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DE102014001025A1 - Electrochemical cell - Google Patents

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DE102014001025A1
DE102014001025A1 DE102014001025.2A DE102014001025A DE102014001025A1 DE 102014001025 A1 DE102014001025 A1 DE 102014001025A1 DE 102014001025 A DE102014001025 A DE 102014001025A DE 102014001025 A1 DE102014001025 A1 DE 102014001025A1
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DE
Germany
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separator
lithium
designed
electrochemical cell
positive electrode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102014001025.2A
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German (de)
Inventor
Tim Schäfer
Denny Thiemig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Li Tec Battery GmbH
Original Assignee
Li Tec Battery GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Li Tec Battery GmbH filed Critical Li Tec Battery GmbH
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Abstract

Elektrochemische Zelle aufweisend mindestens eine negative Elektrode, wobei die negative Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist, und mindestens eine positive Elektrode, wobei die positive Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist, und mindestens einen Separator, welcher die mindestens eine positive Elektrode von der mindestens einen negativen Elektrode beabstandet, insbesondere elektrische isoliert, und mindestens eine Umhüllung, insbesondere ausgestaltet als Folienumhüllung, welche die mindestens eine negative Elektrode und die mindestens eine positive Elektrode und den mindestens einen Separator zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umschließt, wobei die elektrochemische Zelle weiterhin mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, aufweist, wobei die mindestens eine Umhüllung diese mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung ebenfalls umschließt, und wobei vorzugsweise die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zumindest ein Material aufweist, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen.An electrochemical cell comprising at least one negative electrode, wherein the negative electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material, and at least one positive electrode, wherein the positive electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material, and at least one separator which spaces the at least one positive electrode from the at least one negative electrode, in particular electrical, and at least one envelope, in particular designed as a foil envelope, which at least partially, preferably at least one, negative electrode and the at least one positive electrode and the at least one separator completely encloses, wherein the electrochemical cell further comprises at least one Lithiumdendritenabbau device, preferably designed as a lithium dendrite decomposition layer, wherein the at least one sheath this e, at least one Lithiumdendritenabbau device also encloses, and wherein preferably the at least one Lithiumdendritenabbau device comprises at least one material which is designed to reduce lithium dendrites, in particular to reduce.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle wobei die elektrochemische Zelle mindestens eine negative Elektrode, mindestens eine positive Elektrode, mindestens einen Separator und mindestens eine Umhüllung aufweist, wobei die elektrochemische Zelle weiterhin mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung aufweist. Die Zelle kann vorzugsweise für den Antrieb eines Fahrzeugs mit Elektromotor, vorzugsweise mit Hybridantrieb oder im ”plug-in”-Betrieb eingesetzt werden.The present invention relates to an electrochemical cell wherein the electrochemical cell has at least one negative electrode, at least one positive electrode, at least one separator and at least one sheath, wherein the electrochemical cell further comprises at least one lithium dendrite degradation device. The cell may preferably be used for driving a vehicle with electric motor, preferably with hybrid drive or in "plug-in" operation.

Elektrochemische Zellen, insbesondere Lithium-Sekundärbatterien, finden wegen ihrer hohen Energiedichte und hohen Kapazitäten als Energiespeicher in mobilen Informationseinrichtungen, wie z. B. in Mobiltelefonen, in Werkzeugen oder in elektrisch betriebenen Automobilen sowie in Automobilen mit Hybridantrieb Anwendung. Trotz dieser sehr unterschiedlichen Einsatzgebiete von elektrochemischen Zellen müssen alle verwendeten Zellen, insbesondere aber die zum Antrieb von Automobilen, hohe Anforderungen erfüllen: möglichst hohe elektrische Kapazität und Energiedichte, welche über eine Vielzahl an Lade- und Entladezyklen stabil bleibt, bei möglichst geringem Gewicht.Electrochemical cells, especially lithium secondary batteries, find because of their high energy density and high capacity as energy storage in mobile information devices such. As in mobile phones, in tools or in electrically powered cars and in automobiles with hybrid drive application. Despite these very different fields of application of electrochemical cells, all the cells used, but especially those for the propulsion of automobiles, have to fulfill high requirements: the highest possible electrical capacity and energy density, which remains stable over a large number of charging and discharging cycles, with the lowest possible weight.

Gerade die Lebensdauer aber auch die Sicherheit von elektrochemischen Zellen ist häufig abhängig von der Alterung der Elektroden. Beim Alterungsprozess verlieren die elektrochemischen Zellen an Kapazität und Leistung. Dieser Prozess findet in einem mehr oder weniger großen Ausmaß in den meisten gebräuchlichen elektrochemischen Zellen statt, und ist u. a. abhängig von den Benutzungsumständen (Temperatur, Lagerungsbedingungen, Ladezustand, etc.), aber auch der Qualität und Verarbeitung der Materialien während des Herstellungsprozesses der elektrochemischen Zelle. So kann eine hochwertige Verarbeitung von reinen Materialien zu langlebigen und auch sicheren elektrochemischen Zellen führen, die auch über einen längeren Zeitraum hinweg nur wenig altern, also wenig Kapazität und Leistung verlieren.Especially the lifetime but also the safety of electrochemical cells is often dependent on the aging of the electrodes. In the aging process, the electrochemical cells lose capacity and performance. This process takes place to a greater or lesser extent in most common electrochemical cells, and is u. a. depending on the conditions of use (temperature, storage conditions, state of charge, etc.), but also the quality and processing of the materials during the manufacturing process of the electrochemical cell. Thus, a high-quality processing of pure materials can lead to long-lasting and also safe electrochemical cells, which age only a little over a longer period of time, thus losing little capacity and power.

Doch reichen solche Maßnahmen oftmals nicht aus, um eine langlebige und insbesondere auch sichere elektrochemische Zelle zu erhalten, da während des Betriebs einer Zelle chemische Reaktion im Inneren der Zelle ablaufen, welche zum Teil irreversibel sind, und welche nicht nur zum Kapazitätsverlust der elektrochemischen Zelle führen können, sondern auch ein nicht unerhebliches Sicherheitsrisiko darstellen können.However, such measures are often not sufficient to obtain a long-lived and especially safe electrochemical cell, since chemical reactions occur inside the cell during the operation of a cell, which are partly irreversible, and which not only lead to capacity loss of the electrochemical cell but can also pose a not insignificant security risk.

So sind insbesondere Lithiumdendriten, welche bei Lade- und Entladevorgängen entstehen können als Verursacher sog. ”hot spots” und Mikrokurzschlüssen bekannt. Bei der Herstellung von elektrochemischen Zellen, welche mit Aktivmaterial auf Lithiumionenbasis arbeiten, gilt es deshalb, darauf zu achten, dass möglichst keine Lithiumdendriten entstehen bzw. im Laufe des Betriebs der elektrochemischen Zelle entstehen können.Thus, in particular lithium dendrites, which can arise during charging and discharging processes, are known as causers of so-called "hot spots" and micro-short circuits. When producing electrochemical cells which work with lithium ion-based active material, it is therefore important to ensure that as far as possible no lithium dendrites are formed or can form during the operation of the electrochemical cell.

Insbesondere Zellen, in denen trotz Schutzmaßnahmen Lithiumdendriten entstanden sind, stellen ein nicht unerhebliches Sicherheitsproblem dar. Auch gegen Druck- und Temperaturbelastungen sind solche Zellen empfindlicher. Zellen, in welchen Lithiumdendriten entstanden sind, können dabei einen irreversiblen Kapazitätsverlust, sogar bis hin zu einem Kurzschluss erfahren, welcher die Zelle zerstören kann.In particular, cells in which lithium dendrites have arisen despite protective measures represent a not insignificant safety problem. Such cells are also more sensitive to pressure and temperature stresses. Cells in which lithium dendrites have formed can experience an irreversible loss of capacity, even as far as a short circuit, which can destroy the cell.

In der US 5 961 672 wird beschrieben, dass eine Lithiummetallanode mit einem Polymerfilm beschichtet wird, um Lithiumdendritenbildung während des Betriebs der elektrochemischen Zelle zu verhindern.In the US 5,961,672 For example, it is described that a lithium metal anode is coated with a polymer film to prevent lithium dendrite formation during operation of the electrochemical cell.

Wie bereits erwähnt, können Lithiumdendriten nicht nur während des ”regulären Betriebs einer elektrochemischen Zelle entstehen, sondern auch während ersten, konditionierenden Lade- und Entladevorgängen.As already mentioned, lithium dendrites can be formed not only during the regular operation of an electrochemical cell, but also during initial, conditioning charging and discharging operations.

Insbesondere beim ”Einschließen” von ”fertigen” Elektrodenbaugruppen elektrochemischer Zellen in eine Folienumhüllung (”pouch”) können an den Oberflächen der Folienumhüllung Falten entstehen, in denen sich während der ersten Lade- und Entladezyklen schaumartiges oder dendritisches Lithium einlagert. Dieses kann dann nicht mehr an den energieliefernden Ein- und Auslagerungen ins bzw. aus dem elektrochemischen Aktivmaterial der Elektroden teilnehmen. Dadurch wird die Kapazität der elektrochemischen Zelle – ebenso wie bereits erwähnt – die Sicherheit der Zelle negativ beeinflusst, insbesondere erniedrigt.In particular, when "enclosing" electrode assemblies of electrochemical cells in a film pouch, folds may be formed on the surfaces of the film envelope in which foamy or dendritic lithium intercalates during the first charge and discharge cycles. This can then no longer participate in the energy-supplying deposits and removals into or out of the electrochemical active material of the electrodes. As a result, the capacity of the electrochemical cell - as already mentioned - adversely affects, in particular lowers, the safety of the cell.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine elektrochemische Zelle bereitzustellen, welche insbesondere langlebig und sicher ist.An object of the present invention is therefore to provide an electrochemical cell which is particularly durable and safe.

Das wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This is achieved according to the invention by the teaching of the independent claims. Preferred developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist, wie im Folgenden ausführlich beschrieben eine elektrochemische Zelle vorgesehen, aufweisend: mindestens eine negative Elektrode, wobei die negative Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist, und mindestens eine positive Elektrode, wobei die positive Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist, und mindestens einen Separator, welcher die mindestens eine positive Elektrode von der mindestens einen negativen Elektrode beabstandet, insbesondere elektrische isoliert, und mindestens eine Umhüllung, insbesondere ausgestaltet als Folienumhüllung, welche die mindestens eine negative Elektrode und die mindestens eine positive Elektrode und den mindestens einen Separator zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umschließt wobei die elektrochemische Zelle weiterhin mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, aufweist, wobei die mindestens eine Umhüllung diese mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung ebenfalls umschließt, und wobei vorzugsweise die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zumindest ein Material aufweist, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen.To achieve this object, as described in detail below, an electrochemical cell is provided, comprising: at least one negative electrode, wherein the negative electrode comprises at least one material, which is designed as an electrochemical active material, and at least one positive electrode, wherein the positive electrode at least comprising a material which acts as an electrochemical active material is configured, and at least one separator, the at least one positive electrode spaced from the at least one negative electrode, in particular electrically isolated, and at least one envelope, in particular configured as a film envelope, which the at least one negative electrode and the at least one positive electrode and the at least one separator at least partially, preferably completely enclosing the electrochemical cell further comprising at least one Lithiumdendritenabbau device, preferably designed as a lithium dendrite decomposition layer, said at least one enclosure also encloses these at least one Lithiumdendritenabbau device, and preferably wherein the at least one Lithiumdendritenabbau Device has at least one material which is designed to reduce lithium dendrites, in particular to reduce.

Dies hat den Vorteil, dass entstehende oder bereits entstandene Lithiumdendriten reduziert, vorzugsweise minimiert, insbesondere abgebaut werden können.This has the advantage that resulting or already formed lithium dendrites can be reduced, preferably minimized, in particular degraded.

In einer Ausführungsform der elektrochemischen Zelle ist die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, zumindest teilweise angeordnet auf zumindest Teilen der Oberfläche der mindestens einen Umhüllung, wobei besagte Oberfläche der Umhüllung der zur Umhüllung nächstliegenden, positiven Elektrode und/oder negativen Elektrode und/oder Separator zugewandt ist, und/oder den mindestens einen Separator, und/oder der mindestens einen positiven Elektrode, und/oder der mindestens einen negativen Elektrode.In one embodiment of the electrochemical cell, the at least one lithium dendrite decomposition device, preferably designed as a lithium dendrite decomposition layer, is at least partially disposed on at least parts of the surface of the at least one cladding, said surface of the cladding of the positive electrode closest to the cladding and / or negative Electrode and / or separator faces, and / or the at least one separator, and / or the at least one positive electrode, and / or the at least one negative electrode.

In einer Ausführungsform der elektrochemischen Zelle weist die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, zumindest ein Material auf, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen, wobei dieses zumindest eine Material schwefelhaltige Verbindungen aufweist oder daraus besteht.In one embodiment of the electrochemical cell, the at least one lithium dendrite removal device, preferably embodied as a lithium dendrite degradation layer, has at least one material which is designed to reduce, in particular degrade, lithium dendrites, wherein said at least one material comprises or consists of sulfur-containing compounds.

Dies hat den Vorteil, dass das schwefelhaltige Material mit den Lithiumdendriten insbesondere unter Bildung von Lithiumsulfid reagieren kann, wodurch Lithiumdendriten in ihrem Entstehungsvorgang vermieden, bzw. bereits entstandene Lithiumdendriten abgebaut werden können.This has the advantage that the sulfur-containing material can react with the lithium dendrites in particular to form lithium sulfide, whereby lithium dendrites can be avoided in their formation process, or already formed lithium dendrites can be degraded.

In einer Ausführungsform der elektrochemische Zelle weist die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, zumindest ein Material auf, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen, wobei dieses zumindest eine Material ausgewählt ist aus der Gruppe aus: elementarem Schwefel, insbesondere elementarer Schwefel in Form von S8; Polysulfiden; anorganischen, organischen oder polymeren, schwefelhaltigen Verbindungen, insbesondere Trifluormethansulphonatsalze; oder aus Mischungen der zuvor genannten Substanzen.In one embodiment of the electrochemical cell, the at least one lithium dendrite degradation device, preferably designed as a lithium dendrite degradation layer, at least one material which is designed to reduce lithium dendrites, especially to degrade, this at least one material selected from the group consisting of: elemental sulfur , in particular elemental sulfur in the form of S 8 ; polysulfides; inorganic, organic or polymeric, sulfur-containing compounds, in particular trifluoromethanesulphonate salts; or mixtures of the aforementioned substances.

In einer Ausführungsform der elektrochemische Zelle weist die negative Elektrode zumindest ein Material auf, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist und welches ausgewählt ist aus amorphen Graphit, kristallinen Graphit, kohlenstoffhaltigen Materialien, Lithiummetall, Lithiummetall-Legierungen, Titanate, Silikate, Silizium, Siliziumlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen, oder Mischungen daraus.In one embodiment of the electrochemical cell, the negative electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material and which is selected from amorphous graphite, crystalline graphite, carbonaceous materials, lithium metal, lithium metal alloys, titanates, silicates, silicon, silicon alloys, tin , Tin alloys, or mixtures thereof.

In einer Ausführungsform der elektrochemische Zelle weist die positive Elektrode zumindest ein Material auf, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist und welches ausgewählt ist aus: mindestens einer Verbindung einschließend LiMPO4, wobei M wenigstens ein Übergangsmetall-Kation ist, ausgewählt aus Mangan, Eisen, Kobalt, Titan oder einer Kombination dieser Elemente; oder mindestens ein Lithium-Metalloxid oder Lithium-Metallmischoxid im Spinell-Typ, wobei das Metall ausgewählt ist aus Kobalt, Mangan oder Nickel; oder mindestens ein Lithium-Metalloxid oder Lithium-Metallmischoxid in einem Typ, welcher verschieden ist vom Spinell-Typ, wobei das Metall ausgewählt ist aus Kobalt, Mangan oder Nickel; oder Mischungen daraus.In one embodiment of the electrochemical cell, the positive electrode comprises at least one material configured as an electrochemical active material and which is selected from: at least one compound including LiMPO 4 , wherein M is at least one transition metal cation selected from manganese, iron, cobalt , Titanium or a combination of these elements; or at least one spinel-type lithium metal oxide or lithium metal mixed oxide, wherein the metal is selected from cobalt, manganese or nickel; or at least one lithium metal oxide or lithium metal mixed oxide in a type other than spinel type, wherein the metal is selected from cobalt, manganese or nickel; or mixtures thereof.

In einer Ausführungsform der elektrochemische Zelle ist der Separator oder das Separatormaterial ausgewählt aus: einem Separator oder einem Separatormaterial, der/das aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, wobei der Träger auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger ein organisches Material verwendet wird, welches als nicht-verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material in Form von Polymerfasern ausgestaltet ist, vorzugsweise Polymerfasern des Polyethylenterephthalats (PET), wobei das Vlies mit einem anorganischen Material beschichtet ist, welches vorzugsweise für Ionen durchlässig ist, und zwar vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C für Ionen durchlässig ist, wobei das anorganische Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zirkon, Aluminium, Lithium, besonders bevorzugt Aluminiumoxid umfasst, wobei bevorzugt dass anorganische Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm aufweist, oder einem Separator oder einem Separatormaterial, der/das Polymerfasern aufweist oder daraus besteht, ausgewählt aus der Gruppe von Polymeren bestehend aus Polyethylenterephthalat, Polyolefin, Polyetherimid, Polyamid, Polyacrylnitril, Polycarbonat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyvinylidenfluorid, Polystyrol oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Polymere, oder einem Separator oder einem Separatormaterial, der/das anorganisches Material aufweist oder daraus besteht.In one embodiment of the electrochemical cell, the separator or the separator material is selected from: a separator or a separator material, which consists of an at least partially permeable carrier, which is not or only poorly electron-conducting, wherein the carrier on at least one side with an inorganic Material is coated, wherein as at least partially permeable support an organic material is used, which is designed as a non-woven fabric, wherein the organic material is configured in the form of polymer fibers, preferably polymer fibers of polyethylene terephthalate (PET), wherein the nonwoven with an inorganic Material is coated, which is preferably permeable to ions, and preferably in a temperature range of -40 ° C to 200 ° C is permeable to ions, wherein the inorganic material preferably at least one compound selected from the group of oxides, phosphates, S sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates comprising at least one of the elements zirconium, aluminum, lithium, particularly preferably aluminum oxide, wherein preferably inorganic material has particles with a maximum diameter below 100 nm, or a separator or a A separator material comprising or consisting of polymer fibers selected from the group of polymers consisting of polyethylene terephthalate, polyolefin, polyetherimide, polyamide, polyacrylonitrile, polycarbonate, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, polystyrene, or mixtures of two or more of these polymers, or a separator or a separator material comprising or consisting of inorganic material.

Weiterhin erfasst die Erfindung eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, wobei die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung ausgestaltet ist als Lithiumdendritenabbau-Schicht.Furthermore, the invention encompasses a lithium dendrite degradation device for use in an electrochemical cell, wherein the at least one lithium dendrite degradation device is configured as a lithium dendrite degradation layer.

In einer Ausführungsform der Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung weist die Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zumindest ein Material auf, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen, wobei dieses zumindest eine Material ausgewählt ist aus der Gruppe aus: elementarem Schwefel, insbesondere elementarer Schwefel in Form von S8 (insbesondere Ketten oder Ringe); Polysulfiden; anorganischen, organischen oder polymeren, schwefelhaltigen Verbindungen, insbesondere Trifluormethansulphonatsalze; oder aus Mischungen daraus.In one embodiment of the lithium dendrite decomposition device, the lithium dendrite decomposition device has at least one material which is designed to reduce, in particular decompose, lithium dendrites, wherein this at least one material is selected from the group consisting of elemental sulfur, in particular elemental sulfur in the form of S 8 (especially chains or rings); polysulfides; inorganic, organic or polymeric, sulfur-containing compounds, in particular trifluoromethanesulphonate salts; or mixtures thereof.

Dies hat den Vorteil, dass das schwefelhaltige Material mit den Lithiumdendriten insbesondere unter Bildung von Lithiumsulfid reagieren kann, wodurch Lithiumdendriten in ihrem Entstehungsvorgang vermieden, bzw. bereits entstandene Lithiumdendriten abgebaut werden können.This has the advantage that the sulfur-containing material can react with the lithium dendrites in particular to form lithium sulfide, whereby lithium dendrites can be avoided in their formation process, or already formed lithium dendrites can be degraded.

Weiterhin erfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle folgende Schritte aufweisend:

  • • Bereitstellen mindestens einer positiven Elektrode, wobei die positive Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist,
  • • Bereitstellen mindestens einer negativen Elektrode, wobei die negative Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist,
  • • Bereitstellen mindestens eines Separator, welcher die mindestens eine positive Elektrode von der mindestens einen negativen Elektrode beabstandet, insbesondere elektrische isoliert, und
  • • Bereitstellen mindestens einer Umhüllung, insbesondere ausgestaltet als Folienumhüllung, welche die mindestens eine negative Elektrode und die mindestens eine positive Elektrode und den mindestens einen Separator zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umschließt
  • • Zusammenbau der elektrochemischen Zelle,
die elektrochemische Zelle weiterhin mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, aufweist, wobei die mindestens eine Umhüllung diese mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung ebenfalls umschließt, und wobei vorzugsweise die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zumindest ein Material aufweist, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen.Furthermore, the invention encompasses a method for producing an electrochemical cell according to the invention comprising the following steps:
  • Providing at least one positive electrode, wherein the positive electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material,
  • Providing at least one negative electrode, wherein the negative electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material,
  • Providing at least one separator which spaces the at least one positive electrode from the at least one negative electrode, in particular electrically isolates, and
  • Provision of at least one envelope, in particular designed as a foil envelope, which encloses the at least one negative electrode and the at least one positive electrode and the at least one separator at least partially, preferably completely
  • Assembly of the electrochemical cell,
the electrochemical cell further comprises at least one lithium dendrite degradation device, preferably configured as a lithium dendrite degradation layer, said at least one enclosure also enclosing said at least one lithium dendrite removal device, and wherein preferably said at least one lithium dendrite degradation device comprises at least one material configured To reduce lithium dendrites, in particular to reduce.

Weiterhin erfasst die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle zur Energieversorgung für mobile Informationseinrichtungen, Werkzeuge, elektrisch betriebene Automobile, für Automobile mit Hybrid-Antrieb oder für stationäre Energiespeicher.Furthermore, the invention covers the use of the electrochemical cell according to the invention for supplying energy to mobile information devices, tools, electrically powered automobiles, for automobiles with hybrid drive or for stationary energy storage.

Elektrochemische ZelleElectrochemical cell

Unter einer ”elektrochemischen Zelle” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede Art von Einrichtung zur elektrischen Speicherung von Energie zu verstehen.An "electrochemical cell" in the sense of the present invention means any type of device for the electrical storage of energy.

Der Begriff beinhaltet damit insbesondere elektrochemische Zellen vom primären oder sekundären Typ, aber auch andere Formen von Energiespeichern, wie beispielsweise Kondensatoren.The term thus includes in particular electrochemical cells of the primary or secondary type, but also other forms of energy storage, such as capacitors.

Weiterhin ist unter dem Begriff ”elektrochemische Zelle” auch eine entsprechende Batterie zu verstehen, da die Batterie im Allgemeinen aus einer Serien- oder Reihenschaltung einzelner elektrochemischer Zellen besteht. Dementsprechend ist nachfolgend unter einer elektrochemischen Zelle auch immer die entsprechende Batterie aufweisend zumindest eine elektrochemische Zelle zu verstehen. Weiterhin kann der Begriff ”Batterie” auch synonym zu dem Begriff ”Akkumulator” verwendet werden.Furthermore, the term "electrochemical cell" is also to be understood as meaning a corresponding battery, since the battery generally consists of a series or series connection of individual electrochemical cells. Accordingly, an electrochemical cell is always to be understood as meaning the corresponding battery having at least one electrochemical cell. Furthermore, the term "battery" can also be used synonymously with the term "accumulator".

Vorzugsweise ist die elektrochemische Zelle im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Lithium-Ionen-Batterie/Zelle.For the purposes of the present invention, the electrochemical cell is preferably a lithium-ion battery / cell.

Die elektrochemische Zelle aufweisend mindestens eine positive Elektrode, mindestens eine negative Elektrode und mindestens einen Separator, welcher die positive Elektrode von der negativen Elektrode beabstandet, ist weiterhin von mindestens einer Umhüllung zumindest teilweise umgeben, vorzugsweise vollständig umgeben.The electrochemical cell comprising at least one positive electrode, at least one negative electrode and at least one separator which spaces the positive electrode from the negative electrode is further at least partially surrounded, preferably completely surrounded by at least one sheath.

Lithiumdendritenabbau-VorrichtungLithiumdendritenabbau device

Unter dem Begriff ”Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zu verstehen, welche so ausgestaltet ist, dass entstehende oder entstandene Lithiumdendriten vorteilhafterweise durch Wechselwirkung mit der Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, insbesondere durch chemische Reaktion zwischen den Lithiumdendriten und zumindest einer, in der Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung enthaltenen Verbindung, reduziert, insbesondere abgebaut werden.For the purposes of the present invention, the term "lithium dendrite degradation device" is to be understood as an apparatus which is designed such that the resulting or formed lithium dendrites are advantageously carried by Interaction with the lithium dendrite degradation device, in particular by chemical reaction between the lithium dendrites and at least one, contained in the lithium dendrites degradation device, reduced, in particular degraded.

Vorzugsweise ist dazu die Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung an Stellen innerhalb der elektrochemischen Zelle angebracht, wo Lithiumdendriten entstehen können, also insbesondere in unmittelbarer Nähe, insbesondere in, an oder auf der mindestens einen positiven Elektrode und/oder der mindestens einen negativen Elektrode, insbesondere in der Nähe von bzw. in Materialkontakt mit dem elektrochemischen Aktivmaterial der mindestens einen positiven Elektrode und/oder der mindestens einen negativen Elektrode.Preferably, the lithium dendrite removal device is attached to locations within the electrochemical cell, where lithium dendrites may arise, ie in particular in the immediate vicinity, in particular in, on or on the at least one positive electrode and / or the at least one negative electrode, in particular in the vicinity or in material contact with the electrochemical active material of the at least one positive electrode and / or the at least one negative electrode.

In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zumindest teilweise, insbesondere vollständig, angeordnet auf zumindest Teilen der Oberfläche:

  • • der mindestens einen Umhüllung, wobei besagte Oberfläche der Umhüllung der, zur Umhüllung nächstliegenden, positiven Elektrode und/oder negativen Elektrode und/oder Separator zugewandt ist, und/oder
  • • des mindestens einen Separators, und/oder
  • • der mindestens einen positiven Elektrode, und/oder
  • • der mindestens einen negativen Elektrode.
In one embodiment, the at least one lithium dendrite degradation device is at least partially, in particular completely, arranged on at least parts of the surface:
  • The at least one sheath, said surface of the sheath facing the positive electrode closest to the sheath and / or the negative electrode and / or separator, and / or
  • • the at least one separator, and / or
  • The at least one positive electrode, and / or
  • • the at least one negative electrode.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung als Schicht ausgebildet (Lithiumdendritenabbau-Schicht). Die Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung kann aber auch jede andere denkbare bzw. zum Einsatz in einer elektrochemischen Zelle geeignete räumliche Struktur einnehmen.In a preferred embodiment, the lithium dendrite removal device is formed as a layer (lithium dendrite degradation layer). However, the lithium dendrite degradation device can also take any other conceivable or suitable for use in an electrochemical cell spatial structure.

Unter dem Begriff ”Schicht” bzw. ”Lithiumdendritenabbau-Schicht” ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein im Wesentlichen flächig ausgebildeter/s Körper oder Material zu verstehen, wobei die Ausdehnung in eine Dimension um mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 99%, aber nicht um 100% kleiner ist, als die Ausbreitung in die beiden anderen Dimensionen.For the purposes of the present invention, the term "layer" or "lithium dendrite degradation layer" is to be understood as meaning a substantially flat-formed body or material, the extent in one dimension being at least 50%, preferably at least 70%, preferably at least 90%, preferably at least 99%, but not 100% smaller than the spread in the other two dimensions.

Die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung kann ein Material, insbesondere eine Verbindung/ein Substrat, oder mehrere Materialien aufweisen oder zumindest teilweise oder vollständig aus Materialien bestehen. Vorzugsweise weist die Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zumindest teilweise Materialien auf, welche in einer elektrochemischen Zelle vorhanden sein können. Solche Stoffe können beispielsweise schwefelhaltige Materialien, polymere Materialien, Materialien aufweisend polymere Vorstufen (beispielsweise Monomere), elektrochemisches Aktivmaterial, Leitfähigkeitszusätze, flüssige oder gelartige Materialien, metallische Materialien oder Mischungen daraus sein.The at least one lithium dendrite removal device can comprise a material, in particular a compound / a substrate, or a plurality of materials or at least partially or completely consist of materials. Preferably, the lithium dendrite degradation device has at least in part materials that may be present in an electrochemical cell. Such materials may include, for example, sulfur-containing materials, polymeric materials, materials comprising polymeric precursors (eg, monomers), electrochemical active material, conductivity additives, liquid or gel materials, metallic materials, or mixtures thereof.

In einer Ausführungsform weist die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung vorzugsweise zumindest teilweise polymere Materialien, insbesondere Separatormaterialien auf.In one embodiment, the at least one lithium dendrite degradation device preferably comprises at least partially polymeric materials, in particular separator materials.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, zumindest ein Material auf, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen, wobei dieses zumindest eine Material Verbindungen aufweist, insbesondere schwefelhaltige Verbindungen aufweist oder daraus besteht.In a particularly preferred embodiment, the at least lithium dendrite removal device has at least one material which is designed to reduce, in particular to decompose, lithium dendrites, this having at least one material having compounds, in particular containing or consisting of sulfur-containing compounds.

Vorzugsweise wird dieses zumindest eine Material ausgewählt ist aus der Gruppe aus: elementarem Schwefel, insbesondere elementarer Schwefel in Form von S8; Sulfiden, insbesondere Polysulfiden; anorganischen, organischen oder polymeren, schwefelhaltigen Verbindungen, insbesondere Trifluormethansulphonatsalze; oder aus Mischungen daraus. Im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff ”Verbindung” gerade auch elementaren Schwefel, welcher ohnehin in einigen Modifikationen als kovalent gebundene Ringe oder Ketten auftritt.Preferably, said at least one material is selected from the group consisting of: elemental sulfur, in particular elemental sulfur in the form of S 8 ; Sulfides, in particular polysulfides; inorganic, organic or polymeric, sulfur-containing compounds, in particular trifluoromethanesulphonate salts; or mixtures thereof. For the purposes of the present invention, the term "compound" also includes elemental sulfur, which in any case occurs in some modifications as covalently bonded rings or chains.

Unter dem Begriff ”Schwefel” ist im Sinne der vorliegenden Erfindung Schwefel zu verstehen, welcher im Wesentlichen in der Oxidationsstufe ”0”, also als elementarer Schwefel vorliegt. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass Anteile des Schwefels auch zumindest teilweise in anderen Oxidationsstufen vorliegen.For the purposes of the present invention, the term "sulfur" is to be understood as meaning sulfur which is present essentially in the oxidation state "0", that is to say as elemental sulfur. It is not excluded that shares of sulfur also exist at least partially in other oxidation states.

Unter ”Sulfid” (”Suifidmaterial” ist synonym zu ”Sulfid” zu verwenden) ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Verbindung zu verstehen, in der mindestens ein Schwefelatom eine Oxidationsstufe aufweist, die verschieden von ”0” ist, insbesondere ”–1” oder ”–2” ist. Gemäß dieser Konvention ist ”Sulfid” synonym zu ”Schwefelanion” oder ”Polysulfid” (wobei ”Polysulfidmaterial” auch synonym zu ”Polysulfid” verwendet werden kann) zu verwenden, wobei die Vorsilbe ”Poly-” bedeuten soll, dass diese Verbindung mindestens zwei oder mehr, insbesondere 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 Schwefelatome aufweisen soll, wobei mindestens ein Schwefelatom formal eine Oxidationsstufe aufweist, die verschieden von ”0” ist, insbesondere ”–1” oder ”–2” ist und wobei weitere Schwefelatome formal die Oxidationsstufe ”0” haben können. Beispiele für Sulfide bzw. Polysulfide sind S2–, S3 2–, S4 2–, S5 2–, S6 2–, S7 2–, S8 2–, S2 , S3 , S4 . Als Gegenionen, also als Kationen, sind insbesondere Metallkationen geeignet, beispielsweise Alkalimetallkationen, vorzugsweise Lithium, Erdalkalimetallkationen, Nebengruppenmetallkationen, wie beispielsweise Eisen.For the purposes of the present invention, "sulfide"("suicidematerial" is to be used synonymously with "sulfide") is a compound in which at least one sulfur atom has an oxidation state which is different from "0", in particular "-1". or "-2". According to this convention, "sulfide" is synonymous with "sulfur anion" or "polysulfide" (where "polysulfide material" can also be used synonymously with "polysulfide"), where the prefix "poly-" is intended to mean that this compound has at least two or more more, in particular 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8 to have sulfur atoms, wherein at least one sulfur atom formally has an oxidation state which is different from "0", in particular "-1" or "-2" and wherein further sulfur atoms may formally have the oxidation state "0". Examples of sulfides or polysulfides are S 2- , S 3 2- , S 4 2- , S 5 2- , S 6 2- , S 7 2- , S 8 2- , S 2 - , S 3 - , S 4 - . As counterions, that is as cations, in particular metal cations are suitable, for example alkali metal cations, preferably lithium, alkaline earth metal cations, Subgroup metal cations, such as iron.

Unter ”schwefelhaltig” ist im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl Schwefel wie vorstehend definiert, als auch Sulfid bzw. Polysulfid wie vorstehend definiert oder Mischungen daraus zu verstehen.For the purposes of the present invention, "sulfur-containing" means both sulfur as defined above and sulfide or polysulfide as defined above or mixtures thereof.

Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da durch die Reaktion des elementaren Lithiums, aus welchem Lithiumdendriten aufgebaut sind, mit dem Schwefel, welcher in den genannten chemischen Verbindungen enthalten ist unter Bildung von Lithiumpolysulfiden und/oder Lithiumsulfid, insbesondere Li2S, die Lithiumdendriten reduziert, insbesondere abgebaut werden (z. B. 2 Li + S → Li2S).This is advantageous in particular because the lithium dendrites are reduced by the reaction of elemental lithium from which lithium dendrites are composed with the sulfur which is contained in the abovementioned chemical compounds to form lithium polysulfides and / or lithium sulfide, in particular Li 2 S. in particular be degraded (eg 2 Li + S → Li 2 S).

Weiterhin vorteilhaft ist dabei, dass die entstehenden bzw. entstandene Lithium-Schwefel-Verbindung(en), insbesondere Li2S, elektrisch isolierende Eigenschaften haben, also als elektrischer Isolator innerhalb der elektrochemischen Zelle wirken können. Insbesondere wenn die Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung auf zumindest Teilen der mindestens einen Umhüllung, wobei besagte Oberfläche der Umhüllung der, zur Umhüllung nächstliegenden, positiven Elektrode und/oder negativen Elektrode und/oder Separator zugewandt ist, und/oder des mindestens einen Separators, vorliegt, ist die elektrisch isolierende Eigenschaft von entstehenden bzw. entstandenen Lithium-Schwefel-Verbindungen, insbesondere Li2S vorteilhaft, da so das Risiko eines direkten Kontaktes zwischen elektrisch leitenden Material der Umhüllung und der benachbarten Elektrode reduziert, vorzugsweise verhindert werden kann. Umhüllungen für elektrochemische Zellen, wie nachfolgend definiert weisen formstabile Materialien, insbesondere Metalle auf von denen die Elektroden elektrisch isoliert werden, um unerwünschte bzw. ungeplante Kontakte zwischen den Elektroden und dem elektrisch leitenden Material, insbesondere dem Metall der Umhüllung zu verhindern.It is furthermore advantageous that the resulting or formed lithium-sulfur compound (s), in particular Li 2 S, have electrically insulating properties, ie can act as an electrical insulator within the electrochemical cell. In particular, when the lithium dendrite degradation device is present on at least parts of the at least one envelope, said surface of the envelope facing the envelope closest to the positive electrode and / or negative electrode and / or separator, and / or the at least one separator the electrically insulating property of resulting or formed lithium-sulfur compounds, in particular Li 2 S advantageous because this reduces the risk of direct contact between the electrically conductive material of the sheath and the adjacent electrode, preferably can be prevented. Envelopes for electrochemical cells, as defined below, have dimensionally stable materials, in particular metals, on which the electrodes are electrically insulated in order to prevent undesired or unplanned contacts between the electrodes and the electrically conductive material, in particular the metal of the enclosure.

Die Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung kann in fester, insbesondere in folienartiger oder pulverförmiger Form oder in flüssiger Form vorliegen. Beispielsweise kann Separatormaterial mit schwefelhaltigem Material ausgestattet werden, um so eine folienartige Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zu bilden.The lithium dendrite degradation device can be in solid, in particular in film-like or powder form or in liquid form. For example, separator material may be provided with sulfur-containing material to form a sheet-like lithium dendrite removal device.

Insbesondere beim Lithiumdendritenabbau unter Verwendung schwefelhaltiger Verbindungen, können wie vorstehend erwähnt, Sulfidverbindungen, insbesondere Polysulfidverbindungen, wie etwa Li2Sx mit 2 ≤ x ≤ 8 als Abbauprodukte entstehen. Diese Verbindungen sind in nicht-wässrigen organischen Elektrolyten löslich, und könnten so innerhalb der elektrochemischen Zelle diffundieren und so die Funktionsfähigkeit der elektrochemischen Zelle negativ beeinträchtigen. Deshalb ist es vorteilhaft, zusätzlich zur erfindungsgemäßen Lithiumdendtritenabbau-Vorrichtung, insbesondere Schicht, eine Sulfidfängerschicht in die elektrochemische Zelle zu integrieren, insbesondere dann, wenn ein nicht-wässriger, organischer Elektrolyt in der elektrochemischen Zelle verwendet wird. Vorzugsweise ist der Separator ist dabei dann als Sulfidfängerschicht ausgestaltet. Vorzugsweise werden die im Separator einsetzbaren Vliese – wie nachfolgend erläutert – aus Nanofasern der verwendeten Polymere gefertigt, wodurch Vliese gebildet werden, die eine hohe Porosität unter Ausbildung geringer Porendurchmesser aufweisen. Damit kann die Gefahr von Kurzschlussreaktionen weiter vermindert werden, wie auch die Gefahr der unerwünschten Diffusion von Polysulfidanionen durch den Separator hindurch.In particular, in the case of lithium dendrite decomposition using sulfur-containing compounds, as mentioned above, sulfide compounds, in particular polysulfide compounds such as Li 2 S x with 2 ≦ x ≦ 8, can be formed as decomposition products. These compounds are soluble in non-aqueous organic electrolytes and could thus diffuse within the electrochemical cell, adversely affecting the performance of the electrochemical cell. Therefore, it is advantageous to integrate a sulfide scavenger layer into the electrochemical cell in addition to the lithium dendrite degrading device according to the invention, in particular layer, especially when a non-aqueous, organic electrolyte is used in the electrochemical cell. Preferably, the separator is then designed as a sulfide scavenger layer. Preferably, the nonwovens which can be used in the separator are produced from nanofibers of the polymers used, as explained below, whereby nonwovens are formed which have a high porosity with formation of small pore diameters. Thus, the risk of short circuit reactions can be further reduced, as well as the risk of unwanted diffusion of polysulfide anions through the separator.

Umhüllungwrapping

Unter einer ”Umhüllung” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere

  • • der Begrenzung der mindestens einen positiven Elektrode, der mindestens einen negativen Elektrode und des mindestens einen Separators und optional, des zumindest einen Elektrolyten gegenüber der Umgebung dient
  • • dem Schutz der mindestens einen positiven Elektrode, der mindestens einen negativen Elektrode und des mindestens einen Separators und optional, des zumindest einen Elektrolyten gegenüber schädlichen Einflüssen aus der Umgebung, insbesondere dem Schutz vor Wasser aus der Umgebung dient,
  • • dem Austritt von Material aus der mindestens einen positiven Elektrode, der mindestens einen negativen Elektrode und des mindestens einen Separators und/oder optional, des zumindest einen Elektrolyten in die Umgebung entgegenwirkt,
  • • vorzugsweise die mindestens eine positive Elektrode, die mindestens eine negative Elektrode und den mindestens einen Separators und/oder optional, den zumindest einen Elektrolyten im Wesentlichen gasdicht und/oder fluiddicht umschließt.
An "envelope" within the meaning of the present invention means a device which, in particular
  • The limitation of the at least one positive electrode, which serves at least one negative electrode and the at least one separator and optionally, the at least one electrolyte with respect to the environment
  • The protection of the at least one positive electrode, which serves at least one negative electrode and the at least one separator and optionally, the at least one electrolyte against harmful influences from the environment, in particular the protection against water from the environment,
  • The escape of material from the at least one positive electrode, which counteracts at least one negative electrode and the at least one separator and / or optionally, the at least one electrolyte into the environment,
  • Preferably the at least one positive electrode enclosing at least one negative electrode and the at least one separator and / or optionally, the at least one electrolyte substantially gas-tight and / or fluid-tight.

In einer Ausführungsform weist die Umhüllung wenigstens zwei Hüllenteile, ein erstes Hüllenteil und eine zweites Hüllenteil, auf. Das erste Hüllenteil kann das zweite Hüllenteil vollständig oder teilweise umhüllen. Vorzugsweise können das erste und das zweite Hüllenteil aneinander angrenzen. Das erste Hüllenteil und das zweite Hüllenteil können vorzugsweise form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig zumindest teilweise miteinander verbunden sein, um die mindestens eine positive Elektrode, die mindestens eine negative Elektrode und den mindestens einen Separators und optional, den zumindest einen Elektrolyten zumindest teilweise zu umgeben.In one embodiment, the enclosure has at least two shell parts, a first shell part and a second shell part. The first shell part may completely or partially envelop the second shell part. Preferably, the first and the second shell part may adjoin one another. The first shell part and the second shell part can preferably be positively and / or positively and / or materially connected to each other at least partially to the at least one positive electrode, the at least one negative electrode and the at least one separator and optionally, the at least one electrolyte at least partially surrounded.

Vorzugsweise passen sich die Hüllenteile wenigstens teilweise an die Form/Kontur der mindestens einen positive Elektrode, der mindestens einen negativen Elektrode und des mindestens einen Separators und optional, des zumindest einen Elektrolyten an. Preferably, the shell parts at least partially adapt to the shape / contour of the at least one positive electrode, the at least one negative electrode and the at least one separator and optionally, the at least one electrolyte.

Die Hüllenteile können vorzugsweise die gleichen oder unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, beispielsweise kann das erste Hüllenteil gute Wärmeleitfähigkeitseigenschaften aufweisen, und das zweite Hüllenteil kann gute isolierende Eigenschaften aufweisen. Die Hüllenteile können zumindest teilweise gleiche oder unterschiedliche Materialien aufweisen oder daraus aufgebaut sein. Beispielsweise kann ein Hüllenteil flexibel ausgestaltet sein, während das andere biegesteif ausgestaltet ist.The shell parts may preferably have the same or different properties, for example, the first shell part may have good thermal conductivity properties, and the second shell part may have good insulating properties. The shell parts can at least partially have the same or different materials or be constructed from it. For example, one shell part can be made flexible, while the other is configured rigid.

In einer Ausführungsform kann zumindest ein Hüllenteil teilweise folienartig ausgebildet sein, vorzugsweise weist das mindestens eine Hüllenteil Verbundmaterial auf.In one embodiment, at least one shell part may be partially film-like, preferably the at least one shell part has composite material.

In einer Ausführungsform ist die Umhüllung insbesondere einteilig ausgebildet. Vorzugsweise besteht das Innere der Umhüllung zumindest teilweise aus Verbundmaterial, welches mindestens ein Polymer, vorzugsweise Polypropylen aufweist. Es soll nicht ausgeschlossen sein, dass das Innere der Umhüllung nur ein Material aufweist, oder nur einteilig aufgebaut ist. Vielmehr ist es vorzugsweise auch möglich, dass das Innere der Umhüllung mehrteilig ausgestaltet ist, was auch eine mehrschichtige Ausgestaltung, wie beispielsweise bei einem Verbundmaterial, mit einschließt, und dass das Innere der Umhüllung mindestens zwei Materialien aufweist, beispielsweise mindestens zwei Polymere, oder mindestens ein Polymer und mindestens ein Metall. Vorzugsweise besteht das Äußere der Umhüllung zumindest teilweise aus Verbundmaterial. Es soll nicht ausgeschlossen sein, dass das Äußere der Umhüllung nur ein Material aufweist, oder nur einteilig aufgebaut ist. Vielmehr ist es vorzugsweise auch möglich, dass das Äußere der Umhüllung mehrteilig ausgestaltet ist, was auch eine mehrschichtige Ausgestaltung, wie beispielsweise bei einem Verbundmaterial, mit einschließt, und dass das Äußere der Umhüllung mindestens zwei Materialien aufweist, beispielsweise mindestens zwei Polymere, oder mindestens ein Polymer und mindestens ein Metall. Vorzugsweise bestehen das Innere und das Äußere der Umhüllung aus dem gleichen Material, vorzugsweise aus einem Verbundmaterial.In one embodiment, the envelope is in particular formed in one piece. Preferably, the interior of the envelope is at least partially made of composite material which comprises at least one polymer, preferably polypropylene. It should not be ruled out that the interior of the envelope has only one material, or is constructed only in one piece. Rather, it is also preferably possible that the interior of the envelope is designed in several parts, which also includes a multi-layered design, such as in a composite material, and that the interior of the envelope has at least two materials, for example at least two polymers, or at least one Polymer and at least one metal. Preferably, the exterior of the enclosure is at least partially made of composite material. It should not be ruled out that the exterior of the envelope has only one material, or is constructed only in one piece. Rather, it is preferably also possible that the exterior of the enclosure is designed in several parts, which also includes a multi-layered design, such as in a composite material, and that the exterior of the enclosure comprises at least two materials, for example at least two polymers, or at least one Polymer and at least one metal. Preferably, the interior and the exterior of the enclosure are made of the same material, preferably a composite material.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umhüllung als Folienumhüllung ausgestaltet und einteilig oder zweiteilig ausgebildet, und weist ein flexibles Verbundmaterial auf oder besteht daraus, wobei das Verbundmaterial mindesten ein Polymer, vorzugsweise zwei Polymere, insbesondere Polyethylen, Polypropylen und/oder Polyethylentherephthalat, aufweist sowie mindestens ein Metall, insbesondere Aluminium. Elektrochemische Zellen, welche solche flexiblen Umhüllungen aufweisen sind dem Fachmann unter dem Namen ”pouch Zelle” oder auch ”coffee bag Zelle” bekannt. Das Verbundmaterial weist insbesondere einen schichtartigen Aufbau auf, vorzugsweise mit folgender Abfolge Polymer 1/Metall/Polymer 2, wobei vorzugsweise zumindest ein Polymer als thermoplastisches Polymer, beispielsweise als Polyolefin, wie etwa Polyethylen oder Polypropylen, ausgestaltet ist, um eine im Wesentlichen gasdichte und/oder fluiddichte Umschließung der mindestens einen positiven Elektrode, der mindestens einen negativen Elektrode und des mindestens einen Separators und/oder optional, des zumindest einen Elektrolyten zu erzielen. Vorzugsweise wird dies durch verschweißen von zwei aufeinander zu liegend kommenden Polymerschichten der Umhüllung erreicht.In a preferred embodiment, the wrapper is configured as a film wrapper and formed in one or two parts, and comprises or consists of a flexible composite material, wherein the composite material comprises at least one polymer, preferably two polymers, in particular polyethylene, polypropylene and / or polyethylene terephthalate, and at least one Metal, in particular aluminum. Electrochemical cells having such flexible sheaths are known to those skilled in the art as "pouch cell" or "coffee bag cell". The composite material has in particular a layered structure, preferably with the following sequence polymer 1 / metal / polymer 2, wherein preferably at least one polymer is designed as a thermoplastic polymer, for example as a polyolefin, such as polyethylene or polypropylene, to form a substantially gas-tight and / or or fluid-tight enclosure of the at least one positive electrode, the at least one negative electrode and the at least one separator and / or optionally, the at least one electrolyte to achieve. This is preferably achieved by welding two polymer layers of the sheath which come to rest on one another.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Umhüllung biegesteif ausgestaltet. Elektrochemische Zellen, welche solche biegesteifen Umhüllungen aufweisen sind dem Fachmann unter dem Namen ”hard case Zelle” bekannt. Vorzugsweise weist eine solche biegesteife Umhüllung Metall auf, insbesondere Aluminium, Kupfer, Eisen oder Stahl.In a further embodiment, the envelope is designed rigid. Electrochemical cells which have such rigid casings are known to the person skilled in the art under the name "hard case cell". Preferably, such a rigid casing metal, in particular aluminum, copper, iron or steel.

Negative ElektrodeNegative electrode

Der Begriff ”negative Elektrode” bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass die Elektrode beim Anschluss an einen Verbraucher, beispielsweise einen Elektromotor, Elektronen abgibt. Somit ist die negative Elektrode, gemäß dieser Konvention, die Anode.The term "negative electrode" in the sense of the present invention means that the electrode emits electrons when connected to a consumer, for example an electric motor. Thus, according to this convention, the negative electrode is the anode.

Vorzugsweise weist die negative Elektrode mindestens ein elektrochemisches Aktivmaterial auf, welches zur Einlagerung und/oder Auslagerung von Redoxkomponenten, insbesondere von Lithiumionen, geeignet ist.Preferably, the negative electrode has at least one electrochemical active material which is suitable for incorporation and / or removal of redox components, in particular of lithium ions.

In einer Ausführungsform ist das elektrochemische Aktivmaterial der negativen Elektrode ausgewählt aus amorphen Graphit, kristallinen Graphit, kohlenstoffhaltigen Materialien, Lithiummetall, Lithiummetall-Legierungen, Titanate, Silikate, Silizium, Silizium-Legierungen, Zinn, Zinnlegierungen oder Mischungen daraus.In one embodiment, the electrochemical active material of the negative electrode is selected from amorphous graphite, crystalline graphite, carbonaceous materials, lithium metal, lithium metal alloys, titanates, silicates, silicon, silicon alloys, tin, tin alloys, or mixtures thereof.

Vorzugsweise weist die negative Elektrode zusätzlich zum elektrochemischen Aktivmaterial noch mindestens einen weiteren Zusatzstoff auf, vorzugsweise einen Zusatzstoff zu Erhöhung der Leitfähigkeit, beispielsweise auf Kohlenstoffbasis, beispielsweise Ruß, und/oder einen redoxaktiven Zusatzstoff, welcher bei Überladung der elektrochemischen Zelle die Zerstörung des elektrochemischen Aktivmaterials reduziert, vorzugsweise minimiert, vorzugsweise verhindert.In addition to the electrochemical active material, the negative electrode preferably also has at least one further additive, preferably an additive for increasing the conductivity, for example based on carbon, for example carbon black, and / or a redox-active additive which, if the electrochemical cell is overcharged, destroys the electrochemical cell reduced electrochemical active material, preferably minimized, preferably prevented.

Vorzugsweise weist die negative Elektrode ein metallisches Substrat auf. Dieses metallische Substrat dient als Kollektor für die Elektronen. Vorzugsweise ist dieses metallische Substrat zumindest teilweise mit zumindest einem elektrochemischen Aktivmaterial beschichtet.Preferably, the negative electrode has a metallic substrate. This metallic substrate serves as a collector for the electrons. Preferably, this metallic substrate is at least partially coated with at least one electrochemical active material.

In einer Ausführungsform weist das auf dem metallischen Substrat aufgebrachte Aktivmaterial ein Bindemittel auf, welches befähigt ist, die Kohäsion im Aktivmaterial und/oder die Adhäsion zwischen elektrochemischen Aktivmaterial und einem metallischen Substrat zu verbessern. Vorzugsweise weist solch ein Bindemittel ein Polymer, vorzugsweise ein fluoriertes Polymer, vorzugsweise Polyvinylidenfluorid auf, welches unter den Handelsnamen Kynar® oder Dyneon® vertrieben wird.In one embodiment, the active material applied to the metallic substrate comprises a binder which is capable of improving the cohesion in the active material and / or the adhesion between electrochemical active material and a metallic substrate. Preferably, such a binder comprises a polymer, preferably a fluorinated polymer, preferably polyvinylidene fluoride on, which is sold under the trade names Kynar ® or Dyneon ®.

Positive ElektrodePositive electrode

Der Begriff ”positive Elektrode” bedeutet, dass die Elektrode beim Anschluss an einen Verbraucher, beispielsweise einen Elektromotor, Elektronen aufnimmt. Somit ist die positive Elektrode, gemäß dieser Konvention, die Kathode.The term "positive electrode" means that the electrode receives electrons when connected to a consumer, such as an electric motor. Thus, according to this convention, the positive electrode is the cathode.

Vorzugsweise weist die positive Elektrode der elektrochemischen Zelle mindestens ein elektrochemisches Aktivmaterial auf, welches zur Einlagerung und/oder Auslagerung von Redoxkomponenten, insbesondere von Lithiumionen, geeignet ist.The positive electrode of the electrochemical cell preferably has at least one electrochemical active material which is suitable for incorporation and / or removal of redox components, in particular of lithium ions.

In einer Ausführungsform ist das elektrochemische Aktivmaterial der positiven Elektrode ausgewählt aus mindestens einem Oxid, vorzugsweise einem Mischoxid, welches ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Nickel, Mangan, Kobalt, Phosphor, Eisen oder Titan aufweist.In one embodiment, the positive electrode electrochemical material is selected from at least one oxide, preferably a composite oxide, which has one or more elements selected from nickel, manganese, cobalt, phosphorus, iron or titanium.

In einer Ausführungsform weist die positive Elektrode eine Verbindung mit der Formel LiMPO4 auf, wobei M wenigstens ein Übergangsmetall-Kation ist, vorzugsweise ein Übergangsmetall-Kation der ersten Reihe der Übergangsmetalle des Periodensystems der Elemente.In one embodiment, the positive electrode comprises a compound having the formula LiMPO 4 wherein M is at least one transition metal cation, preferably a transition metal cation of the first series of transition metals of the Periodic Table of the Elements.

Das mindestens eine Übergangsmetall-Kation ist vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt oder Titan oder einer Kombination dieser Elemente gewählt. Die Verbindung weist vorzugsweise eine Olivinstruktur auf, vorzugsweise übergeordnetes Olivin, wobei Eisen oder Kobalt besonders bevorzugt sind, vorzugsweise LiFePO4 oder LiCoPO4. Die Verbindung kann aber auch eine Struktur verschieden von der Olivinstruktur aufweisen.The at least one transition metal cation is preferably selected from the group consisting of manganese, iron, nickel, cobalt or titanium or a combination of these elements. The compound preferably has an olivine structure, preferably parent olivine, with iron or cobalt being particularly preferred, preferably LiFePO 4 or LiCoPO 4 . However, the compound may also have a structure different from the olivine structure.

In einer weiteren Ausführungsform weist die positive Elektrode ein Oxid auf, vorzugsweise ein Übergangsmetalloxid, oder ein Übergangsmetallmischoxid, vorzugsweise vom Spinell-Typ, vorzugsweise ein Lithium-Manganat, vorzugsweise LiMn2O4, ein Lithium-Kobaltat, vorzugsweise LiCoO2, oder ein Lithium-Nickelat, vorzugsweise LiNiO2, oder ein Gemisch aus zwei oder drei dieser Oxide. Die Oxide können aber auch verschieden vom Spinell-Typ sein.In a further embodiment, the positive electrode comprises an oxide, preferably a transition metal oxide, or a transition metal mixed oxide, preferably of the spinel type, preferably a lithium manganate, preferably LiMn 2 O 4 , a lithium cobaltate, preferably LiCoO 2 , or a lithium Nickelate, preferably LiNiO 2 , or a mixture of two or three of these oxides. However, the oxides can also be different from the spinel type.

Weiterhin bevorzugt kann die positive Elektrode zusätzlich zu den vorhergenannten Übergangsmetalloxiden ausschließlich ein Lithium-Übergangsmetallmischoxid aufweisen, welches Mangan, Kobalt und Nickel enthält, vorzugsweise ein Lithium-Kobalt-Manganat, vorzugsweise LiOoMnO4, vorzugsweise ein Lithium-Nickel-Manganat, vorzugsweise LiNi0.5Mn1,5O4, vorzugsweise ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid, vorzugsweise LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2, oder ein Lithium-Nickel-Kobalt-Oxid, vorzugsweise LiNiCoO2, welche im Spinell-Typ oder abweichend vom Spinell-Typ vorliegen können.Further preferably, in addition to the aforementioned transition metal oxides, the positive electrode may comprise exclusively a lithium transition metal mixed oxide containing manganese, cobalt and nickel, preferably a lithium cobalt manganate, preferably LiOoMnO 4 , preferably a lithium nickel manganate, preferably LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , preferably a lithium-nickel-manganese-cobalt oxide, preferably LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 , or a lithium-nickel-cobalt oxide, preferably LiNiCoO 2 , which in Spinel type or different from the spinel type may be present.

Vorzugsweise weist die positive Elektrode zusätzlich zum elektrochemischen Aktivmaterial noch mindestens einen weiteren Zusatzstoff auf, vorzugsweise einen Zusatzstoff zu Erhöhung der Leitfähigkeit, beispielsweise auf Kohlenstoffbasis, beispielsweise Ruß, und/oder einen redoxaktiven Zusatzstoff, welcher bei Überladung der elektrochemischen Zelle die Zerstörung des elektrochemischen Aktivmaterials reduziert, vorzugsweise minimiert, vorzugsweise verhindert.In addition to the electrochemical active material, the positive electrode preferably has at least one further additive, preferably an additive for increasing the conductivity, for example based on carbon, for example carbon black, and / or a redox-active additive which reduces the destruction of the electrochemical active material when the electrochemical cell is overcharged , preferably minimized, preferably prevented.

Vorzugsweise weist die positive Elektrode ein Bindemittel auf, welches befähigt ist, die Kohäsion im Aktivmaterial und/oder die Adhäsion zwischen elektrochemischen Aktivmaterial und einem metallischen Substrat zu verbessern. Vorzugsweise weist solch ein Bindemittel ein Polymer, vorzugsweise ein fluoriertes Polymer, vorzugsweise Polyvinylidenfluorid auf, welches unter den Handelsnamen Kynar® oder Dyneon® vertrieben wird.Preferably, the positive electrode comprises a binder which is capable of improving the cohesion in the active material and / or the adhesion between electrochemical active material and a metallic substrate. Preferably, such a binder comprises a polymer, preferably a fluorinated polymer, preferably polyvinylidene fluoride on, which is sold under the trade names Kynar ® or Dyneon ®.

Vorzugsweise weist die positive Elektrode ein metallisches Substrat (”Kollektor”) auf. Vorzugsweise ist dieses metallische Substrat zumindest teilweise mit elektrochemischen Aktivmaterial beschichtet.Preferably, the positive electrode has a metallic substrate ("collector"). Preferably, this metallic substrate is at least partially coated with electrochemical active material.

Substratsubstratum

Der Begriff ”Substrat” betrifft im Sinne der vorliegenden Erfindung dasjenige Bauteil einer elektrochemischen Zelle, welches als ”Elektrodenträger” und ”Kollektor” bekannt ist und im Wesentlichen der Zufuhr bzw. Abfuhr von Elektroden zum/vom Aktivmaterial dient. Das metallische Substrat ist vorliegend zum Aufbringen von elektrochemischer Aktivmasse geeignet und ist im Wesentlichen metallischer Natur, vorzugsweise vollständig metallischer Natur, enthält also ”freie” Elektronen.The term "substrate" in the context of the present invention relates to that component of an electrochemical cell which is known as "electrode carrier" and "collector" and essentially serves the supply or removal of electrodes to / from the active material. In the present case, the metallic substrate is suitable for applying electrochemical active composition and is substantially more metallic Nature, preferably completely metallic nature, thus contains "free" electrons.

Vorzugsweise weist mindestens eine Elektrode zumindest teilweise ein metallisches Substrat auf. Vorzugsweise ist dieses metallische Substrat zumindest teilweise als Folie oder als Netzstruktur oder als Gewebe ausgestaltet.Preferably, at least one electrode has at least partially a metallic substrate. Preferably, this metallic substrate is at least partially designed as a film or as a network structure or as a fabric.

In einer Ausführungsform weist ein metallisches Substrat Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung auf. In einer weiteren Ausführungsform weist ein metallisches Substrat Aluminium auf. In einer Ausführungsform kann das metallische Substrat als Folie, Netzstruktur oder Gewebe ausgestaltet sein, welches vorzugsweise zumindest teilweise Kunststoffe aufweist.In one embodiment, a metallic substrate comprises copper or a copper-containing alloy. In a further embodiment, a metallic substrate comprises aluminum. In one embodiment, the metallic substrate can be configured as a film, mesh structure or fabric, which preferably comprises at least partially plastics.

Vorzugsweise weisen bis zu 30%, vorzugsweise bis zu 50%, vorzugsweise bis zu 70%, vorzugsweise bis zu 100% der Gesamtoberfläche eines metallischen Substrates mindestens eine Schicht auf, welche mindestens ein elektrochemisches Aktivmaterial aufweist, welches zur Einlagerung und/oder Auslagerung von Lithiumionen geeignet ist.Preferably, up to 30%, preferably up to 50%, preferably up to 70%, preferably up to 100%, of the total surface of a metallic substrate has at least one layer which has at least one electrochemical active material which is suitable for incorporation and / or removal of lithium ions suitable is.

Separatorseparator

Unter ”Separator” (der Begriff ”Separatormaterial” ist zu ”Separator” synonym) im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Material zu verstehen, das die mindestens eine negative Elektrode und die mindestens eine positive Elektrode der elektrochemischen Zelle voneinander trennt, insbesondere voneinander beabstandet, insbesondere elektrisch isoliert."Separator" (the term "separator material" is synonymous with "separator") in the sense of the present invention is a material which separates the at least one negative electrode and the at least one positive electrode of the electrochemical cell, in particular spaced apart from one another, especially electrically isolated.

Der Begriff ”Vlies” wird im Folgenden synonym mit Begriffen wie ”nonwoven fabrics”, ”nonwoven material”; ”Gewirke”; ”Vliesstoff” oder ”Filz” verwendet. Statt des Begriffs ”ungewebt” wird auch der Begriff ”nicht verwebt” verwendet.In the following, the term "nonwoven" becomes synonymous with terms such as "nonwoven fabrics", "nonwoven material"; "Knitted"; "Nonwoven" or "felt" used. Instead of the term "unwoven" the term "not woven" is used.

Der für die elektrochemische Zelle verwendete Separator ist vorzugsweise für Lithium-Ionen durchlässig. Dies hat den Vorteil, dass der Ionentransport der Lithiumionen zwischen der mindestens einen positiven und der mindestens einen negativen Elektrode gewährleistet werden kann.The separator used for the electrochemical cell is preferably permeable to lithium ions. This has the advantage that the ion transport of the lithium ions between the at least one positive and the at least one negative electrode can be ensured.

Andererseits ist der Separator vorzugsweise für Elektronen isolierend, d. h. der Separator ist vorzugsweise nicht oder schlecht elektronenleitend sein. Dies hat den Vorteil, dass so ein direkter Elektronenfluss zwischen der positiven und der negativen Elektrode verhindert wird, da dies zu einem Kurzschluss der Batterie führen würde.On the other hand, the separator is preferably insulating for electrons, i. H. the separator is preferably not or poorly electronically conductive. This has the advantage that a direct flow of electrons between the positive and the negative electrode is prevented, since this would lead to a short circuit of the battery.

In einer Ausführungsform weist der Separator Polymerfasern aus, die ausgewählt sind aus der Gruppe von Polymeren bestehend aus Polyethylenglykolterephthalat, Polyolefin, Polyetherimid, Polyamid, Polyacrylnitril, Polycarbonat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyvinylidenfluorid, Polystyrol, Polyester, Polyimid, Polyamidimid, Polyether, Polyphenylensulfid, Aramid oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Polymere.In one embodiment, the separator comprises polymer fibers selected from the group of polymers consisting of polyethylene glycol terephthalate, polyolefin, polyetherimide, polyamide, polyacrylonitrile, polycarbonate, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, polystyrene, polyester, polyimide, polyamideimide, polyether, polyphenylene sulfide, aramid or mixtures of two or more of these polymers.

Polyolefine sind beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid. Halogenhaltige Polyolefine wie etwa Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylchlorid sind gleichfalls einsetzbar.Polyolefins are, for example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride. Halogen-containing polyolefins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride are also usable.

Polyester sind beispielsweise Polyethylenterephthalat oder Polybutylenterephthalat.Polyesters are, for example, polyethylene terephthalate or polybutylene terephthalate.

Polyamide sind beispielsweise die bekannten Typen PA 6.65 und PA 6.0, die unter den Markenbezeichnungen Nylon® und Perlon® bekannt sind.Polyamides are for example the known types PA 6.65 and PA 6.0, known under the brand names Perlon Nylon ® and ®.

Aramide sind beispielsweise meta-Aramid und para-Aramid, welche unter den Markenbezeichnungen Nomex® und Kevlar® bekannt sind.Aramids are, for example meta-aramid and para-aramid, which are known under the brand names Nomex ® and Kevlar ®.

Polyamidimide sind beispielsweise unter der Markenbezeichung Kermel® bekannt.Polyamide are known for example under the Markenbezeichung Kermel ®.

Bevorzugte Polymerfasern sind Polymerfasern aus Polyethylenterephthalat.Preferred polymer fibers are polymer fibers of polyethylene terephthalate.

Vorzugsweise besteht der Separator aus einem Polyolefin oder aus einem Gemisch von Polyolefinen. Besonders bevorzugt in dieser Ausführungsform ist dann ein Separator, der aus einem Gemisch von Polyethylen und Polypropylen besteht.Preferably, the separator consists of a polyolefin or of a mixture of polyolefins. Particularly preferred in this embodiment is then a separator which consists of a mixture of polyethylene and polypropylene.

Vorzugsweise weisen solche Separatoren eine Schichtdicke von 3 bis 14 μm auf.Preferably, such separators have a layer thickness of 3 to 14 .mu.m.

Die Polymere liegen vorzugsweise in Form von Fasernvliesen vor, also in Form von ungewebten Polymerfasern, die elektrisch nicht leitend sind. Derartige Vliese werden insbesondere durch Spinnverfahren mit nachfolgender Verfestigung hergestellt.The polymers are preferably in the form of nonwoven fiber webs, ie in the form of nonwoven polymer fibers which are not electrically conductive. Such nonwovens are produced in particular by spinning processes with subsequent solidification.

Die Polymerfasern weisen vorzugsweise einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,1 bis 10 μm, vorzugsweise von 1 bis 4 μm auf.The polymer fibers preferably have an average diameter of 0.1 to 10 .mu.m, preferably from 1 to 4 .mu.m.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Separator ein Vlies auf, vorzugsweise ein Vlies aus unverwebten Polymerfasern, welches ein- oder beidseitig mit einem anorganischen Material, vorzugsweise mit einem anorganischen Material das für Ionen durchlässig ist, beschichtet sind.In a preferred embodiment, the separator comprises a nonwoven, preferably a nonwoven web of nonwoven polymer fibers, which are coated on one or both sides with an inorganic material, preferably with an inorganic material which is permeable to ions.

Der Begriff ”Beschichtung” bedeutet im Sinne der Erfindung auch, dass sich das anorganische Material nicht nur auf einer Seite oder beiden Seiten des Vlieses befinden kann, sondern auch innerhalb des Vlieses.The term "coating" in the context of the invention also means that the inorganic material is not only on one side or both sides of the Fleece can be located, but also within the fleece.

Das anorganische Material ist vorzugsweise für Ionen durchlässig, und zwar vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend, d. h. ionenleitend für Lithiumionen. Das für die Beschichtung verwendete anorganische Material ist vorzugsweise wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zirkon, Aluminium, Silizium oder Lithium.The inorganic material is preferably ion-permeable, preferably ionically conductive in a temperature range of -40 ° C to 200 ° C, i. H. ionic for lithium ions. The inorganic material used for the coating is preferably at least one compound from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates of at least one of zirconium, aluminum, silicon or lithium.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist auf oder besteht das anorganische Material aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid oder Aluminiumoxid und Zirkonoxid.In a preferred embodiment, the inorganic material comprises or consists of alumina or zirconia or alumina and zirconia.

In einer Ausführungsform kann ein Separator verwendet werden, welcher aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist. Dieser Träger ist auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger wird ein organisches Material verwendet, welches als nichtverwebtes Vlies, also aus nicht-verwebten Polymerfasern, ausgestaltet ist. Das organische Material ist in Form von Polymerfasern ausgestaltet, vorzugsweise Polymerfasern des Polyethylenterephthalats (PET). Das Vlies ist mit einem anorganischen Material beschichtet, welches vorzugsweise für Ionen durchlässig ist, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C für Ionen durchlässig ist. Das anorganische Material weist bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zirkon, Aluminium, Lithium, besonders bevorzugt Aluminiumoxid auf. Bevorzugt weist das anorganische Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf.In one embodiment, a separator may be used, which consists of an at least partially permeable carrier, which is not or only poorly electron-conducting. This support is coated on at least one side with an inorganic material. As an at least partially permeable carrier an organic material is used, which is designed as a non-woven fleece, so from non-woven polymer fibers. The organic material is in the form of polymer fibers, preferably polymer fibers of polyethylene terephthalate (PET). The nonwoven is coated with an inorganic material, which is preferably permeable to ions, preferably in a temperature range of -40 ° C to 200 ° C is permeable to ions. The inorganic material preferably has at least one compound from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates with at least one of the elements zirconium, aluminum, lithium, particularly preferably aluminum oxide. The inorganic material preferably has particles with a largest diameter below 100 nm.

Ein solcher Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen ”Separion®” von der Firma Evonik AG in Deutschland vertrieben. Verfahren zur Herstellung derartiger Separatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der EP 1 017 476 B1 , WO 2004/021477 und WO 2004/021499 .Such a separator is marketed in Germany, for example, under the trade name "Separion ®" by the company Evonik AG. Methods for producing such separators are known from the prior art, for example from the EP 1 017 476 B1 . WO 2004/021477 and WO 2004/021499 ,

Im Folgenden werden besonders bevorzugte Ausführungsformen des verwendeten Separators sowie die Vorteile insbesondere unter Sicherheitsaspekten zusammengefasst.In the following, particularly preferred embodiments of the separator used and the advantages are summarized in particular in terms of safety.

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 Lithiumhochenergie-Batterie 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 lithium high energy battery.

Polymerseparatoren unterbinden i. a. 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 (eine Berstscheibe), häufig unter Feuererscheinungen, abgebaut werden.Polymer separators prevent i. a. above a certain temperature (the so-called "shut-down temperature", which is typically 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 (a rupture disc), often under fire phenomena.

Bei dem in der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle verwendeten Separator aufweisend ein Vlies aus ungewebten Polymerfasern und die 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 verhindern.In the separator used in the electrochemical cell according to the invention comprising a nonwoven fabric made of nonwoven polymer fibers and the inorganic coating, it can only come to shutdown (shutdown), when the polymer melted by the high temperature of the carrier material and penetrates into the pores of the inorganic material and this closes it. 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. Due to 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 precisely matched in their particle size oxide particles for the preparation of the porous (ceramic) coating a particularly high porosity of the finished separator is achieved, the pores are still small enough to unwanted growth of "lithium whiskers" through to prevent the separator.

Aufgrund der hohen Porosität des Separators muss allerdings dafür Sorge getragen werden, dass in den Poren kein oder ein möglichst geringer Totraum entsteht. Due to the high porosity of the separator, however, care must be taken to ensure that no or as little dead space as possible is created in the pores.

Dies geschieht dadurch, dass aufgrund der hohen Porosität in Verbindung mit der geringen Dicke des Separators es möglich, den Separator vollständig oder zumindest nahezu vollständig mit dem Elektrolyten zu tränken, so dass keine 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.This happens because due to the high porosity in combination with the small thickness of the separator, it is possible to impregnate the separator completely or at least almost completely with the electrolyte, so that no dead spaces in individual areas of the separator and thus in certain windings or laminations of 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.

Die für die Erfindung eingesetzten 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.The separators used for the invention also have the advantage that partially attach 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.

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.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.

Der für die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle verwendete Separator, aufweisend 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, zeichnet 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 separator used for the electrochemical cell according to the invention, 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, is also characterized in that the nonwoven 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 weist der Separator ein Vlies auf, welches eine Dicke von 30 μm und weniger, vorzugsweise von 5 bis 30 μm, vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 20 μm aufweist. Besonders wichtig ist auch eine möglichst homogene Porenradienverteilung im Vlies wie oben angegeben. Eine noch homogenere 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 muss. Zudem erlauben dünnere Separatoren eine erhöhte Packungsdichte in einem Batteriestapel, so dass man im gleichen Volumen eine größere Energiemenge speichern kann.Particularly preferably, the separator has a nonwoven, which has a thickness of 30 microns and less, preferably from 5 to 30 microns, preferably a thickness of 10 to 20 microns. Also particularly important is a homogeneous distribution of pore radii in the web as indicated above. An even more homogeneous pore radius distribution in the nonwoven, 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 must have insulating properties. In addition, thinner separators allow increased packing density in a battery pack so that one can store a larger amount of energy in the same volume.

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 wie oben definiert, auf. Vorzugsweise sind diese ausgewählt sind aus den vorstehend aufgeführten Polymeren, vorzugsweise 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 preferably has non-electrically conductive fibers of polymers as defined above as polymer fibers for the nonwoven fabric. Preferably, these are selected from the polymers listed above, preferably polyacrylonitrile (PAN), polyesters, such as. 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 bevorzugten Ausführungsform weist der Separator eine, auf und im Vlies befindliche, poröse, elektrisch isolierende, keramische Beschichtung auf. Vorzugsweise weist die auf und 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, bevorzugt von 1 bis 5 μm und ganz besonders bevorzugt von 1,5 bis 3 μm auf.In a preferred embodiment, the separator has a, on and in the non-woven, porous, electrically insulating, ceramic coating. The porous inorganic coating on and 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 μm and very particularly preferably of 1 , 5 to 3 microns on.

Besonders bevorzugt weist der Separator 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, the separator has a porous inorganic coating on and in the nonwoven, the 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 der Separator, vorzugsweise aufweisend ein Vlies und eine keramische Beschichtung, 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 elektrochemische Zelle verwendeten Separatoren zeichnen sich weiterhin 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 herab zu 1 mm biegen.Preferably, the separator, preferably comprising a nonwoven and a ceramic coating, a porosity of 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 electrochemical cell according to the invention are further 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 down to 1 mm.

Die hohe Reißfestigkeit und die gute Biegbarkeit des Separators haben den Vorteil, dass beim Laden und Entladen einer Batterie auftretende Veränderungen der Geometrien der Elektroden durch den Separator mitgemacht werden können, ohne dass dieser beschädigt wird. Die Biegbarkeit hat zudem den Vorteil, dass dies den Separator auch in Kombination mit gewickelten Elektroden, welche beispielsweise kommerziell standardisierten Wickelzellen verwendet werden, einsatzfähig macht. Bei solchen standardisierten Wickelzellen werden die Elektroden/Separator-Lagen in standardisierter Größe miteinander spiralförmig aufgewickelt und kontaktiert.The high tensile strength and the good bendability of the separator have the advantage that changes in the geometries of the electrodes occurring during the charging and discharging of a battery can be through the separator without being damaged. The flexibility also has the advantage that this makes the separator also in combination with wound electrodes, which are used for example commercially standardized winding cells, operational. In such standardized winding cells, the electrodes / separator layers are spirally wound together in a standardized size and contacted.

In einer Ausführungsform ist es möglich, den 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.In one embodiment, it is possible to design the separator to have 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.

In einer weiteren Ausführungsform weist das im Separator verwendete Polymervlies ein weiteres Polymer auf. 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 the separator has a further polymer. Preferably, this polymer is disposed 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 Polymere 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, der mit einer oder mehreren Schichten des weiteren Polymers, vorzugsweise des Polyolefins, das vorzugsweise gleichfalls als Vlies, also als nicht verwebte Polymerfasern vorliegt, beschichtet ist.Particular preference is given to a separator of the above-described type of separation which is coated with one or more layers of the further polymer, preferably of the polyolefin, which is preferably likewise present as a nonwoven, that is to say as nonwoven polymer fibers.

Die Beschichtung mit dem weiteren Polymer, 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 EP 1 852 926 bekannt.The coating with the further polymer, preferably with the polyolefin, can be achieved by gluing, lamination, by a chemical reaction, by welding or by a mechanical connection. Such polymer composites and processes for their preparation are known from EP 1 852 926 known.

Vorzugsweise sind die Faserdurchmesser des Polyethylenterephthalat-Vlieses größer als die Faserdurchmesser des weiteren Polymer-Vlieses, 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 Polymere gefertigt, wodurch Vliese gebildet werden, die eine hohe Porosität unter Ausbildung geringer Porendurchmesser aufweisen. Damit kann die Gefahr von Kurzschlussreaktionen weiter vermindert werden, wie auch die Gefahr der unerwünschten Diffusion von Polysulfidanionen durch den Separator hindurch.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. Thus, the risk of short circuit reactions can be further reduced, as well as the risk of unwanted diffusion of polysulfide anions through the separator.

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 weiteren Ausführungsform des Separators besteht dieser aus einem anorganischen Material. Vorzugsweise werden als anorganisches Material Oxide des Magnesiums, Calciums, Aluminiums, Siliziums und Titans eingesetzt, sowie Silikate und Zeolithe, Borate und Phosphate. Derartige Materialien für Separatoren sowie Verfahren zur Herstellung der Separatoren werden in EP 1 783 852 offenbart. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Ausführungsform eines Separators besteht der Separator aus Magnesiumoxid.In a further embodiment of the separator, this consists of an inorganic material. Preferably, the inorganic material used are oxides of magnesium, calcium, aluminum, silicon and titanium, as well as silicates and zeolites, borates and phosphates. Such materials for separators and processes for the preparation of the separators are in EP 1 783 852 disclosed. In a preferred embodiment of this embodiment of a separator, the separator consists of magnesium oxide.

In einer weiteren Ausführungsform des Separators können 50 bis 80 Gew.-% des Magnesiumoxids durch Calciumoxid, Bariumoxid, Bariumcarbonat, Lithium-, Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Calcium-, Bariumphosphat oder durch Lithium-, Natrium-, Kaliumborat, oder Mischungen dieser Verbindungen, ersetzt sein.In a further embodiment of the separator 50 to 80 wt .-% of the magnesium oxide by calcium oxide, barium oxide, barium carbonate, lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium, barium phosphate or by lithium, sodium, potassium borate, or Mixtures of these compounds, be replaced.

Vorzugsweise weisen die Separatoren dieser Ausführungsform eine Schichtdicke von 4 bis 25 μm auf.The separators of this embodiment preferably have a layer thickness of 4 to 25 μm.

Elektrolytelectrolyte

Unter ”Elektrolyt” (der Begriff ”Elektrolytmaterial” ist zu ”Elektrolyt” synonym) im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Material zu verstehen, welches als Innenleiter am Transport der Ladungsträger, insbesondere der Lithiumionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und umgekehrt während Lade- und Entladevorgängen der elektrochemischen Zelle beteiligt ist."Electrolyte" (the term "electrolyte material" is synonymous with "electrolyte") in the sense of the present invention is a material which acts as an internal conductor to transport the charge carriers, in particular the lithium ions from the positive electrode to the negative electrode and vice versa - And discharging the electrochemical cell is involved.

In einer Ausführungsform weist die elektrochemische Zelle zumindest einen Elektrolyten auf.In one embodiment, the electrochemical cell has at least one electrolyte.

Ein Elektrolyt weist vorzugsweise eine Flüssigkeit und ein Leitsalz auf.An electrolyte preferably comprises a liquid and a conducting salt.

Vorzugsweise ist die Flüssigkeit ein Lösungsmittel, insbesondere ein organisches Lösemittel für das Leitsalz. Vorzugsweise liegt der Elektrolyt dann als Elektrolytlösung vor.Preferably, the liquid is a solvent, in particular an organic solvent for the conducting salt. Preferably, the electrolyte is then present as an electrolyte solution.

Geeignete Elektrolyte sind aus dem Stand der Technik bekannt.Suitable electrolytes are known in the art.

Insbesondere kann als Elektrolyt kann ein nicht-wässriger Elektrolyt, bestehend aus mindestens einem organischen Lösemittel und mindestens einem Alkaliionen-haltigen, vorzugsweise Lithiumionen-haltigen anorganischen oder organischen Salz, verwendet werden.In particular, as the electrolyte, a non-aqueous electrolyte consisting of at least one organic solvent and at least one alkali ion-containing, preferably lithium ion-containing inorganic or organic salt can be used.

Als organisches Lösemittel können prinzipiell alle, dem Fachmann bekannten, Lösemittel dienen, welche in Elektrolyten von elektrochemischen Zellen zum Einsatz kommen.In principle, all solvents known to the person skilled in the art which are used in electrolytes of electrochemical cells can serve as the organic solvent.

Geeignete Lösungsmittel sind vorzugsweise organisch und inert. Vorzugsweise wird das Lösemittel ausgewählt aus Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat, Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Dipropylcarbonat (DPC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylpropylcarbonat, Butylmethylcarbonat, Ethylpropylcarbonat, Cyclopentanone, Methylformiat (MF), Methylacrylat (MA), Methylbutyrat (MB), Methylacetat, Ethylacetat (EA), 1,2-Dimethoxyethan, 3-Methyl-1,3-oxazolidin-2-on, γ-Butyrolacton, Tetrahydrofuran (THF), 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxylan, 1,3-Propansulton, Sulfulan, Ethylmethylsulfon (EMS), Tetramethylensulfon (TMS), Butylsulfon (BS), Ethylvinylsulfon (EVS), Dimethylsulfoxid, 1-Fluor-2-(methylsulfonyl)benzol (FS), Acetonitril, Nitromethan oder Phosphorsäureester, oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Lösemittel.Suitable solvents are preferably organic and inert. Preferably, the solvent is selected from ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate, butyl methyl carbonate, ethyl propyl carbonate, cyclopentanones, methyl formate (MF). , Methyl acrylate (MA), methyl butyrate (MB), methyl acetate, ethyl acetate (EA), 1,2-dimethoxyethane, 3-methyl-1,3-oxazolidin-2-one, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran , 1,3-Dioxylane, 1,3-Propanesultone, Sulfulan, Ethylmethylsulfone (EMS), Tetramethylenesulfone (TMS), Butylsulfone (BS), Ethylvinylsulfone (EVS), Dimethylsulfoxide, 1-Fluoro-2- (methylsulfonyl) benzene (FS) , Acetonitrile, nitromethane or phosphoric acid esters, or mixtures of two or more of these solvents.

Bevorzugte Leitsalze sind Alkaliionenhaltige Salze, welche inerte Anionen aufweisen und welche sind nicht-toxisch sind. Vorzugsweise weist das Alkaliionen-haltige, vorzugsweise Lithiumionen-haltige Leitsalz ein oder mehrere Gegenionen auf, ausgewählt aus AsF6 , PF6 , PF3(C2F5)3 , PF3(CF3)3 , BF4 , BF2(CF3)2 , BF3(CF3), [B(COOCOO)2], [B(C6H5)4], Cl, Br, AlCl4 , CF3SO3 , C4F9SO3 , [(SO2CxF2x+1)3C] mit 0 ≤ x ≤ 8, vorzugsweise [(CF3SO2)3C], [(CF3SO2)2N], [(C2F5SO2)N], [(CN)2N], ClO4 , SiF6 , oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Salze.Preferred conductive salts are alkali metal-containing salts which have inert anions and which are non-toxic. Preferably, the alkali metal-containing, preferably lithium-ion-containing conductive salt has one or more counterions selected from AsF 6 - , PF 6 - , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 - , PF 3 (CF 3 ) 3 - , BF 4 - , BF 2 (CF 3 ) 2 - , BF 3 (CF 3 ) - , [B (COOCOO) 2 ] - , [B (C 6 H 5 ) 4 ] - , Cl - , Br - , AlCl 4 - , CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - , [(SO 2 C x F 2x + 1 ) 3 C] - where 0 ≤ x ≤ 8, preferably [(CF 3 SO 2 ) 3 C] - , [ (CF 3 SO 2 ) 2 N] - , [(C 2 F 5 SO 2 ) N] - , [(CN) 2 N] - , ClO 4 - , SiF 6 - , or mixtures of two or more of these salts.

Vorzugsweise ist der Separator der elektrochemischen Zelle mit dem Elektrolyten getränkt. In einer Ausführungsform ist der Separator mit einem Elektrolyten getränkt, welcher als ionische Flüssigkeit ausgestaltet ist. Preferably, the separator of the electrochemical cell is impregnated with the electrolyte. In one embodiment, the separator is impregnated with an electrolyte which is designed as an ionic liquid.

Ionische Flüssigkeiten sind ionische Verbindungen welche bei Raumtemperatur in flüssigem Zustand vorliegen. Ionische Flüssigkeiten bestehen aus Anionen und Kationen, wobei das Größenverhältnis zwischen Kationen und Anionen so gewählt ist, dass diese bei Raumtemperatur sich nicht in einem Kristallgitter anordnen, wodurch ein bei Raumtemperatur flüssiges Salz erhalten werden kann, welches als ionische Flüssigkeit bezeichnet wird.Ionic liquids are ionic compounds which are in a liquid state at room temperature. Ionic liquids consist of anions and cations, with the size ratio between cations and anions chosen so that they do not dispose at room temperature in a crystal lattice, whereby a liquid at room temperature salt can be obtained, which is referred to as ionic liquid.

Die ionische Flüssigkeit weist dabei typischerweise ”große” organische Kationen, wie beispielsweise das Ethylmethylimidazolium-Kation, und relativ ”kleine” Anionen, wie beispielsweise das Tetrafluoroborat-Anion auf.The ionic liquid typically has "large" organic cations, such as the ethylmethylimidazolium cation, and relatively "small" anions, such as the tetrafluoroborate anion.

Vorzugsweise werden ionische Flüssigkeiten verwendet, welche kationische Imidazolhaltige Derivate, insbesondere das Kation Ethyl-Methyl-Imidazolium aufweisen. Weitere Beispiele für verwendbare Kationen, die außerdem alkyliert sein können, sind Imidazolium-, Pyridinium-, Pyrrolidinium-, Guanidinium-, Uronium-, Thiuronium-, Piperidinium-, Morpholinium-, Sulfonium-, Ammonium- und Phosphonium-Kationen.Preferably, ionic liquids are used which have cationic imidazole-containing derivatives, in particular the cation ethyl-methyl-imidazolium. Further examples of useful cations which may also be alkylated are imidazolium, pyridinium, pyrrolidinium, guanidinium, uronium, thiuronium, piperidinium, morpholinium, sulfonium, ammonium and phosphonium cations.

Bevorzugte Anionen können ausgewählt werden aus der Gruppe AlCl4, Al2Cl7, F, F × HF, NO2, NO3, BF4, AlF4, PF6, AsF6, SbF6, NbF6, TaF6, WF7, CH3CO2, CF3CO2, C3F7CO2, CH3SO3, CF3SO3, C4F9SO3, (CF3CO)(CF3SO3)N, (CF3SO2)2N, (CF3SO2)(C2F5SO2)N, (C2F5SO2)2N, (CF3SO2)3C, (CN)2N, (CN)3C, CF3BF3, C2F5BF3, C3F7BF3, C4F9BF3 oder Mischungen daraus.Preferred anions can be selected from the group AlCl 4 , Al 2 Cl 7 , F, F × HF, NO 2 , NO 3 , BF 4 , AlF 4 , PF 6 , AsF 6 , SbF 6 , NbF 6 , TaF 6 , WF 7 , CH 3 CO 2 , CF 3 CO 2 , C 3 F 7 CO 2 , CH 3 SO 3 , CF 3 SO 3 , C 4 F 9 SO 3 , (CF 3 CO) (CF 3 SO 3 ) N, CF 3 SO 2 ) 2 N, (CF 3 SO 2 ) (C 2 F 5 SO 2 ) N, (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, (CF 3 SO 2 ) 3 C, (CN) 2 N, (CN) 3 C, CF 3 BF 3 , C 2 F 5 BF 3 , C 3 F 7 BF 3 , C 4 F 9 BF 3 or mixtures thereof.

Als beispielhafte ionische Flüssigkeiten seien genannt: N-Methyl-N-propylpiperidinium-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.Examples of ionic liquids which may be mentioned are: N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, N-methyl-N-butyl-pyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, N-butyl-N-trimethyl-ammonium bis (Trifluoromethylsulfonyl) imide, triethylsulfonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) -ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) -imide.

Weiterhin kann der Elektrolyt Hilfsstoffe aufweisen, die in Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien üblicherweise Anwendung finden. Beispielsweise sind dies Radikalfänger wie Biphenyl, flammhemmende Zusätze wie organische Phosphorsäureester oder Hexamethylphosphoramid, oder Säurefänger wie Amine.Furthermore, the electrolyte may have adjuvants that are 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.

Weiterhin weist der Elektrolyt vorzugsweise Additive vozugsweise Phenylencarbonat, fluorhaltige oder nicht-fluorhaltige Lithiumorganoborate, beispielsweise Lithium-difluoro(oxalato)borat (LiDFOB) oder Lithium-bis(oxalato)borat (LiBOB) und fluorhaltige oder nicht-fluorhaltige Lithiumorganophosphate, beispielsweise Lithium-tetrafluoro(oxalato)phosphat (LiTFOP) oder Lithium-tris(oxalato)phosphat (LiTOP), welche die Bildung der SEI-Schicht auf den Elektroden beeinflussen können, auf.Furthermore, the electrolyte preferably contains additives preferably phenylene carbonate, fluorine-containing or non-fluorine-containing lithium organoborates, for example lithium difluoro (oxalato) borate (LiDFOB) or lithium bis (oxalato) borate (LiBOB) and fluorine-containing or non-fluorine-containing lithium organophosphates, for example lithium tetrafluoro (oxalato) phosphate (LiTFOP) or lithium tris (oxalato) phosphate (LiTOP), which may affect the formation of the SEI layer on the electrodes.

In einer Ausführungsform ist der Elektrolyt als Polymerelektrolyt ausgestaltet, welcher neben vorstehend genannten Salzen, Lösemitteln, Hilfsstoffen und Additiven eine Polymermatrix aufweist. Das Polymer oder die Polymermischung für die Polymermatrix werden vorzugsweise ausgewählt aus den Polymeren, die für Separatoren eingesetzt werden können.In one embodiment, the electrolyte is configured as a polymer electrolyte which, in addition to the abovementioned salts, solvents, auxiliaries and additives, has a polymer matrix. The polymer or polymer blend for the polymer matrix is preferably selected from the polymers that can be used for separators.

In einer Ausführungsform wird ein Polymerelektrolyt aus einem Lithiumsalz und Polyethylenoxid eingesetzt.In one embodiment, a polymer electrolyte of a lithium salt and polyethylene oxide is used.

Herstellung der elektrochemischen ZelleProduction of the electrochemical cell

Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle kann aus mindestens einer positiven Elektrode, mindestens einer negativen Elektrode, mindestens einem Elektrolyten und mindestens einem Separator nach Prinzipien aufgebaut werden, wie die im Stand der Technik bekannt sind und für die Herstellung von Lithiumionen-Batterien üblicherweise verwendet werden.The electrochemical cell according to the invention may be constructed from at least one positive electrode, at least one negative electrode, at least one electrolyte and at least one separator according to principles known in the art and commonly used for the production of lithium ion batteries.

In einer weiteren Ausführungsform erfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Schritte aufweisend:

  • • Bereitstellen mindestens einer positiven Elektrode, wobei die positive Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist,
  • • Bereitstellen mindestens einer negativen Elektrode, wobei die negative Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist,
  • • Bereitstellen mindestens eines Separator, welcher die mindestens eine positive Elektrode von der mindestens einen negativen Elektrode beabstandet, insbesondere elektrische isoliert, und
  • • Bereitstellen mindestens einer Umhüllung, insbesondere ausgestaltet als Folienumhüllung, welche die mindestens eine negative Elektrode und die mindestens eine positive Elektrode und den mindestens einen Separator zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umschließt
  • • Zusammenbau der elektrochemichen Zelle
wobei die elektrochemische Zelle weiterhin mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, aufweist, wobei die mindestens eine Umhüllung diese mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung ebenfalls umschließt, und wobei vorzugsweise die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zumindest ein Material aufweist, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen.In a further embodiment, the invention encompasses a method for producing an electrochemical cell according to at least one of the preceding claims, comprising the following steps:
  • Providing at least one positive electrode, wherein the positive electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material,
  • Providing at least one negative electrode, wherein the negative electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material,
  • Providing at least one separator which spaces the at least one positive electrode from the at least one negative electrode, in particular electrically isolates, and
  • Provision of at least one envelope, in particular designed as a foil envelope, which encloses the at least one negative electrode and the at least one positive electrode and the at least one separator at least partially, preferably completely
  • • Assembly of the electrochemical cell
wherein the electrochemical cell further comprises at least one lithium dendrite degradation device, preferably embodied as a lithium dendrite decomposition layer, wherein the at least one enclosure likewise encloses these at least one lithium dendrite removal device, and wherein preferably the at least one lithium dendrite removal device has at least one material which is designed to reduce, in particular degrade, lithium dendrites.

Der Zeitpunkt und die Technik des Einbaus der Leithiumdendritenabbau-Vorrichtung kann je nach verwendeter Technik des Zusammenbaus der elektrochemischen Zelle variieren.The timing and technique of incorporation of the conductive dendritic degradation device may vary depending on the technique used to assemble the electrochemical cell.

Es ist beispielsweise möglich, die Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung in Form einer folienartigen Vorrichtung bereitszustellen, und beim Zusammenbau des Elektrodenstapels als weitere Schicht in den Elektrodenstapel zu integrieren.For example, it is possible to provide the lithium dendrite removal device in the form of a sheet-like device, and to integrate it into the electrode stack as an additional layer during assembly of the electrode stack.

Weiterhin ist es möglich, den fertigen Elektrodenstapel mit einer Lithiumdendritenaubbau-Vorrichtung zu versehen, bevor der Elektrodenstapel von der Umhüllung umschlossen wird. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem der fertige Elektrodenstapel mit einer folienartig ausgestalteten Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung umwickelt wird.Furthermore, it is possible to provide the finished electrode stack with a lithium dendrite removal device before the electrode stack is enclosed by the cover. This can be achieved, for example, by wrapping the finished electrode stack with a foil-like lithium dendrite removal device.

Es kann aber auch beispielsweise eine pulverförmige oder flüssige Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung auf den Elektrodenstapel oder in den Elektrodenstapel auf- bzw. eingebracht werden.However, it is also possible, for example, to apply or introduce a pulverulent or liquid lithium dendrite removal device onto the electrode stack or into the electrode stack.

Weiterhin ist es möglich, dass z. B die, dem Elektrodenstapel zugewandte Oberfläche der Umhüllung mit der Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung ausgestattet wird.Furthermore, it is possible that z. B, the, the electrode stack facing surface of the enclosure is equipped with the lithium dendrite removal device.

Betrieb und Verwendung der elektrochemischen ZelleOperation and use of the electrochemical cell

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle eine Kapazität von mindestens 3 Amperestunden [Ah], weiter bevorzugt von mindestens 5 Ah, weiter bevorzugt von mindestens 10 Ah, weiter bevorzugt von mindestens 20 Ah, weiter bevorzugt von mindestens 50 Ah, weiter bevorzugt von mindestens 100 Ah, weiter bevorzugt von mindestens 200 Ah, weiter bevorzugt von höchstens 500 Ah auf. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Betriebsdauer des von der elektrochemischen Zelle versorgten Verbrauchers.The electrochemical cell according to the invention preferably has a capacity of at least 3 ampere hours [Ah], more preferably at least 5 Ah, more preferably at least 10 Ah, more preferably at least 20 Ah, more preferably at least 50 Ah, even more preferably at least 100 Ah , more preferably of at least 200 Ah, more preferably of at most 500 Ah. This embodiment offers the advantage of an improved service life of the consumer powered by the electrochemical cell.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle ausgestaltet, zumindest zeitweise, vorzugsweise während zumindest einer Stunde, einen elektrischen Strom von mindestens 50 A, weiter bevorzugt von mindestens 100 A, weiter bevorzugt von mindestens 200 A, weiter bevorzugt von mindestens 500 A, weiter bevorzugt von höchstens 1000 A auf. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Leistungsfähigkeit des von der elektrochemischen Zelle versorgten Verbrauchers.Preferably, the electrochemical cell according to the invention is designed, at least temporarily, preferably for at least one hour, an electric current of at least 50 A, more preferably of at least 100 A, more preferably of at least 200 A, more preferably of at least 500 A, more preferably of at most 1000 A up. This embodiment offers the advantage of improved performance of the consumer powered by the electrochemical cell.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle zumindest zeitweise, vorzugsweise während zumindest einer Stunde, zwischen –40°C und 100°C betreibbar, weiter bevorzugt zwischen –20°C und 80°C, weiter bevorzugt zwischen –10°C und 60°C, weiter bevorzugt zwischen 0°C und 40°C, auf. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer möglichst uneingeschränkten Aufstellung bzw. Verwendung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder einer stationären Anlage bzw. Maschine.Preferably, the electrochemical cell according to the invention is operable at least temporarily, preferably for at least one hour, between -40 ° C and 100 ° C, more preferably between -20 ° C and 80 ° C, more preferably between -10 ° C and 60 ° C, more preferably between 0 ° C and 40 ° C, on. This embodiment offers the advantage of an unrestricted installation or use of the electrochemical cell according to the invention for supplying a consumer, in particular a motor vehicle or a stationary system or machine.

Vorzugsweise weist die elektrochemische Zelle eine Energiedichte von mindestens 50 Wh/kg, weiter bevorzugt von mindestens 100 Wh/kg, weiter bevorzugt von mindestens 200 Wh/kg, weiter bevorzugt von mehr als 500 Wh/kg, insbesondere 1500 Wh/kg auf. Vorzugsweise weist die Elektrodenbaugruppe Lithium-Ionen auf. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Energiedichte der elektrochemischen Zelle.The electrochemical cell preferably has an energy density of at least 50 Wh / kg, more preferably of at least 100 Wh / kg, more preferably of at least 200 Wh / kg, more preferably of more than 500 Wh / kg, in particular 1500 Wh / kg. Preferably, the electrode assembly comprises lithium ions. This embodiment offers the advantage of an improved energy density of the electrochemical cell.

In einer weiteren Ausführungsform erfasst die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle zur Energieversorgung für mobile Informationseinrichtungen, Werkzeuge, elektrisch betriebene Automobile, für Automobile mit Hybrid-Antrieb oder für stationäre Energiespeicher.In a further embodiment, the invention encompasses the use of the electrochemical cell according to the invention for supplying power to mobile information devices, tools, electrically powered automobiles, hybrid-powered automobiles or stationary energy storage devices.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrochemische Zelle zum Einbau in ein Fahrzeug mit zumindest einem Elektromotor vorgesehen. Vorzugsweise ist die elektrochemische Zelle zur Versorgung dieses Elektromotors vorgesehen. Besonders bevorzugt ist die elektrochemische Zelle vorgesehen, zumindest zeitweise einen Elektromotor eines Antriebsstrangs eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs zu versorgen. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Versorgung des Elektromotors.According to a preferred embodiment, the electrochemical cell is provided for installation in a vehicle with at least one electric motor. Preferably, the electrochemical cell is provided for supplying this electric motor. Particularly preferably, the electrochemical cell is provided to supply at least temporarily an electric motor of a drive train of a hybrid or electric vehicle. This embodiment offers the advantage of improved supply of the electric motor.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektrochemische Zelle zum Einsatz in einer stationären Batterie vorgesehen, insbesondere in einem Pufferspeicher, als Gerätebatterie, Industriebatterie oder Starterbatterie. Vorzugsweise beträgt die Nennladekapazität der elektrochemischen Zelle für diese Anwendungen mindestens 3 Ah, besonders bevorzugt mindestens 10 Ah. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Versorgung eines stationären Verbrauchers, insbesondere eines stationär montierten Elektromotors.According to a further preferred embodiment, the electrochemical cell is intended for use in a stationary battery, in particular in a buffer memory, as a device battery, industrial battery or starter battery. The nominal charge capacity of the electrochemical cell for these applications is preferably at least 3 Ah, more preferably at least 10 Ah. This embodiment offers the advantage of an improved supply of a stationary consumer, in particular a stationary mounted electric motor.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 5961672 [0007] US 5961672 [0007]
  • EP 1017476 B1 [0095] EP 1017476 B1 [0095]
  • WO 2004/021477 [0095] WO 2004/021477 [0095]
  • WO 2004/021499 [0095] WO 2004/021499 [0095]
  • EP 1852926 [0125] EP 1852926 [0125]
  • EP 1783852 [0130] EP 1783852 [0130]

Claims (11)

Elektrochemische Zelle aufweisend: • mindestens eine negative Elektrode, wobei die negative Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist, und • mindestens eine positive Elektrode, wobei die positive Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist, und • mindestens einen Separator, welcher die mindestens eine positive Elektrode von der mindestens einen negativen Elektrode beabstandet, insbesondere elektrisch isoliert, und • mindestens eine Umhüllung, insbesondere ausgestaltet als Folienumhüllung, welche die mindestens eine negative Elektrode und die mindestens eine positive Elektrode und den mindestens einen Separator zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umschließt dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle weiterhin mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, aufweist, wobei die mindestens eine Umhüllung diese mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung ebenfalls umschließt, und wobei vorzugsweise die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zumindest ein Material aufweist, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen.Electrochemical cell comprising: at least one negative electrode, wherein the negative electrode comprises at least one material, which is designed as an electrochemical active material, and at least one positive electrode, wherein the positive electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material, and At least one separator, which spaces the at least one positive electrode from the at least one negative electrode, in particular electrically insulated, and at least one envelope, in particular designed as a foil envelope, which comprises the at least one negative electrode and the at least one positive electrode and the at least one positive electrode Separator at least partially, preferably completely encloses characterized in that the electrochemical cell further comprises at least one Lithiumdendritenabbau device, preferably designed as a lithium dendrite decomposition layer, wob ei the at least one sheath also encloses these at least one lithium dendrite removal device, and wherein preferably the at least one lithium dendrite removal device comprises at least one material which is designed to reduce lithium dendrites, in particular to degrade them. Elektrochemische Zelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, zumindest teilweise angeordnet ist auf zumindest Teilen der Oberfläche: • der mindestens einen Umhüllung, wobei besagte Oberfläche der Umhüllung der, zur Umhüllung nächstliegenden, positiven Elektrode und/oder negativen Elektrode und/oder Separator zugewandt ist, und/oder • des mindestens einen Separators, und/oder • der mindestens einen positiven Elektrode, und/oder • der mindestens einen negativen Elektrode.Electrochemical cell according to claim 1, characterized in that the at least one Lithiumdendritenabbau device, preferably designed as a lithium dendrite decomposition layer, at least partially disposed on at least parts of the surface: • the at least one enclosure, said surface of the enclosure, the closest to the enclosure , the positive electrode and / or negative electrode and / or separator, and / or • the at least one separator, and / or • the at least one positive electrode, and / or • the at least one negative electrode. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, aufweisend zumindest ein Material, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen, wobei dieses zumindest eine Material schwefelhaltige Verbindungen aufweist oder daraus besteht.Electrochemical cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one Lithiumdendritenabbau device, preferably designed as a lithium dendrite decomposition layer, comprising at least one material which is designed to reduce lithium dendrites, in particular to reduce, said at least one material having sulfur-containing compounds or consists of. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, aufweisend zumindest ein Material, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen, wobei dieses zumindest eine Material ausgewählt ist aus der Gruppe aus: elementarem Schwefel, insbesondere elementarer Schwefel in Form von S8; Polysulfiden; anorganischen, organischen oder polymeren, schwefelhaltigen Verbindungen, insbesondere Trifluormethansulphonatsalze; oder aus Mischungen daraus.Electrochemical cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one Lithiumdendritenabbau device, preferably designed as a lithium dendrite decomposition layer, comprising at least one material which is designed to reduce lithium dendrites, in particular to reduce, this at least one material is selected from the group consisting of: elemental sulfur, in particular elemental sulfur in the form of S 8 ; polysulfides; inorganic, organic or polymeric, sulfur-containing compounds, in particular trifluoromethanesulphonate salts; or mixtures thereof. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist und welches ausgewählt ist aus amorphen Graphit, kristallinen Graphit, kohlenstoffhaltigen Materiaalien, Lithiummetall, Lithiummetall-Legierungen, Titanate, Silikate, Silizium, Siliziumlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen, oder Mischungen daraus.Electrochemical cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that the negative electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material and which is selected from amorphous graphite, crystalline graphite, carbonaceous Materiaalien, lithium metal, lithium metal alloys, titanates, silicates , Silicon, silicon alloys, tin, tin alloys, or mixtures thereof. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist und welches ausgewählt ist aus: a. mindestens einer Verbindung LiMPO4, wobei M wenigstens ein Übergangsmetall-Kation ist, ausgewählt aus Mangan, Eisen, Kobalt, Titan oder einer Kombination dieser Elemente; oder b. mindestens ein Lithium-Metalloxid oder Lithium-Metallmischoxid im Spinell-Typ, wobei das Metall ausgewählt ist aus Kobalt, Mangan oder Nickel; oder c. mindestens ein Lithium-Metalloxid oder Lithium-Metallmischoxid in einem Typ, welcher verschieden ist vom Spinell-Typ, wobei das Metall ausgewählt ist aus Kobalt, Mangan oder Nickel; oder Mischungen daraus.Electrochemical cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that the positive electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material and which is selected from: a. at least one compound LiMPO 4 , wherein M is at least one transition metal cation selected from manganese, iron, cobalt, titanium or a combination of these elements; or b. at least one spinel-type lithium metal oxide or lithium metal mixed oxide, wherein the metal is selected from cobalt, manganese or nickel; or c. at least one lithium metal oxide or lithium metal mixed oxide in a type other than spinel type, wherein the metal is selected from cobalt, manganese or nickel; or mixtures thereof. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator oder das Separatormaterial ausgewählt ist aus: d. einem Separator oder einem Separatormaterial, der/das aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, wobei der Träger auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger ein organisches Material verwendet wird, welches als nicht-verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material in Form von Polymerfasern ausgestaltet ist, vorzugsweise Polymerfasern des Polyethylenterephthalats (PET), wobei das Vlies mit einem anorganischen Material beschichtet ist, welches vorzugsweise für Ionen durchlässig ist, und zwar vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C für Ionen durchlässig ist, wobei das anorganische Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zirkon, Aluminium, Lithium, besonders bevorzugt Aluminiumoxid umfasst, wobei bevorzugt das anorganische Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm aufweist, oder e. einem Separator oder einem Separatormaterial, der/das Polymerfasern aufweist oder daraus besteht, ausgewählt aus der Gruppe von Polymeren bestehend aus Polyethylenterephthalat, Polyolefin, Polyetherimid, Polyamid, Polyacrylnitril, Polycarbonat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyvinylidenfluorid, Polystyrol oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Polymere, oder f. einem Separator oder einem Separatormaterial, der/das anorganisches Material aufweist oder daraus besteht.Electrochemical cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that the separator or the separator material is selected from: d. a separator or a separator material, which consists of an at least partially permeable carrier, which is not or only poorly electron-conducting, wherein the carrier is coated on at least one side with an inorganic material, wherein as at least partially permeable carrier an organic material is used , which is designed as a non-woven fabric, wherein the organic material is configured in the form of polymer fibers, preferably polymer fibers of polyethylene terephthalate (PET), wherein the nonwoven fabric is coated with an inorganic material, which is preferably permeable to ions, preferably in a temperature range of -40 ° C to 200 ° C is permeable to ions, wherein the inorganic material preferably at least one compound the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates comprising at least one of the elements zirconium, aluminum, lithium, more preferably alumina, wherein preferably the inorganic material has particles with a maximum diameter below 100 nm, or e. a separator or a separator material comprising or consisting of polymer fibers selected from the group of polymers consisting of polyethylene terephthalate, polyolefin, polyetherimide, polyamide, polyacrylonitrile, polycarbonate, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, polystyrene, or mixtures of two or more of these polymers , or f. a separator or a separator material comprising or consisting of inorganic material. Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung ausgestaltet ist als Lithiumdendritenabbau-Schicht.A lithium dendrite degradation device for use in an electrochemical cell, characterized in that the at least one lithium dendrite degradation device is configured as a lithium dendrite degradation layer. Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung gemäß Anspruch 8 zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zumindest ein Material aufweist, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen, wobei dieses zumindest eine Material ausgewählt ist aus der Gruppe aus: elementarem Schwefel, insbesondere elementarer Schwefel in Form von S8; Polysulfiden; anorganischen, organischen oder polymeren, schwefelhaltigen Verbindungen, insbesondere Trifluormethansulphonatsalze; oder aus Mischungen daraus.A lithium dendrite degradation device according to claim 8 for use in an electrochemical cell, characterized in that the lithium dendrite degradation device comprises at least one material configured to reduce, particularly degrade, lithium dendrites, said at least one material selected from the group consisting of: elemental sulfur , in particular elemental sulfur in the form of S 8 ; polysulfides; inorganic, organic or polymeric, sulfur-containing compounds, in particular trifluoromethanesulphonate salts; or mixtures thereof. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, folgende Schritte aufweisend: • Bereitstellen mindestens einer positiven Elektrode, wobei die positive Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist, • Bereitstellen mindestens einer negativen Elektrode, wobei die negative Elektrode zumindest ein Material aufweist, welches als elektrochemisches Aktivmaterial ausgestaltet ist, • Bereitstellen mindestens eines Separator, welcher die mindestens eine positive Elektrode von der mindestens einen negativen Elektrode beabstandet, insbesondere elektrische isoliert, und • mindestens einer Umhüllung, insbesondere ausgestaltet als Folienumhüllung, welche die mindestens eine negative Elektrode und die mindestens eine positive Elektrode und den mindestens einen Separator zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umschließt • Zusammenbau der elektrochemischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle weiterhin mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung, vorzugsweise ausgestaltet als Lithiumdendritenabbau-Schicht, aufweist, wobei die mindestens eine Umhüllung diese mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung ebenfalls umschließt, und wobei vorzugsweise die mindestens eine Lithiumdendritenabbau-Vorrichtung zumindest ein Material aufweist, welches ausgestaltet ist Lithiumdendriten zu reduzieren, insbesondere abzubauen.Method for producing an electrochemical cell according to at least one of the preceding claims 1 to 7, comprising the following steps: providing at least one positive electrode, wherein the positive electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material, providing at least one negative electrode, wherein the negative electrode comprises at least one material which is designed as an electrochemical active material, providing at least one separator which spaces the at least one positive electrode from the at least one negative electrode, in particular electrical insulation, and at least one envelope, in particular designed as a foil envelope which at least partially, preferably completely surrounds the at least one negative electrode and the at least one positive electrode and the at least one separator n cell, characterized in that the electrochemical cell further comprises at least one Lithiumdendritenabbau device, preferably designed as a lithium dendrite decomposition layer, wherein the at least one sheath also encloses these at least one Lithiumdendritenabbau device, and preferably wherein the at least one Lithiumdendritenabbau device at least a material which is designed to reduce lithium dendrites, in particular to reduce. Verwendung der elektrochemischen Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Energieversorgung für mobile Informationseinrichtungen, Werkzeuge, elektrisch betriebene Automobile, für Automobile mit Hybrid-Antrieb oder für stationäre Energiespeicher.Use of the electrochemical cell according to at least one of claims 1 to 7 for power supply for mobile information devices, tools, electrically powered automobiles, for automobiles with hybrid drive or for stationary energy storage.
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