DE202024104106U1

DE202024104106U1 - LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel

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Publication number: DE202024104106U1
Application number: DE202024104106.2U
Authority: DE
Original assignee: Shenzhen Txd Tech Co Ltd; SHENZHEN TXD TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Txd Tech Co Ltd; SHENZHEN TXD TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2024-07-23
Filing date: 2024-07-23
Publication date: 2024-07-31
Anticipated expiration: 2034-07-24

Abstract

Ein LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel, wobei der Kathodenpartikel einen positiven Elektrodenpartikel einer positiven Elektrode innerhalb einer Batterie darstellt und die positive Elektrode in einer Feststoffbatterie oder einer halbfesten Batterie verwendet wird; und das Oxid ein LLZO (Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid, Li7La3Zr2O12) oder ein mit mindestens einem Metall dotiertes LLZO ist; der positive Elektrodenpartikel umfasst:einen zusammengesetzten LCO-Partikel; der zusammengesetzte LCO-Partikel umfasst:einen großen LCO-Partikel (Lithium-Kobaltoxid, LiCoO2), welcher einen Würfel mit unregelmäßiger Form darstellt; undeine Vielzahl von großen LLZO-Partikeln und eine Vielzahl von kleinen LLZO-Partikeln, welche auf einer Oberfläche des großen LCO-Partikels aufgetragen sind; wobei jeder der großen LLZO-Partikel und der kleinen LLZO-Partikel durch ein LLZO (Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid, Li7La3Zr2O12) oder ein mit mindestens einem Metall dotierten LLZO gebildet sind;wobei jeder der großen LLZO-Partikel einen ersten hervorstehenden Abschnitt auf einer Oberfläche des großen LCO-Partikels aufweist; eine Mitte des ersten hervorstehenden Abschnitts ist höher als eine flache Außenseite des ersten hervorstehenden Abschnitts; eine erste LLZO-Zwischenphasenschicht ist zwischen einer Unterseite von jedem der großen LLZO-Partikel und dem großen LCO-Partikel gebildet; die erste LLZO-Zwischenphasenschicht dient dazu, Führungskanäle für Lithiumionen bereitzustellen und einen Schutz für das große LCO-Partikel zu bieten;wobei jeder der kleinen LLZO-Partikel einen zweiten hervorstehenden Abschnitt auf der Oberfläche des großen LCO-Partikels bildet; eine Mitte des zweiten hervorstehenden Abschnitts ist höher als eine flache Außenseite des zweiten hervorstehenden Abschnitts; eine zweite LLZO-Zwischenphasenschicht ist zwischen einer Unterseite von jedem der kleinen LLZO-Partikel und der großen LCO-Partikel gebildet; die zweite LLZO-Zwischenphasenschicht dient dazu, Führungskanäle für Lithiumionen bereitzustellen und einen Schutz für das große LCO-Partikel zu bieten;wobei die großen LLZO-Partikel und die kleinen LLZO-Partikel eine höhere Ionenleitfähigkeit als die großen LCO-Partikel aufweisen und nicht so leicht eine Nebenreaktion mit Lithiumionen erzeugen; wenn die Lithiumionen durch die positive Elektrode gelangen, werden die Leitungspfade der Lithiumionen durch die Führung der großen LLZO-Partikel und der kleinen LLZO-Partikel, welche auf den großen LCO-Partikeln verteilt sind, zerstreut; undwobei jeder der großen LLZO-Partikel und jeder der kleinen LLZO-Partikel sowie die großen LCO-Partikel eine Kristallstruktur aufweisen, welche über eine gute Stabilität verfügt und nicht so leicht freigesetzt oder dissoziiert wird, wodurch sich auch die Batteriespannung erhöht.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein positives Elektrodenmaterial einer Batterie und insbesondere ein LCO@Oxid@CNT-Verbundstoff für Kathodenpartikel.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine typische Batterie beinhaltet eine positive und eine negative Elektrode. Die positive Elektrode innerhalb der Batterie nennt man Kathode. Die Kathode besteht hauptsächlich aus einem Positivsubstrat und einer positiven Verbundschicht, welche auf dieses Positivsubstrat aufgetragen wird. Die positive Verbundschicht umfasst eine positive Schlammmasse aus einem Bindemittel sowie einer Vielzahl von positiven Elektrodenpartikeln. Solche positiven Elektrodenpartikel finden hauptsächlich in der positiven Elektrode allgemeiner Festkörper- oder Halbfestkörperbatterien Verwendung. Positive Elektrodenpartikel müssen entweder ergänzend leitfähig oder elektrisch leitfähig sein, damit freie Elektronen durch die positive Schlammmmasse wandern können, ohne aufgrund des Innenwiderstands zu viel Energie zu verbrauchen. Nur so kann eine effektive Leitfähigkeit erreicht werden.
Auf die herkömmliche Art und Weise können die positiven Elektrodenpartikel aus LCO (Lithiumkobaltoxid), LMFP (Lithiummanganeisenphosphat) oder Mischungen davon bestehen, welche innerhalb der positiven Schlammmmasse verteilt sind. Es gibt bereits viele bekannte Techniken zur Verbesserung der Leitfähigkeit von Lithiumionen für positive Elektrodenpartikeln aus solchen Materialien, aber es wird immer noch angenommen, dass die Leitfähigkeit von Lithiumbatterien für den praktischen Einsatz nicht ausreicht. Daher ist es notwendig, einige Materialmodifikationen durchzuführen, um die Leitfähigkeit der positiven Elektrodenpartikel weiter zu verbessern.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um die oben genannten Mängel im jetzigen Stand der Technik zu beheben, besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, einen LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel bereitzustellen, wobei der Kathodenpartikel ein positives Elektrodenmaterial einer positiven Elektrode in einer Batterie darstellt. Die Oberfläche der großen LCO-Partikel ist mit großen und kleinen LLZO-Partikeln und einer Zwischenphasenschicht bedeckt, um zusammengesetzte LCO-Partikel zu bilden, welche zur Verbesserung der Ionenleitfähigkeit und zum allgemeinen Schutz des Leitkörpers beitragen. Die Außenseite der zusammengesetzten LCO-Partikel ist zudem mit einem elektronenleitenden Dielektrikum umhüllt, welches aus kurz- und langkettigen Karbonnanoröhren verschiedener Längen besteht. Die kurzkettigen Karbonnanoröhren ermöglichen die Übertragung von Elektronen mit kurzer Reichweite, um so Elektronen zu leiten und dadurch die Übertragung von Lithiumionen zu erleichtern, während die langkettigen Karbonnanoröhren die Übertragung von Elektronen zwischen verschiedenen großen und kleinen LLZO-Partikeln, den zusammengesetzten LCO-Partikeln sowie den anderen Materialien im Substrat der positiven Elektrode ermöglichen und so eine kleine Elektronenübertragungskette zu bilden, welche die Ionenübertragung fördert und dergestalt die Übertragung von Elektronen sowie Ionen in der gesamten positiven Elektrode verbessert. Die Umhüllung aus Karbonnanoröhren und großen sowie kleinen LLZO-Partikeln verringert außerdem die Wahrscheinlichkeit, dass Lithiumionen aufgrund schlechter Übertragung auf der Oberfläche der positiven Elektrode blockiert werden. So wird auch verhindert, dass sie sich mit dem Elektrolyten verbinden und Lithiumverbrauchsprodukte wie SEI (Solid Electrolyte Interface) bilden. Dadurch wird auch die Gesamtlebensdauer der positiven Elektrode, also die Zyklenleistung verbessert. Das positive Elektrodenmaterial der vorliegenden Erfindung erreicht darüber hinaus eine bessere Multiplikationsleistung dank der besseren Übertragungskette des Lithiumions und der Elektronen. Durch die Verbesserung der Übertragung von Ionen und Elektronen in der positiven Elektrode werden Nebenreaktionen verringert und die LLZO-Partikel sowie die Zwischenphasenschicht bieten mehr allgemeinen Schutz für den Leitkörper, so dass die positive Elektrode insgesamt weder leicht mit dem Elektrolyten reagiert, noch von Nebenreaktionen betroffen ist, nachdem der Elektrolyt zerfällt und unter Hochspannung mit der positiven Elektrode reagiert. Als Ergebnis verbessert die vorliegende Erfindung die Spannungsfestigkeit und ermöglicht die Ladung sowie Entladung in einem Bereich von 4,7V bis 4,9V. Darüber hinaus wird die Freisetzung von Sauerstoff unter hohem Druck und die Gasbildung an der positiven Elektrode verringert, was zudem die allgemeine Sicherheit erhöht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt eine schematische Ansicht, welche die Struktur der vorliegenden Erfindung abbildet.
2 zeigt eine schematische Abbildung des Zusammenbaus der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht, welche die Struktur der vorliegenden Erfindung abbildet.
4 zeigt eine weitere vergrößerte schematische Ansicht, welche die Struktur der vorliegenden Erfindung abbildet.
5 zeigt eine schematische Abbildung, welche die Umwicklung der kurzkettigen Karbonnanoröhren der vorliegenden Erfindung darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINES AUSFPÜHURNGSBEISPIELS DER ERFINDUNG
Mit Bezugnahme auf 1 bis 5 stellt die vorliegende Erfindung einen Kathodenpartikel aus LCO@Oxid@CNT-Verbundmaterial bereit, wobei der Kathodenpartikel einen positiven Elektrodenpartikel einer positiven Elektrode 100 innerhalb einer Batterie darstellt und die positive Elektrode in einer Festkörperbatterie oder einer halbfesten Batterie verwendet wird (wie in 2 gezeigt). Das Oxid wird als ein LLZO (Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid, Li₇La₃Zr₂O₁₂) oder ein mit mindestens einem Metall dotiertes LLZO definiert. Die positive Elektrode 100 umfasst ein Positivubstrat 10 und eine positive Schlammschicht 12, welche auf das Positivsubstrat 10 aufgetragen wird. Die positive Schlammschicht 12 besteht dank eines Bindemittels aus einer Vielzahl von positiven Elektrodenpartikeln 200 und einer positiven Schlammmasse 14. Der Gewichtsanteil der positiven Elektrodenpartikeln 200 in der positiven Schlammschicht 12 beträgt 92 Gew.-% bis 98 Gew.-%.
Der positive Elektrodenpartikel 200 enthält die folgenden Elemente:

Einen zusammengesetzten LCO-Partikel 20. Der zusammengesetzte LCO-Partikel 20 enthält:
- Einen großen LCO-Partikel (Lithiumkobaltoxid, LiCoO₂) 22, welcher eine Art Würfel mit unregelmäßiger Form darstellt. Die Größe des großen LCO-Partikels 22 beträgt zwischen 10µm und 15µm.

Eine Vielzahl großer LLZO-Partikel 24 und eine Vielzahl kleiner LLZO-Partikel 26 sind auf einer Oberfläche des großen LCO-Partikels 22 aufgebracht, wie in 3 gezeigt. Die horizontale Größe jedes der großen LLZO-Partikel 24 beträgt zwischen 100nm und 280nm, was der Größe des großen LLZO-Partikels 24 in horizontaler Richtung entspricht, welche mit einer sphärischen Oberfläche des großen LCO-Partikels 22 deckungsgleich ist. Die horizontale Größe jedes der kleinen LLZO-Partikel 26 beträgt zwischen 50nm und 100nm, was einer Größe des kleinen LLZO-Partikels in horizontaler Richtung entspricht, welche mit der sphärischen Oberfläche des großen LCO-Partikels 22 deckungsgleich ist. Das Verhältnis des Gesamtgewichts der großen LLZO-Partikel 24 und des Gewichts des großen LCO-Partikels 22 beträgt 0,5% bis 0,8%. Das Verhältnis des Gesamtgewichts der kleinen LLZO-Partikel 26 und des Gewichts des großen LCO-Partikels 22 beträgt 0,1% bis 0,3%. Die großen LLZO-Partikel 24 und die kleinen LLZO-Partikel 26 werden durch Sinterung auf die großen LCO-Partikel 22 aufgebracht. Nach der Sinterung wird die vertikale Größe der großen LLZO-Partikel 24 und der kleinen LLZO-Partikel 26 verringert, wobei die vertikale Größe der großen LLZO-Partikel 24 und der kleinen LLZO-Partikel 26 eine Größe in einer Richtung senkrecht zur horizontalen Richtung darstellt, welche der sphärischen Oberfläche der großen LCO-Partikel 22 entspricht. Die horizontale Größe der großen LLZO-Partikel 24 und der kleinen LLZO-Partikel 26 wird hingegen erhöht. Das Volumen der großen LLZO-Partikel 24 und der kleinen LLZO-Partikel 26 bleibt unverändert.
Jeder der großen LLZO-Partikel 24 und der kleinen LLZO-Partikel 26 wird durch ein LLZO (Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid, Li₇La₃Zr₂O₁₂) oder ein mit mindestens einem Metall dotierten LLZO gebildet. Das mit mindestens einem Metall dotierte LLZO kann ein mit Gallium(Ga)-dotiertes LLZO (Li_6.2Ga_0.8La₃Zr₂O₁₂), ein mit Aluminium(Al)-dotiertes LLZO oder ein mit Barium(Ba)-dotiertes LLZO sein.
Bezugnehmend auf 3 bildet jedes der großen LLZO-Partikel 24 einen ersten hervorstehenden Abschnitt auf einer Oberfläche des großen LCO-Partikels 22 aus. Eine Mitte des ersten hervorstehenden Abschnitts ist höher als eine flache Außenseite des ersten hervorstehenden Abschnitts. Ein Querschnitt des ersten hervorstehenden Abschnitts weist auf der Oberfläche des großen LCO-Partikels 22 eine gekrümmte Kontur auf. Eine erste LLZO-Zwischenphasenschicht 25 ist zwischen einer Unterseite jedes der großen LLZO-Partikel 24 und dem großen LCO-Partikel 22 ausgebildet. Die erste LLZO-Zwischenphasenschicht 25 dient dazu, bessere Führungskanäle für Lithiumionen bereitzustellen und den großen LCO-Partikel 22 zu schützen. Eine Zwischenphasendicke der ersten LLZO-Zwischenphasenschicht 25 beträgt so zwischen 2nm und 12nm.
Die erste LLZO-Zwischenphasenschicht 25 wird durch eine Vielzahl von Verbindungen gebildet, welche „ein LLZO oder ein mit mindestens einem Metall dotiertes LLZO“, kobalthaltige Verbindungen sowie Kobaltderivate enthalten, wobei sich das Kobalt auf einer äußeren Schicht des großen LCO-Partikels 22 befindet. Die erste LLZO-Zwischenphasenschicht 25 umfasst eine erste Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht 251 und eine erste Derivatschicht 252, welche in einer sauerstoffunterstützten Sinterung gebildet werden, die an den großen LLZO-Partikeln 24 und dem großen LCO-Partikel 22 durchzuführen ist. Die erste Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht 251 wird durch ein Lanthanzirkonat (La₂Zr₂O₇) und ein Lanthan(III)-Oxid (La₂O₃) gebildet. Die erste Derivatschicht 252 wird durch ein Lithiumphosphat (Li₃PO₄) gebildet. Eine Summe aus der Dicke der ersten Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht 251 und der Dicke der ersten Derivatschicht 252 beträgt zwischen 1nm und 10nm. Die erste LLZO-Zwischenphasenschicht 25 erleichtert eine Verbindung zwischen dem jeweiligen großen LLZO-Partikel 24 und dem großen LCO-Partikel 22, um so eine kontinuierliche Schnittstelle zu bilden. Die erste Ableitungsschicht 252 verfügt über eine Fähigkeit, Lithiumionen (Li) zu leiten, welche der des großen LLZO-Partikels 24 etwas unterlegen ist. Die erste Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht 251 dient als ionenleitende Verbindungsschicht und dient zum Schutz des großen LCO-Partikels 22. Die erste Ableitungsschicht 252 bildet einen dünnen Film, indem sie auf einer Oberfläche des jeweiligen großen LLZO-Partikels 24, einer Oberfläche des jeweiligen kleinen LLZO-Partikels 26 und einer Oberfläche des großen LCO-Partikels 22 abgelagert ist.
Bezugnehmend auf 4 entwickelt jedes der kleinen LLZO-Partikel 26 einen zweiten hervorstehenden Abschnitt auf der Oberfläche des großen LCO-Partikels 22. Eine Mitte des zweiten hervorstehenden Abschnitts ist höher als eine flache Außenseite des zweiten hervorstehenden Abschnitts. Ein Querschnitt des zweiten hervorstehenden Abschnitts weist auf der Oberfläche des großen LCO-Partikels 22 eine gekrümmte Kontur auf. Eine zweite LLZO-Zwischenphasenschicht 27 ist zwischen einer Unterseite jedes der kleinen LLZO-Partikel 26 und dem großen LCO-Partikel 22 ausgebildet. Die zweite LLZO-Zwischenphasenschicht 27 dient dazu, bessere Führungskanäle für Lithiumionen bereitzustellen und den großen LCO-Partikel 22 besser zu schützen. Eine Zwischenphasendicke der zweiten LLZO-Zwischenphasenschicht 27 beträgt zwischen 2nm und 12nm.
Die zweite LLZO-Zwischenphasenschicht 27 wird durch eine Vielzahl von Verbindungen gebildet, welche „ein LLZO oder ein mit mindestens einem Metall dotiertes LLZO“, kobalthaltige Verbindungen und Kobaltderivate enthalten, wobei das Kobalt auf einer äußeren Schicht des großen LCO-Partikels 22 aufgetragen ist. Die zweite LLZO-Zwischenphasenschicht 27 umfasst eine zweite Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht 271 und eine zweite Derivatschicht 272, welche in einer sauerstoffunterstützten Sinterung gebildet werden, die an den kleinen LLZO-Partikeln 26 und dem großen LCO-Partikel 22 durchzuführen ist. Die zweite Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht 271 wird durch ein Lanthanzirkonat (La₂Zr₂O₇) und ein Lanthan(III)-Oxid (La₂O₃) entwickelt. Die zweite Derivatschicht 272 wird durch ein Lithiumphosphat (Li₃PO₄) gebildet. Die Summe der Dicke der zweiten Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht 271 und der Dicke der zweiten Ableitungsschicht 272 beträgt zwischen 1nm und 10nm. Die zweite LLZO-Grenzflächenschicht 27 erleichtert eine Verbindung zwischen dem jeweiligen kleinen LLZO-Partikel 26 und dem großen LCO-Partikel 22, um so eine kontinuierliche Grenzfläche zu bilden. Die zweite Ableitungsschicht 272 hat eine Leitfähigkeit für Lithiumionen (Li), welche der des kleinen LLZO-Partikels 26 etwas unterlegen ist. Die zweite Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht 271 dient als ionenleitende Verbindungsschicht zur Ionenleitung und dient zum Schutz des großen LCO-Partikels 22. Die zweite Ableitungsschicht 272 bildet einen dünnen Film, indem sie auf einer Oberfläche des jeweiligen großen LLZO-Partikels 24, einer Oberfläche des jeweiligen kleinen LLZO-Partikels 26 und einer Oberfläche des großen LCO-Partikels 22 abgelagert ist.
Die kleinen LLZO-Partikel 26 dienen dazu, einen Teil der großen LLZO-Partikel 24 zu ersetzen, eine Oberflächenabdeckung auf dem großen LCO-Partikel 22 zu erhöhen und die Nebenreaktionen zu verringern. Zudem werden die kleinen LLZO-Partikel 26 auch als Kanäle zur Leitung von Lithiumionen verwendet, wodurch die Kosten für die Beschichtung des großen LCO-Partikels 22 gesenkt werden können.
Die Oberfläche des großen LCO-Partikels 22 ist mit den großen LLZO-Partikeln 24 und den kleinen LLZO-Partikeln 26 beschichtet. Die großen LLZO-Partikel 24 und die kleinen LLZO-Partikel 26 haben eine höhere Ionenleitfähigkeit als die großen LCO-Partikel 22 und erzeugen nicht so leicht eine Nebenreaktion durch Lithiumionen. Wenn die Lithiumionen durch die positive Elektrode 100 gelangen, werden daher die Leitungspfade der Lithiumionen durch die Führung der großen LLZO-Partikel 24 und der kleinen LLZO-Partikel 26, welche auf dem großen LCO-Partikel 22 verteilt sind zerstreut. Dadurch ergeben sich bessere Leitungspfade für die Lithiumionen und auch die Batterieleistung wird erhöht.
Da die großen LLZO-Partikel 24 den großen LCO-Partikel 22 nicht gut abdecken können und viele Lücken entstehen, ist es notwendig, die Lücken zwischen den großen LLZO-Partikeln 24 mit Hilfe der kleinen LLZO-Partikel 26 zu füllen, wodurch ein robusterer Prozess und eine bessere Oberflächenabdeckung erreichbar wird.
Die erste und zweite LLZO-Zwischenphasenschicht 25, 27 bilden Verbindungen zwischen dem großen LCO-Partikel 22, den großen LLZO-Partikeln 24 und den kleinen LLZO-Partikeln 26. Je vollständiger die großen LLZO-Partikel 24 und die kleinen LLZO-Partikel 26 den großen LCO-Partikel 22 bedecken, desto weniger Oberfläche des großen LCO-Partikels 22 liegt frei, wodurch die Geschwindigkeit und Menge von Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten oder kolloidalen Materialien verringert und das positive Elektrodenmaterial stabiler wird. La₂Zr₂O₇ verfügt auch über eine Leitfähigkeit von Lithiumionen (Li), welche sich als nicht so überragend herausstellt, wie die der großen LLZO-Partikel 24 oder der kleinen LLZO-Partikel 26. Es kann jedoch als ionenleitende Schicht verwendet werden, um die Leitung von Lithiumionen von den großen LCO-Partikeln zu den großen LLZO-Partikeln 24 und den kleinen LLZO-Partikeln 26 zu unterstützen. Die großen LLZO-Partikel 24 und die kleinen LLZO-Partikel 26 werden als schnelle Tunnel zur Leitung der Lithiumionen verwendet, wodurch die Lithiumionen von den großen LCO-Partikeln 22 schnell und effizient durch die erste und zweite LLZO-Zwischenphasenschicht 25, 27 zu den großen LLZO-Partikeln 24 und den kleinen LLZO-Partikeln 26 aus- und eintransferriert werden können. La₂Zr₂O₇ verfügt außerdem über einen Inertstoff in einer Keramikverbindung, welcher die Nebenreaktion zwischen der positiven Elektrode und dem Elektrolyten verringert. Insbesondere bei einer hohen Spannung (größer als 4,5V oder sogar 4,9V) sorgen die erste und zweite LLZO-Zwischenphasenschicht 25, 27 für eine Passivierung und einen Schutz für die großen LCO-Partikel 22.
Jeder der großen LLZO-Partikel 24 und der kleinen LLZO-Partikel sowie der große LCO-Partikel 22 verfügen über eine Kristallstruktur, welche eine gute Stabilität aufweist und nicht leicht freigesetzt oder dissoziiert wird, so dass sie nebenbei auch die Batteriespannung erhöht.
Bezugnehmend auf 1 ist eine Außenfläche jedes der zusammengesetzten LCO-Partikel 20 von einer Vielzahl erster Karbonnanoröhren 30 umhüllt. Der zusammengesetzte LCO-Partikel 20 ist von den ersten Karbonnanoröhren 30 bedeckt, um den positiven Elektrodenpartikel 200 zu bilden.
Die ersten Karbonnanoröhren 30 umfassen eine Vielzahl kurzkettiger Karbonnanoröhren 32 und eine Vielzahl langkettiger Karbonnanoröhren 34. Die Länge jeder der kurzkettigen Kohlenstoffnanoröhren 32 beträgt zwischen 0,5µm und 3µm. Die Länge jeder der langkettigen Karbonnanoröhren 34 beträgt zwischen 8µm und 12µm. Das Verhältnis des Gesamtgewichts der kurzkettigen Karbonnanoröhren 32 zum Gesamtgewicht der langkettigen Karbonnanoröhren 34 beträgt 5:2. Das Verhältnis des Gesamtgewichts der ersten Karbonnanoröhren 30 zum Gesamtgewicht des großen LCO-Partikels 22 beträgt zwischen 0,01% und 0,5%.
Bezugnehmend auf 5 ist jede der kurzkettigen Karbonnanoröhren 32 zwischen dem jeweiligen großen LLZO-Partikel 24 und dem großen LCO-Partikel 22 oder zwischen dem jeweiligen kleinen LLZO-Partikel 26 und dem großen LCO-Partikel 22 verbunden. Die langkettigen Karbonnanoröhren 34 bedecken den zusammengesetzten LCO-Partikel 20, einschließlich dessen kurzkettiger Karbonnanoröhren 32, um so die strukturelle Festigkeit des zusammengesetzten LCO-Partikels 20 zu erhöhen. Eine Karbonnanoröhre stellt sich dabei als ein sehr leitfähiges Material heraus. Der zusammengesetzte LCO-Partikel 20, welcher von den ersten Karbonnanoröhren 30 bedeckt ist, bildet eine haarballartige Struktur (wie in 1 gezeigt).
Die ersten Karbonnanoröhren 30 dienen dazu, die elektrische Leitfähigkeit der Elektronen zu erhöhen, indem sie eine Vielzahl von leitenden Brücken, um die großen LLZO-Partikel 24 und die kleinen LLZO-Partikel entwickeln und die Elektronen so auf dem zusammengesetzten LCO-Partikel 20 leiten. Die ersten Karbonnanoröhren 30 haben eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit, so dass Lithiumionen durch die ersten Karbonnanoröhren 30 hindurchtreten und zwischen den großen LLZO-Partikeln 24, den kleinen LLZO-Partikeln 26 und dem großen LCO-Partikel 22 leiten können, wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit der gesamten positiven Elektrode 100 erhöht.
Vorzugsweise wird jeder der großen LLZO-Partikel 24 und der kleinen LLZO-Partikel 26 durch mindestens eines der folgenden Bestandteile gebildet: ein LLZO (Li₇La₃Zr₂O₁₂), ein Ga-LLZO (galliumdotiertes LLZO), ein Cu-LLZO (kupferdotiertes LLZO), ein Ta-LLZO (tantaldotiertes LLZO), ein Sr-LLZO (strontiumdotiertes LLZO) und ein Al-LLZO (aluminiumdotiertes LLZO).
Vorzugsweise wird jedes der großen LLZO-Partikel 24 und der kleinen LLZO-Partikel 26 durch ein Cu_a,X_b-LLZO gebildet, was ein mit Kupfer(Cu)- und einem Metall X-dotiertes LLZO darstellt, wobei X aus Gallium (Ga), Tantal (Ta), Strontium (Sr), Barium (Ba) und Aluminium (Al) ausgewählt werden kann und dabei a>0 sowie b>0 gilt. Vorzugsweise ist a+b=0,25~0,8 und a>0,1. Die Dotierung des Kupfers im LLZO ist technisch schwierig, aber Cu_a,X_b-LLZO kann eine Gesamtstruktur des zusammengesetzten LCO-Partikels 20 stabilisieren, welcher Kanäle für Lithiumionen glättet und die Geschwindigkeit der sauerstoffunterstützten Sinterung erhöht, was nebenbei auch die Kosten senkt. Es reduziert zudem die Produktion von Lithiumcarbonat (Li₂CO₃), falls die großen LLZO-Partikel 24 und die kleinen LLZO-Partikel 26 der Luft ausgesetzt werden, wodurch sich die Oberflächenstabilität der großen LLZO-Partikel 24 und der kleinen LLZO-Partikel 26 während der Sinterung erhöht.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es offensichtlich, dass diese auf vielfache Weisen variiert werden kann. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung zu betrachten und alle Modifikationen, welche für einen Fachmann offensichtlich wären, sollen in den Umfang der folgenden Ansprüche fallen.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel, der einen positiven Elektrodenpartikel darstellt, welcher einen zusammengesetzten LCO-Partikel enthält. Der zusammengesetzte LCO-Partikel verfügt über einen großen LCO-Partikel (Lithiumkobaltoxid, LiCoO₂) und eine Vielzahl großer LLZO-Partikel sowie eine Vielzahl kleiner LLZO-Partikel, welche auf einer Oberfläche des großen LCO-Partikels aufgebracht sind. Jeder der großen LLZO-Partikel und kleinen LLZO-Partikel wird durch ein LLZO (Li₇La₃Zr₂O₁₂) oder ein mit mindestens einem Metall dotierten LLZO gebildet. Eine erste LLZO-Zwischenphasenschicht wird zwischen einer Unterseite jedes der großen LLZO-Partikel und dem großen LCO-Partikel ausgebildet. Eine zweite LLZO-Zwischenphasenschicht wird zwischen einer Unterseite von jedem der kleinen LLZO-Partikel und dem großen LCO-Partikel ausgebildet. Eine Außenfläche jedes der zusammengesetzten LCO-Partikel ist von einer Vielzahl erster Karbonnanoröhren umhüllt.

Claims

Ein LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel, wobei der Kathodenpartikel einen positiven Elektrodenpartikel einer positiven Elektrode innerhalb einer Batterie darstellt und die positive Elektrode in einer Feststoffbatterie oder einer halbfesten Batterie verwendet wird; und das Oxid ein LLZO (Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid, Li₇La₃Zr₂O₁₂) oder ein mit mindestens einem Metall dotiertes LLZO ist; der positive Elektrodenpartikel umfasst: einen zusammengesetzten LCO-Partikel; der zusammengesetzte LCO-Partikel umfasst: einen großen LCO-Partikel (Lithium-Kobaltoxid, LiCoO₂), welcher einen Würfel mit unregelmäßiger Form darstellt; und eine Vielzahl von großen LLZO-Partikeln und eine Vielzahl von kleinen LLZO-Partikeln, welche auf einer Oberfläche des großen LCO-Partikels aufgetragen sind; wobei jeder der großen LLZO-Partikel und der kleinen LLZO-Partikel durch ein LLZO (Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid, Li₇La₃Zr₂O₁₂) oder ein mit mindestens einem Metall dotierten LLZO gebildet sind; wobei jeder der großen LLZO-Partikel einen ersten hervorstehenden Abschnitt auf einer Oberfläche des großen LCO-Partikels aufweist; eine Mitte des ersten hervorstehenden Abschnitts ist höher als eine flache Außenseite des ersten hervorstehenden Abschnitts; eine erste LLZO-Zwischenphasenschicht ist zwischen einer Unterseite von jedem der großen LLZO-Partikel und dem großen LCO-Partikel gebildet; die erste LLZO-Zwischenphasenschicht dient dazu, Führungskanäle für Lithiumionen bereitzustellen und einen Schutz für das große LCO-Partikel zu bieten; wobei jeder der kleinen LLZO-Partikel einen zweiten hervorstehenden Abschnitt auf der Oberfläche des großen LCO-Partikels bildet; eine Mitte des zweiten hervorstehenden Abschnitts ist höher als eine flache Außenseite des zweiten hervorstehenden Abschnitts; eine zweite LLZO-Zwischenphasenschicht ist zwischen einer Unterseite von jedem der kleinen LLZO-Partikel und der großen LCO-Partikel gebildet; die zweite LLZO-Zwischenphasenschicht dient dazu, Führungskanäle für Lithiumionen bereitzustellen und einen Schutz für das große LCO-Partikel zu bieten; wobei die großen LLZO-Partikel und die kleinen LLZO-Partikel eine höhere Ionenleitfähigkeit als die großen LCO-Partikel aufweisen und nicht so leicht eine Nebenreaktion mit Lithiumionen erzeugen; wenn die Lithiumionen durch die positive Elektrode gelangen, werden die Leitungspfade der Lithiumionen durch die Führung der großen LLZO-Partikel und der kleinen LLZO-Partikel, welche auf den großen LCO-Partikeln verteilt sind, zerstreut; und wobei jeder der großen LLZO-Partikel und jeder der kleinen LLZO-Partikel sowie die großen LCO-Partikel eine Kristallstruktur aufweisen, welche über eine gute Stabilität verfügt und nicht so leicht freigesetzt oder dissoziiert wird, wodurch sich auch die Batteriespannung erhöht.
Der LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel nach Anspruch 1, wobei eine Größe der großen LCO-Partikel zwischen 10µm und 15µm beträgt; die horizontale Größe jedes der großen LLZO-Partikel beträgt zwischen 100nm und 280nm, was einer Größe der großen LLZO-Partikel in horizontaler Richtung entspricht, welche sich mit einer sphärischen Oberfläche der großen LCO-Partikel deckt; und die horizontale Größe jedes der kleinen LLZO-Partikel beträgt zwischen 50nm und 100nm, was einer Größe des kleinen LLZO-Partikels in horizontaler Richtung entspricht, welche sich mit der sphärischen Oberfläche des großen LCO-Partikels deckt; und eine Zwischenphasendicke der ersten LLZO-Zwischenphasenschicht beträgt zwischen 2nm und 12nm; und eine Zwischenphasendicke der zweiten LLZO-Zwischenphasenschicht beträgt zwischen 2nm und 12nm.
Der LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis des Gesamtgewichts der großen LLZO-Partikel und des Gewichts des großen LCO-Partikels zwischen 0,5% und 0,8% beträgt; und ein Verhältnis des Gesamtgewichts der kleinen LLZO-Partikel und des Gewichts des großen LCO-Partikels beträgt zwischen 0,1% und 0,3%.
Der LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel nach Anspruch 1, wobei die erste LLZO-Zwischenphasenschicht und die zweite LLZO-Zwischenphasenschicht jeweils aus einer Vielzahl von Verbindungen gebildet werden, welche ein LLZO oder ein mit mindestens einem Metall dotiertes LLZO, kobalthaltige Verbindungen und Kobaltderivate enthalten, wobei sich das Kobalt auf einer Außenschicht des großen LCO-Partikels befindet; und die erste LLZO-Zwischenphasenschicht und die zweite LLZO-Zwischenphasenschicht dienen dazu, Führungskanäle für Lithiumionen bereitzustellen.
Der LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel nach Anspruch 1, wobei die erste LLZO-Zwischenphasenschicht eine erste Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht und eine erste Derivatschicht umfasst, welche in einer sauerstoffunterstützten Sinterung gebildet wird, welche an den großen LLZO-Partikeln und dem großen LCO-Partikel durchgeführt wird; die erste Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht ist aus einem Lanthanzirkonat (La₂Zr₂O₇) und einem Lanthan(III)-Oxid (La₂O₃) gebildet; die erste Ableitungsschicht wird aus einem Lithiumphosphat (Li₃PO₄) entwickelt; die Summe aus der Dicke der ersten Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht und der Dicke der ersten Ableitungsschicht beträgt zwischen 1nm und 10nm; die erste Ableitungsschicht hat die Fähigkeit, Lithiumionen (Li) zu leiten; die erste Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht dient als ionenleitende Verbindungsschicht und zum Schutz des großen LCO-Partikels; die erste Ableitungsschicht bildet einen dünnen Film, indem sie auf einer Oberfläche des jeweiligen großen LLZO-Partikels, einer Oberfläche des jeweiligen kleinen LLZO-Partikels und einer Oberfläche des großen LCO-Partikels abgelagert ist; und wobei die zweite LLZO-Zwischenphasenschicht eine zweite Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht und eine zweite Ableitungsschicht beinhaltet, welche in einer sauerstoffunterstützten Sinterung gebildet werden, die an den kleinen LLZO-Partikeln und dem großen LCO-Partikel durchgeführt wird; die zweite Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht wird durch ein Lanthanzirkonat (La₂Zr₂O₇) und ein Lanthan(III)-Oxid (La₂O₃) gebildet; die zweite Ableitungsschicht wird durch ein Lithiumphosphat (Li₃PO₄) gebildet; die Summe der Dicke der zweiten Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht und der Dicke der zweiten Ableitungsschicht beträgt zwischen 1nm und 10nm; die zweite Ableitungsschicht verfügt über die Fähigkeit zur Leitung von Lithiumionen (Li), welche etwas geringer ausfällt, als die des kleinen LLZO-Partikels; die zweite Sauerstoffmangelgrenzflächenschicht dient als ionenleitende Verbindungsschicht zur Ionenleitung und zum Schutz des großen LCO-Partikels; und die zweite Ableitungsschicht bildet einen dünnen Film, indem sie auf einer Oberfläche des jeweiligen großen LLZO-Partikels, einer Oberfläche des jeweiligen kleinen LLZO-Partikels und einer Oberfläche des großen LCO-Partikels abgelagert ist.
Der LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel nach Anspruch 1, wobei eine Außenfläche jedes der zusammengesetzten LCO-Partikel von einer Vielzahl erster Karbonnanoröhren umhüllt ist; der zusammengesetzte LCO-Partikel ist von den ersten Karbonnanoröhren bedeckt, um den positive Elektrodenpartikel zu bilden.
Der LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel nach Anspruch 6, wobei die ersten Karbonnanoröhren eine Vielzahl kurzkettiger Karbonnanoröhren und eine Vielzahl langkettiger Karbonnanoröhren umfassen; die Länge jeder der kurzkettigen Karbonnanoröhren beträgt zwischen 0,5µm und 3µm; die Länge jeder der langkettigen Karbonnanoröhren beträgt zwischen 8µm und 12µm; und wobei jede der kurzkettigen Karbonnanoröhren dazu dient, zwischen dem jeweiligen großen LLZO-Partikel und dem großen LCO-Partikel oder zwischen dem jeweiligen kleinen LLZO-Partikel und dem großen LCO-Partikel quer verbunden zu werden; die langkettigen Karbonnanoröhren dienen dazu, den zusammengesetzten LCO-Partikel einschließlich der kurzkettigen Karbonnanoröhren abzudecken.
Der LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel nach Anspruch 7, wobei ein Verhältnis des Gesamtgewichts der kurzkettigen Karbonnanoröhren und des Gesamtgewichts der langkettigen Karbonnanoröhren 5:2 beträgt; und ein Verhältnis des Gesamtgewichts der ersten Karbonnanoröhren und des Gesamtgewichts des großen LCO-Partikels beträgt zwischen 0,01% und 0,5%.
Der LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel nach Anspruch 7, wobei jeder der großen LLZO-Partikel und der kleinen LLZO-Partikel aus mindestens einem der folgenden Gemische gebildet wird: LLZO (Li₇La₃Zr₂O₁₂), Ga-LLZO (galliumdotiertes LLZO), Cu-LLZO (kupferdotiertes LLZO), Ta-LLZO (tantaldotiertes LLZO), Sr-LLZO (strontiumdotiertes LLZO) und Al-LLZO (aluminiumdotiertes LLZO).
Der LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel nach Anspruch 1, wobei jeder der großen LLZO-Partikel und der kleinen LLZO-Partikel durch ein Cu_a,X_b-LLZO gebildet wird, welches ein mit Kupfer(Cu)- und einem Metall X-dotiertes LLZO darstellt, wobei X aus Gallium (Ga), Tantal (Ta), Strontium (Sr), Barium (Ba) und Aluminium (Al) ausgewählt sein kann und a>0 sowie b>0 gilt; das Cu_a,X_b-LLZO dient dazu, eine Struktur des zusammengesetzten LCO-Partikels zu stabilisieren, Kanäle für Lithiumionen zu glätten und die Geschwindigkeit der sauerstoffunterstützten Sinterung zu erhöhen; das Cu_a,X_b-LLZO dient auch dazu, die Produktion von Lithiumcarbonat (Li₂CO₃) zu reduzieren, falls die großen LLZO-Partikel und die kleinen LLZO-Partikel der Luft ausgesetzt sind, was die Oberflächenstabilität der großen LLZO-Partikel und der kleinen LLZO-Partikel erhöht.
Der LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel nach Anspruch 10, wobei a+b=0,25~0,8 und a>0,1 gilt.
Der LCO@Oxid@CNT-Multiverbundkathodenpartikel nach Anspruch 1, wobei ein Querschnitt des ersten hervorstehenden Abschnitts eine gekrümmte Kontur auf der Oberfläche des großen LCO-Partikels aufweist; und ein Querschnitt des zweiten hervorstehenden Abschnitts weist eine gekrümmte Kontur auf der Oberfläche des großen LCO-Partikels auf.