struktur verliert und ein Gemenge von Lithiummetall und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials gebildet wird.
Die Partikel und Gemenge können nach bekannten Verfahren der Trockenbeschichtung aufgebracht werden. In Ausführungsformen werden die Lithiummetallpartikel oder die Gemenge von Lithiummetall oder Lithiummetallpartikeln und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials in Form eines Pulvers oder einer Pulvermischung auf die Folie aufgebracht. Verfahren der Pulverbeschichtung sind bekannt. Insbesondere die Gemenge können auch in einer Pulvermischung enthaltend weiterhin mindestens einen wachsartigen Träger und/oder wenigstens ein Polymer als Bindemittel aufgebracht werden. Das Wachs dient hierbei hauptsächlich als Benetzungsadditiv und der Polymerbinder kann aus zwei Komponenten bestehen und diese vernetzen. Die erhaltene Mischung kann auf die Folie aufgebracht und dort kann das Polymer in einer Wachsschmelze vernetzt werden. Hierdurch kann eine glatte Oberfläche erhalten werden. Verfahren der Trockenbeschichtung sind bevorzugt, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Lithiummetallpartikel oder die Gemenge suspendiert in einem Lösemittel aufgebracht werden, beispielsweise mittels Rakelbeschichtung.
Die Herstellung der Lithiummetall-Elektrode erfolgt in einer Umgebung, die mit dem Arbeiten mit metallischem Lithium kompatibel ist, vorzugsweise unter Inertbedingungen, beispielsweise unter Argonatmosphäre oder unter trockener Luft mit einem Taupunkt kleiner oder gleich -40 °C.
Es kann vorgesehen sein, dass die Lithiummetallpartikel oder die Gemenge auf eine erwärmte bzw. erhitzte Folie aufgebracht werden. Hierdurch kann die Anhaftung der Partikel auf der Folienoberfläche verbessert werden. Die elektronisch leitfähige Folie kann auch Umgebungstemperatur aufweisen. In Ausführungsformen weist die elektronisch leitfähige Folie eine Temperatur im Bereich von 15 °C bis 25 °C oder im Bereich von 120 °C bis 175°C, insbesondere von 120 °C bis 150 °C, auf. Wird die Folie erwärmt bzw. erhitzt, ist vorgesehen, dass die Temperatur über 120 °C liegt, so dass sich das Lithium auf der warmen Metalloberfläche verformen kann, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur von Lithium bleibt, so dass ein Schmelzen bei der Auftragung vermieden wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass die elektronisch leitfähige Folie mittels Plasma-Behandlung oder durch Ätzen vorbehandelt wird. Auch hierdurch kann die Anhaftung der Partikel auf der Folienoberfläche verbessert werden.
Nach der Applikation der Lithiummetallpartikel oder der Gemenge kann das Lithium geschmolzen werden, um eine Schicht von Lithiummetall auf der Oberfläche der elektronisch leitfähigen Folie auszubilden. In Ausführungsformen erwärmt man zum Ausbilden der Schicht aus Lithiummetall die aufgebrachten Lithiummetallpartikel oder das Gemenge von Lithiummetallpartikeln oder Lithiummetall und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials auf eine Temperatur im Bereich von 180 °C bis 200 °C. Lithium schmilzt bei 180 °C. Die Temperatur sollte deutlich von der Sintertemperatur des Festkörperelektrolytmaterials entfernt liegen, so dass lediglich das Lithium schmilzt, die Struktur der Festkörperelektrolytpartikel jedoch nicht beeinträchtigt wird. Die Temperatur kann im Bereich von 180 °C bis 190 °C liegen. Das Erwärmen kann durch Konvektionswärme, durch Platzieren der Folie mit aufgebrachten Lithiummetallpartikeln oder Gemengen von Lithiummetallpartikeln oder Lithiummetall und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials in einen Ofen oder durch Strahlung wie Infrarot (IR)-Strahlung bewirkt werden. Ein Erwärmen der Folie mittels (IR)-Strahlung kann auf der Rückseite der Folie erfolgen, wobei die IR-Strahler auf der der aufgebrachten Partikel abgewandten Seite platziert werden.
In alternativen Ausführungsformen legt man zum Ausbilden der Schicht aus Lithiummetall an die elektronisch leitfähige Folie ein Potential an. Dies kann beispielsweise über eine Hilfselektrode ausgeführt werden. Dies ist insbesondere für Gemenge von Lithiummetallpartikeln oder von Lithiummetall und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials geeignet. Auch durch das Anlegen des Potentials an die Folie löst sich das Lithiummaterial aus dem Gemenge und lagert sich auf der Folie als Schicht ab. In diesen Ausführungsformen kann die Oberfläche des Festkörperelektrolytmaterials beispielsweise mittels eines Plasmas nachbehandelt werden.
Es kann insbesondere bei Aufbringen eines Gemenges von Lithiummetallpartikeln oder Lithium und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials vorgesehen sein, dass das Ausbilden der Schicht von Lithiummetall nicht durch Temperatur- oder Potentialeinwirkung vor dem Zusammenbau einer Zelle bewirkt wird, sondern durch Formieren der Zelle nach dem Zusammenbau.
Das Festkörperelektrolytmaterial ist insbesondere ein Lithiumionen-leitendes Festkörperelektrolytmaterial und kann ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend LiPON (Lithium Phosphor Oxynitrid, Li_xPO_yN_z), Lithiumhaltige keramische und glaskeramische Ionenleiter, die eine LiSICon oder LiSICon-artige, Thio-LiSICon oder Thio-LiSICon artige, NaSICon oder NaSICon-artige, Thio-NaSICon oder Thio-NaSICon-artige, granatartige, Perowskit- oder Anti-Perovkit-, oder Argyrodit-Kristallphase aufweisen, Lithium enthaltende Nitride, Hydride oder Halogenide und/oder Lithiumhaltige glasige Ionenleiter. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Perowskit-Kristallphase sind ausgewählt aus Li_0,34La_0,51TiO_2,94, LiSr₂Ti₂NbO₉ und Li_0,06La_0,66Ti_0,93Al_0,03O₃. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Anti-Perovkit-Kristallphase sind ausgewählt aus Li₃OCl und Li₃OCl_0,5Br_0,5. Bevorzugte Lithium-Argyrodit sind ausgewählt aus Li₆PS₅Br, Li₆PS₅Cl, Li₇PS₆ und Li₆PO₅Cl. Es ist bevorzugt, dass das Festkörperelektrolytmaterial kein Titan enthält oder nicht mit Metallionen dotiert ist, die mit metallischem Lithium reagieren.
Bevorzugt sind Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Granat-Kristallphase, Lithium-Argyrodite, eine Klasse von glaskeramischen Materialien, die allgemein als LiSICon (ein Akronym für Lithium Super-Ionic Conductor) Strukturtyp-Materialien bezeichnet werden, und NaSICon (ein Akronym für Natrium Super-Ionic Conductor) strukturartige Materialien. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit einer kristallinen NaSICon- oder NaSICon-artigen Struktur sind ausgewählt aus Li_1,3Al_0,3Ti_1,7 (PO₄)₃, LiTi₂ (PO₄)₃, LiGe₂ (PO₄)₃ und LiZr(PO₄)₃. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit einer kristallinen LiSICon oder LiSICon-artigen Struktur sind ausgewählt aus Li₁₀GeP₂Si₂, Li₃PS₄, Li₃Si_0,4P_0,6S₄ und Sn-dotiertes Li₃PS₄.
In bevorzugten Ausührungsformen ist das Festkörperelektrolytmaterial ein in Granatstruktur kristallisierendes Festkörperelektrolytmaterial, insbesondere Lithiumlanthanzirkonat. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken mit granatartiger Kristallphase sind ausgewählt aus Li_6,75La₃Zr₂Ta_0,25O₁₂, Li_6,75La₃Zr_1,75Nb_0,25O₁₂, Li_6,75La₃Zr_1,875Te_0,125O₁₂ und Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) . Insbesondere ist das in Granatstruktur kristallisierende Festkörperelektrolytmaterial Lithiumlanthanzirkonat (LLZO).
Für die Partikel des Festkörperelektrolytmaterials ist generell eine große Bandbreite an Partikelgrößen verwendbar. Die Partikel können einen mittleren Durchmesser im Nanometer- bis Mikrometerbereich aufweisen, insbesondere im Bereich von 50 nm bis 20 µm oder von 100 nm bis 10 µm. Die Partikel der Lithiumionen leitenden Keramik können dabei eine breite Verteilung der Partikelgröße aufweisen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Lithiummetall-Elektrode, umfassend eine Lithiummetallschicht auf einer elektronisch leitfähigen Folie und eine Schicht eines Festkörperelektrolytmaterials auf der Lithiummetallschicht, hergestellt durch das erfindungsgemäße Verfahren. Hinsichtlich der Beschreibung und Vorteile der Lithiummetall-Elektrode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der Figur verwiesen.
Durch das Verfahren kann auf der Oberfläche der elektronisch leitfähigen Folie eine sehr dünne Schicht aus Lithiummetall ausgebildet werden. Die Lithiummetallschicht weist eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 20 µm auf. Insbesondere kann die Lithiummetallschicht eine Dicke im Bereich von 10 µm bis 15 µm aufweisen. Bei Aufbringen eines Gemenges von Lithiummetallpartikeln oder von Lithiummetall und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials weist die Lithiummetall-Elektrode weiterhin auf der Lithiummetallschicht eine Schicht des Festkörperelektrolytmaterials auf. Die Schicht des Festkörperelektrolyten weist eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 20 µm auf. Die Schicht des Festkörperelektrolytmaterials kann insbesondere eine Dicke im Bereich von 10 µm bis 15 µm aufweisen. Durch das Verfahren können auch sehr dünne Keramikschichten ausgebildet werden. Die Lithiummetall-Elektrode ist insbesondere in einer Festkörperzelle oder Festkörperbatterie verwendbar.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Festkörperzelle oder Festkörperbatterie, umfassend wenigstens eine erfindungsgemäß hergestellte Lithiummetall-Elektrode. Hinsichtlich der Beschreibung und Vorteile der Lithiummetall-Elektrode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der Figur verwiesen. Die Lithiummetall-Elektrode ist insbesondere als Anode verwendbar. Diese weist eine Lithiummetallschicht auf, die eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 20 µm, insbesondere im Bereich von 10 µm bis 15 µm aufweisen kann. Die Lithiummetall-Elektrode kann bei Verwendung eines Gemenges enthaltend Festkörperelektrolyt bereits eine Festkörperelektrolytschicht aufweisen. In Ausführungsformen, in denen lediglich Lithiummetallpartikel aufgeschmolzen werden, kann eine separate Lithiumionen leitende Festkörperelektrolytschicht zwischen Lithiummetall-Anode und Kathode angeordnet werden. Weiterhin kann ein Polymerelektrolyt zwischen der Festkörperelektrolytschicht und der Kathode angeordnet sein. Hierdurch kann zum einen eine zusätzliche Separatorfunktion zwischen Anode und Kathode erzielt werden. Weiterhin kann durch einen Polymerelektrolyten auch die Anbindung der Festkörperelektrolytschicht an die Kathode verbessert werden. Als Kathode kann eine Verbundelektrode verwendet werden, beispielsweise eine Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan (NMC) -Kathode. Als kathodischer Stromsammler dient zumeist eine Aluminiumfolie.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigt

1 eine schematische Darstellung von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den 1a und 1b.
1a zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Lithiummetall-Elektrode 1 unter Verwendung von Lithiummetallpartikeln. Hierzu wird eine elektronisch leitfähige Folie 2 bereitgestellt, auf die Lithiummetallpartikel 4 aufgebracht werden. Dies kann über eine Pulverbeschichtung erfolgen. Die elektronisch leitfähige Folie 2 kann eine Temperatur von etwa 25 °C aufweisen. Anschließend wird eine Schicht von Lithiummetall 8 auf der Oberfläche der elektronisch leitfähigen Folie 2 ausgebildet, indem man die aufgebrachten Lithiummetallpartikel 4 auf eine Temperatur im Bereich von 180 °C bis 200 °C erwärmt. Die Schicht von Lithiummetall 8 weist eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 20 µm auf.
1b zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Lithiummetall-Elektrode 1 unter Verwendung eines Gemenges von Lithiummetall und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials 6 wie LLZO. Das Gemenge wurde herstellt, indem ein Gemenge von Lithiummetallpartikeln und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials 6 vor dem Aufbringen auf die elektronisch leitfähige Folie 2 angeschmolzen wurde, wodurch das Lithium wenigstens teilweise in die Kristallstruktur des Festkörperelektrolytmaterials 6 eindringen kann. Durch Erwärmen auf eine Temperatur im Bereich von 180 °C bis 200 °C oder durch Anlegen eines Potentials an die elektronisch leitfähige Folie 2 wird das Lithiummetall von den Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials 6 gelöst und bildet eine Schicht von Lithiummetall 8 auf der Oberfläche der elektronisch leitfähigen

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Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lithiummetall-Elektrode (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer elektronisch leitfähigen Folie (2), b) Aufbringen von Lithiummetallpartikeln (4) oder eines Gemenges von Lithiummetallpartikeln (4) oder Lithiummetall und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials (6) auf die elektronisch leitfähige Folie (2), und c) Ausbilden einer Schicht von Lithiummetall (8) auf der Oberfläche der elektronisch leitfähigen Folie (2) aus den in Schritt b) aufgebrachten Lithiummetallpartikeln (4) oder dem Gemenge von Lithiummetallpartikeln (4) oder Lithiummetall und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials (6), wobei man zum Ausbilden der Schicht aus Lithiummetall (8) die aufgebrachten Lithiummetallpartikel (4) oder das Gemenge von Lithiummetallpartikeln (4) oder von Lithiummetall und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials (6) auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur von Lithium im Bereich von 180 °C bis 200 °C erwärmt, und wobei bei Aufbringen des Gemenges von Lithiummetallpartikeln (4) oder von Lithiummetall und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials (6) auf der Lithiummetallschicht (8) weiterhin eine Schicht des Festkörperelektrolytmaterials ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Gemenge von Lithiummetall und Partikeln eines Festkörperelektrolytmaterials (6) herstellt, indem man ein Gemenge von Lithiummetallpartikeln (4) und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials (6) vor dem Aufbringen auf die elektronisch leitfähige Folie (2) anschmelzt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithiummetallpartikel (4) oder die Gemenge von Lithiummetall oder Lithiummetallpartikeln (4) und Partikeln des Festkörperelektrolytmaterials (6) in Form eines Pulvers oder einer Pulvermischung aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronisch leitfähige Folie (2) eine Temperatur im Bereich von 15 °C bis 25 °C oder im Bereich von 120 °C bis 175 °C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörperelektrolytmaterial ein in Granat-struktur kristallisierendes Festkörperelektrolytmaterial ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörperelektrolytmaterial Lithiumlanthanzirkonat ist.
Lithiummetall-Elektrode (1), umfassend eine Lithiummetallschicht (8) auf einer elektronisch leitfähigen Folie (2) und eine Schicht eines Festkörperelektrolytmaterials auf der Lithiummetallschicht (8), hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithiummetallschicht (8) und die Schicht des Festkörperelektrolytmaterials jeweils eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 20 µm aufweisen.
Festkörperzelle oder Festkörperbatterie, umfassend wenigstens eine Lithiummetall-Elektrode (1) nach Anspruch 7.