DE102013220351B4

DE102013220351B4 - Beschichtungen für lithiumtitanat, um die gasbildung in lithiumionenbatterien zu unterdrücken, und verfahren zur herstellung und verwendung davon

Info

Publication number: DE102013220351B4
Application number: DE102013220351.9A
Authority: DE
Inventors: Xingcheng Xiao; Mark W. Verbrugge; John S. Wang; Ping Liu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2021-12-16
Anticipated expiration: 2033-10-10
Also published as: US20140113197A1; US9059451B2; DE102013220351A1; CN103779550A; CN103779550B

Abstract

Elektroaktives Material für eine elektrochemische Zelle umfassend:Li(4+x)Ti5O12, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), undeine darauf gebildete Oberflächenbeschichtung mit einer Dicke von weniger als oder gleich zu etwa 30 nm, die die Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle unterdrückt,wobei die Oberflächenbeschichtung durch nicht-wässrige Atomlagenabscheidung (ALD) aufgebracht ist, undwobei die Oberflächenbeschichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus einer fluoridbasierten Oberflächenbeschichtung und einer carbidbasierten Oberflächenbeschichtung.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Beschichtungen für elektroaktive Materialien aus Lithiumtitanatoxid, die die Gasbildung unterdrücken, zur Verwendung in elektrochemischen Anordnungen, wie fluoridbasierte Beschichtungen, Verfahren zur Herstellung solcher Beschichtungen und Verfahren zur Verwendung davon.
HINTERGRUND
Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen betreffend die vorliegende Offenbarung bereit, welche nicht notwendigerweise Stand der Technik sind.
Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie Lithiumionenbatterien, können in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten und Fahrzeugen verwendet werden. Typische Lithiumionenbatterien umfassen eine erste Elektrode, wie eine Kathode, eine zweite Elektrode, wie eine Anode, ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Oft ist ein Stapel von Lithiumionenbatteriezellen elektrisch verbunden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Herkömmliche Lithiumionenbatterien arbeiten durch reversibles Überführen von Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode. Ein Separator und ein Elektrolyt sind zwischen den negativen und positiven Elektroden angeordnet. Der Elektrolyt ist für das Leiten von Lithiumionen geeignet und kann in fester oder flüssiger Form vorliegen. Lithiumionen bewegen sich von einer Kathode (positive Elektrode) zu einer Anode (negative Elektrode) während des Ladens der Batterie und in die entgegengesetzte Richtung beim Entladen der Batterie. Jede der negativen und positiven Elektroden innerhalb eines Stapels ist mit einem Stromkollektor (typischerweise ein Metall, wie Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode) verbunden. Während der Verwendung der Batterie sind die Stromkollektoren, die mit den beiden Elektroden verbunden sind, durch eine externe Leitung verbunden, die erlaubt, dass ein durch Elektronen gebildeter Strom zwischen den Elektroden übergeht, um den Transport von Lithiumionen auszugleichen.
Viele verschiedene Materialien können verwendet werden, um diese Komponenten für eine Lithiumionenbatterie zu erzeugen. Als nicht beschränkendes Beispiel enthalten Kathodenmaterialien für Lithiumbatterien typischerweise ein elektroaktives Material, welches mit Lithiumionen interkaliert werden kann, wie Lithiumübergangsmetalloxide oder gemischte Oxide vom Spinelltyp, z.B. LiCoO₂, LiMn₂O₄, LiNiO₂, LiNi(_1-x-y)Co_xM_yO₂ (wobei 0<x<1, y<1, und M AI, Mn oder dergleichen sein kann) oder Lithiumeisenphosphate. Der Elektrolyt enthält typischerweise ein oder mehrere Lithiumsalze, welche in einem nicht wässrigen Lösungsmittel gelöst und ionisiert sein können. Die negative Elektrode enthält typischerweise ein Lithiuminsertionsmaterial oder ein Legierungswirtsmaterial. Typische elektroaktive Materialien für die Bildung einer Anode umfassen Lithium-Graphit-Interkalationsverbindungen, Lithium-Silizium-Interkalationsverbindungen, Lithiumlegierungen und Lithiumtitanat Li_4+xTi₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3, wie Li₄Ti₅O₁₂ (LTO), welches ein nanostrukturiertes LTO sein kann. Der Kontakt der Anoden- und Kathodenmaterialien mit dem Elektrolyten kann ein elektrisches Potential zwischen den Elektroden erzeugen. Wenn ein Elektronenstrom in einer externen Leitung zwischen den Elektroden erzeugt wird, wird das Potential durch elektrochemische Reaktionen innerhalb der Zellen der Batterie aufrechterhalten.
LTO ist eine besonders erwünschte negative Elektrodenbatterie. Viele Lithiumionenbatterien können unter einer Kapazitätsabnahme leiden, die vielen Faktoren zurechenbar ist, einschließlich der Bildung eines Passivfilms, der als feste Elektro-Iytgrenzflächen-(SEI)-Schicht bekannt ist, über der Oberfläche der negativen Elektrode (Anode), welcher oft durch Reaktionsprodukte von Anodenmaterial, Reduktion des Elektrolyten und/oder Reduktion von Lithiumionen gebildet wird. Die Bildung der SEI-Schicht spielt eine signifikante Rolle bei der Bestimmung des Verhaltens und der Eigenschaften einer Elektrode einschließlich Zykluslebensdauer, irreversiblem Kapazitätsverlust, hoher Stromausbeute und hohen Entladungsraten, insbesondere vorteilhaft für die Verwendung als Leistungsbatterie und Start-Stopp-Batterie. LTO weist erwünschterweise gewisse Vorteile auf, wie eine hohe Entladeschlussspannung (z.B. Entladeschlusspotentiale relativ zu einem Lithiummetall-Referenzpotential), die erwünschterweise die SEI-Bildung minimiert oder vermeidet, und ist des Weiteren ein Null-Deformationsmaterial [zero-strain material] mit einer minimalen volumetrischen Änderung während der Lithiuminsertion und -deinsertion, wodurch es eine Langzeitzyklenbeständigkeit, hohe Stromausbeute und hohe Entladungsraten ermöglicht. Eine solche Langzeitzyklenbeständigkeit, hohe Stromausbeute und hohe Entladungsraten sind besonders vorteilhaft für die Verwendung als Leistungsbatterie und Start-Stopp-Batterie.
Während LTO ein aussichtsreiches Anodenmaterial für Hochenergie-Lithiumionenbatterien ist, das eine extrem lange Lebensdauer und eine außerordentliche Toleranz gegenüber Überladung und thermischer Überlastung bereitstellt, kann LTO jedoch unter gewissen Umständen, wenn es mit gewissen Kathodenmaterialien und Elektrolyten verwendet wird, potentiell gewisse Nachteile aufweisen. Zum Beispiel ist es beobachtet worden, dass Li_4+xTi₅O₁₂ signifikante Mengen an Gas, welches hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, innerhalb einer Batteriezelle besonders unter erhöhten Temperaturbedingungen im Ladezustand erzeugen kann. Eine solche Gasbildung kann es zu einer unerwünschten Wahl für die kommerzielle Verwendung machen. Für eine sichere und erfolgreiche Verwendung wäre es wünschenswert, LTO-Anodenmaterialien zu verbessern, um die Gasbildung zu unterdrücken, während die erwünschten Aspekte des LTO-Materials, das haltbare Batterien mit aufrechterhaltener hoher Kapazität, hohen Entladungsraten und langer Lebensdauer bereitstellt, genutzt werden.
Snyder et al. beschreiben in „Synthesis and characterization of atomic layer deposited titanium nitride thin films on lithium titanate spinel powder as a lithium-ion battery anode", erschienen in Journal of Power Sources 165 (2007) 379-385 die Beschichtung von Lithiumtitanatspinell-Pulver mit einem Titannitrid-Film.
In CN 101 764 209 A ist ein Lithiumtitanat-Verbundelektrodenmaterial mit Oberflächenbeschichtung offenbart.
Ein weiterer Lithiumtitanatspinell mit Titannitrid-Beschichtung ist in CN 101 728 517 A offenbart.
Utsunomiya et al. beschreiben in „Influence of conductive additives and surface fluorination on the charge/discharge behavior of lithium titanate (Li4/3Ti5/4O4)", erschienen in Journal of Power Sources 195 (2010) 6805-6810 die Fluorierung von Li_4/3Ti_5/4O₄.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektroaktives Material für eine elektrochemische Zelle gemäß Anspruch 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials für eine elektrochemische Zelle gemäß Anspruch 6. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In verschiedener Hinsicht stellt die vorliegende Offenbarung ein elektroaktives Material für eine elektrochemische Zelle bereit. In gewisser Hinsicht enthält das elektroaktive Material Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), und weist eine darauf ausgebildete Oberflächenbeschichtung mit einer Dicke von weniger als oder gleich etwa 30 nm auf, die die Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle unterdrückt. Insbesondere unterdrückt die Oberflächenbeschichtung auf dem LTO die Bildung von Gasen, von denen angenommen wird, dass sie über eine Nebenreaktion zwischen dem Elektrolyten in der elektrochemischen Zelle und funktionellen Gruppen, wie -OH-Gruppen, auf einer Oberfläche des LTO gebildet werden.
In anderer Hinsicht stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials für eine elektrochemische Zelle bereit, das umfasst, eine Oberflächenbeschichtung auf ein elektroaktives Material, das Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), enthält, mittels eines nicht-wässrigen Prozesses aufzubringen. Solche nicht-wässrigen Prozesse sind erfindungsgemäß Atomlagenabscheidung (ALD). Die durch einen solchen Prozess gebildete Oberflächenbeschichtung weist eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 30 nm auf und ist dazu geeignet, die Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle zu unterdrücken.
In noch anderer Hinsicht stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Minimieren oder Unterdrücken der Bildung von Gasen in einer Lithiumionenbatterie bereit. Gemäß einem Aspekt kann das Verfahren umfassen, eine Oberflächenbeschichtung auf ein elektroaktives Material, das Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), enthält, mittels eines nicht-wässrigen Prozesses aufzubringen. Das elektroaktive Material wird innerhalb einer negativen Elektrode in einer Lithiumionenbatterie verwendet. Die Lithiumionenbatterie umfasst des Weiteren eine positive Elektrode, einen Separator und einen Elektrolyten. Jedes LTO, das innerhalb der Lithiumionenbatterie dem Elektrolyten ausgesetzt ist, weist eine darauf ausgebildete schützende Oberflächenbeschichtung auf. In gewisser Hinsicht unterdrückt die Oberflächenbeschichtung größer als oder gleich etwa 99,5 % an beliebigen Gasspezies, welche ansonsten durch ein Vergleichs-LTO-Material, dem die Oberflächenbeschichtung fehlt, in einer negativen Vergleichselektrode zum Beispiel während des Ladens und Entladens der Lithiumionenbatterie für größer als oder gleich etwa 1.000 Zyklen gebildet werden würde.
In gewisser anderer Hinsicht stellt die vorliegende Offenbarung ein elektroaktives Material für eine elektrochemische Zelle bereit, das eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung umfasst, die auf Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), gebildet ist. Die fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung weist eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 15 nm auf, die im Wesentlichen sämtliche Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle für zumindest 3 Jahre der Verwendung der elektrochemischen Zelle unterdrückt.
In gewisser anderer Hinsicht stellt die vorliegende Offenbarung ein elektroaktives Material für eine elektrochemische Zelle bereit, das eine carbidbasierte Oberflächenbeschichtung umfasst, die auf Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), gebildet ist. Die carbidbasierte Oberflächenbeschichtung weist eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 15 nm auf, die im Wesentlichen sämtliche Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle für zumindest 3 Jahre der Verwendung der elektrochemischen Zelle unterdrückt.
In noch anderer Hinsicht wird eine Lthiumionen-elektrochemische Zelle betrachtet, die eine negative Elektrode, die ein Li_(4+x)Ti₅O₁₂-Material, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), enthält, eine positive Elektrode, einen Separator und einen Elektrolyten umfasst. Jedes LTO, das dem Elektrolyten innerhalb der elektrochemischen Zelle ausgesetzt ist, weist eine schützende Oberflächenbeschichtung mit einer Dicke von weniger als oder gleich etwa 30 nm auf, um die Bildung von Gas innerhalb der elektrochemischen Zelle zu unterdrücken. In anderer Hinsicht ist die Oberflächenbeschichtung dazu geeignet, größer als oder gleich zu etwa 99,5 % einer beliebigen Gasspezies, die ansonsten durch ein Vergleichs-LTO-Material, dem die Oberflächenbeschichtung fehlt, in einer negativen Vergleichselektrode während des Ladens und Entladens der Lithiumionen-elektrochemischen Zelle für größer als oder gleich etwa 1.000 Zyklen gebildet würde, zu unterdrücken. In anderer Hinsicht ist die Oberflächenbeschichtung dazu geeignet, die Gasbildung in der Lithiumionen-elektrochemischen Zelle zu unterdrücken, so dass beliebige gebildete Gase weniger als oder gleich etwa 0,1 % des abgeschlossenen Volumens der Lithiumionen-elektrochemischen Zelle entsprechen, wenn das Gasvolumen bei Standardtemperatur- und -druckbedingungen (298 K, 1 atm) ausgewertet wird.
Weitere Gebiete der Anwendbarkeit werden aus der hiermit gelieferten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur für Zwecke der Darstellung gedacht und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu darstellerischen Zwecken von ausgewählten Ausführungsformen und nicht allen möglichen Umsetzungen und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.

Die 1 ist ein Schema einer beispielhaften elektrochemischen Batterie zu Zwecken der Darstellung und
die 2 ist ein beispielhaftes Schema, das einen theoretisierten Mechanismus der Gasentwicklung durch Lösungsmitteladsorption auf elektroaktiven Materialien aus Lithiumtitanatoxid in einer Lithiumionen-elektrochemischen Zelle zeigt.

Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen durchgehend in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen entsprechende Teile.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen werden bereitgestellt, so dass diese Offenbarung gründlich ist und den Umfang den Fachleuten vollständig mitteilt. Zahlreiche spezifische Details werden dargelegt, wie Beispiele für spezifische Komponenten, Anordnungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Fachleuten wird es offensichtlich sein, dass spezifische Details nicht genutzt werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und auch nicht ausgelegt werden sollten, um den Umfang der Offenbarung zu beschränken. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden wohlbekannte Prozesse, wohlbekannte Gerätestrukturen und wohlbekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierin verwendete Ausdrucksweise dient nur dem Zweck, besondere beispielhafte Ausführungsformen zu beschreiben, und ist nicht dazu gedacht, beschränkend zu sein. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ bezwecken, auch die Pluralformen einzuschließen, sofern der Zusammenhang nicht deutlich etwas anderes zu erkennen gibt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „mit“ sind einschließend und spezifizieren daher die Anwesenheit von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Handlungen, Elementen und/oder Komponenten, aber schließen die Anwesenheit oder Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Handlungen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Die hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Handlungen sind nicht auszulegen, als dass sie notwendigerweise ihre Durchführung in der besonderen erörterten oder dargestellten Reihenfolge erfordern, sofern nicht spezifisch als eine Reihenfolge der Ausführung bezeichnet. Es ist ebenfalls nachzuvollziehen, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Schicht als „auf‟, „im Eingriff stehend mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder Schicht genannt ist, kann es direkt auf, im Eingriff stehend, verbunden oder gekoppelt mit dem anderen Element oder der Schicht sein oder dazwischen liegende Elemente oder Schichten können vorhanden sein. Im Gegensatz, wenn ein Element als „direkt auf‟, „direkt im Eingriff stehend mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder Schicht genannt ist, können keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Worte, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf eine gleiche Art und Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „angrenzend“ gegenüber „direkt angrenzend“, etc.). Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „und/oder“ beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der zusammenhängend aufgeführten Gegenstände.
Obgleich die Begriffe erster, zweiter, dritter etc. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe beschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und andere numerische Begriffe bedeuten, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, sofern nicht deutlich durch den Zusammenhang bezeichnet. Demnach könnte ein nachfolgend erörtertes erstes Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt als ein zweites Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich-relative Begriffe, wie „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „niedriger“, „oberhalb“, „oben“ und dergleichen, können hierin zur Erleichterung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element/anderen Elementen oder einem Merkmal/Merkmalen, wie in den Figuren dargestellt, zu beschreiben. Räumlich-relative Begriffe können bezwecken, dass sie verschiedene Ausrichtungen der Anordnung bei der Verwendung oder beim Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Anordnung umfassen. Wenn zum Beispiel die Anordnung in den Figuren umgedreht wird, würden dann Elemente, die als „unterhalb“ oder „unter“ anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben sind, „oberhalb“ der anderen Elemente oder Merkmale angeordnet sein. Demnach kann der Beispielbegriff „unterhalb“ sowohl eine Ausrichtung oberhalb und unterhalb umfassen. Die Anordnung kann anderweitig ausgerichtet (gedreht um 90 Grad oder in anderen Ausrichtungen) sein und die hierin verwendeten räumlich-relativen Begriffe können entsprechend ausgelegt werden.
Durchgängig stellen in dieser Offenbarung die numerischen Werte annähernde Maße oder Grenzen von Bereichen dar, um geringfügige Abweichungen von den gegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa den erwähnten Werten sowie auch diejenigen mit exakt dem erwähnten Wert zu umfassen. Außer in den Arbeitsbeispielen, die am Ende der detaillierten Beschreibung aufgeführt sind, sind alle numerischen Werte von Parametern (z.B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Beschreibung einschließlich der angefügten Ansprüche als in allen Fällen durch den Begriff „etwa“ modifiziert zu verstehen, ob „etwa“ tatsächlich oder nicht vor dem numerischen Wert erscheint. „Etwa“ besagt, dass der angegebene numerische Wert eine etwas geringfügige Ungenauigkeit (mit ungefährer Annäherung an die Genauigkeit in dem Wert, annähernd oder einigermaßen in der Nähe zu dem Wert, fast) zulässt. Wenn die durch „etwa“ gelieferte Ungenauigkeit in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bezeichnet „etwa“, wie hierin verwendet, zumindest Abweichungen, die aus gewöhnlichen Messmethoden und der Verwendung solcher Parameter entstehen können. Zusätzlich umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung von allen Werten und weiter unterteilten Bereichen innerhalb des ganzen Bereichs einschließlich von Endpunkten, die für die Bereiche gegeben sind.
Wie hierin verwendet, werden die Begriffe „Zusammensetzung“ und „Material“ austauschbar verwendet, um sich breit auf eine Substanz, die zumindest die bevorzugte chemische Verbindung enthält, aber welche auch zusätzliche Substanzen oder Verbindungen, einschließlich Verunreinigungen, enthalten kann, zu beziehen.
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun vollständiger unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer Lithiumionenbatterie 20 ist in der 1 gezeigt. Die Lithiumionenbatterie 20 enthält eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen Separator 30 (z.B. einen mikroporösen polymeren Separator), der zwischen den beiden Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 umfasst einen Elektrolyten 30, welcher ebenfalls in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorliegen kann. Ein Stromkollektor 32 der negativen Elektrode kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 positioniert sein und ein Stromkollektor 34 der positiven Elektrode kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Der Stromkollektor 32 der negativen Elektrode und der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode sammeln jeweils und bewegen freie Elektronen zu und von einer externen Leitung 40. Eine unterbrechenbare externe Leitung 40 und eine Last 42 verbinden die negative Elektrode 22 (über ihren Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über ihren Stromkollektor 34). Jede der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und dem Separator 26 können des Weiteren den Elektrolyten 30 enthalten, der dazu geeignet ist, Lithiumionen zu leiten. Der Separator 26 agiert sowohl als ein elektrischer Isolator und eine mechanische Stütze, indem er zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 eingeschoben ist, um einen physikalischen Kontakt und dadurch das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Der Separator 26 kann, zusätzlich zum Bereitstellen einer physikalischen Barriere zwischen den beiden Elektroden 22, 24, einen Pfad mit minimalem Widerstand für den internen Durchgang von Lithiumionen (und zugehörigen Anionen) bereitstellen, um die Funktion der Lithiumbatterie zu erleichtern.
Die Lithiumionenbatterie 20 kann während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn die externe Leitung 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 34 zu verbinden) erzeugen, wenn die negative Elektrode 22 eine relativ größere Menge an interkaliertem Lithium enthält. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt Elektronen, die durch die Oxidation von interkaliertem Lithium an der negativen Elektrode 22 produziert werden, durch die externe Leitung 40 zu der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, welche ebenfalls an der negativen Elektrode produziert werden, werden gleichzeitig durch den Elektrolyten 30 und den Separator 26 zu der positiven Elektrode 24 überführt. Die Elektronen fließen durch die externe Leitung 40 und die Lithiumionen wandern über den Separator 26 in den Elektrolyten 30, um interkaliertes Lithium an der positiven Elektrode 24 zu bilden. Der elektrische Strom, der durch die externe Leitung 18 fließt, kann nutzbar gemacht und durch das Lastgerät 42 geleitet werden, bis das interkalierte Lithium in der negativen Elektrode 22 aufgebraucht ist und die Kapazität der Lithiumionenbatterie 20 verringert ist.
Die Lithiumionenbatterie 20 kann jederzeit durch Anschließen einer externen Energiequelle an die Lithiumionenbatterie 20, um die elektrochemischen Reaktionen, die während der Batterieentladung auftreten, umzukehren, geladen oder rückversorgt werden. Das Anschließen einer externen Energiequelle an die Lithiumionenbatterie 20 erzwingt die ansonsten nicht-spontane Oxidation von interkaliertem Lithium an der positiven Elektrode 24, um Elektronen und Lithiumionen zu produzieren. Die Elektronen, welche durch die negative Elektrode 22 durch die externe Leitung 40 zurückfließen, und die Lithiumionen, welche durch den Elektrolyten 30 über den Separator 26 zurück zu der negativen Elektrode 22 getragen werden, vereinigen sich an der negativen Elektrode 22 und füllen sie mit interkaliertem Lithium zum Verbrauch während des nächsten Batterie-Entladungszyklus auf. Die externe Energiequelle, die verwendet werden kann, um die Lithiumionenbatterie 20 zu laden, kann abhängig von der Größe, Konstruktion und der besonderen Endverwendung der Lithiumionenbatterie 20 variieren. Einige beachtenswerte und beispielhafte externe Energiequellen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf eine AC-Steckdose und einen Motorfahrzeuggenerator. In vielen Lithiumionenbatterieanordnungen sind jeder des negativen Stromkollektors 32, der negativen Elektrode 22, des Separators 26, der positiven Elektroden 24 und des positiven Stromkollektors 34 als relativ dünne Schichten (z.B. einige Mikrometer oder ein Millimeter oder weniger in der Dicke) hergestellt und in Schichten, die in einer parallelen elektrischen Anordnung verbunden sind, angeordnet, um ein geeignetes Energiepaket bereitzustellen.
Des Weiteren kann die Lithiumionenbatterie 20 eine Auswahl an anderen Komponenten enthalten, die, während sie hier nicht dargestellt sind, den Fachleuten nichtsdestotrotz bekannt sind. Zum Beispiel kann die Lithiumionenbatterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Endabdeckungen und beliebige andere herkömmliche Komponenten oder Materialien enthalten, die innerhalb der Batterie 20, einschließlich zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 herum als nicht beschränkendes Beispiel angeordnet sein können. Wie oben erwähnt, können die Größe und die Form der Lithiumionenbatterie 20 in Abhängigkeit der speziellen Anwendung, für welche sie ausgebildet ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare elektronische Geräte für Verbraucher sind zum Beispiel zwei Beispiele, bei denen die Lithiumionenbatterie 20 in unterschiedlicher Größe, Kapazität und Anforderungen an die Leistungskraft ausgestaltet würde. Die Lithiumionenbatterie 20 kann ebenfalls in Reihe oder parallel mit anderen ähnlichen Lithiumionenzellen oder -batterien verbunden werden, um einen größeren Spannungsausgang und Leistungsdichte zu produzieren, wenn es von dem Lastgerät 42 gefordert wird.
Dementsprechend kann die Lithiumionenbatterie 20 einen elektrischen Strom zu einem Lastgerät 42, das betrieblich an die externe Leitung 40 angeschlossen sein kann, erzeugen. Das Lastgerät 42 kann völlig oder zum Teil durch den elektrischen Strom, der durch die externe Leitung fließt, wenn sich die Lithiumionenbatterie 20 entlädt, mit Energie versorgt werden. Während das Lastgerät 42 irgendeine Zahl von bekannten elektrisch angetriebenen Geräten sein kann, umfassen einige spezifische Beispiele für energieverbrauchende Lastgeräte einen elektrischen Motor für ein Hybridfahrzeug oder ein vollelektrisches Fahrzeug, einen Laptopcomputer, einen Tabletcomputer, ein Mobiltelefon und schnurlose elektrische Werkzeuge oder Apparate als nicht beschränkendes Beispiel. Das Lastgerät 42 kann auch eine energieerzeugende Vorrichtung sein, die die Lithiumionenbatterie 20 zu Energiespeicherzwecken lädt.
Ein beliebiger geeigneter Elektrolyt 30, ob in fester Form oder in Lösung, der dazu geeignet ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten, kann in der Lithiumionenbatterie 20 verwendet werden. In gewisser Hinsicht kann die Elektrolytlösung eine nicht-wässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einer Mischung von organischen Lösungsmitteln gelöstes Lithiumsalz enthält. Zahlreiche herkömmliche nicht-wässrige flüssige Lösungen des Elektrolyten 30 können in der Lithiumionenbatterie 20 verwendet werden. Eine nicht beschränkende Auflistung von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst werden können, um die nicht-wässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst LiPF₆, LiClO₄, LiAlCl₄, Lil, LiBr, LiSCN, LiBF₄, LiB(C₆H₅)₄, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂ und Kombination davon. Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln einschließlich, aber nicht beschränkt auf verschiedene Alkylcarbonate, wie cyclische Carbonate (Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC)), acyclische Carbonate (Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Mischungen davon, gelöst werden.
Der Separator 30 kann gemäß einer Ausführungsform einen mikroporösen polymeren Separator, der ein Polyolefin enthält, umfassen. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, welches entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin eine beliebige Ausgestaltung der Copolymerkette einschließlich derjenigen eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers einnehmen. In ähnlicher Weise kann es, wenn das Polyolefin ein von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitetes Heteropolymer ist, gleichermaßen ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer sein. In gewisser Hinsicht kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung von PE oder PP sein.
Wenn der Separator 30 ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann er eine einzelne Schicht oder ein Mehrschichtlaminat sein, welches in einem entweder trockenen oder nassen Prozess erzeugt werden kann. Zum Beispiel kann gemäß einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen polymeren Separator 30 bilden. In anderer Hinsicht kann der Separator 30 zum Beispiel eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen können, sein. Als anderes Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten von ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen angeordnet sein, um den mikroporösen Polymerseparator 30 zu bilden. Der mikroporöse Polymerseparator 30 kann ebenfalls andere Polymere zusätzlich zu dem Polyolefin enthalten, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder ein Polyamid. Die Polyolefinschicht und beliebige andere optionale Polymerschichten können des Weiteren in dem mikroporösen polymeren Separator 30 als eine faserige Schicht enthalten sein, um beim Bereitstellen des mikroporösen polymeren Separators 30 mit geeigneten strukturellen und Porositätscharakteristika zu helfen. Verschiedene herkömmlich erhältliche Polymere und kommerzielle Produkte werden für die Bildung des Separators 30 in Erwägung gezogen, wie auch die vielen Herstellungsverfahren, die verwendet werden können, um solch einen mikroporösen Polymerseparator 30 zu produzieren.
Die positive Elektrode 24 kann aus einem beliebigen lithiumbasierten aktiven Material gebildet sein, das eine ausreichende Lithiuminterkalation und -deinterkalation eingehen kann, während es als das positive Ende der Lithiumionenbatterie 20 fungiert. Die positive Elektrode 24 kann ein polymeres Bindermaterial enthalten, um das lithiumbasierte aktive Material strukturell zu verstärken. Eine beispielhafte gewöhnliche Klasse bekannter Materialien, die verwendet werden können, um die positive Elektrode 24 zu bilden, sind geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 gemäß verschiedener Ausführungsformen zumindest einen Spinell, wie Lithium-Manganoxid (Li_(1+x)Mn_(2-x)O₄), wobei 0 ≤ x ≤ 1, wobei x typischerweise kleiner als 0,15 ist, einschließlich LiMn₂O₄, Lithium-Mangan-Nickeloxid, (LiMn_(2-x)Ni_xO₄), wobei 0 ≤ x ≤ 1 und z.B. LiMn_1,5Ni_0,5O₄, Lithium-Cobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Manganoxid (LiMn₂O₄), Lithium-Nickeloxid (LiNiO₂), ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂), wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1, ein Lithium-Nickel-Cobalt-Metalloxid LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂ (wobei 0<x<1, y<1, und M AI, Mn oder dergleichen sein kann), Lithium-Übergangsmetalloxide oder gemischte Oxide, Lithium-Eisenphosphate oder ein Lithium-Eisenpolyanionoxid, wie Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄) oder Lithium-Eisenfluorophosphat (Li₂FePO₄F) enthalten. Eine Auswahl anderer bekannter lithiumbasierter aktiver Materialien kann ebenfalls verwendet werden. Als nicht beschränkendes Beispiel können alternative Materialien Lithium-Nickeloxid (LiNiO₂), Lithium-Aluminium-Manganoxid (Li_xAl_yM_n(1-y)O₂) und Lithium-Vanadiumoxid (LiV₂O₅) enthalten. Gemäß gewisser Varianten enthält die positive Elektrode 24 zumindest einen von einem Spinell, wie Lithium-Manganoxid (Li_(1+x)Mn_(2-x)O₄), Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn_(2-x)Ni_xO₄), wobei 0 ≤ x ≤ 1, Lithium-Mangan-Nickel-Cobaltoxid (z.B. LiMn_1/3Ni_1/3Co_1/3O₂) oder Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₆). Solche aktiven Materialien können mit zumindest einem polymeren Bindemittel zum Beispiel durch Gießen einer Suspension von aktiven Materialien mit solchen Bindemitteln, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), Ethylen-Propylen-Dienmonomer-(EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethoxylcellulose (CMC) vermischt werden. Der positive Stromkollektor 34 kann aus Aluminium oder einem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material, das Fachleuten bekannt ist, gebildet sein.
In verschiedener Hinsicht enthält die negative Elektrode 22 ein elektroaktives Material als ein Lithiumwirtsmaterial, das geeignet ist, als ein negatives Ende einer Lithiumionenbatterie zu fungieren. Die negative Elektrode 22 kann ebenfalls ein anderes elektrisch leitendes Material sowie ein oder mehrere polymere Bindermaterialien enthalten, um das Lithiumwirtsmaterial strukturell zusammenzuhalten. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 gemäß einer Ausführungsform aus Lithiumtitanatoxid-(LTO)-Partikeln, die mit zumindest einem von Polyvinylidenfluorid (PVDF), einem Nitril-Butadienkautschuk (NBR), Styrol-Butadienkautschuk-(SBR)-Bindemittel oder Carboxymethoxylcellulose (CMC) vermischt sind, wie in größerem Detail nachstehend erörtert wird, als nicht beschränkendes Beispiel gebildet sein. Der Stromkollektor 32 der negativen Elektrode kann aus Kupfer oder einem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material, das Fachleuten bekannt ist, gebildet sein.
Gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Offenbarung umfasst die negative Elektrode 22 ein aktives Material, das Li₄TisO₁₂ (LTO) enthält, das in Übereinstimmung mit gewissen Prinzipien der vorliegenden Lehren modifiziert ist. LTO ist dazu geeignet, eine Lithiuminterkalation und -deinterkalation ausreichend einzugehen, während es als das negative Ende der Lithiumionenbatterie 20 fungiert. Wenn LTO mit Lithiumionen interkaliert wird, geht es von Li₄TisO₁₂ zu Li_4+xTi₅O₁₂, wobei x von 0 ≤ x ≤ 3 reicht (wobei LTO in einer völlig interkalierten Form Li₇T₁₅O₁₂ ist), über. Wie zuvor erörtert, ist LTO als ein aktives Material für die negative Elektrode 22 besonders nützlich, weil es eine hervorragende elektrochemische Leistung aufweist und des Weiteren eine kleine bis keine volumetrische Änderung nach der Lithiuminsertion aufweist. Demgemäß wird es als ein Null-Deformationsmaterial [zero-strain material] angesehen, das eine ausgezeichnete Langzeitbeständigkeit bereitstellt. Daher ist LTO aufgrund seiner exzellenten Zyklenbeständigkeit, Stromausbeute, Entladungsrate ein aussichtsreiches Elektrodenmaterial für eine Lithiumbatterie. Des Weiteren kann LTO als ein nanostrukturiertes Material für eine höhere Packungsdichte und sehr hohe Bemessungskapazitäten ausgebildet sein. Wie jedoch zuvor erörtert, ist eine potentielle Schwäche der Verwendung von LTO als eine negative Elektrode 22, dass es in Erscheinung tritt, dass LTO mit der Zeit und bei relativ hohen Temperaturen signifikante Mengen an Gas erzeugen kann. Da Lithiumionenzellen typischerweise hermetisch abgeschlossen sind, ist eine solche Gasbildung mit der Zeit unerwünscht. Die vorherrschende Komponente in dem durch LTO in einer Lithiumionenbatterie erzeugten Gas ist Wasserstoff (H₂), dessen Bildung mit der Temperatur und dem Ladezustand (SoC) zunehmen zu scheint. LTO und die typischen aktiven Materialien für Kathoden (z.B. (Li_(1+x)Mn_(2-x)O₄) enthalten selbst keine Wasserstoffquelle und erzeugen somit nicht selbst Wasserstoff. Des Weiteren sind, während Lithiumelektrolyte eine Wasserstoffquelle (z.B. aus nicht-wässrigen Lösungsmitteln, wie Alkylcarbonaten) aufweisen, die Elektrolyte typischerweise bei Umgebungstemperaturen stabil. Des Weiteren scheint das Problem der Gasbildung spezifisch für die Verwendung von LTO oder ähnlichen Materialien als aktive Materialien für die negative Elektrode zu sein, während ein Verändern des aktiven Materials der Kathode die Gasentwicklung nicht abschwächt.
Während die vorliegenden Lehren nicht auf eine bestimmte Theorie beschränkt sind, wird es theoretisiert, dass Lösungsmittel, wie Alkylcarbonate in der Elektrolytlösung (als nicht beschränkendes Beispiel Ethylencarbonat (EC), Diethylcarbonat (DEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC)), eine Wasserstoffquelle über die Carbonate bereitstellen. Demnach wird es theoretisiert, dass die aktiven Metalloxide (LTO) solche Lösungsmittel adsorbieren und/oder als ein Katalysator agieren, um die chemische oder elektrochemische Zersetzung der Wasserstoffquelle(n) aus dem Elektrolyten zu fördern, wodurch Wasserstoffgas und andere unerwünschte Nebenprodukte gebildet werden. Als Hintergrund ist ein beispielhafter Mechanismus in der 2 für das gezeigt, von dem geglaubt wird, dass es ein Mechanismus für die Bildung von Wasserstoffgas mit LTO-Elektroden ist, basierend auf Qin et al., Mechanismus der LTO-Gasbildung und mögliche Lösungen [Mechanism of LTO Gassing and Potential Solutions], Argonne National Laboratory (9.-13. Mai 2011), von dem die relevanten Teile hiermit durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Ein beispielhafter Partikel von Li_(4+x)T₁₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3 (LTO)-Partikel ist als 100 gezeigt. Angrenzend oder in der Nähe zu dem Partikel befindet sich der Elektrolyt 110. Wie oben erwähnt, enthalten herkömmliche Elektrolytlösungen 110 zusätzlich zu Lithiumsalzen auch Lösungsmittel, wie Alkylcarbonate. Demgemäß enthält der Elektrolyt 110 ein Lösungsmittel oder Wasserstoffquelle. Nach dem Pfeil 1 ist eine solche Lösungsmittelspezies gezeigt, die auf einer Oberfläche des LTO 100 adsorbiert ist. Nach dem Pfeil 2 wird eine Hydroxylgruppe reduziert und wird ein Lithiumion freigesetzt. Dies bewirkt, dass Wasserstoffgas freigesetzt wird, und die chemische Zersetzung des Lösungsmittels (gezeigt als R₁C=CR₂), wobei das LTO 100 als ein Katalysator für das Auftreten solcher Reaktionen dienen kann. Insgesamt wird daher theoretisiert, dass die Gasbildung von der chemischen Reduktion von -OH-Gruppen auf Li₇Ti₅O₁₂ unter Mitwirkung des Lösungsmittels in dem Elektrolyten herrührt. Die Unterdrückung von solchem aus LTO erzeugtem Gas kann die Sicherheit und die Lebensdauer von Lithiumionenbatterien weiter verbessern.
Demgemäß umfasst gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Lehren das Material der negativen Anode, welches ansonsten Gas innerhalb der elektrochemischen Zelle erzeugt, eine Oberflächenbeschichtung, die die Bildung von Gasen durch das Verbrauchen oder Binden von -OH-Gruppen und dadurch das Unterdrücken oder Minimieren beliebiger nachteiliger Nebenreaktionen mit in dem Elektrolyten oder der Batteriezelle vorliegenden Spezies verringert oder eliminiert. Gemäß gewisser Varianten unterdrückt eine Oberflächenbeschichtung auf den Partikeln des Anodenmaterials die Gasbildung [und] umfasst eine fluoridbasierte Beschichtung oder eine carbidbasierte Beschichtung. Während die vorliegenden Lehren in erster Linie auf Lithiumtitanatoxid (LTO) gerichtet sind, können die Prinzipien, Oberflächenbeschichtungen zum Unterdrücken der Gasbildung zu verwenden, in Verbindung mit beliebigen anderen elektroaktiven Materialien, die unerwünschterweise Gase innerhalb einer elektrochemischen Zelle oder Batterie erzeugen, verwendet werden. Gemäß gewisser Varianten umfasst eine Oberflächenbeschichtung auf den Partikeln des Anodenmaterials, welche die Gasbildung unterdrückt, Fluor und ist eine fluoridbasierte Beschichtung. Mit einer fluoridbasierten Beschichtung ist gemeint, dass die Beschichtung mit Vorläufern aufgebracht wird, um eine fluoridhaltige Beschichtung zu bilden, aber solche Vorläufer können weiter mit reaktiven Gruppen auf der Oberfläche des Lithiumtitanats reagieren, um hybridisierte Verbindungen zu bilden. Da viele reaktive Gruppen auf dem Lithiumtitanat reaktive Wasserstoff- oder Hydroxylgruppen sind, können gleichermaßen sauerstoffhaltige Spezies gebildet werden. Die fluoridbasierte Beschichtung kann aktive Gruppen, die auf der LTO-Oberfläche ausgebildet sind, vermeiden oder beseitigen, und ebenso die Selbstentladung von Lithiumionen aus dem LTO verhindern. Ein solches Konzept gilt ähnlich für carbidbasierte Beschichtungen, welche gleichermaßen sauerstoffhaltige Spezies enthalten können.
Die Anwendung solch einer dünnen fluoridbasierten Oberflächenbeschichtung auf einer LTO-Elektrode oder Partikeln bewirkt eine Reaktion mit funktionellen Gruppen auf der Oberfläche, welche für die Gasbildung, besonders für die Bildung von Wasserstoffgas (H₂) verantwortlich sind. Insbesondere wird angenommen, dass fluoridbasierte Oberflächenbeschichtungen mit Oberflächen-funktionellen Gruppen auf der Lithiumtitanat-(LTO)-Oberfläche einschließlich OH- und H-Gruppen reagieren, von welchen angenommen wird, dass sie für das Meiste der Gasbildung aus LTO im Ladezustand verantwortlich sind. Eine solche fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung kann die Gasbildung signifikant unterdrücken oder eliminieren.
Gemäß gewisser Varianten wird die Oberflächenbeschichtung aus einem Vorläufer (oder einem oder mehreren Vorläufern) für eine Aluminiumfluorid-(AlF₃)-Beschichtung, eine Lithiumfluorid-(LiF)-Beschichtung oder Kombinationen davon gebildet. Eine solche fluoridbasierte Beschichtung kann mit einem oder mehreren Vorläufern für die Bildung einer LiF-Beschichtung gebildet werden, der, wenn er mit den LTO-Oberflächengruppen reagiert wird, eine oxyfluoridhaltige Beschichtung bildet, welche verschiedene sauerstoffhaltige Spezies, wie Li₂O, zusätzlich zu LiF enthält. Gemäß anderer Varianten kann eine fluoridbasierte Beschichtung mit einem Vorläufer für eine AlF₃-Beschichtung gebildet werden, welcher, wenn er mit Oberflächengruppen auf dem LTO reagiert wird, in ähnlicher Weise eine oxyfluoridhaltige Beschichtung mit verschiedenen sauerstoffhaltigen Spezies, wie Li₂O, zusätzlich zu AlF₃ bildet.
In gewisser Hinsicht stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials für eine elektrochemische Zelle bereit, das das Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung auf ein elektroaktives Material, das Li_(4+x)Ti₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), enthält, mittels eines nicht wässrigen Prozesses umfasst. Die mit einem solchen Prozess gebildete Oberflächenbeschichtung weist eine Dicke von weniger als oder gleich zu etwa 30 nm auf und ist dazu geeignet, die Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle zu unterdrücken. Wie oben dargelegt, ist der Prozess zum Aufbringen der Oberflächenbeschichtung eine nicht wässrige Atomlagenabscheidung (ALD) mit irgendeinem der Vorläufer oder Bedingungen, die oben oder hierin beschrieben sind.
Dementsprechend wird gemäß gewisser Aspekte der vorliegenden Offenbarung ein Material bereitgestellt, das Li_(4+x)Ti₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), umfasst und des Weiteren eine darauf aufgebrachte Oberflächenbeschichtung aufweist, um die Bildung von Gasen zu unterdrücken. Die Oberflächenbeschichtung kann auf eine beliebige Oberfläche des LTO aufgebracht werden, die gegenüber dem Elektrolyten oder Lösungsmittel innerhalb der elektrochemischen Zelle ausgesetzt sein kann, um die Reaktion und/oder Adsorption solcher Spezies zu minimieren, wie in größerem Detail nachstehend erörtert wird. Gemäß gewisser Varianten ist die Oberflächenbeschichtung eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung. Gemäß gewisser Ausführungsformen umfasst die fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung ein Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Aluminiumfluorid (AIF₃), Lithiumfluorid (LiF) und Kombinationen davon. Eine solche fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung kann durch Verwenden eines oder mehrerer Vorläufer für eine Aluminiumfluorid-(AlF₃)- oder Lithiumfluorid-(LiF)-Beschichtung, die auf eine Oberfläche des Lithiumtitanats aufgebracht wird, gebildet werden, wobei, wie oben erwähnt, solche Vorläufer auch mit freigelegten reaktiven Gruppen auf dem LTO reagieren können, um zusätzliche Spezies aus dem LiF oder AIF₃, wie sauerstoffhaltige Spezies, wie Li₂O, als nicht beschränkendes Beispiel zu bilden.
In verschiedener Hinsicht wird eine solche Oberflächenbeschichtung mit einem nicht-wässrigen Abscheidungsprozess aufgebracht. Erfindungsgemäß kann die Oberflächenbeschichtung mit einem modifizierten nicht wässrigen Atomlagenabscheidungs-(ALD)-Prozess aufgebracht werden, der das LTO-Material mit einer konformen Schicht, die z.B. Aluminiumfluorid (AlF₃) und/oder Lithiumfluorid (LiF) enthält, beschichten kann. Während typische ALD-Beschichtungen mit wässrigen Reaktanden aufgebracht werden, stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zum Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung auf LTO mittels eines nicht-wässrigen ALD-Prozesses bereit, der die Verwendung von jeglichem Wasser innerhalb des Abscheidungsprozesses vermeidet. Zum Beispiel können beim Aufbringen von LiF mittels eines nicht-wässrigen ALD-Abscheidungsprozesses die folgenden Vorläufer verwendet werden, um die LiF-basierte Beschichtung zu bilden: LiO^tBu und TiF₄. Zum Aufbringen von AlF₃ mittels eines nicht-wässrigen ALD-Abscheidungsprozesses können die folgenden Vorläufer verwendet werden, um die AlF₃-basierte Beschichtung zu bilden: Trimethylaluminium (TMA) und TiF₄.
Der Prozess kann durch die Bildung von Aluminiumfluorid (AlF₃) dargestellt werden, aber der Prozess kann auch verwendet werden, um Lithiumfluorid zu bilden, als nicht beschränkendes Beispiel. Ferner können gemäß alternativer Varianten AIF₃- oder LiF-Beschichtungen einfach durch die Verwendung unterschiedlicher Vorläufer erhalten werden. Zum Beispiel kann der Fluorid-(F)-Vorläufer NiF₂, CaF₂, TiF₄, TiF₂, MgF₂, WF₆ und/oder aktive metallische Fluoride (mit einer Heiztemperatur oberhalb von 160°C) sein.
Somit kann gemäß gewisser Varianten das Aufbringen der Oberflächenbeschichtung mit einem nicht-wässrigen Atomlagenabscheidungsprozess durchgeführt werden mit einem Vorläufer, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumfluorid (LiF), Aluminiumfluorid (AIF₃), Titancarbid (TiC), Siliziumcarbid (SiC) und dergleichen. Somit kann das Aufbringen der Oberflächenbeschichtung einen nicht-wässrigen Abscheidungsprozess unter Einschluss einer oder mehrerer Beschichtungsvorläuferspezies umfassen, um eine carbidbasierte Oberflächenbeschichtung, wie TiC, SiC, WC (zum Beispiel kann TiC durch Sputtern eines TiC-Targets oder CVD mit Titantetrachlorid und CH₄ als Vorläufern gebildet werden), zu bilden.
In gewisser Hinsicht stellt die vorliegende Offenbarung eine auf einem LTO-Material gebildete Oberflächenbeschichtung bereit, die aus einem Vorläufermaterial gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumfluorid (LiF), Aluminiumfluorid (AIF₃), Titancarbid (TiC), Siliziumcarbid (SiC), Wolframcarbid (WC) und Kombinationen davon. Gemäß gewisser Varianten ist die Oberflächenbeschichtung eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die mit einem Vorläufermaterial für eine Beschichtung aufgebracht wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumfluorid (LiF), Aluminiumfluorid (AIF₃) und Kombinationen davon. Gemäß anderer Varianten ist die aufgebrachte Oberflächenbeschichtung eine oxyfluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die aus einem Lithiumfluorid-(LiF)-Vorläufermaterial gebildet ist.
Negative Elektroden können etwa 50 % bis etwa 90 % eines elektroaktiven Materials (z.B. Partikel von LTO), etwa 5 % bis etwa 30 % eines elektrisch leitenden Materials und als Rest ein Bindemittel enthalten. Geeignete elektrisch leitende Materialien umfassen Ruß, Graphit, pulverisiertes Nickel, Metallpartikel, leitende Polymere und Kombinationen davon und Mischungen davon. Verwendbare Bindemittel können ein polymeres Material und einen extrahierbaren Weichmacher, die zur Bildung eines gebundenen porösen Verbundstoffs geeignet sind, wie halogenierte Kohlenwasserstoffpolymere (wie Poly(vinylidenchlorid) und Poly((dichlor-1,4-phenylen)ethylen), fluorierte Urethane, fluorierte Epoxide, fluorierte Acryle, Copolymere von halogenierten Kohlenwasserstoffpolymeren, Epoxide, Ethylen-Propylen-Diamintermonomer (EPDM), Ethylen-Propylen-Diamintermonomer (EPDM), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Hexafluorpropylen (HFP), Ethylen-Acrylsäurecopolymer (EAA), Ethylen-Vinylacetatcopolymer (EVA), EAA/EVA-Copolymere, PVDF/HFP-Copolymere und Mischungen davon, umfassen.
Eine Elektrode kann durch Einmischen des aktiven Materials der Elektrode, wie LTO-Pulver oder -Partikel, in eine Suspension mit einer polymeren Bindemittelverbindung, einem nicht wässrigen Lösungsmittel, optional einem Weichmacher und den elektrisch leitenden Partikeln hergestellt werden. Die Suspension kann gemischt oder geschüttelt und dann mittels einer Rakel dünn auf ein Substrat aufgebracht werden. Das Substrat kann ein entfernbares Substrat oder alternativ ein funktionales Substrat, wie ein Stromkollektor (wie ein metallisches Gitter oder eine Netzschicht), der an einer Seite des Elektrodenfilms befestigt ist, sein. Gemäß einer Variante kann Wärme oder Strahlung angewendet werden, um das Lösungsmittel aus dem Elektrodenfilm unter Zurücklassen eines festen Rückstands zu verdampfen. Der Elektrodenfilm kann weiter verfestigt werden, wobei Wärme und Druck auf den Film angewendet werden, um ihn zu sintern und zu glätten. Gemäß anderer Varianten kann der Film bei moderater Temperatur luftgetrocknet werden, um selbststützende Filme zu bilden. Wenn das Substrat entfernbar ist, wird es dann von dem Elektrodenfilm entfernt, der dann des Weiteren zu einem Stromkollektor geschichtet wird. Bei beiden Arten von Substrat kann es erforderlich sein, den verbleibenden Weichmacher vor dem Einbau in die Batteriezelle zu extrahieren oder zu entfernen.
In verschiedener Hinsicht ist die Oberflächenbeschichtung eine dünne Schicht, die auf einen oder mehrere vorgewählte Oberflächenbereiche von Lithiumtitanat aufgebracht wird, welche eine ausreichende Bedeckung der ausgesetzten Oberflächenbereiche des LTO bereitstellt, um die Adsorption und/oder Reaktion von Lösungsmitteln und anderen Wasserstoffquellenspezies in der Batteriezelle zu minimieren, während die elektrische Impedanz an der Oberfläche des elektroaktiven Materials minimiert wird. Als eine Dicke der Oberflächenbeschichtung kann der Bereich der Oberfläche des LTO angesehen werden, der mit den Vorläufern der Oberflächenbeschichtung reagiert hat, um aus Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), eine bestimmte chemische Zusammensetzung zu bilden. Gemäß gewisser Varianten ist eine Dicke der Oberflächenbeschichtung auf dem LTO ultradünn und beträgt weniger als oder gleich etwa 30 nm, optional weniger als oder gleich etwa 25 nm, optional weniger als oder gleich etwa 20 nm, optional weniger als oder gleich etwa 15 nm, optional weniger als oder gleich etwa 10 nm, optional weniger als oder gleich etwa 9 nm, optional weniger als oder gleich etwa 8 nm, optional weniger als oder gleich etwa 7 nm, optional weniger als oder gleich etwa 6 nm, optional weniger als oder gleich etwa 5 nm, optional weniger als oder gleich etwa 4 nm, optional weniger als oder gleich etwa 3 nm, optional weniger als oder gleich etwa 2 nm, optional weniger als oder gleich etwa 1 nm und in gewissen Varianten optional weniger als oder gleich etwa 0,75 nm. Gemäß gewisser Varianten kann eine Dicke der Oberflächenbeschichtung größer als oder gleich etwa 0,5 nm bis weniger als oder gleich etwa 10 nm, optional größer als oder gleich etwa 0,5 nm bis weniger als oder gleich etwa 5 nm und, gemäß gewisser Varianten, optional größer als oder gleich etwa 0,5 nm bis weniger als oder gleich etwa 3 nm betragen.
Gemäß gewisser bevorzugter Varianten können vorgefertigte Elektroden, die aus LTO, wie oben beschrieben, mittels des Gießens einer Suspension des aktiven Materials gebildet sind, direkt mittels nicht-wässriger Atomlagenabscheidung (ALD) direkt beschichtet werden. Somit können ein oder mehrere freiliegende Bereiche der vorgefertigten Elektroden, die das LTO enthalten, beschichtet werden, um die Gasbildung aus dem LTO in der Elektrode zu unterdrücken. Gemäß anderer Varianten kann eine Vielzahl von Partikeln, die ein elektroaktives Material, wie LTO, enthalten, mit einer fluoridbasierten Oberflächenbeschichtung unter Verwendung einer Nasschemietechnik oder CVD mit einem Wirbelbettreaktor beschichtet werden. Dann können die beschichteten Partikel in der Suspension des aktiven Materials verwendet werden, um die Elektrode, wie oben beschrieben, zu bilden.
Wie oben erörtert, kann eine Batterie eine mehrschichtige Zellstruktur aufweisen, die eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht und einen Elektrolyten/Separator zwischen den Anoden- und Kathodenschichten aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten umfassen jeweils einen Stromkollektor. Ein Stromkollektor der negativen Anode kann eine Kupferkollektorfolie sein, welche in der Form eines offenen Netzgitters oder eines dünnen Films vorliegen kann. Der Stromkollektor kann an einen externen Stromkollektorstreifen angeschlossen sein.
Zum Beispiel umfasst gemäß gewisser Varianten eine Elektrodenmembran, wie eine Anodenmembran, das elektroaktive Material (z.B. LTO), das in einer polymeren Bindemittelmatrix über einen Stromkollektor verteilt ist. Der Separator kann dann über dem negativen Elektrodenelement, welches mit einer positiven Elektrodenmembran, die eine Zusammensetzung einer fein verteilten Lithiuminsertionsverbindung in einer polymeren Bindemittelmatrix enthält, bedeckt ist, positioniert sein. Ein positiver Stromkollektor, wie eine Aluminiumkollektorfolie oder -gitter, vervollständigt die Anordnung. Streifen der Stromkollektorelemente bilden jeweils Anschlüsse für die Batterie. Ein schützendes Einpackmaterial bedeckt die Zelle und verhindert das Eindringen von Luft und Feuchtigkeit. In diese Einpackung wird ein Elektrolyt in den Separator injiziert (und kann ebenso in die positiven und/oder negativen Elektroden absorbiert werden), der für den Lithiumionentransport geeignet ist. In gewisser Hinsicht wird die geschichtete Batterie vor der Verwendung des Weiteren hermetisch verschlossen.
Somit stellt die vorliegende Offenbarung gemäß gewisser Varianten ein elektroaktives Material bereit, welches in einer elektrochemischen Zelle, wie einer Lithiumionenbatterie, verwendet werden kann, welches Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), enthält und eine darauf gebildete Oberflächenbeschichtung mit einer Dicke von weniger als oder gleich etwa 30 nm, die die Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle unterdrückt, aufweist. Gemäß gewisser Varianten ist das LTO-Material in einer vorgefertigten Elektrodenschicht enthalten und ist die Oberflächenbeschichtung auf wenigstens eine Oberfläche der vorgefertigten Elektrodenschicht aufgebracht. Gemäß anderer Varianten ist die Oberflächenbeschichtung auf eine Vielzahl von LTO-Partikeln, welche dann in die Elektrode eingebaut werden können, aufgebracht. In gewisser Hinsicht ist die Oberflächenbeschichtung eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung oder eine carbidbasierte Oberflächenbeschichtung. Gemäß gewisser Varianten ist die Oberflächenbeschichtung eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die aus einem Vorläufermaterial gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithiumfluorid (LiF), Aluminiumfluorid (AlF₃) und Kombinationen davon besteht. In gewisser Hinsicht ist die Oberflächenbeschichtung eine oxyfluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die aus einem Lithiumfluorid-(LiF)-Vorläufermaterial gebildet ist. In bevorzugter Hinsicht wird die dünne Oberflächenbeschichtung auf dem LTO in einem nicht-wässrigen Abscheidungsprozess gebildet.
In verschiedener Hinsicht ist die Oberflächenbeschichtung dazu geeignet, größer als oder gleich etwa 99,5 % an Gasen, die ansonsten durch ein Vergleichs-LTO-Material, dem die Oberflächenbeschichtung fehlt, gebildet würden, zu unterdrücken. In gewisser Hinsicht unterdrückt die Oberflächenbeschichtung größer als oder gleich etwa 99,7 %, optional 99,8 %, optional 99,9 % und in gewisser Hinsicht 99,99 % an Gasen, die ansonsten von einem freiliegenden Vergleichs-LTO-Material, dem die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung fehlt, erzeugt würden.
In gewisser Hinsicht ist es bevorzugt, dass ein elektroaktives Material mit einer Oberflächenbeschichtung zum Unterdrücken der Gasbildung in einer elektrochemischen Zelle, wie einer Lithiumionenbatterie, die zum Beispiel LTO enthält, nicht irgendeine oder nur minimale Mengen an gasförmigen Verbindungen während der Lebensdauer der Batterie erzeugt. Zum Beispiel ist in gewisser Hinsicht eine elektrochemische Zelle oder Lithiumionenbatterie, die ein elektroaktives Material mit einer Oberflächenbeschichtung gemäß gewisser Varianten der vorliegenden Offenbarung enthält, über die Lebensdauer der elektrochemischen Zelle oder Batterie im Wesentlichen frei von gasförmigen Verbindungen. „Im Wesentlichen frei“ ist beabsichtigt, zu bedeuten, dass die Verbindung in dem Ausmaß abwesend ist, dass sie nicht detektiert werden kann, oder dass, wenn die Verbindung anwesend ist, sie keinen unangemessenen schädlichen Einfluss bewirkt und/oder die Gesamtverwendung der Batterie für ihren beabsichtigten Zweck verhindert. In einigen Aspekten ist es bevorzugt, dass eine Konzentration von gasförmigen Verbindungen, die in der elektrochemischen Zelle erzeugt werden, weniger als etwa 1.000 Teile pro Million (ppm), optional weniger als etwa 500 ppm, optional weniger als etwa 100 ppm, optional weniger als etwa 75 ppm und in einigen bevorzugten Aspekten optional weniger als etwa 50 ppm beträgt, wenn die elektrochemische Zelle oder Batterie über die Zeit gelagert wird. In mancher Hinsicht ist es bevorzugt, dass die erzeugten Gase weniger als oder gleich etwa 0,1 % des abgeschlossenen Zellvolumens entsprechen, wenn das Gasvolumen bei Standardtemperatur- und -druckbedingungen (298 K, 1 atm) zum Beispiel nach 100 Stunden der Lagerung oder mehr ausgewertet wird, optional weniger als oder gleich etwa 0,05 % des abgeschossenen Zellvolumens und in gewisser Hinsicht optional weniger als oder gleich etwa 0,01 % des abgeschlossenen Zellvolumens bei Standardtemperatur- und -druckbedingungen.
In gewisser Hinsicht weist die Lithiumionen-elektrochemische Zelle, die ein erfindungsgemäßes elektroaktives Material mit einer Oberflächenbeschichtung zum Unterdrücken der Gasbildung enthält, eine Bemessungskapazität von größer als oder gleich etwa 0,05 C (C/20) bis größer als oder gleich etwa 20 Coulomb auf, wobei die Lithiumionen-elektrochemische Zelle für eine Standardlebensdauer der elektrochemischen Zelle im Wesentlichen frei von Gasbildung ist.
Gemäß gewisser Varianten ist eine Lithiumionenbatterie, die ein erfindungsgemäßes elektroaktives Material mit einer Oberflächenbeschichtung zum Unterdrücken der Gasbildung enthält, im Wesentlichen frei von gasförmigen Spezies für zumindest 500 Stunden Batteriebetrieb, optional größer als oder gleich etwa 1000 Stunden Batteriebetrieb, optional größer als oder gleich etwa 1500 Stunden Batteriebetrieb und in gewisser Hinsicht größer als oder gleich etwa 2000 Stunden oder länger an Batteriebetrieb (aktive Zyklen). Gemäß gewisser Varianten ist die Lithiumionenbatterie, die ein erfindungsgemäßes elektroaktives Material mit einer Oberflächenbeschichtung zum Unterdrücken der Gasbildung enthält, im Wesentlichen frei von erzeugten gasförmigen Spezies für eine Dauer von größer als oder gleich etwa 2 Jahren (einschließlich Lagerung bei Umgebungstemperatur und aktiver Zyklenzeit), optional größer als oder gleich etwa 3 Jahren, optional größer als oder gleich etwa 4 Jahren, optional größer als oder gleich etwa 5 Jahren, optional größer als oder gleich etwa 6 Jahren, optional größer als oder gleich etwa 7 Jahren, optional größer als oder gleich etwa 8 Jahren, optional größer als oder gleich etwa 9 Jahren und in gewisser Hinsicht optional größer als oder gleich etwa 10 Jahren. Auf eine andere Weise angegeben, ist eine Lithiumionenbatterie oder elektrochemische Zelle, die das erfindungsgemäße elektroaktive Material mit einer Oberflächenbeschichtung zum Unterdrücken der Gasbildung enthält, in gewisser Hinsicht im Wesentlichen frei von gasförmigen Spezies für zumindest 1.000 Tiefentladungszyklen, optional größer als oder gleich etwa 2.000 Tiefentladungszyklen, optional größer als oder gleich etwa 3.000 Tiefentladungszyklen, optional größer als oder gleich etwa 4.000 Tiefentladungszyklen und, gemäß gewisser Varianten, optional größer als oder gleich etwa 5.000 Tiefentladungszyklen.
In gewisser anderer Hinsicht stellt die vorliegende Offenbarung ein elektroaktives Material für eine elektrochemische Zelle bereit, das eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die auf Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), gebildet ist, umfasst. Die fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung weist eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 15 nm auf, die im Wesentlichen sämtliche Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle für zumindest 3 Jahre der Verwendung der elektrochemischen Zelle unterdrückt.
In gewisser anderer Hinsicht stellt die vorliegende Offenbarung ein elektroaktives Material für eine elektrochemische Zelle bereit, das eine carbidbasierte Oberflächenbeschichtung, die auf Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), gebildet ist, umfasst. Die carbidbasierte Oberflächenbeschichtung weist eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 15 nm auf, die im Wesentlichen sämtliche Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle für zumindest 3 Jahre der Verwendung der elektrochemischen Zelle unterdrückt.
BEISPIELE
Vergleichsbeispiel 1
Eine Batteriehalbzelle mit LTO als Arbeitselektrode und Lithium-(Li)-Folie als Gegenelektrode wird mit einem Elektrolyten, der 1M LiPF₆ in 50 % Ethylencarbonat (EC) und 50 % Diethylcarbonat (DEC) enthält, und einem Separator gebildet. Die Batteriehalbzelle wird bei 55°C für 100 Stunden gelagert. Der Gasausstoß wird mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-Masse) gemessen und geprüft. Die Prüfung wird am Ende des Tests durchgeführt, um die Mengen an produziertem Gas zu bestimmen.
Vergleichsbeispiel 2
Ein negatives Elektrodenmaterial, das Li₄TisO₁₂ (LTO) enthält, das mit Aluminiumoxid (Al₂O₃), das mittels eines typischen wässrigen Atomlagenabscheidungsprozesses aufgebracht ist, beschichtet ist, wird für Vergleichszwecke im Vergleichsbeispiel 2 bereitgestellt. Eine typische Reaktion für das Beschichten des LTO-Anodenmaterials ist 2Al(CH₃)₃ + 3H₂O → Al₂O₃ + 6CH₄. Somit wird in diesem Vergleichsbeispiel eine Oberflächenbeschichtung auf dem LTO gebildet, die Aluminiumoxid enthält, der aber jegliche Halogen-, Carbid- oder Nitridatome fehlen. Eine Dicke der Oberflächenbeschichtung beträgt ungefähr 2 nm. Eine Batteriehalbzelle mit LTO als Arbeitselektrode und Li-Folie als Gegenelektrode, einem Elektrolyten, der 1M LiPF₆ in 50 % EC und 50 DEC enthält, und einem Separator werden bei 55°C für 100 Stunden gelagert. Der Gasaustausch wird mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-Masse) gemessen und geprüft. Die Prüfung wird am Ende des Tests durchgeführt, um die Mengen an produziertem Gas zu bestimmen.
Beispiel 3
Eine Batteriezelle mit einem negativen Elektrodenmaterial, das Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) enthält, wird mit Aluminiumfluorid (AlF₃) beschichtet, welches mittels einer nicht-wässrigen Atomlagenabscheidung (ALD) bei etwa 120°C aufgebracht wird. Eine typische Reaktion für das Beschichten des Anodenmaterials in einem nicht-wässrigen ALD-Prozess ist zum Beispiel 3TiF₄ + 2Al(CH₃)₃ → 2AlF₃ + 3TiF_2↑ + 6CH_x↑. Somit wird auf dem LTO eine Oberflächenbeschichtung gebildet, die Aluminiumfluorid (AIF₃) enthält. Die Dicke der Oberflächenbeschichtung beträgt ungefähr 2 nm. Eine Batteriehalbzelle mit LTO als Arbeitselektrode, Li-Folie als Gegenelektrode, einem Elektrolyten, der 1M LiPF₆ in 50 % EC und 50 % DEC enthält, und einem Separator werden bei 55°C für 100 Stunden gelagert. Der Gasausstoß wird mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-Masse) gemessen und geprüft. Die Prüfung wird am Ende des Tests durchgeführt, um die Mengen an produziertem Gas zu bestimmen.
Beispiel 4
Eine Batteriezelle mit einem negativen Elektrodenmaterial, das Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) enthält, wird mit Lithiumfluorid (LiF) beschichtet, welches mittels einer nicht-wässrigen Atomlagenabscheidung bei etwa 120°C aufgebracht wird. Eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die Lithiumfluorid enthält, wird auf dem LTO unter Verwendung eines nicht wässrigen ALD-Abscheidungsprozesses mit LiO^tBu und TiF₄ als Vorläufern in einem Prozess ähnlich zu dem im Beispiel 3 beschriebenen gebildet. Die Dicke der Oberflächenbeschichtung beträgt ungefähr 2 nm. Eine Batteriehalbzelle mit LTO als Arbeitselektrode und Li-Folie als Gegenelektrode, einem Elektrolyten, der 1M LiPF₆ in 50 % EC und 50 % DEC enthält, und einem Separator werden bei 55°C für 100 Stunden gelagert. Der Gasausstoß wird mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-Masse) gemessen und geprüft. Die Prüfung wird am Ende des Tests durchgeführt, um die Mengen an produziertem Gas zu bestimmen.

Vergleichsergebnisse für die Gasbildung aus den Vergleichsbeispielen 1 - 2 und Beispielen 3 - 4, die in Übereinstimmung mit gewissen Varianten der vorliegenden Offenbarung hergestellt worden sind, werden nachfolgend in der Tabelle 1 bereitgestellt. Tabelle 1

Gas	Vergleichsbsp. 1	Vergleichsbsp. 2	Bsp. 3	Bsp. 4
Gas	Freiliegendes LTO	20 Al₂O₃-Beschichtung auf LTO	20 LiF-Beschichtung auf LTO	20 AlF₃-Beschichtung auf LTO
Wasserstoff (ppm)	1	0,86	0,14	0,03
Kohlenmonoxid (ppm)	0,13	1,54	Nicht detektierbar < 0,01	Nicht detektierbar < 0,01
Kohlendioxid (ppm)	1,02	2,58	1,57	0,24
Methan (ppm)	0,01	0,01	Nicht detektierbar < 0,01	Nicht detektierbar < 0,01
Ethylen (ppm)			Nicht detektierbar < 0,01	Nicht detektierbar < 0,01
Masse der LTO-Elektrode	10,27 mg	10,11 mg	9,24 mg	9,14 mg

Wie ersichtlich, verringerten die fluoridbasierten Beschichtungen der Beispiele 3 und 4 signifikant oder unterdrückten die Gasbildung. Im Hinblick auf Wasserstoff wies Beispiel 3 wenigstens etwa 86 % weniger Wasserstoff im Vergleich zu herkömmlichem LTO mit keinen Oberflächenbeschichtungen (Vergleichsbeispiel 1) auf. Beispiel 4 wies etwa 97 % weniger erzeugten Wasserstoff als Vergleichsbeispiel 1 auf. Des Weiteren, während die Aluminiumoxidbeschichtung auf LTO vom Vergleichsbeispiel 2 dazu diente, den erzeugten Wasserstoff zu reduzieren, reduzierte es die Wasserstoffbildung nur um etwa 14 %, was als unzureichend für eine Langzeitverwendung angesehen wird. Des Weiteren war die Bildung von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid im Vergleichsbeispiel 2 signifikant höher als mit freiliegendem LTO im Vergleichsbeispiel 1. Für das Vergleichsbeispiel 4 sind die gemessenen Niveaus an erzeugtem Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und Ethylen alle signifikant verringert (oder dieselben erwünschten niedrigen Niveaus), Für das Vergleichsbeispiel 3 ist, während Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan und Ethylen verringert oder auf denselben nicht-detektierbaren Niveaus sind, Kohlendioxid im Vergleich zu dem, das mit freiliegendem LTO im Vergleichsbeispiel 1 erzeugt worden ist, erhöht.
Daher wird in Übereinstimmung mit gewissen Aspekten der vorliegenden Offenbarung die Gasbildung aus elektroaktiven Materialien, die unerwünschterweise Gase innerhalb elektrochemischer Zellen erzeugen, wie Lithiumtitanatoxidmaterialien (LTO), unterdrückt. Die elektroaktiven Materialien sind mit einer ultradünnen Oberflächenbeschichtung, die erwünschterweise die Bildung von Gasen unterdrückt oder eliminiert, beschichtet, während die elektrische Leitung durch die Elektrode immer noch zugelassen wird (weil es die ultradünne schützende Beschichtung vermeidet, eine zusätzliche Impedanz einzuführen). Dies dient dazu, die Sicherheit und die Batterielebensdauer zu verbessern, wenn LTO als das aktive Material für die negative Elektrode verwendet wird. Dies ist besonders vorteilhaft, um die nutzbare Lebensdauer für Start-Stopp-Lithiumionenbatterien zu verbessern.
Spezifisch offenbart sind Ausführungsformen eines elektroaktiven Materials für eine elektrochemische Zelle, welches optional Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), enthält. Das elektroaktive Material umfasst des Weiteren eine darauf ausgebildete Oberflächenbeschichtung, die die Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle unterdrückt, die optional ein beliebiges oder eine beliebige Kombination von mehr als einem der folgenden Merkmale aufweist: (1) eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 30 nm, (2) LTO, das in einer vorgefertigten Elektrodenschicht enthalten ist, so dass die Oberflächenbeschichtung auf zumindest eine Oberfläche der vorgefertigten Elektrodenschicht aufgebracht wird, (3) die Oberflächenbeschichtung wird auf eine Vielzahl von LTO-Partikeln aufgebracht, die eine Elektrode bilden, (4) die Oberflächenbeschichtung ist eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung oder eine carbidbasierte Oberflächenbeschichtung, (5) die Oberflächenbeschichtung ist eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die aus einem Vorläufermaterial gebildet ist, das aus der Gruppeausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumfluorid (LiF), Aluminiumfluorid (AIF₃) und Kombinationen davon, (6) die Oberflächenbeschichtung ist eine oxyfluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die aus einem Lithiumfluorid-(LiF)-Vorläufermaterial gebildet ist, (7) die Oberflächenbeschichtung wird in einem nicht-wässrigen Abscheidungsprozess gebildet, (8) die Oberflächenbeschichtung ist dazu geeignet, größer als oder gleich etwa 99,5 % an Gasen, die ansonsten durch ein Vergleichs-LTO-Material, dem die Oberflächenbeschichtung fehlt, erzeugt würden, zu unterdrücken und/oder (9) die Oberflächenbeschichtung ist dazu geeignet, größer als oder gleich etwa 99,9 % an Gasen, die ansonsten durch ein Vergleichs-LTO-Material, dem die Oberflächenbeschichtung fehlt, erzeugt würden, zu unterdrücken, wobei diese Merkmale alle Werte und Endpunkte von numerischen Bereichen und Kombinationen davon und alle Materialien und Kombinationen von Materialien, von denen oben offenbart ist, dass sie in Zusammensetzungen, die für diese Merkmale erwähnt sind, einbezogen werden können, umfassen.
In noch anderer Hinsicht betrachtet die vorliegende Offenbarung Ausführungsformen eines elektroaktiven Materials für eine elektrochemische Zelle enthaltend (10) eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die auf Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), gebildet ist, wobei die fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung optional eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 15 nm aufweist, und (11) welche dazu dient, im Wesentlichen sämtliche Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle für zumindest 3 Jahre der Verwendung der elektrochemischen Zelle zu unterdrücken, optional (12) ist die fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung eine oxyfluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die aus einem Lithiumfluorid-(LiF)-Vorläufermaterial gebildet ist, und/oder (13) eine carbidbasierte Oberflächenbeschichtung, die auf Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), gebildet ist, mit einer Dicke von weniger als oder gleich etwa 15 nm, welche dazu dient, im Wesentlichen sämtliche Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle für zumindest 3 Jahre der Verwendung der elektrochemischen Zelle zu unterdrücken.
Alle oben als optionale Merkmale dieser Materialien erörterten und aufgezählten möglichen Kombinationen sind spezifisch als Ausführungsformen offenbart. Ebenso spezifisch offenbart sind Kombinationen einschließlich dieses elektroaktiven Materials mit einer Oberflächenbeschichtung, optional mit einem beliebigen oder einer beliebigen Kombination von mehr als einem der aufgezählten Merkmale (1) - (13).
In anderer Hinsicht umfassen Ausführungsformen der vorliegenden Lehren Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials für eine elektrochemische Zelle, die das Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung auf ein elektroaktives Material, das Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), enthält, mittels eines nicht-wässrigen Prozesses, wobei die mit einem solchen Prozess gebildete Oberflächenbeschichtung eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 30 nm aufweist und dazu geeignet ist, die Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle zu unterdrücken, umfassen, optional enthaltend die folgenden Schritte oder Merkmale: (1) der Aufbringungsprozess ist eine nicht wässrige Atomlagenabscheidung (ALD), (2) wobei das LTO in einer vorgefertigten Elektrodenschicht enthalten ist, so dass die Oberflächenbeschichtung auf zumindest eine Oberfläche der vorgefertigten Elektrodenschicht aufgebracht wird, (3) die Oberflächenbeschichtung wird direkt auf eine Vielzahl von LTO-Partikeln aufgebracht, welche dann verwendet werden, um eine Elektrode zu bilden, (4) die Oberflächenbeschichtung ist eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung oder eine carbidbasierte Oberflächenbeschichtung, (5) wobei die Oberflächenbeschichtung aus einem Vorläufermaterial gebildet wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: Lithiumfluorid (LiF), Aluminiumfluorid (AlF₃), Titancarbid (TiC), Siliziumcarbid (SiC), Wolframcarbid (WC) und Kombinationen davon, (6) die Oberflächenbeschichtung ist eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die mit einem Vorläufermaterial für eine Beschichtung aufgebracht wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: Lithiumfluorid (LiF), Aluminiumfluorid (AIF) und Kombinationen davon, (7) die aufgebrachte Oberflächenbeschichtung ist eine oxyfluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die aus einem Lithiumfluorid-(LiF)-Vorläufermaterial gebildet ist, (8) die aufgebrachte Oberflächenbeschichtung unterdrückt größer als oder gleich etwa 99,5 % an Gasen, die ansonsten durch ein Vergleichs-LTO-Material, dem die Oberflächenbeschichtung fehlt, erzeugt würden, und (9) die aufgebrachte Oberflächenbeschichtung unterdrückt größer als oder gleich etwa 99,9 % an Gasen, die ansonsten durch ein Vergleichs-LTO-Material, dem die Oberflächenbeschichtung fehlt, erzeugt würden.
Wie erwähnt sind alle möglichen Kombinationen der aufgezählten optionalen Merkmale dieser Verfahren spezifisch als Ausführungsformen offenbart. Ebenso spezifisch offenbart sind Kombinationen einschließlich der Verwendung eines solchen Verfahrens zum Bilden eines elektroaktiven Materials mit einer Oberflächenbeschichtung, um die Gasbildung zu unterdrücken, optional mit einem beliebigen oder einer beliebigen Kombination von mehr als einem der aufgezählten Schritte oder Merkmale, die in (1) - (9) aufgelistet sind.
Die Offenbarung betrachtet ebenfalls Verfahren, die Bildung von Gasen in einer Lithiumionenbatterie zu minimieren oder zu unterdrücken, die optional einen beliebigen oder eine beliebige Kombination von mehr als einem der folgenden Schritte oder Merkmale aufweisen: (1) Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung auf ein elektroaktives Material, das Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), enthält, mittels eines nicht-wässrigen Prozesses, (2) wobei das elektroaktive Material in einer negativen Elektrode in einer Lithiumionenbatterie verwendet wird, die des Weiteren eine positive Elektrode, einen Separator und einen Elektrolyten umfasst, so dass ein beliebiges LTO-Material, das dem Elektrolyten ausgesetzt ist, eine darauf ausgebildete schützende Oberflächenbeschichtung aufweist, so dass die Oberflächenbeschichtung größer als oder gleich etwa 99,5 % einer beliebigen Gasspezies unterdrückt, die ansonsten durch ein Vergleichs-LTO-Material, dem die Oberflächenbeschichtung fehlt, in einer negativen Vergleichselektrode während des Ladens und Entladens der Lithiumionenbatterie für größer als oder gleich etwa 1.000 Zyklen gebildet würde, (3) wobei das LTO optional in einer vorgefertigten Elektrodenschicht enthalten ist und das Aufbringen der Oberflächenbeschichtung das Aufbringen der Oberflächenbeschichtung auf zumindest eine ausgesetzte Oberfläche der vorgefertigten Elektrodenschicht umfasst, (4) wobei die Oberflächenbeschichtung auf eine Vielzahl von LTO-Partikeln aufgebracht wird und das Verfahren des Weiteren umfasst, das negative Elektrodenmaterial nach dem Aufbringen durch Gießen einer Suspension der Vielzahl von LTO-Partikeln mit einer Oberflächenbeschichtung mit einer Vielzahl elektrisch leitender Partikel, wie Ruß, und einem oder mehreren polymeren Bindemitteln zu bilden, (5) wobei das Aufbringen der Oberflächenbeschichtung einen nicht wässrigen Atomlagenabscheidungsprozess mit einem Vorläufer umfasst, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: Lithiumfluorid (LiF), Aluminiumfluorid (AIF₃), Titancarbid (TiC), Siliziumcarbid (SiC), Wolframcarbid (WC) und Kombinationen davon, (6) wobei das Aufbringen der Oberflächenbeschichtung einen nicht-wässrigen Abscheidungsprozess von einer oder mehrerer Beschichtungsvorläuferspezies umfasst, um eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung oder eine carbidbasierte Oberflächenbeschichtung zu bilden, (7) wobei das Aufbringen der Oberflächenbeschichtung einen nicht-wässrigen Abscheidungsprozess von einer oder mehreren Beschichtungsvorläuferspezies umfasst, um eine carbidbasierte Oberflächenbeschichtung zu bilden, wie TiC oder WC, (8) wobei das Aufbringen der Oberflächenbeschichtung einen Prozess umfasst, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: physikalische Gasphasenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung, einer nicht-wässrigen Nasschemie und Kombinationen davon und/oder (9) die Oberflächenbeschichtung ist dazu geeignet, die Gasbildung in der Lithiumionen-elektrochemischen Zelle zu unterdrücken, so dass beliebige erzeugte Gase weniger als oder gleich etwa 0,1 % des abgeschlossenen Volumens der Lithiumionen-elektrochemischen Zelle entsprechen, wenn das Gasvolumen bei Standardtemperatur- und -druckbedingungen (298 K, 1 atm) ausgewertet wird.
Wie erwähnt sind alle möglichen Kombinationen der aufgezählten optionalen Merkmale dieser Verfahren spezifisch als Ausführungsformen offenbart. Ebenso spezifisch offenbart sind Kombinationen einschließlich der Verwendung eines solchen elektroaktiven Materials mit einer Oberflächenbeschichtung, um die Gasbildung zu unterdrücken, optional mit einem beliebigen oder einer beliebigen Kombination von mehr als einem der aufgezählten Merkmale (1) - (10).
Ebenso spezifisch offenbart sind Ausführungsformen einer Lithiumionen-elektrochemischen Zelle, die eine negative Elektrode, die ein Li_(4+x)T₁₅O₁₂-Material, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), eine positive Elektrode, einen Separator und einen Elektrolyten umfasst, wobei ein beliebiges LTO, das dem Elektrolyten innerhalb der elektrochemischen Zelle ausgesetzt ist, eine schützende Oberflächenbeschichtung mit einer Dicke von weniger als oder gleich etwa 30 nm aufweist, um die Bildung von Gas innerhalb der elektrochemischen Zelle zu unterdrücken, und die folgenden optionalen Merkmale aufweist: (1) die Oberflächenbeschichtung unterdrückt größer als oder gleich etwa 99,5 % einer beliebigen Gasspezies, die ansonsten durch ein Vergleichs-LTO-Material, dem die Oberflächenbeschichtung fehlt, in einer negativen Vergleichselektrode während des Ladens und Entladens der Lithiumionen-elektrochemischen Zelle für größer als oder gleich etwa 1.000 Zyklen erzeugt würde, (2) die schützende Oberflächenbeschichtung ist aus einer fluoridbasierten Oberflächenbeschichtung oder einer carbidbasierten Oberflächenbeschichtung ausgewählt, (3) die schützende Oberflächenbeschichtung ist eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, die aus einem Vorläufer einer LiF-Beschichtung gebildet ist, (4) die schützende Oberflächenbeschichtung ist eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung, (5) die positive Elektrode ist ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithium-Manganoxid (Li_(1+x)Mn_(2-x)O₄), worin 0 ≤ x ≤ 1, Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn_(2-x)Ni_xO₄), wobei 0 ≤ x ≤ 1, Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂), wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1 und Kombinationen davon, (6) der Elektrolyt enthält ein Salz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: LiPF₆, LiClO₄, LiAlCl₄, Lil, LiBr, LiSCN, LiBF₄, LiB(C₆H₅)₄, LiAsF₆, UCF₃SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂ und Kombinationen davon und/oder (7) die Oberflächenbeschichtung ist dazu geeignet, die Gasbildung in der Lithiumionen-elektrochemischen Zelle zu unterdrücken, so dass beliebige erzeugte Gase weniger als oder gleich etwa 0,1 % des abgeschlossenen Volumens der Lithiumionen-elektrochemischen Zelle entsprechen, wenn das Gasvolumen bei Standardtemperatur- und -druckbedingungen (298 K, 1 atm) ausgewertet wird.
Wie erwähnt, sind alle möglichen Kombinationen der aufgezählten optionalen Merkmale dieser Materialien und Lithiumionenbatterien, die solche Materialien enthalten, spezifisch als Ausführungsformen offenbart. Ebenso spezifisch offenbart sind Kombinationen einschließlich Lithiumionenbatterien mit elektroaktiven Materialien mit Oberflächenbeschichtungen, optional mit einem beliebigen oder einer beliebigen Kombination von mehr als einem der aufgezählten Merkmale (1) - (7).
Die Details, Beispiele und Vorzüge, die oben in Bezug auf einen beliebigen besonderen oder mehrere der angegebenen Aspekte der vorliegenden Erfindung bereitgestellt und nachstehend in Bezug auf einen beliebigen besonderen oder mehrere der angegebenen Aspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben und beispielhaft gezeigt worden sind, gelten entsprechend für alle Aspekte der vorliegenden Erfindung.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen ist für Zwecke der Darstellung und Beschreibung bereitgestellt worden. Sie ist nicht dazu gedacht, erschöpfend zu sein oder die Offenbarung zu beschränken. Individuelle Elemente oder Merkmale einer besonderen Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese besondere Ausführungsform beschränkt, sondern sind, wenn anwendbar, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn nicht spezifisch gezeigt oder beschrieben. Dieselbe kann ebenfalls auf viele Arten variiert werden. Solche Varianten sind nicht als ein Abweichen von der Offenbarung anzusehen und es ist beabsichtigt, dass sämtliche solche Modifikationen innerhalb des Umfangs der Offenbarung eingeschlossen sind.

Claims

Elektroaktives Material für eine elektrochemische Zelle umfassend: Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), und eine darauf gebildete Oberflächenbeschichtung mit einer Dicke von weniger als oder gleich zu etwa 30 nm, die die Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle unterdrückt, wobei die Oberflächenbeschichtung durch nicht-wässrige Atomlagenabscheidung (ALD) aufgebracht ist, und wobei die Oberflächenbeschichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus einer fluoridbasierten Oberflächenbeschichtung und einer carbidbasierten Oberflächenbeschichtung.
Elektroaktives Material nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenbeschichtung eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung ist, die aus einem Vorläufermaterial gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithiumfluorid (LiF), Aluminiumfluorid (AIF₃) und Mischungen davon besteht.
Elektroaktives Material nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenbeschichtung eine oxyfluoridbasierte Oberflächenbeschichtung ist, die aus einem Lithiumfluorid-(LiF)-Vorläufermaterial gebildet ist.
Elektroaktives Material nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenbeschichtung größer als oder gleich etwa 99,5 % an Gasen unterdrückt, die ansonsten von einem Vergleichs-LTO-Material, dem die Oberflächenbeschichtung fehlt, erzeugt werden würden.
Elektroaktives Material nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenbeschichtung eine fluoridbasierte Oberflächenbeschichtung mit einer Dicke von weniger als oder gleich zu etwa 15 nm ist, die im Wesentlichen alle Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle für mehr als oder gleich zu etwa 3 Jahren unterdrückt.
Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials für eine elektrochemische Zelle, wobei das Verfahren umfasst: Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung auf ein elektroaktives Material, das Li_(4+x)Ti₅O₁₂, worin 0 ≤ x ≤ 3 (LTO), enthält, über einen nicht-wässrigen Prozess, wobei die durch einen solchen Prozess gebildete Oberflächenbeschichtung eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 30 nm aufweist und dazu geeignet ist, die Bildung von Gasen innerhalb der elektrochemischen Zelle zu unterdrücken, wobei die Oberflächenbeschichtung durch nicht-wässrige Atomlagenabscheidung (ALD) aufgebracht wird, und wobei die Oberflächenbeschichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus einer fluoridbasierten Oberflächenbeschichtung und einer carbidbasierten Oberflächenbeschichtung.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das LTO in einer vorgefertigten Elektrodenschicht enthalten ist und die Oberflächenbeschichtung auf wenigstens eine Oberfläche der vorgefertigten Elektrodenschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Oberflächenbeschichtung auf eine Vielzahl von LTO-Partikeln aufgebracht wird, welche dann verwendet werden, um eine Elektrode zu bilden.