DE102013011273A1 - Separator for a lithium-ion battery, and lithium ion battery containing the separator - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Separator für eine Lithium-Ionen-Batterie, der die positive und die negative Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie voneinander trennt und für Lithium-Ionen durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator zumindest eine Kieselsäure und zumindest eine Schwefel-Komponente aufweist, sowie Lithium-Ionen-Batterie, aufweisend den Separator.The invention relates to a separator for a lithium-ion battery, which separates the positive and the negative electrode of the lithium-ion battery and is permeable to lithium ions, characterized in that the separator at least one silica and at least one sulfur Component, as well as lithium-ion battery, comprising the separator.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator für eine Sekundärbatterie, insbesondere einen Separator für eine Lithium-Ionen-Batterie, vorzugsweise für eine Lithium-Schwefel-Batterie.The present invention relates to a separator for a secondary battery, particularly a separator for a lithium-ion battery, preferably for a lithium-sulfur battery.
Sekundärbatterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, werden wegen ihrer hohen Energiedichte und hohen Kapazität als Antriebskraft für mobile Informationsvorrichtungen eingesetzt. Darüber hinaus finden derartige Batterien in Werkzeugen, elektrisch betriebenen Automobilen und in Automobilen mit Hybridantrieb Verwendung. Damit sie für diese Verwendungen geeignet sind, sollten sie allerdings bei hoher Sicherheit und Verlässlichkeit eine hohe Spannung, eine hohe Kapazität und eine hohe Langlebigkeit aufweisen. Allerdings ist bekannt, dass unter dem Einfluss einer hohen Spannung die Leistung und die Sicherheit der Batterie beeinträchtigt werden können. Beispielweise kann sich der in der Batterie befindliche Separator nachteilig verändern. So kann es zum unerwünschten Durchwachsen von Li-Kristallen, sogenannten Li-Dendriten oder ”Lithium-Whiskern”, durch den Separator kommen. Diese verbinden dann die Anode und die Kathode der Batterie miteinander, was einen Kurzschluss der Batterie zur Folge haben kann. Dies kann zum Versagen der Batterie führen, und/oder die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Batterie beeinträchtigen.Secondary batteries, in particular lithium-ion batteries, are used as a driving force for mobile information devices because of their high energy density and high capacity. In addition, such batteries are used in tools, electric automobiles, and hybrid-powered automobiles. However, in order to be suitable for these uses, they should have high voltage, high capacity, and long life with high safety and reliability. However, it is known that under the influence of a high voltage, the performance and safety of the battery can be affected. For example, the separator located in the battery may be adversely affected. For example, undesirable growth of Li crystals, so-called Li dendrites or "lithium whiskers", can occur through the separator. These then connect the anode and the cathode of the battery together, which can result in a short circuit of the battery. This can lead to failure of the battery and / or affect the reliability and safety of the battery.
Ist die Lithium-Ionen-Batterie als Lithium-Schwefel-Batterie ausgestaltet, können weitere nachteilige Reaktionen eintreten. Beispielsweise können sich die während der Entladung an der Schwefelelektrode (Kathode) gebildeten Polysulfide im Elektrolyten der Batterie lösen und auch dort gelöst bleiben, was zu einem Verlust an aktiver Elektrodenmasse führt. Gleichzeitig können Polysulfidanionen durch den Separator hindurch zur Lithiummetall-Elektrode (Anode) wandern, wo sie unlösliche Produkte bilden können. Auch dies beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit der Batterie.If the lithium-ion battery is designed as a lithium-sulfur battery, further adverse reactions can occur. For example, the polysulfides formed during the discharge at the sulfur electrode (cathode) can dissolve in the electrolyte of the battery and also remain dissolved there, which leads to a loss of active electrode mass. At the same time, polysulfide anions can migrate through the separator to the lithium metal electrode (anode) where they can form insoluble products. This also affects the performance of the battery.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Separator für eine Sekundärbatterie bereitzustellen, vorzugsweise für eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, insbesondere für eine Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie, der die Eigenschaften von Separatoren weiter verbessert, und der die Bereitstellung einer Batterie ermöglicht, die auch bei hohen Spannungen möglichst stabil bleibt und deshalb langlebig ist, insbesondere einer Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie.It is an object of the present invention to provide a separator for a secondary battery, preferably a lithium-ion secondary battery, particularly for a lithium-sulfur secondary battery, which further improves the characteristics of separators, and which makes it possible to provide a battery as well remains as stable as possible at high voltages and is therefore durable, especially a lithium-sulfur secondary battery.
Diese Aufgabe wird mit einem Separator gelöst wie in Anspruch 1 definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen des Separators sind in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved with a separator as defined in claim 1. Advantageous developments of the separator are defined in the claims dependent on claim 1.
Erster Aspekt der Erfindung – Erfindungsgemäßer SeparatorFirst aspect of the invention - Separator according to the invention
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Separator für eine Lithium-Ionen-Batterie, der eine positive und eine negative Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie voneinander trennt und für Lithium-Ionen im Wesentlichen durchlässig ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Separator zumindest eine Kieselsäure und zumindest eine Schwefel-Komponente aufweist.According to a first aspect, the invention relates to a separator for a lithium-ion battery, which separates a positive and a negative electrode of the lithium-ion battery and is substantially transparent to lithium ions,
characterized in that
the separator comprises at least one silica and at least one sulfur component.
In einer Ausführungsform ist die Schwefel-Komponente elementarer Schwefel oder ein Sulfid, oder eine Kombination von beiden.In one embodiment, the sulfur component is elemental sulfur or a sulfide, or a combination of both.
Die Erfinder haben gefunden, dass eine Kieselsäure in Kombination mit einer Schwefel-Komponente, vorzugsweise Schwefel zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2, die Ausbildung von Lithium-Dendriten oder Lithium-Whiskern im Separator einer Lithium-Ionen-Batterie wirksam unterbinden oder zumindest verringern können. Im Falle einer Lithium-Schwefel-Batterie vermag die Kieselsäure in Kombination mit der Schwefel-Komponente zusätzlich die unerwünschte Wanderung von Polysulfidanionen durch den Separator hindurch wirksam zu minimieren bzw. zu unterbinden.The inventors have found that a silica in combination with a sulfur component, preferably sulfur at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2, the formation of lithium dendrites or lithium whiskers in the separator of a lithium-ion Effectively prevent or at least reduce the battery. In the case of a lithium-sulfur battery, the silica in combination with the sulfur component can also effectively minimize or prevent the unwanted migration of polysulfide anions through the separator.
Die Erfinder haben zudem überraschend gefunden, dass im Falle eines Feuchtigkeitseinbruchs in die Lithium-Ionen-Batterie Feuchtigkeit wirkungsvoll durch den erfindungsgemäßen Separator gebunden werden kann, wobei auch die mögliche Bildung von Fluorwasserstoff aus Fluor-haltigen Elektrolyten wirksam unterbunden oder wenigstens minimiert werden kann.In addition, the inventors have surprisingly found that moisture can be effectively bound by the separator according to the invention in the event of a moisture intrusion into the lithium-ion battery, whereby the possible formation of hydrogen fluoride from fluorine-containing electrolytes can be effectively prevented or at least minimized.
Die Erfinder haben weiter gefunden, dass auch eine nachteilige Gasbildung in der Batterie, beispielsweise bei Beschädigung der Batterie, unterbunden oder wenigstens minimiert werden kann, da Gase durch die Kieselsäure und die Schwefel-Komponente absorbiert werden können.The inventors have further found that even adverse gas formation in the battery, for example damage to the battery, can be prevented or at least minimized since gases can be absorbed by the silica and the sulfur component.
Ferner haben die Erfinder gefunden, dass die Dimensionsstabilität einer Lithium-Ionen-Batterie, welche den erfindungsgemäßen Separator verwendet, verbessert werden kann, da das durch Alterung bedingte häufig beobachtete Anschwellen bzw. die Dimensionsveränderung der Batterie verringert wird. Desgleichen können Verwerfungen in der Batterie, die durch den Herstellungsprozess bedingt sind, minimiert oder vorteilhaft ausgeglichen werden.Further, the inventors have found that the dimensional stability of a lithium-ion battery using the separator of the present invention can be improved because the aging-frequently observed swelling or dimensional change of the battery is reduced. Likewise, dislocations in the battery caused by the manufacturing process can be minimized or advantageously compensated.
Sekundärbatterien, welche den erfindungsgemäßen Separator aufweisen, können somit eine hohe Langlebigkeit und Sicherheit aufweisen, was für deren Verwendung in Werkzeugen, elektrisch betriebenen Automobilen und in Automobilen mit Hybridantrieb außerordentlich vorteilhaft ist.Secondary batteries comprising the separator according to the invention can thus have a high durability and safety, which is their use in tools, electrically powered automobiles and in hybrid-powered automobiles is extremely beneficial.
Die nachfolgend definierten Begriffe sind im Sinne der Erfindung definiert.The terms defined below are defined within the meaning of the invention.
Der Begriff „Separator” bezeichnet das Element einer Lithium-Ionen-Batterie, welches die Anode und die Kathode der Batterie voneinander trennt. Der für die Batterie verwendete Separator muss für Lithium-Ionen im Wesentlichen durchlässig sein, um den Ionentransport der Lithium-Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode zu gewährleisten. Andererseits soll der Separator für Elektronen isolierend oder wenigstens schlechtleitend sein.The term "separator" refers to the element of a lithium-ion battery which separates the anode and the cathode of the battery. The separator used for the battery must be substantially transparent to lithium ions in order to ensure the ion transport of the lithium ions between the positive and the negative electrode. On the other hand, the separator for electrons should be insulating or at least poorly conductive.
Erfindungsgemäß weist der Separator eine oder mehrere Kieselsäuren und eine oder mehrere Schwefel-Komponenten auf.According to the invention, the separator comprises one or more silicas and one or more sulfur components.
Der Begriff „Kieselsäure” umfasst sämtliche dem Fachmann bekannten Sauerstoffsäuren des Siliziums der allgemeinen Formel H2n+2SinO3n+1, also beispielsweise Monokieselsäure (Orthokieselsäure) Si(OH)4 Dikieselsäure (Pyrokieselsäure) (HO)3Si-O-Si(OH)3 und Trikieselsäure (HO)3Si-O-Si(OH)2-O-Si(OH)3. Der Begriff umfasst auch cyclische Kieselsäuren wie z. B. Cyclotrikieselsäure und Cyclotetrakieselsäure mit der allgemeinen Summenformel [Si(OH)2-O-]n sowie langkettige Kieselsäuren der allgemeinen Summenformel H2SiO3, [-Si(OH)2-O-]n), auch als Metakieselsäure bezeichnet. Der Begriff umfasst auch amorphe Kolloide (Kieselsole) und Kieselsäuren wie pyrogene Kieselsäuren der Formel SiO2. Ferner umfasst der Begriff auch Salze der Säuren, vorzugsweise die Alkalisalze, wobei Alkali vorzugsweise Li ist, sowie den Begriff „Kieselgel”.The term "silicic acid" includes all known to the expert oxygen acids of silicon of the general formula H 2n + 2 Si n O 3n + 1 , so for example monosilicic acid (orthosilicic acid) Si (OH) 4 diclitic acid (pyrosilicic acid) (HO) 3 Si-O- Si (OH) 3 and trisilicic acid (HO) 3 Si-O-Si (OH) 2 -O-Si (OH) 3 . The term also includes cyclic silicas such as. B. Cyclotrikieselsäure and Cyclotetrakieselsäure with the general empirical formula [Si (OH) 2 -O-] n and long-chain silicas of the general empirical formula H 2 SiO 3 , [-Si (OH) 2 -O-] n ), also referred to as meta-silicic acid. The term also includes amorphous colloids (silica sols) and silicas such as fumed silicas of the formula SiO 2 . Furthermore, the term also includes salts of the acids, preferably the alkali metal salts, wherein alkali is preferably Li, and the term "silica gel".
Der Begriff „pyrogene Kieselsäure” bedeutet amorphe Kieselsäure-Pulver, vorzugsweise mit einem Durchmesser von 5–50 nm und einer spezifischen Oberfläche von 5–800 m2/g. Pyrogene Kieselsäuren können nach bekannten Verfahren durch Flammenhydrolyse oder aus Siliziumtetrachlorid hergestellt werden.The term "fumed silica" means amorphous silica powder, preferably with a diameter of 5-50 nm and a specific surface area of 5-800 m 2 / g. Pyrogenic silicas can be prepared by known methods by flame hydrolysis or silicon tetrachloride.
Der Begriff ”Kieselsäure” umfasst auch Kieselsäure in Form eines Xerogels. Derartige Gele können nach bekannten Verfahren aus geeigneten Silizium-haltigen Vorläuferverbindungen, etwa Silizium-Alkoxy-Verbindungen, durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden, wobei die Sol-Phase hydrolisiert und kondensiert wird, wobei eine feuchte, aber feste Gel-Phase gebildet wird. Durch Trocknen der Gel-Phase, welche i. A. nicht unter superkritischen Bedingungen erfolgt, wird das Fluid aus dem Gel entfernt unter Bildung einer getrockneten, monolithischen Matrix, welche ein offenes Netzwerk von Poren aufweist („Xerogel”). Der getrocknete Gelmonolith kann dann noch kalziniert werden unter Bildung eines festen, glasartigen Monolithen, welcher miteinander verbundene Poren aufweist. Dieser Monolith kann noch weiter verdichtet werden, beispielweise durch Sintern, wobei der Monolith in ein Glas oder eine Keramik überführt werden kann. Selbstverständlich ist es möglich, das Xerogel für die erfindungsgemäße Verwendung auf gewünschte Korngrößen zu zerkleinern, vorzugsweise durch Mahlen. Xerogele sind im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugte Kieselsäuren.The term "silica" also includes silica in the form of a xerogel. Such gels can be prepared by known methods from suitable silicon-containing precursor compounds, such as silicon-alkoxy compounds, by a sol-gel process wherein the sol phase is hydrolyzed and condensed to form a moist but solid gel phase becomes. By drying the gel phase, which i. A. does not occur under supercritical conditions, the fluid is removed from the gel to form a dried, monolithic matrix having an open network of pores ("xerogel"). The dried gel monolith may then be calcined to form a solid, glassy monolith having interconnected pores. This monolith can be further densified, for example by sintering, whereby the monolith can be converted into a glass or a ceramic. Of course, it is possible to comminute the xerogel for the use according to the invention to desired particle sizes, preferably by milling. Xerogels are preferred silicas for the purposes of the present invention.
In einer Ausführungsform liegt das Xerogel in Partikelform vor, wobei die Partikel eine sphärische Form aufweisen.In one embodiment, the xerogel is in particulate form, the particles having a spherical shape.
In einer weiteren Ausführungsform können die Partikel des Xerogels eine gestreckte und längliche Form aufweisen.In another embodiment, the particles of xerogel may have a stretched and elongated shape.
Bevorzugte Kieselsäuren weisen eine BET-Oberfläche von 5–800, bevorzugt 10–500, besonders bevorzugt von 50–300 m2/g auf.Preferred silicic acids have a BET surface area of 5-800, preferably 10-500, particularly preferably 50-300 m 2 / g.
Geeignete Kieselsäuren sind kommerziell erhältlich oder können nach bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise nach Verfahren wie in der
Besonders gut geeignet im Sinne der Erfindung haben sich Kieselsäuren erwiesen, welche unter der Bezeichung „Sipermat®” und „Sident®” von der Firma Evonik (Deutschland) vertrieben werden.Particularly suitable for the purposes of the invention, the silicas have proven, marketed under the name "Sipermat ®" and "ident ®" by the company Evonik (Germany).
Der Separator weist Schwefel zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2 auf.The separator has sulfur at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2.
In einer Ausführungsform bezeichnet der Begriff „Schwefel” elementaren Schwefel (Oxidationsstufe 0). Elementarer Schwefel kann in den bekannten allotropen Formen eingesetzt werden.In one embodiment, the term "sulfur" refers to elemental sulfur (oxidation state 0). Elemental sulfur can be used in the known allotropic forms.
In einer weiteren Ausführungsform bezeichnet der Begriff „Schwefel” ein Sulfid, also Verbindungen, welche das zweifach negativ geladene Sulfidanion S2– (Oxidationsstufe –2) enthalten, vorzugsweise ein anorganisches Sulfid, vorzugsweise ein Metallsulfid. Beispiele für Sulfide sind Alkalimetall-, Erdalkalimetall- und Erdmetallsulfide sowie Sulfide der Übergangsmetalle, wie Eisen-, Zink-, Kupfersulfid oder Molybdänsulfid.In a further embodiment, the term "sulfur" denotes a sulfide, ie compounds which contain the di-negatively charged sulfide anion S 2- (oxidation state -2), preferably an inorganic sulfide, preferably a metal sulfide. Examples of sulfides are alkali metal, alkaline earth metal and earth metal sulfides and sulfides of the transition metals, such as iron, zinc, copper sulfide or molybdenum sulfide.
In einer Ausführungsform beträgt der Gehalt an Kieselsäure und Schwefel, wie gemeinsam im Separator vorliegend, 0,1 bis 60 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Separators, vorzugsweise 0,5 bis 50 Gew.-%, weiter bevorzugt 1 bis 40 Gew.-%.In one embodiment, the content of silica and sulfur, as present together in the separator, 0.1 to 60 wt .-% based on the total weight of the separator, preferably 0.5 to 50 wt .-%, more preferably 1 to 40 wt .-%.
In einer Ausführungsform beträgt das Gewichtsverhältnis von Kieselsäure zur Schwefel-Komponente 10:1 bis 1:10, vorzugsweise 5:1 bis 1:5, weiter bevorzugt 2,5:1 bis 1:2,5.In one embodiment, the weight ratio of silica to sulfur is Component 10: 1 to 1:10, preferably 5: 1 to 1: 5, more preferably 2.5: 1 to 1: 2.5.
In einer Ausführungsform beträgt das Gewichtsverhältnis von Kieselsäure zu Schwefel oder der entsprechenden Schwefelverbindung der Oxidationsstufe –2 oder +6, 5:1, weiter bevorzugt 10:1, mehr bevorzugt 100:1.In one embodiment, the weight ratio of silica to sulfur or the corresponding sulfur compound of the oxidation state is -2 or +6, 5: 1, more preferably 10: 1, more preferably 100: 1.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Separators weist der Separator einen Polymerfilm auf.In one embodiment of the separator according to the invention, the separator has a polymer film.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Separator verwebte Polymerfasern auf.In a further embodiment, the separator has woven polymer fibers.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Separator ein Vlies aus unverwebten Polymerfasern auf.In a further embodiment, the separator has a nonwoven web of nonwoven polymer fibers.
Vorzugsweise sind die für den Film oder die Fasern verwendeten Polymere für Elektronen nicht-leitend, also für Elektronen isolierend.Preferably, the polymers used for the film or fibers are non-conductive to electrons, that is, to be electron-insulating.
Der für die Batterie verwendete Separator muss für Lithiumionen durchlässig sein, um den Ionentransport für Lithiumionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode zu gewährleisten.The separator used for the battery must be permeable to lithium ions to ensure ion transport for lithium ions between the positive and negative electrodes.
Im Falle einer Lithium-Schwefel-Batterie soll der Separator für Sulfid- und Polysulfidanionen undurchlässig sein. Dies verhindert die Zirkulation derartiger Ionen in der Batterie und deren Diffusion zur Elektrode, die metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung aufweist. Damit wird die Ausbildung unerwünschter schwerlöslicher Sulfide auf dieser Elektrode minimiert oder gar verhindert.In the case of a lithium-sulfur battery, the separator should be impermeable to sulfide and polysulfide anions. This prevents the circulation of such ions in the battery and their diffusion to the electrode comprising metallic lithium or a lithium alloy. This minimizes or even prevents the formation of undesirable sparingly soluble sulfides on this electrode.
Der Begriff ”Vlies” wird synonym mit Begriffen wie ”nonwoven fabrics”, „nonwoven material”, ”Gewirke” oder ”Filz” verwendet. Statt des Begriffs ”ungewebt” wird auch der Begriff ”nicht verwebt” verwendet.The term "fleece" is used interchangeably with terms such as "nonwoven fabrics", "nonwoven material", "knits" or "felt". Instead of the term "unwoven" the term "not woven" is used.
Vorzugsweise werden die Polymere für den Polymerfilm oder die Polymerfasern ausgewählt aus der Gruppe von Polymeren bestehend aus Polyacrylnitril, Polyolefin, Polyester, Polyimid, Polyetherimid, Polysulfon, Polyamid, Polyether.Preferably, the polymers for the polymer film or fibers are selected from the group of polymers consisting of polyacrylonitrile, polyolefin, polyester, polyimide, polyetherimide, polysulfone, polyamide, polyether.
Geeignete Polyolefine sind vorzugsweise Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, oder Polyvinylidenfluorid.Suitable polyolefins are preferably polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, or polyvinylidene fluoride.
Bevorzugte Polyester sind Polyethylenterephthalate.Preferred polyesters are polyethylene terephthalates.
Der Polymerfilm oder die verwebten oder unverwebten Polymerfasern sind vorzugsweise einseitig oder beidseitig mit einem porösen anorganischen Material beschichtet.The polymer film or the woven or non-woven polymer fibers are preferably coated on one or both sides with a porous inorganic material.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Separator als Vlies aus ungewebten Polymerfasern ausgebildet.In a preferred embodiment, the separator is formed as a fleece of nonwoven polymer fibers.
Besonders bevorzugt weist der Separator eine auf oder eine auf und in dem Vlies befindliche poröse anorganische Beschichtung auf.Particularly preferably, the separator has a porous inorganic coating on or on and in the nonwoven.
Ein bevorzugter Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen ”Separion®” von der Firma Evonik AG in Deutschland vertrieben wie weiter oben beim Stand der Technik bereits offenbart. Verfahren zur Herstellung derartiger Separatoren sind beispielsweise aus der
In einer Ausführungsform sind die Polymerfasern oder das Vlies aus Polymerfasern ein- oder beidseitig mit einem ionenleitenden anorganischen Material beschichtet, und/oder wird von diesem durchdrungen.In one embodiment, the polymer fibers or the nonwoven fabric of polymer fibers are coated on one or both sides with an ion-conducting inorganic material, and / or are penetrated by it.
In einer weiteren Ausführungsform ist das ionenleitende anorganische Material in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend für Lithium-Ionen, wobei das für die Beschichtung verwendete Material wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zirkon, Aluminium, Silizium oder Lithium ist.In a further embodiment, the ion-conducting inorganic material is ion-conducting for lithium ions in a temperature range of -40 ° C to 200 ° C, wherein the material used for the coating at least one compound selected from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates Aluminosilicate is at least one of the elements zirconium, aluminum, silicon or lithium.
In einer weiteren Ausführungsform weist das ionenleitende Material Aluminiumoxid oder Zirkonoxid oder Aluminiumoxid und Zirkonoxid auf oder besteht aus diesem oder diesen.In a further embodiment, the ion-conducting material comprises or consists of aluminum oxide or zirconium oxide or aluminum oxide and zirconium oxide.
In einer Ausführungsform weist das anorganische ionenleitende Material vorzugsweise Partikel auf, wobei diese vorzugsweise zu 90% (D90) (oder mehr) einen größten Durchmesser unter 100 nm aufweisen.In one embodiment, the inorganic ion conducting material preferably comprises particles, preferably having 90% (D90) (or more) a largest diameter below 100 nm.
Prinzipiell können zu große Poren und Löcher in Separatoren, die in Sekundärbatterien verwendet werden, zu einem inneren Kurzschluss führen. Die Batterie kann sich dann in einer gefährlichen Reaktion sehr schnell selbst entladen. Hierbei können so große elektrische Ströme auftreten, dass eine geschlossene Batteriezelle im ungünstigsten Fall sogar explodieren kann. Aus diesem Grund kann der Separator entscheidend zur Sicherheit bzw. zur fehlenden Sicherheit einer Lithiumhochleistungs- oder Lithiumhochenergiebatterie beitragen.In principle, too large pores and holes in separators used in secondary batteries can lead to an internal short circuit. The battery can then discharge itself very quickly in a dangerous reaction. In this case, such large electrical currents can occur that a closed battery cell can even explode in the worst case. For this reason, the separator can contribute significantly to the safety or lack of security of a lithium high performance or Lithiumhochenergiebie battery.
Die erfindungsgemäßen Separatoren unterbinden ab einer bestimmten Temperatur (der sogenannten ”Shut-Down-Temperatur”, die typischerweise bei ca. 120°C liegt) jeglichen Stromtransport durch den Elektrolyten. Dies geschieht dadurch, dass bei dieser Temperatur das Porengefüge des Separators zusammenbricht und alle Poren verschlossen werden. Dadurch, dass keine Ionen mehr transportiert werden können, kommt die gefährliche Reaktion, die zur Explosion führen kann, zum Erliegen. Wird die Zelle aufgrund äußerer Umstände aber weiter erwärmt, so wird bei ca. 150 bis 180°C die sogenannte ”Break-Down-Temperatur” überschritten. Ab dieser Temperatur kommt es bei herkömmlichen Separatoren zum Schmelzen des Separators, wobei dieser sich zusammenzieht. An vielen Stellen in der Batteriezelle kommt es nun zu einem direkten Kontakt zwischen den beiden Elektroden und somit zu einem großflächigem inneren Kurzschluss. Dieser führt zur unkontrollierten Reaktion, die mit einer Explosion der Zelle enden kann, bzw. der entstehende Druck muss durch ein Überdruckventil (vorzugsweise eine Berstscheibe) häufig unter Feuererscheinungen abgebaut werden.The separators according to the invention stop at a certain temperature (the so-called "shut-down temperature") typically at about 120 ° C) any current transport through the electrolyte. This happens because at this temperature, the pore structure of the separator collapses and all pores are closed. The fact that no ions can be transported, the dangerous reaction that can lead to an explosion, comes to a standstill. However, if the cell continues to be heated due to external circumstances, the so-called "break-down temperature" is exceeded at approx. 150 to 180 ° C. From this temperature it comes in conventional separators to melt the separator, which contracts. In many places in the battery cell, there is now a direct contact between the two electrodes and thus to a large internal short circuit. This leads to an uncontrolled reaction, which can end with an explosion of the cell, or the resulting pressure must be reduced by a pressure relief valve (preferably a rupture disk) often under fire phenomena.
Bei dem in einer Sekundärbatterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, verwendeten erfindungsgemäßen Separator aufweisend ein Vlies aus ungewebten Polymerfasern und eine anorganische Beschichtung, kann es nur zum Shut-Down (Abschaltung) kommen, wenn durch die hohe Temperatur das Polymergefüge des Trägermaterials schmilzt und in die Poren des anorganischen Materials eindringt und diese dadurch verschließt. Zum Break-Down (Zusammenbruch) kommt es bei diesem Separator dagegen nicht, da die anorganischen Partikel dafür sorgen, dass ein völliges Schmelzen des Separators nicht eintreten kann. Somit ist sichergestellt, dass es keine Betriebszustände gibt, in denen ein großflächiger Kurzschluss entstehen kann. Durch die Art des eingesetzten Vlieses, welches eine besonders gut geeignete Kombination aus Dicke und Porosität aufweist, können Separatoren hergestellt werden, die den Anforderungen an Separatoren in Hochleistungsbatterien, insbesondere Lithium-Hochleistungsbatterien gerecht werden können. Durch die gleichzeitige Verwendung von in ihrer Partikelgröße genau abgestimmten Oxid-Partikeln zur Herstellung der porösen (keramischen) Beschichtung wird eine besonders hohe Porosität des fertigen Separators erreicht, wobei die Poren immer noch genügend klein sind, um ein unerwünschtes Durchwachsen von ”Lithium-Whiskern” durch den Separator zu minimieren.In the separator according to the invention comprising a fleece of nonwoven polymer fibers and an inorganic coating, which is used in a secondary battery, in particular a lithium-ion battery, it can only come to shutdown (shutdown) if the polymer structure of the carrier material melts due to the high temperature and penetrates into the pores of the inorganic material and thereby closes them. On the other hand, there is no such break-down (collapse) as the inorganic particles ensure that complete melting of the separator can not occur. This ensures that there are no operating states in which a large-area short circuit can occur. By the type of nonwoven used, which has a particularly suitable combination of thickness and porosity, separators can be produced that can meet the requirements for separators in high-performance batteries, especially lithium high-performance batteries. By the simultaneous use of particle size exactly matched oxide particles for the production of the porous (ceramic) coating, a particularly high porosity of the finished separator is achieved, wherein the pores are still sufficiently small to prevent unwanted growth of "lithium whiskers" through the separator to minimize.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Separators, insbesondere eines Separators vom Typ Separion®, welcher erfindungsgemäß zusätzlich eine Kieselsäure und eine Schwefel-Komponente enthält, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2, kann das Durchwachsen von Dendriten oder Whiskern weiter vorteilhaft minimiert werden, ebenso wie das Durchwandern von Polysulfidanionen.In one embodiment of the separator according to the invention, in particular a separator of the type Separion ® , which according to the invention additionally contains a silica and a sulfur component, at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2, the intergrowth of dendrites or whiskers on be minimized advantageous, as well as the migration of Polysulfidanionen.
Aufgrund der hohen Porosität in Verbindung mit der geringen Dicke des erfindungsgemäßen Separators ist es außerdem möglich, den Separator vollständig oder zumindest nahezu vollständig mit dem Elektrolyten zu tränken, so dass keine oder nur geringe Toträume in einzelnen Bereichen des Separators und damit in bestimmten Wicklungen oder Schichtungen der Batteriezellen entstehen können, in denen kein Elektrolyt vorliegt. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass durch die Einhaltung der Partikelgröße der Oxid-Partikel die erhaltenen Separatoren frei bzw. nahezu frei von geschlossenen Poren sind, in welche der Elektrolyt nicht eindringen kann. Die für die Erfindung eingesetzten erfindungsgemäßen Separatoren haben außerdem den Vorteil, dass sich an den anorganischen Oberflächen des Separatormaterials die Anionen des Leitsalzes teilweise anlagern, was zu einer Verbesserung der Dissoziation und somit zu einer besseren Ionenleitfähigkeit im Hochstrombereich führt. Ein weiterer, nicht unerheblicher Vorteil des Separators liegt in der sehr guten Benetzbarkeit. Aufgrund der hydrophilen keramischen Beschichtung erfolgt die Benetzung mit Elektrolyten sehr rasch, was ebenfalls zu einer verbesserten Leitfähigkeit führt.Due to the high porosity in conjunction with the small thickness of the separator according to the invention, it is also possible to impregnate the separator completely or at least almost completely with the electrolyte, so that no or only small dead spaces in individual areas of the separator and thus in certain windings or laminations the battery cells may arise in which there is no electrolyte. This is achieved in particular by the compliance of the particle size of the oxide particles, the resulting separators are free or virtually free of closed pores, in which the electrolyte can not penetrate. The separators according to the invention used for the invention also have the advantage that partially adhere to the inorganic surfaces of the separator material, the anions of the conducting salt, which leads to an improvement in the dissociation and thus to a better ionic conductivity in the high current range. Another not inconsiderable advantage of the separator is the very good wettability. Due to the hydrophilic ceramic coating, wetting with electrolytes takes place very rapidly, which likewise leads to improved conductivity.
Die erfindungsgemäßen Separatoren, vorzugsweise umfassend ein flexibles Vlies mit einer auf und in diesem Vlies befindlichen porösen anorganischen Beschichtung, wobei das Material des Vlieses ausgewählt ist aus ungewebten, nicht elektrisch leitfähigen Polymerfasern, und weiter aufweisend eine Kieselsäure und eine Schwefel-Komponente, zeichnen sich auch dadurch aus, dass das Vlies eine Dicke von weniger als 30 μm, eine Porosität von mehr als 50%, vorzugsweise von 50 bis 97% und eine Porenradienverteilung aufweist, bei der mindestens 50% der Poren einen Porenradius von 75 bis 150 μm aufweisen.The separators according to the invention, preferably comprising a flexible nonwoven with a porous inorganic coating on and in this nonwoven, the material of the nonwoven being selected from nonwoven, non-electrically conductive polymer fibers, and further comprising a silica and a sulfur component, are also distinguished characterized in that the web has a thickness of less than 30 microns, a porosity of more than 50%, preferably from 50 to 97% and a pore radius distribution, wherein at least 50% of the pores have a pore radius of 75 to 150 microns.
Besonders bevorzugt umfasst ein erfindungsgemäßer Separator ein Vlies, welches eine Dicke von 5 bis 30 μm, vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 20 μm aufweist. Besonders vorteilhaft ist auch eine möglichst homogene Porenradienverteilung im Vlies wie oben angegeben. Eine maximierte homogene Porenradienverteilung im Vlies führt in Verbindung mit optimal abgestimmten Oxid-Partikeln bestimmter Größe zu einer optimierten Porosität des Separators. Die Dicke des Substrates hat einen großen Einfluss auf die Eigenschaften des Separators, da zum einen die Flexibilität aber auch der Flächenwiderstand des mit Elektrolyt getränkten Separators von der Dicke des Substrates abhängig ist. Durch die geringe Dicke wird ein besonders geringer elektrischer Widerstand des Separators in der Anwendung mit einem Elektrolyten erzielt. Der Separator selbst weist einen sehr hohen elektrischen Widerstand auf, da er selbst isolierende Eigenschaften aufweisen soll. Zudem erlauben dünnere Separatoren eine erhöhte Packungsdichte in einem Batteriestapel, so dass man im gleichen Volumen eine größere Energiemenge speichern kann.Particularly preferably, a separator according to the invention comprises a nonwoven which has a thickness of 5 to 30 μm, preferably a thickness of 10 to 20 μm. Also particularly advantageous is a very homogeneous pore radius distribution in the nonwoven as indicated above. A maximized homogeneous distribution of pore radii in the fleece, in combination with optimally matched oxide particles of a certain size, leads to an optimized porosity of the separator. The thickness of the substrate has a great influence on the properties of the separator, since on the one hand the flexibility but also the sheet resistance of the electrolyte-impregnated separator depends on the thickness of the substrate. Due to the small thickness, a particularly low electrical resistance of the separator is achieved in the application with an electrolyte. The separator itself has a very high electrical resistance, since it itself should have insulating properties. In addition, thinner separators allow increased packing density in a battery stack so that you can store in the same volume a larger amount of energy.
Vorzugsweise weist das Vlies eine Porosität von 60 bis 90%, besonders bevorzugt von 70 bis 90% auf. Die Porosität ist dabei definiert als das Volumen des Vlieses (100%) minus dem Volumen der Fasern des Vlieses, also dem Anteil am Volumen des Vlieses, der nicht von Material ausgefüllt wird.Preferably, the web has a porosity of 60 to 90%, more preferably from 70 to 90%. The porosity is defined as the volume of the web (100%) minus the volume of the fibers of the web, ie the proportion of the volume of the web that is not filled by material.
Das Volumen des Vlieses kann dabei aus den Abmessungen des Vlieses berechnet werden. Das Volumen der Fasern ergibt sich aus dem gemessen Gewicht des betrachteten Vlieses und der Dichte der Polymerfasern. Die große Porosität des Substrates ermöglicht auch eine höhere Porosität des Separators, weshalb eine höhere Aufnahme an Elektrolyten mit dem Separator erzielt werden kann. Damit ein Separator mit isolierenden Eigenschaften erhalten werden kann, weist dieser als Polymerfasern für das Vlies vorzugsweise nicht elektrisch leitfähige Fasern von Polymeren auf wie oben definiert, die vorzugsweise ausgewählt sind aus Polyacrylnitril (PAN), Polyester, wie z. B. Polyethylenterephthalat (PET) und/oder Polyolefin (PO), wie z. B. Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE), oder Mischungen solcher Polyolefine.The volume of the fleece can be calculated from the dimensions of the fleece. The volume of the fibers results from the measured weight of the fleece considered and the density of the polymer fibers. The large porosity of the substrate also allows a higher porosity of the separator, which is why a higher uptake of electrolytes with the separator can be achieved. In order to obtain a separator having insulating properties, it has as polymer fibers for the non-woven fabric preferably non-electrically conductive fibers of polymers as defined above, which are preferably selected from polyacrylonitrile (PAN), polyesters such. As polyethylene terephthalate (PET) and / or polyolefin (PO), such as. As polypropylene (PP) or polyethylene (PE), or mixtures of such polyolefins.
Die Polymerfasern der Vliese weisen vorzugsweise einen Durchmesser von 0,1 bis 10 μm, besonders bevorzugt von 1 bis 4 μm auf.The polymer fibers of the nonwovens preferably have a diameter of from 0.1 to 10 .mu.m, more preferably from 1 to 4 .mu.m.
Besonders bevorzugte flexible Vliese weisen ein Flächengewicht von kleiner 20 g/m2, vorzugsweise von 5 bis 10 g/m2 auf.Particularly preferred flexible nonwovens have a basis weight of less than 20 g / m 2 , preferably from 5 to 10 g / m 2 .
Vorzugsweise ist das Vlies flexibel und weist eine Dicke von weniger als 30 μm auf.Preferably, the nonwoven is flexible and has a thickness of less than 30 microns.
In einer Ausführungsform weist ein erfindungsgemäßer Separator eine poröse, elektrisch isolierende, keramische Beschichtung auf, insbesondere auf und im Polymerfilm oder auf oder in den Polymerfasern, vorzugsweise im Vlies aus unverwebten Polymerfasern,.In one embodiment, a separator according to the invention has a porous, electrically insulating, ceramic coating, in particular on and in the polymer film or on or in the polymer fibers, preferably in the nonwoven web of nonwoven polymer fibers.
Vorzugsweise weist die auf und im Film oder den Fasern, vorzugsweise in dem Vlies, befindliche poröse anorganische Beschichtung Oxid-Partikel der Elemente Li, Al, Si und/oder Zr mit einer mittleren Partikelgröße von 0,5 bis 7 μm auf, bevorzugt von 1 bis 5 μm und ganz besonders bevorzugt von 1,5 bis 3 μm.The porous inorganic coating on and in the film or the fibers, preferably in the nonwoven, preferably has oxide particles of the elements Li, Al, Si and / or Zr with an average particle size of 0.5 to 7 μm, preferably of 1 to 5 microns and most preferably from 1.5 to 3 microns.
Besonders bevorzugt weist ein erfindungsgemäßer Separator auf und im Film oder den Fasern, vorzugsweise eine auf und in dem Vlies, befindliche poröse anorganische Beschichtung auf, die Aluminiumoxid-Partikel aufweist. Vorzugsweise haben diese eine mittlere Partikelgröße von 0,5 bis 7 μm, bevorzugt von 1 bis 5 μm und ganz besonders bevorzugt von 1,5 bis 3 μm. In einer Ausführungsform sind die Aluminiumoxid-Partikel mit einem Oxid der Elemente Zr oder Si verklebt.Particularly preferably, a separator according to the invention has on and in the film or fibers, preferably a porous inorganic coating on and in the nonwoven, which has aluminum oxide particles. Preferably, these have an average particle size of 0.5 to 7 microns, preferably from 1 to 5 microns and most preferably from 1.5 to 3 microns. In one embodiment, the alumina particles are bonded to an oxide of elements Zr or Si.
Um eine möglichst hohe Porosität zu erzielen, liegen bevorzugt mehr als 50 Gew.-% und besonders bevorzugt mehr als 80 Gew.-% aller Partikel in den oben genannten Grenzen der mittleren Partikelgröße. Wie bereits oben beschrieben beträgt die maximale Partikelgröße vorzugsweise 1/3 bis 1/5 und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1/10 der Dicke des eingesetzten Vlieses.In order to achieve the highest possible porosity, preferably more than 50% by weight and more preferably more than 80% by weight of all particles are within the abovementioned limits of average particle size. As already described above, the maximum particle size is preferably 1/3 to 1/5 and particularly preferably less than or equal to 1/10 of the thickness of the nonwoven used.
Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäßer Separator eine Porosität von 30 bis 80%, bevorzugt von 40 bis 75% und besonders bevorzugt von 45 bis 70% auf. Die Porosität bezieht sich dabei auf die erreichbaren, also offenen Poren. Die Porosität kann dabei mittels der bekannten Methode der Quecksilber-Porosimetrie bestimmt werden oder kann aus dem Volumen und der Dichte der verwendeten Einsatzstoffe errechnet werden, wenn davon ausgegangen wird, dass nur offene Poren vorliegen. Die für die erfindungsgemäße Batterie verwendeten Separatoren zeichnen sich auch dadurch aus, dass sie eine Reißfestigkeit von mindestens 1 N/cm, vorzugsweise von mindestens 3 N/cm und ganz besonders bevorzugt von 3 bis 10 N/cm aufweisen können. Die Separatoren lassen sich vorzugsweise ohne Beschädigung bis auf jeden Radius bis herab zu 100 mm, vorzugsweise bis herab zu 50 mm und ganz besonders bevorzugt bis zu einem Radius herab zu 1 mm biegen.Preferably, a separator according to the invention has a porosity of from 30 to 80%, preferably from 40 to 75% and particularly preferably from 45 to 70%. The porosity refers to the achievable, ie open pores. The porosity can be determined by the known method of mercury porosimetry or can be calculated from the volume and density of the starting materials used, if it is assumed that only open pores are present. The separators used for the battery according to the invention are also distinguished by the fact that they can have a tensile strength of at least 1 N / cm, preferably of at least 3 N / cm and very particularly preferably of 3 to 10 N / cm. The separators can preferably be bent without damage to any radius down to 100 mm, preferably down to 50 mm, and most preferably up to a radius down to 1 mm.
Die hohe Reißfestigkeit und die gute Biegbarkeit eines erfindungsgemäßen Separators, haben den Vorteil, dass beim Laden und Entladen einer Batterie auftretende Veränderungen der Geometrien der Elektroden durch den Separator toleriert werden können, ohne dass dieser beschädigt wird. Die Biegbarkeit hat zudem den Vorteil, dass mit diesem Separator kommerziell standardisierte Wickelzellen produziert werden können. Bei diesen Zellen werden die Elektroden/Separator-Lagen in standardisierter Größe miteinander spiralförmig aufgewickelt und kontaktiert.The high tear strength and the good bendability of a separator according to the invention have the advantage that changes occurring in the charging and discharging of a battery of the geometries of the electrodes can be tolerated by the separator, without this being damaged. The flexibility also has the advantage that commercially standardized winding cells can be produced with this separator. In these cells, the electrode / separator layers are spirally wound together in a standardized size and contacted.
In einer Ausführungsform ist es möglich, einen erfindungsgemäßen Separator so zu gestalten, dass er die Form eines konkaven oder konvexen Schwamms oder Kissens oder die Form von Drähten oder eines Filzes aufweist. Diese Ausführungsform ist gut geeignet, Volumenveränderungen in der Batterie auszugleichen. Entsprechende Herstellverfahren sind dem Fachmann bekannt.In one embodiment, it is possible to design a separator according to the invention so that it has the shape of a concave or convex sponge or pad or the shape of wires or a felt. This embodiment is well suited to compensate for volume changes in the battery. Corresponding preparation methods are known to the person skilled in the art.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das in einem erfindungsgemäßen Separator verwendete Polymervlies ein weiteres Polymer. Vorzugsweise ist dieses Polymer zwischen dem Separator und der negativen Elektrode und/oder dem Separator und der positiven Elektrode angeordnet, vorzugsweise in Form einer Polymerschicht.In a further embodiment, the polymer fleece used in a separator according to the invention comprises a further polymer. Preferably, this polymer is between the separator and the negative electrode and / or the separator and the positive electrode, preferably in the form of a polymer layer.
In einer Ausführungsform ist der Separator mit diesem Polymer einseitig oder beidseitig beschichtet.In one embodiment, the separator is coated with this polymer on one or both sides.
Besagtes Polymer kann in Form einer porösen Membran, d. h. als Folie, oder in Form eines Vlieses vorliegen, vorzugsweise in Form eines Vlieses aus nicht verwebten Polymerfasern.Said polymer may be in the form of a porous membrane, i. H. as a film, or in the form of a nonwoven, preferably in the form of a nonwoven fabric of non-woven polymer fibers.
Diese Polymeren werden vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyester, Polyolefin, Polyacrylnitril, Polycarbonat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyvinylidenfluorid, Polystyrol, Polyetherimid.These polymers are preferably selected from the group consisting of polyester, polyolefin, polyacrylonitrile, polycarbonate, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, polystyrene, polyetherimide.
Vorzugsweise ist das weitere Polymer ein Polyolefin. Bevorzugte Polyolefine sind Polyethylen und Polypropylen.Preferably, the further polymer is a polyolefin. Preferred polyolefins are polyethylene and polypropylene.
Vorzugsweise ist der Separator mit einer oder mehreren Schichten des weiteren Polymers, vorzugsweise des Polyolefins, das vorzugsweise gleichfalls als Vlies, also als nicht verwebte Polymerfasern vorliegt, beschichtet.The separator is preferably coated with one or more layers of the further polymer, preferably of the polyolefin, which is preferably also present as a nonwoven, that is to say as nonwoven polymer fibers.
Vorzugsweise wird im Separator ein Vlies aus Polyethylenterephthalat verwendet, das mit einer oder mehreren Schichten des weiteren Polymers, vorzugsweise des Polyolefins, das vorzugsweise gleichfalls als Vlies, also als nicht verwebte Polymerfasern vorliegt, beschichtet ist.Preferably, a non-woven of polyethylene terephthalate is used in the separator, which is coated with one or more layers of the further polymer, preferably of the polyolefin, which is preferably also present as non-woven, so as non-woven polymer fibers.
Besonders bevorzugt ist ein Separator des oben beschriebenen Separion-Typs, wobei dieser mit einer oder mehreren Schichten des weiteren Polymers, vorzugsweise des Polyolefins, das vorzugsweise gleichfalls als Vlies, also als nicht verwebte Polymerfasern vorliegt, beschichtet ist.Particularly preferred is a separator of the above-described type of separation, which is coated with one or more layers of the other polymer, preferably the polyolefin, which is preferably also present as a nonwoven, so as non-woven polymer fibers.
Die Beschichtung mit dem weiteren Polymeren, vorzugsweise mit dem Polyolefin, kann durch Verklebung, Laminierung, durch eine chemische Reaktion, durch Verschweißung oder durch eine mechanische Verbindung erzielt werden. Derartige Polymerverbunde sowie Verfahren zu ihrer Herstellung sind aus der
Vorzugsweise sind die Faserdurchmesser des Polyethylenterephthalatvlieses größer als die Faserdurchmesser des weiteren Polymervlieses, vorzugsweise des Polyolefinvlieses, mit dem der Separator einseitig oder beidseitig beschichtet ist.The fiber diameters of the polyethylene terephthalate fleece are preferably larger than the fiber diameters of the further polymer fleece, preferably the polyolefin fleece, with which the separator is coated on one or both sides.
Vorzugsweise weist das aus Polyethylenterephthalat gefertigte Vlies dann einen höheren Porendurchmesser auf als das Vlies, das aus dem weiteren Polymeren gefertigt ist.Preferably, the nonwoven made of polyethylene terephthalate then has a higher pore diameter than the nonwoven, which is made of the other polymer.
Vorzugsweise werden die im Separator einsetzbaren Vliese aus Nanofasern der verwendeten Polymeren gefertigt, wodurch Vliese gebildet werden, die eine hohe Porosität unter Ausbildung geringer Porendurchmesser aufweisen. Damit kann die Gefahr von Kurzschlussreaktionen weiter vermindert werden.Preferably, the nonwovens usable in the separator are made of nanofibers of the polymers used, whereby nonwovens are formed which have a high porosity with formation of small pore diameters. This can further reduce the risk of short-circuit reactions.
Die Verwendung eines Polyolefins zusätzlich zum Polyethylenterephthalat gewährleistet eine erhöhte Sicherheit der elektrochemischen Zelle, da bei unerwünschter oder zu starker Erwärmung der Zelle sich die Poren des Polyolefins zusammenziehen und der Ladungstransport durch den Separator hindurch reduziert bzw. beendet wird. Sollte sich die Temperatur der elektrochemischen Zelle soweit erhöhen, dass das Polyolefin zu schmelzen beginnt, wirkt das Polyethylenterephthalat dem Zusammenschmelzen des Separators und damit einer unkontrollierten Zerstörung der elektrochemischen Zelle wirksam entgegen.The use of a polyolefin in addition to the polyethylene terephthalate ensures increased safety of the electrochemical cell, since in unwanted or excessive heating of the cell, the pores of the polyolefin contract and the charge transport through the separator is reduced or terminated. Should the temperature of the electrochemical cell increase to such an extent that the polyolefin begins to melt, the polyethylene terephthalate effectively counteracts the melting together of the separator and thus an uncontrolled destruction of the electrochemical cell.
In einer Ausführungsform besteht ein erfindungsgemäßer Separator bevorzugt aus einem im Wesentlichen stoffdurchlässigen Träger oder weist diesen auf, wobei der Träger auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als im Wesentlicher stoffdurchlässiger Träger vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polymer ausgewählt aus Polyethylenterephthalat aufweist, wobei das organische Material mit einem anorganischen ionenleitenden Material beschichtet ist, oder von diesem durchdrungen wird, welches vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist, wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zr, Al, Li ist, und wobei das anorganische Material bevorzugt Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm aufweist, wobei der Separator zumindest eine Kieselsäure und zumindest eine Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2, aufweist.In one embodiment, a separator according to the invention preferably consists of or comprises a substantially material-permeable carrier, wherein the carrier is coated on at least one side with an inorganic material, wherein as an essentially permeable carrier preferably an organic material is used, which preferably is not woven web is configured, wherein the organic material is preferably a polymer and particularly preferably a polymer selected from polyethylene terephthalate, wherein the organic material is coated with an inorganic ion-conductive material, or is penetrated by this, which preferably in a temperature range of -40 ° C. is conductive to 200 ° C ion, wherein the inorganic, ion-conducting material is preferably at least one compound selected from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates at least one of the elements Zr, Al, Li, and wherein the inorganic material preferably has particles with a largest diameter below 100 nm, wherein the separator comprises at least one silica and at least one sulfur component, at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2.
In einer Ausführungsform des Separators befinden sich die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente
- (α1) im Polymerfilm; und/oder
- (α2) auf dem Polymerfilm; oder
- (β1) in den Polymerfasern; und/oder
- (β2) auf den Polymerfasern; oder
- (γ1) im ionenleitenden anorganischen Material; und/oder
- (γ2) auf dem ionenleitenden anorganischen Material.
- (α1) in the polymer film; and or
- (α2) on the polymer film; or
- (β1) in the polymer fibers; and or
- (β2) on the polymer fibers; or
- (γ1) in the ion-conducting inorganic material; and or
- (γ2) on the ion-conducting inorganic material.
In einer Ausführungsform ist es ausgeschlossen, dass der erfindungsgemäße Separator eine Kohlenstoff-Komponente aufweist. Der Begriff „Kohlenstoff” oder „Kohlenstoff-Komponente” wie hierin verwendet umfasst alle bekannten Kohlenstoffmodifikationen und Kohlenstoffformen des elementaren Kohlenstoffs, vorzugsweise Graphit, amorpher Kohlenstoff, Glaskohlenstoff, Graphen, Aktivkohle, Ruß, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoschaum, Fullerene, oder Mischungen von zwei oder mehr davon.In one embodiment, it is precluded that the separator according to the invention comprises a carbon component. The term "carbon" or "carbon component" as used herein includes all known carbon modifications and carbon forms of elemental carbon, preferably graphite, amorphous carbon, glassy carbon, graphene, activated carbon, carbon black, carbon nanotubes, carbon nanofoam, fullerenes, or mixtures of two or more from that.
Zweiter Aspekt der Erfindung – Batterie aufweisend den Separator wie im ersten Aspekt definiertSecond Aspect of the Invention - Battery having the separator as defined in the first aspect
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Lithium-Ionen-Batterie, welche den erfindungsgemäßen Separator aufweist.According to a second aspect, the invention relates to a lithium-ion battery which has the separator according to the invention.
Die Lithium-ionen-Batterie weist mindestens auf:
- (a) eine positive Elektrode;
- (b) eine negative Elektrode;
- (c) einen erfindungsgemäßen Separator wie im ersten Aspekt definiert;
- (d) einen nicht-wässerigen Elektrolyt.
- (a) a positive electrode;
- (b) a negative electrode;
- (c) a separator according to the invention as defined in the first aspect;
- (d) a nonaqueous electrolyte.
Die Begriffe ”Lithium-Ionen-Batterie” und ”Lithium-Ionen-Sekundärbatterie” werden synonym verwendet. Die Begriffe schließen auch die Begriffe ”Lithium-Batterie”, ”Lithium-Ionen-Akkumulator” und ”Lithium-Ionen-Zelle” ein. Ein Lithium-Ionen-Akkumulator besteht im Allgemeinen aus einer Serien- bzw. Reihenschaltung einzelner Lithium-Ionen-Zellen. Der Begriff ”Lithium-Schwefe/-Batterie” schließt Begriffe wie ”Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie”; ”Lithiumsulfid-Batterie” ”Lithium-Schwefel-Akkumulator” ”Lithium-Schwefel-Zelle” und dergleichen ein. Dies bedeutet, dass der Begriff ”Lithium-Ionen-Batterie” als Sammelbegriff für die im Stand der Technik gebräuchlichen vorgenannten Begriffe verwendet wird.The terms "lithium-ion battery" and "lithium-ion secondary battery" are used synonymously. The terms also include the terms "lithium battery", "lithium ion secondary battery" and "lithium ion cell". A lithium-ion battery generally consists of a serial or series connection of individual lithium-ion cells. The term "lithium-sulfur / -battery" includes terms such as "lithium-sulfur secondary battery"; "Lithium Sulfide Battery" "Lithium Sulfur Accumulator" "Lithium Sulfur Cell" and the like. This means that the term "lithium-ion battery" is used as a generic term for the terms mentioned in the prior art.
Elektrodenelectrodes
Der Begriff ”positive Elektrode” bedeutet die Elektrode, die bei Anschluss der Batterie an einen Verbraucher, beispielsweise an einen Elektromotor, in der Lage ist, Elektronen aufzunehmen. Sie stellt also die Kathode dar.The term "positive electrode" means the electrode that is capable of accepting electrons when the battery is connected to a consumer, such as an electric motor. So it represents the cathode.
Der Begriff ”negative Elektrode” bedeutet die Elektrode, die bei Betrieb in der Lage ist, Elektronen abzugeben. Diese Elektrode stellt also die Anode dar.The term "negative electrode" means the electrode that is capable of delivering electrons when in use. This electrode thus represents the anode.
In einer Ausführungsform wird für die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batterie ein Kathodenmaterial verwendet, das ein Lithium-Übergangsmetall-Oxid aufweist.In one embodiment, a cathode material comprising a lithium transition metal oxide is used for the lithium-ion battery according to the invention.
In einer Ausführungsform der elektrochemischen Zelle der vorliegenden Erfindung enthält die positive Elektrode ein Lithium-Mischoxid.In one embodiment of the electrochemical cell of the present invention, the positive electrode contains a lithium mixed oxide.
Vorzugsweise enthält das Mischoxid ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Nickel, Mangan und Kobalt.Preferably, the mixed oxide contains one or more elements selected from nickel, manganese and cobalt.
Derartiges Elektrodenmaterial ist aus dem Stand der Technik bekannt. Diese für die positive Elektrode verwendeten Oxide sind kommerziell erhältlich oder können nach bekannten Verfahren hergestellt werden.Such electrode material is known in the art. These oxides used for the positive electrode are commercially available or can be prepared by known methods.
In einer Ausführungsform weist die positive Elektrode Lithium-Eisenphosphat auf. Das Phosphat kann auch zusätzlich Mn, Co oder Ni, oder Kombinationen hiervon enthalten.In one embodiment, the positive electrode comprises lithium iron phosphate. The phosphate may additionally contain Mn, Co or Ni, or combinations thereof.
In einer weiteren Ausführungsform weist die positive Elektrode ein Lithium-Übergangsmetallphosphat wie Lithiummanganphosphat, Lithiumkobaltphosphat oder Lithiumnickelphosphat auf.In a further embodiment, the positive electrode comprises a lithium transition metal phosphate such as lithium manganese phosphate, lithium cobalt phosphate or lithium nickel phosphate.
Die positive Elektrode kann auch Mischungen aus zwei oder mehreren der genannten Substanzen enthalten.The positive electrode may also contain mixtures of two or more of said substances.
Die positive Elektrode enthält die Lithiumverbindung vorzugsweise in Form von Nanopartikeln.The positive electrode preferably contains the lithium compound in the form of nanoparticles.
Die Nanopartikel können eine beliebige Form annehmen, das heißt, sie können grob-sphärisch oder langgestreckt sein.The nanoparticles can take any shape, that is, they can be coarse-spherical or elongated.
In einer Ausführungsform weist die Lithiumverbindung eine Partikelgröße gemessen als D90-Wert von kleiner als 15 μm auf. Vorzugsweise ist die Partikelgrolle kleiner als 10 μm.In one embodiment, the lithium compound has a particle size measured as D90 value of less than 15 microns. Preferably, the particle size is less than 10 microns.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Lithiumverbindung eine Partikelgröße gemessen als D90-Wert zwischen 0,005 μm bis 10 μm auf. In einer weiteren Ausführungsform weist die Lithiumverbindung eine Partikelgröße gemessen als D90-Wert von kleiner 10 μm auf, wobei der D50-Wert 4 μm ± 2 μm beträgt und der D10-Wert kleiner als 1,5 μm ist.In a further embodiment, the lithium compound has a particle size measured as D90 value between 0.005 μm to 10 μm. In a further embodiment, the lithium compound has a particle size measured as a D90 value of less than 10 μm, the D50 value being 4 μm ± 2 μm and the D10 value being less than 1.5 μm.
Die angegebenen Werte werden durch Messung unter Verwendung der statischen Laserlichtstreuung (Laserbeugung, Laser-Diffraktometrie) bestimmt, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.The values given are determined by measurement using static laser light scattering (laser diffraction, laser diffractometry) as known in the art.
Ferner ist es auch möglich, dass die Lithiumverbindung zur Erhöhung der Leitfähigkeit Kohlenstoff enthält. Derartige Verbindungen können nach bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch Beschichten mit Kohlenstoffverbindungen wie Acrylsäure oder Ethylenglykol. Anschließend wird pyrolisiert, beispielsweise bei einer Temperatur von 2500°C. Further, it is also possible that the lithium compound contains carbon to increase the conductivity. Such compounds can be prepared by known methods, for example by coating with carbon compounds such as acrylic acid or ethylene glycol. It is then pyrolyzed, for example at a temperature of 2500 ° C.
Die negative Elektrode kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, die für die Verwendung in einer Lithium-Ionen-Batterie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Grundsätzlich können alle Materialien verwendet werden, die in der Lage sind, mit Lithium Interkalationsverbindungen zu bilden.The negative electrode may be fabricated from a variety of materials known for use in a prior art lithium-ion battery. In principle, all materials that are capable of forming lithium intercalation compounds can be used.
Vorzugsweise kann die negative Elektrode Lithium-Metall oder Lithium in Form einer Legierung enthalten, entweder in Form einer Folie, eines Gitters oder in Form von Partikeln, die durch ein geeignetes Bindemittel zusammengehalten werden.Preferably, the negative electrode may contain lithium metal or lithium in the form of an alloy, either in the form of a foil, a grid, or in the form of particles held together by a suitable binder.
Die Verwendung von Lithium-Metall-Oxiden wie Lithium-Titan-Oxid ist gleichfalls möglich.The use of lithium metal oxides such as lithium titanium oxide is also possible.
Geeignete Materialien für die negative Elektrode umfassen auch Graphit, synthetischer Graphit, Ruß, Mesokohlenstoff, dotiertern Kohlenstoff, Fullerene. Niobpentoxid, Zinnlegierungen, Titandioxid, Zinndioxid, Silizium sind gleichfalls einsetzbar.Suitable materials for the negative electrode also include graphite, synthetic graphite, carbon black, mesocarbon, doped carbon, fullerenes. Niobium pentoxide, tin alloys, titanium dioxide, tin dioxide, silicon are also usable.
Die für die positive wie auch für die negative Elektrode verwendeten Materialien werden vorzugsweise durch ein Bindemittel, das diese Materialien auf der Elektrode hält, zusammengehalten. Beispielsweise können polymere Bindemittel verwendet werden. Als Bindemittel können beispielsweise Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyacrylat, Ethylen-(Propylen-Dien)-Copolymer (EPDM) und Mischungen und Copolymere davon verwendet werden.The materials used for the positive as well as for the negative electrode are preferably held together by a binder holding these materials on the electrode. For example, polymeric binders can be used. As the binder, for example, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylate, ethylene (propylene-diene) copolymer (EPDM), and mixtures and copolymers thereof can be used.
Insbesondere bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Kieselsäure vorzugsweise in Form eines Xerogels oder in Form von Xerogelen, kann dieses einen günstigen Einfluss auf die Anode bewirken, insbesondere auf die Erhaltung der Solid Electrolyte Interface-Schicht (SEI-Schicht). Bekanntlich verhindert diese Schicht das Eindringen von Elektrolytbestandteilen in die Anode und die Reaktion dieser Bestandteile mit Lithium. Beim Verletzen dieser Schicht kann es als Folge zum unkontrollierten Zünden des Anodenmaterials kommen, insbesondere dann, wenn dieses Kohlenstoff aufweist. Durch die Unterdrückung oder Minimierung der Ausbildung von Dendriten auf der Anode wird auch eine entsprechende Beschädigung der SEI-Schicht unterdrückt oder minimiert, was für die Sicherheit und Langlebigkeit der erfindungsgemäßen Batterie außerordentlich günstig ist.Particularly in the case of the inventive use of silica, preferably in the form of a xerogel or in the form of xerogels, this can have a favorable effect on the anode, in particular on the maintenance of the solid electrolyte interface layer (SEI layer). As is known, this layer prevents the penetration of electrolyte components into the anode and the reaction of these components with lithium. When this layer is damaged, uncontrolled ignition of the anode material can occur as a consequence, in particular if it has carbon. By suppressing or minimizing the formation of dendrites on the anode and a corresponding damage to the SEI layer is suppressed or minimized, which is extremely favorable for the safety and longevity of the battery according to the invention.
Im Falle einer Lithium-Schwefel-Batterie weist die Elektrode (b) metallisches Lithium auf. Bei Entladung der Batterie ist (b) die negative Elektrode (Anode) und die andere Elektrode (a) die positive Elektrode (Kathode). Die elektrochemische Reaktion kann wie folgt beschrieben werden:In the case of a lithium-sulfur battery, the electrode (b) comprises metallic lithium. When discharging the battery, (b) the negative electrode (anode) and the other electrode (a) are the positive electrode (cathode). The electrochemical reaction can be described as follows:
-
(a)
Kathode: S8 + 2Li+ + e– → Li2S8; Li2S8 → Li2Sn + (8 – n)S); Cathode: S 8 + 2Li + + e - → Li 2 S 8 ; Li 2 S 8 → Li 2 S n + (8 - n) S); -
(b)
Anode: Li → Li+ + e–. Anode: Li → Li + + e - .
Vorzugsweise weist die positive Elektrode eine Matrix aus Kohlenstoff auf, in die der Schwefel und/oder das Lithiumsulfid eingebettet sind.Preferably, the positive electrode has a matrix of carbon in which the sulfur and / or the lithium sulfide are embedded.
In einer weiteren Ausführungsform weist die negative Elektrode eine Lithiumlegierung auf. Geeignete Lithiumlegierungen sind vorzugsweise Legierungen von Lithium mit Aluminium und Zinn, beispielsweise LiAl und Li22Sn5.In a further embodiment, the negative electrode comprises a lithium alloy. Suitable lithium alloys are preferably alloys of lithium with aluminum and tin, for example LiAl and Li 22 Sn 5 .
Die Lithiumlegierung liegt vorzugsweise eingebettet in einer Matrix aus Kohlenstoff vor. Vorzugsweise umfasst in dieser Ausführungsform auch die positive Elektrode eine Matrix aus Kohlenstoff.The lithium alloy is preferably embedded in a matrix of carbon. Preferably, in this embodiment, the positive electrode also comprises a matrix of carbon.
In einer Ausführungsform weist die negative Elektrode eine Legierung aus Lithium und Zinn zusammen mit Kohlenstoff auf. Die elektrochemische Reaktion bei Entladung kann wie folgt beschrieben werden:In one embodiment, the negative electrode comprises an alloy of lithium and tin together with carbon. The discharge electrochemical reaction can be described as follows:
-
(a)
Kathode: 11S + C + 22Li+ + 22e– → 11Li2S/C; Cathode: 11S + C + 22Li + + 22 e- → 11Li 2 S / C; -
(b)
Anode: Li22Sn5 + C → 22Li+ + 5Sn/C + 22e–. Anode: Li 22 Sn 5 + C → 22Li + + 5Sn / C + 22 e- .
Es ist bekannt, dass Elektroden aufweisend metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung die Eigenschaft haben können, sich beim Ladevorgang auszudehnen und beim Entladevorgang zusammenzuziehen. Dies kann zu Leistungsverlust der Batterie führen. Durch Verwendung einer Lithiumlegierung in einer Matrix aus Kohlenstoff ist es möglich, Volumenänderungen der Batterie vorteilhaft auszugleichen.It is known that electrodes comprising metallic lithium or a lithium alloy can have the property of expanding during the charging process and contracting during the discharging process. This can lead to power loss of the battery. By using a lithium alloy in a matrix of carbon, it is possible to compensate for volume changes of the battery advantageous.
In einer weiteren Ausführungsform weist die negative Elektrode Siliziumdrähte, deren Abmessungen im Nanobereich liegen. Durch den Einsatz von Silizium als Nanodraht kann ebenfalls der unerwünschten Volumenänderung der Anode beim Laden bzw. Entladen entgegengewirkt werden. Negative Elektroden mit Siliziumnanodrähten sind auch aus Lithiumionen-Akkus bekannt.In a further embodiment, the negative electrode comprises silicon wires whose dimensions are in the nanoscale. Through the use of silicon as a nanowire can also the unwanted volume change of the anode during Charging or unloading counteracted. Silicon nanowire negative electrodes are also known from lithium ion batteries.
In einer weiteren Ausführungsform ersetzt das Silizium (in Form von Nanodrähten) den Kohlenstoff in der Anode.In another embodiment, the silicon (in the form of nanowires) replaces the carbon in the anode.
Nicht-wässriger ElektrolytNon-aqueous electrolyte
Geeignete Elektrolyte für die erfindungsgemäße Batterie sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Elektrolyte umfassen vorzugsweise eine Flüssigkeit und ein Leitsalz. Vorzugsweise ist die Flüssigkeit ein Lösungsmittel für das Leitsalz. Vorzugsweise liegt der Elektrolyt als Elektrolytlösung vor.Suitable electrolytes for the battery according to the invention are known from the prior art. The electrolytes preferably comprise a liquid and a conducting salt. Preferably, the liquid is a solvent for the conducting salt. Preferably, the electrolyte is present as an electrolyte solution.
Geeignete Lösungsmittel sind vorzugsweise inert. Geeignete Lösungsmittel umfassen beispielsweise Lösungsmittel wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Methylpropylcarbonat, Butylmethylcarbonat, Ethylpropylcarbonat, Dipropylcarbonat, Cyclopentanone, Sulfolane, Dimethylsufoxid, 3-Methyl-1,3-oxazolidine-2-on, γ-Butyrolacton, 1,2-Diethoxymethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan, Methylacetat, Ethylacetat, Nitromethan, 1,3-Propansulton.Suitable solvents are preferably inert. Suitable solvents include, for example, solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, butyl methyl carbonate, ethyl propyl carbonate, dipropyl carbonate, cyclopentanones, sulfolanes, dimethylsulfoxide, 3-methyl-1,3-oxazolidine-2-one, γ-butyrolactone, 1,2-diethoxymethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, methyl acetate, ethyl acetate, nitromethane, 1,3-propanesultone.
In einer Ausführungsform können auch ionische Flüssigkeiten verwendet werden.In one embodiment, ionic liquids may also be used.
Ionische Flüssigkeiten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie enthalten ausschließlich Ionen. Beispiele für verwendbare Kationen, die insbesondere alkyliert sein können, sind Imidazolium-, Pyridinium-, Pyrrolidinium-, Guanidinium-, Uronium-, Thiuronium-, Piperidinium-, Morpholinium-, Sulfonium-, Ammonium- und Phosphonium-Kationen. Beispiele für verwendbare Anionen sind Halogenid, Tetrafluoroborat-, Trifluoracetat-, Triflat-, Hexafluorophosphat-, Phosphinat- und Tosylat-Anionen.Ionic liquids are known in the art. They contain only ions. Examples of useful cations which may in particular be alkylated are imidazolium, pyridinium, pyrrolidinium, guanidinium, uronium, thiuronium, piperidinium, morpholinium, sulfonium, ammonium and phosphonium cations. Examples of useful anions are halide, tetrafluoroborate, trifluoroacetate, triflate, hexafluorophosphate, phosphinate and tosylate anions.
Als beispielhafte ionische Flüssigkeiten seien genannt: N-Methyl-N-propyl-piperidinium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid, N-Methyl-N-butyl-pyrrolidinium-bis(trifluormethyl-sulfonyl)imid, N-Butyl-N-trimethyl-ammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid, Triethylsulfonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid, N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)-ammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)-imid. Es können zwei oder mehrere der oben genannten Flüssigkeiten verwendet werden.Examples of ionic liquids which may be mentioned are: N-methyl-N-propyl-piperidinium-bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, N-methyl-N-butyl-pyrrolidinium-bis (trifluoromethyl-sulfonyl) -amide, N-butyl-N-trimethyl-ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, triethylsulfonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) -ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) -imide. Two or more of the above liquids can be used.
Bevorzugte Leitsalze sind Lithium-Salze, welche inerte Anionen aufweisen und welche sind nicht-toxisch sind. Geeignete Lithium-Salze sind beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat, Lithiumhexafluoroarsenat, Lithium-bis(trifluoromethylsulfonylimid), Lithiumtrifluoromethansulfonat, Lithium-tris(trifluoromethylsulfonyl)-methid, Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumperchlorat, Lithiumtetrachloraluminat, Lithiumchlorid, Lithiumbisoxalatoborat, Lithiumdifluoroxalatoborat, und Mischungen aus zwei oder mehr davon.Preferred conductive salts are lithium salts which have inert anions and which are non-toxic. Suitable lithium salts are, for example, lithium hexafluorophosphate, lithium hexafluoroarsenate, lithium bis (trifluoromethylsulfonyl imide), lithium trifluoromethanesulfonate, lithium tris (trifluoromethylsulfonyl) methide, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium tetrachloroaluminate, lithium chloride, lithium bisoxalatoborate, lithium difluorooxalato borate, and mixtures of two or more thereof.
Die Verwendung von Gelelektrolyten ist gleichfalls möglich.The use of gel electrolytes is also possible.
Im Falle einer Lithium-Schwefel-Batterie werden dem Elektrolyten vorzugsweise Polysulfidanionen zugesetzt, beispielsweise in Form von Li2S3, Li2S4, Li2S6, Li2S8. In einer Ausführungsform ist die Menge an zugesetztem Polysulfid derart, dass der Elektrolyt mit Polysulfid gesättigt ist. Damit kann dem Schwund der negativen Elektrode an Schwefel entgegengewirkt werden. Der Zusatz an Polysulfid erfolgt vorzugsweise vor Inbetriebnahme der Batterie.In the case of a lithium-sulfur battery, it is preferable to add polysulfide anions to the electrolyte, for example in the form of Li 2 S 3 , Li 2 S 4 , Li 2 S 6 , Li 2 S 8 . In one embodiment, the amount of polysulfide added is such that the electrolyte is saturated with polysulfide. Thus, the fading of the negative electrode to sulfur can be counteracted. The addition of polysulfide is preferably carried out before the battery is started up.
Der Elektrolyt kann weitere Hilfsstoffe umfassen, die in Elektrolyten für Lithiumionen-Batterien üblicherweise Anwendung finden. Beispielsweise sind dies Radikalfänger wie Biphenyl, flammhemmende Zusätze wie organische Phosphorsäureester oder Hexamethylphosphoramid, oder Säurefänger wie Amine. Additive wie Vinylencarbonat, die die Bildung der „solid electrolyte interface”-Schicht (SEI) auf den Elektroden, vorzugsweise Kohlenstoff-haltigen Elektroden, beeinflussen können, sind ebenfalls einsetzbar.The electrolyte may include other adjuvants commonly used in electrolytes for lithium ion batteries. For example, these are free-radical scavengers such as biphenyl, flame retardant additives such as organic phosphoric acid esters or hexamethylphosphoramide, or acid scavengers such as amines. Additives such as vinylene carbonate, which can influence the formation of the "solid electrolyte interface" layer (SEI) on the electrodes, preferably carbon-containing electrodes, can also be used.
Separator – und BatterieherstellungSeparator and battery production
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Separators kann analog zu bekannten Verfahren erfolgen.The preparation of the separator according to the invention can be carried out analogously to known methods.
Es können alle Verfahren verwendet werden, mit denen es möglich ist, eine Kieselsäure und eine Schwefel-Komponente zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2 in ein Material einzuarbeiten und/oder auf ein Material aufzubringen, das als Separator in einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet werden kann.It is possible to use all processes with which it is possible to incorporate a silica and a sulfur component at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2 into a material and / or apply to a material which acts as a separator in a lithium-ion battery can be used.
Kieselsäure, und Schwefel-Komponente zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2 werden vorzugsweise in Pulverform verwendet.Silica and sulfur component at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2 are preferably used in powder form.
In einer Ausführungsform werden die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente in Form einer Mischung eingesetzt.In one embodiment, the at least one silica and the at least one sulfur component are used in the form of a mixture.
In einer Ausführungsform ist es bevorzugt, die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2, mit einem Material, das als Separator eingesetzt werden soll, zu vermischen und das Gemisch zu einem Separator zu verarbeiten, welcher nun die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2, enthält.In one embodiment, it is preferred to mix the at least one silica and the at least one sulfur component, at least in part, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2, with a material to be used as a separator and the mixture to process a separator, which now contains the at least one silica and the at least one sulfur component, at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2.
In einer Ausführungsform ist es bevorzugt, die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2 mit einem Polymeren zu vermischen und das Gemisch zu einem Polymerfilm oder zu einer Polymerfaser zu extrudieren, wobei der Polymerfilm oder die Polymerfaser die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2 enthalten.In one embodiment, it is preferred to mix the at least one silica and the at least one sulfur component, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2 with a polymer and to extrude the mixture into a polymer film or polymer fiber, wherein the Polymer film or the polymer fiber containing at least one silica and the at least one sulfur component at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2.
In einer weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt, die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2, in Pastenform, vorzugsweise enthaltend geeignete Bindemittel, auf einen Polymerfilm oder eine Polymerfaser aufzubringen, so dass die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2, als Beschichtung auf dem Polymerfilm oder der Polymerfaser vorliegen.In a further embodiment it is preferred to apply the at least one silica and the at least one sulfur component at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2, in paste form, preferably containing suitable binders, to a polymer film or polymer fiber. such that the at least one silicic acid and the at least one sulfur component, at least in part, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2, are present as a coating on the polymer film or the polymer fiber.
In einer weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt, die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2, mit einem keramischen Material zu vermischen, und dieses Gemisch in Pastenform, welches vorzugsweise geeignete Bindemittel enthält, auf einen Polymerfilm oder auf eine Polymerfaser aufzubringen, wobei die entstandene keramische Beschichtung die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2 enthält. Vorzugsweise ist das keramische (anorganische) Material ionenleitend, vorzugsweise ionenleitend für Lithium-Ionen.In a further embodiment it is preferred to mix the at least one silica and the at least one sulfur component, at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2, with a ceramic material, and this mixture in paste form, which preferably suitable binder comprises applying to a polymer film or to a polymer fiber, wherein the resulting ceramic coating containing at least one silica and the at least one sulfur component, at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2. Preferably, the ceramic (inorganic) material is ion conducting, preferably ion conducting for lithium ions.
In einer weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt, die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2 in Pastenform, vorzugsweise enthaltend geeignete Bindemittel, auf eine keramische Schicht eines Separators aufzubringen, wobei ein Polymerfilm oder eine Polymerfaser mit der keramischen Schicht beschichtet ist, so dass die zumindest eine Kieselsäure und die zumindest eine Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2 als Beschichtung auf der keramischen Schicht des Separators vorliegen.In a further embodiment, it is preferred to apply the at least one silica and the at least one sulfur component, at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2 in paste form, preferably containing suitable binders, to a ceramic layer of a separator, wherein a polymer film or polymer fiber is coated with the ceramic layer such that the at least one silica and the at least one sulfur component are at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2 as a coating on the ceramic layer of the separator ,
Gegebenenfalls schließen sich an diese Verarbeitungsschritte Trocknungsschritte an.Optionally, these steps are followed by drying steps.
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch bevorzugt, zumindest eine Kieselsäure und zumindest eine Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2 getrennt voneinander zu verarbeiten.In a further embodiment, it is also preferable to process at least one silicic acid and at least one sulfur component, at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2 separately from one another.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batterie kann vorzugsweise dadurch erfolgen, dass zur Herstellung der positiven Elektrode eine geeignete Lithiumverbindung als Pulver auf der Elektrode niedergeschlagen und zu einem dünnen Film verdichtet wird, gegebenenfalls unter Verwendung eines Bindemittels. Die negative Elektrode kann auf die positive Elektrode laminiert werden, wobei der Separator in Form einer Folie vorher auf die negative oder die positive Elektrode laminiert wird. Es ist auch möglich, die positive Elektrode, den Separator und die negative Elektrode gleichzeitig unter gegenseitiger Laminierung zu verarbeiten.The preparation of the lithium-ion battery according to the invention may preferably be carried out by precipitating a suitable lithium compound as a powder on the electrode to produce the positive electrode and compacting it into a thin film, optionally with the use of a binder. The negative electrode may be laminated on the positive electrode, and the separator in the form of a foil is previously laminated on the negative or the positive electrode. It is also possible to simultaneously process the positive electrode, the separator and the negative electrode under mutual lamination.
Eine Lithium-Schwefel-Batterie kann aus den Komponenten (a) bis (d) nach Prinzipien aufgebaut werden, wie sie im Stand der Technik bekannt sind und für die Herstellung von Lithium-Schwefel-Batterien üblicherweise verwendet werden.A lithium-sulfur battery may be constructed from components (a) through (d) according to principles known in the art and commonly used for the production of lithium-sulfur batteries.
Beispielsweise kann zur Herstellung der positiven Elektrode Schwefel mit Kohlenstoff, beispielsweise in Form von Graphit, in einem Bindemittel angerieben werden. Die erhaltene Masse kann dann beispielsweise auf Aluminiumfolie aufgepresst werden. Zur Herstellung der negativen Elektrode kann beispielsweise Lithiumfolie oder eine Folie mit Lithiumlegierung auf einen geeigneten Träger aufgepresst werden. Der Separator wird mit Elektrolyt getränkt und die Elektroden auf den getränkten Separator laminiert. Es wird eine bereits geladene Batterie erhalten.For example, to produce the positive electrode, sulfur may be ground with carbon, for example in the form of graphite, in a binder. The mass obtained can then be pressed onto aluminum foil, for example. To produce the negative electrode, for example, lithium foil or a lithium alloy foil may be pressed onto a suitable carrier. The separator is soaked in electrolyte and the electrodes are laminated to the impregnated separator. It will get an already charged battery.
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, die Batterie im entladenen Zustand herzustellen. Dazu wird eine positive Elektrode hergestellt, die ein Komposit aus einem Lithiumsulfid und Kohlenstoff enthält. Die negative Elektrode umfasst den Träger für das Lithiummetall, ist aber frei an Lithiummetall oder Lithiumlegierung. Der Separator wird mit Elektrolyt getränkt und die Elektroden auf den getränkten Separator laminiert. Beim Laden der Batterie werden die Elektroden in die Schwefelelektrode und die Elektrode mit Lithiummetall oder Lithiumlegierung überführt.In a further embodiment, it is also possible to produce the battery in the discharged state. For this purpose, a positive electrode is produced, which contains a composite of a lithium sulfide and carbon. The negative electrode comprises the support for the lithium metal but is free of lithium metal or lithium alloy. The separator is soaked in electrolyte and the electrodes are laminated to the impregnated separator. When charging the battery, the electrodes are transferred to the sulfur electrode and the electrode with lithium metal or lithium alloy.
Dritter Aspekt der Erfindung – Verwendung der erfindungsgemäßen Batterie wie im zweiten Aspekt definiert Third aspect of the invention - Use of the battery according to the invention as defined in the second aspect
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Batterie.According to a third aspect, the present invention relates to the use of the battery according to the invention.
Mit der erfindungsgemäßen Batterie kann bei hoher Spannung eine hohe Energiedichte und Kapazität zur Verfügung gestellt werden, wobei die Batterie auch bei hoher Spannungsabgabe eine gute Stabilität aufweist. Deshalb kann sie vorzugsweise zur Energieversorgung für mobile Informationsvorrichtungen, Werkzeuge, elektrisch betriebene Automobile und für Automobile mit Hybridantrieb eingesetzt werden.With the battery according to the invention, a high energy density and capacity can be made available at high voltage, wherein the battery has good stability even at high voltage output. Therefore, it can preferably be used for powering mobile information devices, tools, electric cars, and hybrid cars.
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Lithium-Batterie bei Umgebungstemperaturen von –40 bis +100°C betrieben werden.Preferably, the lithium battery according to the invention can be operated at ambient temperatures of -40 to + 100 ° C.
Bevorzugte Entladeströme einer erfindungsgemäßen Batterie sind größer 100 A, vorzugsweise größer 200 A, vorzugsweise größer 300 A, weiterhin bevorzugt größer 400 A.Preferred discharge currents of a battery according to the invention are greater than 100 A, preferably greater than 200 A, preferably greater than 300 A, more preferably greater than 400 A.
Vierter Aspekt der Erfindung – Verwendung des erfindungsgemäßen Separators wie im ersten Aspekt definiertFourth aspect of the invention - Use of the separator according to the invention as defined in the first aspect
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von zumindest einer Kieselsäure und zumindest einer Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2, in einer Lithium-Ionen-Batterie.According to a fourth aspect, the present invention relates to the use of at least one silicic acid and at least one sulfur component, at least partially, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2, in a lithium-ion battery.
In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung zumindest einer Kieselsäure und zumindest einer Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2, in einem Separator einer Lithium-Ionen-Batterie.In one embodiment, the invention relates to the use of at least one silica and at least one sulfur component, at least in part, preferably substantially, in the oxidation state 0 or -2, in a separator of a lithium-ion battery.
In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung zumindest einer Kieselsäure und zumindest einer Schwefel-Komponente, zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen, in der Oxidationsstufe 0 oder –2, in einem Separator einer Lithium-Ionen-Batterie zum
- (j) Erniedrigen der Li-Dendriten- oder Whiskerbildung im Separator; und/oder zum
- (jj) Binden von Wasser und/oder Fluorwasserstoff in der Lithium-Ionen-Batterie; und/oder zum
- (jjj) Erhöhen der Dimensionsstabilität des Separators oder des Separators und der Lithium-Ionen-Batterie; und/oder zum
- (jv) Gasabsorbieren in der Lithium-Ionen-Batterie; und/oder zum
- (v) Erniedrigen der Diffusion von Polysulfidanionen durch den Separator.
- (j) lowering Li-dendrite or whisker formation in the separator; and / or to
- (jj) binding of water and / or hydrogen fluoride in the lithium-ion battery; and / or to
- (jjj) increasing the dimensional stability of the separator or separator and the lithium-ion battery; and / or to
- (jv) absorbing gas in the lithium-ion battery; and / or to
- (v) lowering the diffusion of polysulfide anions through the separator.
Vorzugsweise werden in der erfindungsgemäßen Verwendung alle Vorteile (j) bis (v) erreicht.In the use according to the invention, all advantages (j) to (v) are preferably achieved.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1017476 B1 [0043] EP 1017476 B1 [0043]
- WO 2004/021477 [0043] WO 2004/021477 [0043]
- WO 2004/021499 [0043] WO 2004/021499 [0043]
- EP 1852926 [0075] EP 1852926 [0075]
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