DE102012224324B4

DE102012224324B4 - Batteriezelle, Elektrodenmaterialschichtstapel und Verwendung eines Elektrodenmaterialschichtstapel in einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102012224324B4
Application number: DE102012224324.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Birke; Michael Schiemann; Olaf Böse
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: DE102012224324A1

Abstract

Batteriezelle umfassend mindestens:
- einen Kathodenstromableiter (4),
- eine ein positives Aktivmaterial aufweisende erste Elektrodenmaterialschicht (3), die einen Bestandteil einer Kathode der Batteriezelle darstellt,
- einen Separator (2),
- eine ein negatives Aktivmaterial aufweisende zweite Elektrode, die eine Anode der Batteriezelle darstellt und
- einen Anodenstromableiter, wobei das positive Aktivmaterial ein Potential gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist,
wobei
zwischen dem Kathodenstromableiter (4) und der ersten Elektrodenmaterialschicht (3) eine erste weitere Elektrodenmaterialschicht (5) und zwischen der ersten Elektrodenmaterialschicht (3) und dem Separator (2) eine zweite weitere Elektrodenmaterialschicht (6) angeordnet ist, wobei die erste weitere Elektrodenmaterialschicht (5) und die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht (6) jeweils ein weiteres positives Aktivmaterial aufweisen und wobei das weitere positive Aktivmaterial ein geringeres Potential gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist als das positive Aktivmaterial,
und dass das positive Aktivmaterial ein Potential von mindestens 4,2 Volt gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, umfassend einen Kathodenstromableiter, eine ein positives Aktivmaterial aufweisende erste Elektrode, einen Separator, eine ein negatives Aktivmaterial aufweisende zweite Elektrode und einen Anodenstromableiter, wobei das positive Aktivmaterial ein Potential, beispielsweise von mindestens 4,2 Volt, gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist.
Unter Aktivmaterial wird ein chemisch aktives Material verstanden, dessen Zusammensetzung sich unter Abgabe von Strom und Aufnahme von Strom einer externen Energiequelle ändert.
Zur Steigerung der Energiedichte von Batterien und insbesondere Lithium-Ionen-Zellen können Kathodenmaterialien mit elektrochemischen Potentialen über 4,2 Volt in Bezug auf metallisches Lithium eingesetzt werden. Diese Materialien werden als Hochvoltmaterialien bezeichnet, um sie von herkömmlichen Materialien mit einer Spannung von nur 4,2 Volt oder weniger gegenüber metallischem Lithium abzuheben. Aufgrund der hohen Potentiallage gegenüber metallischem Lithium zeigen Hochvoltmaterialien ein starkes Oxidationspotential gegenüber organischen Verbindungen, Kohlenstoff und metallischen Ableitern.
Diese Eigenschaft ist als ein großer Nachteil von Hochvoltmaterialien anzusehen, da aufgrund des hohen Oxidationspotentials Abbau- und Nebenreaktionen beschleunigt werden wenn ein direkter Kontakt der Hochvoltmaterialien mit organischen Substanzen wie z.B. Elektrolytlösungsmitteln, Lösungmitteladditiven, Leitfähigkeitsadditiven, Binder- sowie Separatorenmaterialien in den Zellen vorliegt. Dies führt tendenziell zur Verkürzung der Lebensdauer der entsprechenden Zellen, kann aber auch zu Sicherheitsproblemen führen. Des Weiteren können die hohen Oxidationspotentiale der Hochvoltmaterialien zu Korrosionserscheinungen am Kathodenableiter führen.
Besonders stark treten derartige Abbau-, Neben- und Korrosionsreaktionen an der Oberfläche der Hochvoltmaterialien auf.
Um dieses Problem abzumildern, ist es bekannt, das positive Aktivmaterial mit einer Partikelbeschichtung aus einem inaktiven Material (beispielsweise Ruß) zu versehen, das ein geringeres Potential gegenüber Lithium aufweist und gleichzeitig die Leitfähigkeit der aktiven Masse erhöht. Als inaktives Material wird ein Material bezeichnet, dass beim Entladen der Batteriezelle an keiner (oder zumindest keiner durch erneutes Laden reversiblen) chemische Reaktion teilnimmt. Derartige Partikelbeschichtungen können jedoch nur mit einem großen Aufwand aufgebracht werden, so dass die Herstellungskosten von Batteriezellen mit Hochvoltmaterialien deutlich erhöht sind. Außerdem führen sie zu einer Reduzierung der Energiedichte der Batteriezelle.
Die US 2009 0 301 866 A1 beschreibt eine Zelle mit zwei Schichten aus Elektrodenaktivmaterial und einer zusätzlichen Schutzschicht.
In der US 4 176 214 A ist eine elektrochemische Primärzelle offenbart. Die Primärzelle umfasst eine Anode, die Lithiummetall aufweist und eine Kathode, die Bleisulfat umfasst. Die Anode und die Kathode sind voneinander beabstandet angeordnet stehen in Kontakt mit einer Elektrolytlösung, die ein dissoziierbares Lithiumsalz umfasst, das in einem flüssigen organischen Lösungsmittel gelöst ist.
Die US 2006 0 286 459 A1 beschreibt eine nichtwässrige Sekundärbatterie und die US 2012 0 141 881 A1 offenbart eine Hochenergie-Polymerbatterie.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Batteriezelle vorzuschlagen, die ein Hochvoltmaterial als positives Aktivmaterial aufweist, wobei das Auftreten von Abbau-, Neben- und Korrosionsreaktionen mit möglichst geringem Aufwand reduziert wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
Dadurch, dass zwischen dem Kathodenstromableiter und der ersten aktiven Materialschicht der Elektrode eine erste weitere Materialschicht der Elektrode und zwischen der ersten Elektrodenmaterialschicht und dem Separator eine zweite weitere Elektrodenmaterialschicht angeordnet sind, wobei die erste und zweite weitere Elektrodenmaterialschicht jeweils ein weiteres positives Aktivmaterial aufweisen, wobei das weitere positive Aktivmaterial ein geringeres Potential gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist als das positive Aktivmaterial wird das Auftreten von Korrosionsreaktionen an den Oberflächen des Separators und des Kathodenstromableiters vermieden bzw. verringert.
Die weitere Elektrodenmaterialschicht kann aus einem durchgehenden Material bestehen das im Wesentlichen frei von Hohlräumen ist. Mit „im Wesentlichen frei von Hohlräumen“ ist gemeint, dass ein Anteil der Hohlräume am Gesamtvolumen der weiteren Elektrodenmaterialschicht kleiner als 5% oder sogar kleiner als 1% ist.
Die erste und/oder zweite weitere Elektrodenmaterialschicht kann insbesondere als flächiges Element mit einer Dicke von unter 50 µm, unter 30 µm oder unter 20 µm ausgebildet sein. Als flächiges Element wird im Rahmen der Anmeldung ein Gegenstand bezeichnet, dessen Abmessung in einer ersten Raumrichtung höchstens 1% der Abmessungen des Gegenstandes in den zur ersten Raumrichtung orthogonalen anderen Raumrichtungen beträgt. Durch die geringe Dicke führt die weitere Elektrodenmaterialschicht zu einer nur geringen Reduzierung der Energiedichte der Batteriezelle. Die erste und/oder zweite weitere Elektrodenmaterialschicht kann beispielsweise als Beschichtung ausgebildet sein, die beispielsweise auf den Kathodenstromableiter bzw. die erste Elektrodenmaterialschicht aufgebracht sein kann. In derartigen Ausführungsformen kann die erste weitere Elektrodenmaterialschicht mit dem Kathodenstromableiter und/oder die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht mit der ersten Elektrodenmaterialschicht stoffschlüssig verbunden sein. Alternativ kann die erste und/oder zweite weitere Elektrodenmaterialschicht auch als Folie ausgebildet sein, die entsprechend keine direkte, durch das weitere positive Aktivmaterial erzeugte stoffschlüssige Verbindung mit dem Kathodenstromableiter bzw. der ersten Elektrodenmaterialschicht aufweist. Die erste und zweite weitere Elektrodenmaterialschicht kann die erste Elektrodenmaterialschicht vollständig vom Kathodenstromableiter bzw. vom Separator trennen, sodass weder der Kathodenstromableiter, noch der Separator die erste Elektrodenmaterialschicht berührt. Es ist nicht zwingend notwendig, dass die weiteren Elektrodenmaterialschichten die erste Elektrodenmaterialschicht auf ihrer zum Kathodenstromableiter weisenden Seite und ihrer zum Separator weisenden Seite vollständig abdecken. Solange sichergestellt wird, dass kein direkter Kontakt zwischen dem Kathodenstromableiter und der ersten Elektrodenmaterialschicht bzw. zwischen dem Separator und der ersten Elektrodenmaterialschicht entsteht, reicht es aus, wenn die zum Kathodenstromableiter bzw. zum Separator weisende Seite teilweise durch jeweils eine der weiteren Elektrodenmaterialschicht abgedeckt wird. Ein vollflächiges Abdecken ist jedoch zumeist unter anderem aus fertigungstechnischen Gründen sinnvoller.
Die erste Elektrodenmaterialschicht kann ebenfalls als flächiges Element ausgebildet sein. Die erste Elektrodenmaterialschicht kann dicker als die erste und/oder zweite weitere Elektrodenmaterialschicht sein. Hierdurch weist die Batteriezelle besonders viel des das höhere Potential aufweisenden positiven Aktivmaterials im Vergleich zu dem das niedrigere Potential aufweisenden weiteren positiven Aktivmaterials auf, wodurch eine besonders hohe Energiedichte der Batteriezelle ermöglicht wird. Insbesondere kann die Dicke der ersten Elektrodenmaterialschicht das 2 bis 50-fache oder 3 bis 20-fache oder 4 bis 10-fache der Dicke der ersten und/oder zweiten weiteren Elektrodenmaterialschicht betragen.
Die Gesamtdicke der ersten weiteren Elektrodenmaterialschicht, der ersten Elektrode und der zweiten weiteren Elektrode zusammen kann beispielsweise zwischen 10 µm und 1000 µm, zwischen 30 µm und 500 µm und/oder zwischen 50 µm und 300 µm betragen.
In einer ersten Ausführungsvariante weist die erste weitere Elektrodenmaterialschicht ein anderes weiteres positives Aktivmaterial auf als die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht. Die erste weitere Elektrodenmaterialschicht kann in einer zweiten Ausführungsvariante jedoch auch aus dem gleichen weiteren positiven Aktivmaterial ausgebildet sein wie die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht.
Die erste weitere Elektrodenmaterialschicht und die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht können so ausgebildet und angeordnet sein, dass sie sich nicht berühren. Insbesondere können die beiden weiteren Elektrodenmaterialschichten durch die erste Elektrodenmaterialschicht derart voneinander getrennt sein, dass jede Linie zwischen einem Punkt der ersten weiteren Elektrodenmaterialschicht und einem Punkt der zweiten weiteren Elektrodenmaterialschicht durch die erste Elektrodenmaterialschicht verläuft.
Eine besonders hohe Energiedichte lässt sich erreichen, wenn das positive Aktivmaterial der ersten Elektrodenmaterialschicht ein Potential von über 4, 4 Volt gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist. Beispielsweise weist Lithiumcobaltphosphat ein Potential von 4, 8 Volt gegenüber Lithium auf und kann als positives Aktivmaterial verwendet werden. Um zugleich Korrosionsreaktionen zu begrenzen, kann das weitere positive Aktivmaterial ein Potential von weniger als 4,2 Volt gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweisen. Beispielsweise kann Lithiumeisenphosphat (dies weist ein Potential von ca. 3,3 Volt gegenüber Lithium auf) als weiteres positives Aktivmaterial verwendet werden. Zugleich kann die Potentialdifferenz des weiteren positiven Aktivmaterials zum negativen Aktivmaterial jedoch größer als 1 Volt sein. Ein Unterschied zwischen der Potentialdifferenz des positiven Aktivmaterials gegenüber dem negativen Aktivmaterial und der Potentialdifferenz des weiteren positiven Aktivmaterials gegenüber dem negativen Aktivmaterial kann insbesondere mindestens 0,2 Volt, mindestens 0,5 Volt oder sogar mindestens 1 Volt betragen. Ein derart hoher Unterschied der Potentialdifferenzen lässt sich beispielsweise erreichen, wenn Lithiumcobaltphosphat als positives Aktivmaterial, Lithiumeisenphosphat als weiteres positives Aktivmaterial und metallisches Lithium als negatives Aktivmaterial verwendet wird. Durch eine derart hohe Potentialdifferenz wird ein besonders großer Vorteil hinsichtlich der Reduzierung von Korrosionsreaktionen durch die weiteren Elektrodenschichten des Aktivmaterials erreicht.
Als negatives Aktivmaterial kann insbesondere Lithium in reiner Form oder Graphit oder Koks mit interkalierendem Lithium verwendet werden.
Lithiumcobaltphosphat, Lithiumnickelmanganspinell oder ein Gemisch aus Lithiummangannickelcobaltoxiden haben sich als geeignete positive Aktivmaterialien erwiesen und zeichnen sich jeweils durch ein hohes Potential gegenüber Lithium aus. Mit diesen Materialien lassen sich somit Batteriezellen mit besonders hoher Energiedichte realisieren.
Als weiteres positives Material für die weiteren Elektrodenmaterialschichten können insbesondere Lithiumcobaltat, aluminiumstabilisiertes Lithiumnickelcobaltat, Lithiummangannickelcobaltat, Lithiummanganspinell, Lithiumeisenphosphat oder Derivate der vorangehend genannten Materialien verwendet werden. Insbesondere kann das weitere positive Material, das auch als Niedervoltmaterial bezeichnet wird, (zum Beispiel vollständig) delithiiert sein. Als besonders geeignet haben sich Phosphatverbindungen als weiteres positives Aktivmaterial erwiesen.
Der Kathodenstromableiter kann insbesondere aus Aluminium ausgebildet sein. Hierdurch entstehen durch den Kathodenstromableiter nur geringe Herstellungskosten.
Offenbart ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle. Bei dem Verfahren wird zunächst die erste weitere Elektrodenschicht als erste Beschichtung auf den Kathodenstromableiter aufgebracht. Anschließend wird die erste Elektrodenmaterialschicht als zweite Beschichtung auf die erste weitere Elektrodenmaterialschicht aufgetragen. Hiernach wird die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht als dritte Beschichtung auf die erste Elektrodenmaterialschicht aufgebracht. Somit ist die erste Elektrodenmaterialschicht zumindest zweiseitig durch zusätzliche Elektrodenmaterialschichten umgeben. Wie bereits erwähnt, weist die erste Elektrodenmaterialschicht ein positives Aktivmaterial mit einem Potential von über 4, 2 Volt gegenüber Lithium auf, während die erste und zweite weitere Elektrode jeweils ein weiteres positives Aktivmaterial (dieses kann bei der ersten und zweiten weiteren Elektrodenmaterialschicht identisch oder nicht identisch sein) mit einem Potential gegenüber Lithium aufweisen, das geringer ist, als das Potential des positiven Aktivmaterials der ersten Elektrodenmaterialschicht.
In einem alternativen Herstellungsverfahren wird zumindest die erste Elektrodenmaterialschicht als Folie produziert. In dem Verfahren werden die erste und zweite weitere Elektrodenmaterialschicht jeweils ebenfalls als Folie hergestellt, wobei die Folien durch Laminieren verbunden werden, oder die erste und zweite weitere Elektrodenmaterialschicht werden als Beschichtungen auf die Folie der ersten Elektrode aufgebracht.
Außerdem betrifft die Erfindung einen Elektrodenmaterialschichtstapel mit einer ersten Elektrodenmaterialschicht und mindestens zwei weiteren Elektrodenmaterialschichten. Die erste Elektrodenmaterialschicht weist ein positives Aktivmaterial mit einem Potential gegenüber Lithium auf. Das Potential des positiven Aktivmaterials bezogen auf Lithium kann beispielsweise größer als 4,2 Volt sein. Die beiden weiteren Elektrodenmaterialschichten weisen jeweils ein weiteres positives Aktivmaterial auf, dessen Potential bezogen auf Lithium geringer ist als das Potential des positiven Aktivmaterials der ersten Elektrodenmaterialschicht bezogen auf Lithium. Die beiden weiteren Elektrodenmaterialschichten sind auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Elektrodenmaterialschicht mit hohem Potenzial gegenüber Lithium angeordnet.
Erfindungsgemäß werden als positives Material für die weiteren Elektrodenmaterialschichten insbesondere Lithiumcobaltat, aluminiumstabilisiertes Lithiumnickelcobaltat, Lithiummangannickelcobaltat, Lithiummanganspinell, Lithiumeisenphosphat oder Derivate dieser Materialien verwendet.
Jegliche Merkmale, die vorangehend im Zusammenhang mit der Batteriezelle beschrieben wurden, können in gleicher Weise bei dem Elektrodenmaterialschichtstapel Anwendung finden.
Zusätzlich betrifft die Erfindung die Verwendung eines Elektrodenmaterialschichtstapels für eine Batterie.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt

1 einen schematischen Aufbau der positiven Elektrode mit Separator (also positive Seite der Batterie) der Batterie.

In 1 ist der Aufbau des positiven Seite 1 einer Batterie schematisch dargestellt. Wie zu erkennen ist, umfasst die Batterie einen Separator 2, der die Aufgabe hat die positive und die negative Seite (Elektrode) voneinander zu trennen (zu separieren), eine erste Elektrodenmaterialschicht 3 sowie einen Kathodenstromableiter 4. Zwischen dem Separator 2 und der ersten Elektrodenmaterialschicht 3 sowie zwischen der ersten Elektrodenmaterialschicht 3 und dem Kathodenstromableiter 4 ist jeweils eine weitere Elektrodenmaterialschicht 5, 6 angeordnet. Zwar sind die erste Elektrodenmaterialschicht 3 sowie die weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 als gleich dick dargestellt, jedoch ist der Aufbau nur schematisch dargestellt und die erste Elektrodenmaterialschicht 3 kann deutlich dicker als die weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 ausgebildet sein. In einer Ausführungsform weisen die beiden weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 jeweils eine Dicke von 15 µm auf, während die erste Elektrodenmaterialschicht 3 eine Dicke von 200 µm aufweist. Die beiden weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 berühren sich nicht und sind durch die zwischen ihnen angeordnete erste Elektrodenmaterialschicht 3 beabstandet zueinander angeordnet.
In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht die erste Elektrodenmaterialschicht 3 aus Lithiumcobaltphosphat (LiCoPO₄) und weist somit ein Potential von 4,8 V gegenüber Lithium auf. In dieser Ausführungsform bestehen die weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 beide aus Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) und weisen somit ein Potential von etwa 3,3 Volt gegenüber Lithium auf. Durch die weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 wird somit vermieden, dass ein direkter Kontakt zwischen dem Hochvoltmaterial der ersten Elektrodenmaterialschicht 3 und dem Separator 2 oder dem Kathodenstromableiter 4 besteht. Stattdessen steht das Niedervoltmaterial (Lithiumeisenphosphat) mit dem Separator 2 und dem Kathodenstromableiter 4 in Kontakt, wobei das Niedervoltmaterial deutlich weniger reaktiv ist und somit nicht (oder zumindest nicht im gleichen Umfang wie das Hochvoltmaterial im Falle des direkten Kontakts mit dem Separator 2 oder Kathodenstromableiter 4) zu Korrosionsreaktionen führt.
In einer weiteren Ausführungsform bestehen die beiden Elektrodenmaterialschichten 5, 6 aus verschiedenen Materialien. Beispielsweise kann eine erste weitere Elektrodenmaterialschicht 5 aus Lithiumeisenphosphat bestehen, während eine zweite weitere Elektrode 6 aus Lithiumcobaltat ausgebildet ist.
Als Material der ersten Elektrodenmaterialschicht 3 kann beispielsweise LiMn_1.5Ni_0.5O₄ verwendet werden. Dieses Material besitzt ein hohes Korrosionspotenzial und kann bei alleiniger Verwendung zu einer verhältnismäßig kürzeren Lebensdauer der Batteriezelle führen.
Ebenfalls als Material der ersten Elektrodenmaterialschicht können LiCoPO₄ oder LiNiPO₄ verwendet werden. Durch diese Materialien lassen sich besonders hohe Energiedichten erzielen. Diese Materialien haben in Batteriezellen nach dem Stand der Technik, d.h. bei alleiniger Verwendung, jedoch Nachteile hinsichtlich der Sicherheit und Lebensdauer.
Im Folgenden werden Beispiele für Materialien von ersten weiteren und/oder zweiten weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 genannt. Alle nachfolgend genannten Materialien haben - wenn auch im verschiedenen Maße - gemein, dass sich durch aus diesen Materialien bestehende weitere Elektrodenmaterialschichten 5, 6 die oben genannten, bei Batteriezellen aus dem Stand der Technik durch das Hochvoltmaterial der ersten Elektrodenmaterialschicht 3 auftretenden Nachteile reduzieren lassen, wobei die Vorteile von Batteriezellen mit einer ein Hochvoltmaterial aufweisenden Kathode zumindest überwiegend bewahrt werden. Die vorangehend genannten Materialien der ersten Elektrodenmaterialschicht 3 können unter anderem mit ersten und zweiten weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 aus den nachfolgend genannten Materialien kombiniert werden. Für die erste weitere Elektrodenmaterialschicht kann dabei das gleiche oder ein anderes Material als für die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht verwendet werden.
Als Material der ersten und/oder zweiten weiteren Elektrodenmaterialschicht 5, 6 kann beispielsweise LiFePO₄ verwendet werden. Dieses Material zeichnet sich durch eine hohe erzielbare Sicherheit und Lebensdauer aus. Das Material hat den Nachteil, dass die Energie- und Leistungsdichte - im Vergleich zu den nachfolgend genannten anderen Materialien für die weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 - relativ niedrig ist. Der Anteil der ersten und zweiten weiteren Elektrodenmaterialschicht 5, 6 am Gesamtvolumen der Kathode kann jedoch gering gehalten werden, indem die weiteren Elektrodenmaterialschichten relativ dünn (beispielsweise 15 µm) ausgebildet werden. Der Einfluss der weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 auf die Energie- und Leistungsdichte der gesamten Batteriezelle ist bei einer dünnschichtigen Ausbildung der weiteren Elektrodenmaterialschichten gering, sodass die Energiedichte der Batteriezelle im Vergleich zu einer Batteriezelle mit einer vollständig aus Hochvoltmaterial bestehenden Kathode nur geringfügig reduziert ist.
Ebenfalls als Material der ersten und/oder zweiten weiteren Elektrodenmaterialschicht 5, 6 kann LiNi_xCo_yMn_zO₂ verwendet werden. Dieses Material zeichnet sich durch eine gute Verfügbarkeit bei geringen Kosten aus. Auch hinsichtlich der erzielbaren Sicherheit, Lebensdauer und der Leistungsdichte ist dieses Material von Vorteil. Als Nachteil des Materials ist die geringe Energiedichte zu nennen, wobei der Einfluss der weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 auf die Energiedichte der gesamten Batteriezelle wie bereits erwähnt durch eine geringe Schichtdicke reduziert werden kann.
Auch LiNiO₂, LiCoO₂ oder LiNiCoO₂ kommen als Material der ersten und/oder zweiten weiteren Elektrodenmaterialschicht 5, 6 in Frage. Diese Materialien ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte, jedoch wird die Sicherheit der Batteriezelle durch weitere Elektrodenmaterialschichten 5,6 aus diesen Materialien weniger stark verbessert als bei weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 aus LiFePO₄ oder LiNi_xCo_yMn_zO₂.
Des Weiteren kann auch LiMn₂O₄ als Material der ersten und/oder zweiten weiteren Elektrodenmaterialschicht 5, 6 verwendet werden. Dieses Material ist hinsichtlich der erzielbaren Sicherheit der Batteriezelle und hinsichtlich der Energiedichte vorteilhaft.
Unabhängig von der Wahl der Materialien für die erste Elektrodenmaterialschicht 3 und die weiteren Elektrodenmaterialschichten 5, 6 weist die Batterie zusätzlich zu den dargestellten Komponenten eine zweite Elektrode sowie einen Anodenstromableiter auf. Die zweite Elektrode kann beispielsweise aus metallischem Lithium oder aus Graphit oder aus Koks usw. bestehen.
In einem Verfahren zur Herstellung einer Batterie wird der Kathodenstromableiter in eine Beschichtungsanlage eingeführt. In der Beschichtungsanlage wird zunächst die erste weitere Elektrodenmaterialschicht 5 auf den Kathodenstromableiter als Beschichtung aufgebracht. Üblicherweise beinhalten Auftragungsmaschinen (Coater) mindestens zwei Prozessverfahren für den Beschichtungsprozess und umfassen eine Extrudereinheit für das Beschichten (Austrittsdüsenverfahren) oder den Rückrollenbeschichter und/oder ein Abstreifmesser. Beide Verfahren ermöglichen es, die Viskosität und die Beschichtungsgeschwindigkeiten für die Elektrodenmaterialschichten leicht zu kontrollieren. Das Austrittsdüsenverfahren erzeugt dabei eine unterbrochene Elektrodenmaterialschicht von aufgetragenen aktiven Massen in Querrichtung, während das Rückrollenverfahren eine ununterbrochene Schicht erzeugt, wobei die Elektrodenmaterialschicht in Längsrichtung voneinander getrennt sein können. Beide Verfahren besitzen die Möglichkeit, über eine elektromechanische Steuerung die Beschichtungsstärke sehr fein zu justieren. Anschließend wird die erste Elektrodenmaterialschicht 3 als Beschichtung auf die erste weitere Elektrodenmaterialschicht 5 aufgebracht. Hiernach wird noch die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht 6 als Beschichtung auf die erste Elektrodenmaterialschicht 3 aufgebracht. Die erste Elektrodenmaterialschicht 3 und die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht 6 können durch das gleiche oder durch jeweils ein anderes Beschichtungsverfahren wie die erste weitere Elektrodenmaterialschicht 5 aufgebracht werden.
Alternativ können die erste weitere Elektrodenmaterialschicht 5, die erste Elektrodenmaterialschicht 3 und die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht 6 als Folien hergestellt und anschließend, beispielsweise durch Laminieren, verbunden werden.

Claims

Batteriezelle umfassend mindestens: - einen Kathodenstromableiter (4), - eine ein positives Aktivmaterial aufweisende erste Elektrodenmaterialschicht (3), die einen Bestandteil einer Kathode der Batteriezelle darstellt, - einen Separator (2), - eine ein negatives Aktivmaterial aufweisende zweite Elektrode, die eine Anode der Batteriezelle darstellt und - einen Anodenstromableiter, wobei das positive Aktivmaterial ein Potential gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist, wobei zwischen dem Kathodenstromableiter (4) und der ersten Elektrodenmaterialschicht (3) eine erste weitere Elektrodenmaterialschicht (5) und zwischen der ersten Elektrodenmaterialschicht (3) und dem Separator (2) eine zweite weitere Elektrodenmaterialschicht (6) angeordnet ist, wobei die erste weitere Elektrodenmaterialschicht (5) und die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht (6) jeweils ein weiteres positives Aktivmaterial aufweisen und wobei das weitere positive Aktivmaterial ein geringeres Potential gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist als das positive Aktivmaterial, und dass das positive Aktivmaterial ein Potential von mindestens 4,2 Volt gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der ersten und zweiten weiteren Elektrodenmaterialschicht (5, 6) mindestens eine, insbesondere jede der beiden, als jeweils ein flächiges Element mit einer Dicke von unter 50 µm, unter 30 µm oder unter 20 µm ausgebildet ist.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste weitere Elektrodenmaterialschicht (5) das gleiche weitere positive Aktivmaterial aufweist wie die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht (6) .
Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste weitere Elektrodenmaterialschicht (5) ein anderes weiteres positives Aktivmaterial aufweist als die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht (6).
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite weitere Elektrodenmaterialschicht (5, 6) durch die erste Elektrodenmaterialschicht (3) räumlich voneinander getrennt sind.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das positive Aktivmaterial ein Potential von über 4,4 V gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist und/oder dass das weitere positive Aktivmaterial ein Potential von weniger als 4,2 V und/oder mehr als 1 V gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist und/oder dass das positive Aktivmaterial eine um mindestens 0,2 V, vorzugsweise mindestens 0,5 V oder mindestens 1V höhere Potentialdifferenz gegenüber dem negativen Aktivmaterial aufweist als das weitere positive Aktivmaterial.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass metallisches Lithium, Graphit, Kohlenstoff oder Koks als das negatives Aktivmaterial vorliegt.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lithiumnickelphosphat, Lithiumcobaltphosphat, Lithiumnickelmanganspinelle oder ein Gemisch aus Lithiummangannickelcobaltoxiden als positives Aktivmaterial vorliegt.
Batteriezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lithiumcobaltat, aluminium-stabilisiertes Lithiumnickelcobaltat, Lithiummangannickelcobaltat, Lithiummanganspinell, Lithiumeisenphosphat oder Derivate dieser Materialien als weiteres positives Aktivmaterial vorliegt.
Elektrodenmaterialschichtstapel mit einer ersten Elektrodenmaterialschicht (3), die ein positives Aktivmaterial mit einem Potential gegenüber Lithium aufweist, wobei der Elektrodenmaterialschichtstapel mindestens zwei weitere Elektrodenmaterialschichten (5, 6) umfasst, die auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Elektrodenmaterialschicht angeordnet sind und die jeweils ein weiteres positives Aktivmaterial aufweisen, das ein geringeres Potential gegenüber Lithium aufweist als das positive Aktivmaterial der ersten Elektrodenmaterialschicht (3), wobei das positive Aktivmaterial ein Potential von mindestens 4,2 Volt gegenüber Lithium aufweist und wobei Lithiumcobaltat, aluminium-stabilisiertes Lithiumnickelcobaltat, Lithiummangannickelcobaltat, Lithiummanganspinell, Lithiumeisenphosphat oder Derivate dieser Materialien als weiteres positives Aktivmaterial vorliegen.
Verwendung eines Elektrodenmaterialschichtstapels nach Anspruch 10 in einer Batteriezelle.