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DE102023102563A1 - Separator for a lithium-ion battery comprising a hybrid electrolyte and lithium-ion battery - Google Patents

Separator for a lithium-ion battery comprising a hybrid electrolyte and lithium-ion battery Download PDF

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DE102023102563A1
DE102023102563A1 DE102023102563.5A DE102023102563A DE102023102563A1 DE 102023102563 A1 DE102023102563 A1 DE 102023102563A1 DE 102023102563 A DE102023102563 A DE 102023102563A DE 102023102563 A1 DE102023102563 A1 DE 102023102563A1
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DE
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lithium
separator
lithium ion
composite material
electrolyte
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DE102023102563.5A
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German (de)
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Thomas Woehrle
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Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Ein Separator (10) für eine Lithiumionenbatterie (12) umfasst ein Kompositmaterial (18) mit einem Hybridelektrolyten (20). Der Hybridelektrolyt (20) enthält einen anorganischen Lithiumionenleiter (22) und einen Gelelektrolyten (24).Ferner wird eine Lithiumionenbatterie (12) angegeben.A separator (10) for a lithium ion battery (12) comprises a composite material (18) with a hybrid electrolyte (20). The hybrid electrolyte (20) contains an inorganic lithium ion conductor (22) and a gel electrolyte (24). Furthermore, a lithium ion battery (12) is specified.

Description

Die Erfindung betrifft einen Separator für eine Lithiumionenbatterie, mit einem Kompositmaterial umfassend einen Hybridelektrolyten sowie eine Lithiumionenbatterie umfassend einen solchen Separator.The invention relates to a separator for a lithium-ion battery, with a composite material comprising a hybrid electrolyte, and to a lithium-ion battery comprising such a separator.

Im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionenbatterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle, Lithiumionen-Polymer-Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zum Begriff „Lithiumionenbatterie“ genutzt.In the following, the term "lithium ion battery" is used synonymously for all terms commonly used in the state of the art for galvanic elements and cells containing lithium, such as lithium battery, lithium cell, lithium ion cell, lithium polymer cell, lithium ion polymer cell and lithium ion accumulator. In particular, rechargeable batteries (secondary batteries) are included. The terms "battery" and "electrochemical cell" are also used synonymously with the term "lithium ion battery".

Eine Lithiumionenbatterie hat mindestens zwei verschiedene Elektroden, eine positive (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und elektrischen Leitfähigkeitszusätzen, welches auf einen elektrisch leitenden Träger der jeweiligen Elektrode aufgebracht wird, der auch als Stromkollektor bezeichnet wird. Als elektrischer leitender Träger kommen insbesondere feste Ableiterfolien (im Englischen auch als „solid foils“ bezeichnet) aus Aluminium (für die positive Elektrode) oder Kupfer (für die negative Elektrode) zum Einsatz, wie beispielsweise in der EP 3 714 078 B1 beschrieben ist. Es sind auch poröse Stromkollektoren bekannt, wie zum Beispiel gelochte Folien, Streckmetalle oder Gewebefolien wie in der DE 10 2018 000 272 A1 beschrieben.A lithium-ion battery has at least two different electrodes, a positive (cathode) and a negative electrode (anode). Each of these electrodes has at least one active material, optionally together with additives such as electrode binders and electrical conductivity additives, which is applied to an electrically conductive carrier of the respective electrode, which is also referred to as a current collector. Solid conductor foils made of aluminum (for the positive electrode) or copper (for the negative electrode) are used as electrically conductive carriers, for example in the EP 3 714 078 B1 Porous current collectors are also known, such as perforated foils, expanded metals or fabric foils as in the DE 10 2018 000 272 A1 described.

Zur elektrischen Isolation der beiden Elektroden ist zwischen den Elektroden ein Separator angeordnet. Der Separator ist beispielsweise aus einem Polyolefin, wie Polypropylen (PP) und/oder Polyethylen (PE), Polyester oder Polyimid und weist in der Regel eine Porosität im Bereich von 20 bis 70 % auf.A separator is arranged between the two electrodes to electrically insulate them. The separator is made of a polyolefin, such as polypropylene (PP) and/or polyethylene (PE), polyester or polyimide, for example, and generally has a porosity in the range of 20 to 70%.

Es ist bekannt, Lithiumionenbatterien mit einem flüssigen Elektrolyten einzusetzen, der die Porosität des Separators ausfüllt, dadurch benetzt und eine ausreichende Lithiumionenleitfähigkeit innerhalb der Lithiumionenbatterie ermöglicht, sodass während Lade- und Entladevorgängen Lithiumionen zwischen positiver und negativer Elektrode ausgetauscht werden können. Flüssige Elektrolyte umfassen üblicherweise organische Carbonate wie Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) sowie ein darin gelöstes Lithiumleitsalz, beispielsweise LiPF6 oder LiBF4. Nachteilig am Einsatz derartiger flüssiger Elektrolyte ist es, dass bei mechanischem, thermischem und/oder elektrischem Stress auf die Lithiumionenbatterie organische Lösungsmittel austreten können.It is known to use lithium-ion batteries with a liquid electrolyte that fills the porosity of the separator, thereby wetting it and enabling sufficient lithium ion conductivity within the lithium-ion battery so that lithium ions can be exchanged between the positive and negative electrodes during charging and discharging processes. Liquid electrolytes usually comprise organic carbonates such as ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) as well as a lithium conducting salt dissolved therein, for example LiPF 6 or LiBF 4 . The disadvantage of using such liquid electrolytes is that organic solvents can escape when the lithium-ion battery is subjected to mechanical, thermal and/or electrical stress.

Als Alternative zu flüssigen Elektrolyten sind zudem sogenannte „Festelektrolyte“ auf Basis keramischer Verbindungen bekannt. Diese sind anorganische Lithiumionenleiter und beispielsweise im Übersichtsartikel von P. Knauth: „Inorganic solid Li ion conductors: An overview“ (Solid State lonics, 180 (2009), S. 911-916, doi: 10.1016/j.ssi.2009.03.022 ) beschrieben. Festelektrolyte weisen den Vorteil auf, dass bei einer Leckage der Lithiumionenbatterie keine organischen Lösungsmittel austreten. Nachteilig an Festelektrolyten ist jedoch, dass diese zwar im ausgedehnten Festkörper (auch als „Bulk“ bezeichnet), beispielsweise innerhalb eines Korns des Festelektrolyten, eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit aufweisen, jedoch hohe Widerstände an Korngrenzen auftreten. Daher erreichen Festelektrolyten oftmals erst bei vergleichsweise hohen Temperaturen ausreichende Lithiumionenleitfähigkeiten, wie beispielsweise in T. Wöhrle et al.: Sol-Gel Synthesis of the Lithium-Ion Conducting Perovskite La0.57Li0.3TiO3 - Effect of Synthesis and Thermal Treatments on the Structure and Conducting Properties (lonics, 2 (1996), S. 442-445, doi: 10.1007/BF02375824 ) beschrieben ist. Dies führt zu einer verminderten Leistungsfähigkeit der Lithiumionenbatterie, insbesondere hinsichtlich der Hochstromfähigkeit.As an alternative to liquid electrolytes, so-called “solid electrolytes” based on ceramic compounds are also known. These are inorganic lithium ion conductors and are described, for example, in the review article by P. Knauth: “Inorganic solid Li ion conductors: An overview” (Solid State lonics, 180 (2009), pp. 911-916, doi: 10.1016/j.ssi.2009.03.022 ). Solid electrolytes have the advantage that no organic solvents escape if the lithium-ion battery leaks. The disadvantage of solid electrolytes, however, is that although they have a high lithium ion conductivity in the expanded solid body (also known as the “bulk”), for example within a grain of the solid electrolyte, high resistances occur at grain boundaries. Therefore, solid electrolytes often only achieve sufficient lithium ion conductivity at comparatively high temperatures, as for example in T. Wöhrle et al.: Sol-Gel Synthesis of the Lithium-Ion Conducting Perovskite La0.57Li0.3TiO3 - Effect of Synthesis and Thermal Treatments on the Structure and Conducting Properties (lonics, 2 (1996), pp. 442-445, doi: 10.1007/BF02375824 ). This leads to a reduced performance of the lithium-ion battery, especially with regard to the high current capability.

In der DE 10 2014 226 390 A1 ist ein Hybridelektrolyt vorgeschlagen, der eine Kombination aus einem keramischen und einem flüssigen Elektrolyten ist, wobei der flüssige Elektrolyt in einem geringeren Gewichts- und Volumenanteil vorhanden ist als der keramische Elektrolyt. Auf diese Weise wird zwar der Anteil an flüssigem Elektrolyt verringert, jedoch kann dieser bei mechanischem, thermischem und/oder elektrischem Stress prinzipiell weiterhin unmittelbar freigesetzt werden.In the EN 10 2014 226 390 A1 A hybrid electrolyte is proposed which is a combination of a ceramic and a liquid electrolyte, with the liquid electrolyte being present in a smaller proportion by weight and volume than the ceramic electrolyte. In this way, the proportion of liquid electrolyte is reduced, but in principle it can still be released immediately in the event of mechanical, thermal and/or electrical stress.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Separator sowie eine Lithiumionenbatterie mit verbesserter Leistungsfähigkeit bereitzustellen. The object of the invention is to provide a separator and a lithium-ion battery with improved performance.

Insbesondere soll der Separator bzw. die Lithiumionenbatterie robust gegenüber mechanischem, thermischem und/oder elektrischem Stress sein.In particular, the separator or lithium-ion battery should be robust against mechanical, thermal and/or electrical stress.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Separator für eine Lithiumionenbatterie, mit einem Kompositmaterial umfassend einen Hybridelektrolyten. Der Hybridelektrolyt enthält einen anorganischen Lithiumionenleiter und einen Gelelektrolyten.The object is achieved according to the invention by a separator for a lithium ion battery, with a composite material comprising a hybrid electrolyte. The hybrid electrolyte contains an inorganic lithium ion conductor and a gel electrolyte.

Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, den Anteil an freiem flüssigen Elektrolyten im Separator - und somit in einer Lithiumionenbatterie mit einem solchen Separator - durch Einsatz des anorganischen Lithiumionenleiters und des Gelelektrolyten zu minimieren, während zugleich durch die Verwendung dieser Kombination an Elektrolytmaterialien die Lithiumionenleitfähigkeit erhöht ist, im Vergleich zu Separatoren, die ausschließlich anorganische Lithiumionenleiter einsetzen.The invention is based on the basic idea of minimizing the proportion of free liquid electrolyte in the separator - and thus in a lithium-ion battery with such a separator - by using the inorganic lithium ion conductor and the gel electrolyte, while at the same time the lithium ion conductivity is increased by using this combination of electrolyte materials, compared to separators that only use inorganic lithium ion conductors.

Entsprechend ist das Kompositmaterial bevorzugt frei von ungebundenem flüssigem Elektrolyten.Accordingly, the composite material is preferably free of unbound liquid electrolyte.

Lithiumionenbatterien, die Gelelektrolyte (auch als „Polymer-Gel-Elektrolyte“ bezeichnet) als alleinigen Elektrolyten einsetzen, sind grundlegend bekannt und beispielsweise in der EP 1 277 250 B1 beschrieben.Lithium-ion batteries that use gel electrolytes (also called “polymer gel electrolytes”) as the sole electrolyte are fundamentally known and are used, for example, in EP 1 277 250 B1 described.

Es wurde nun erkannt, dass sich Gelelektrolyte mit anorganischen Lithiumionenleitern kombinieren lassen, um zu leistungsfähigen Separatoren bzw. Lithiumionenbatterien zu gelangen. Dies wird darauf zurückgeführt, dass der Kontaktwiderstand zwischen dem anorganischen Lithiumionenleiter und dem Gelelektrolyten ausreichend niedrig ist, um eine ausgezeichnete Lithiumionenleitfähigkeit auch zwischen anorganischem Lithiumionenleiter und Gelelektrolyt zu ermöglichen, sodass auf einen flüssigen Elektrolyten verzichtet oder dessen Menge zumindest minimiert werden kann.It has now been recognized that gel electrolytes can be combined with inorganic lithium ion conductors to produce high-performance separators or lithium ion batteries. This is attributed to the fact that the contact resistance between the inorganic lithium ion conductor and the gel electrolyte is sufficiently low to enable excellent lithium ion conductivity between the inorganic lithium ion conductor and the gel electrolyte, so that a liquid electrolyte can be dispensed with or at least its amount can be minimized.

Das Kompositmaterial ist insbesondere eigenstabil (im Englischen auch als „self-standing film“ bezeichnet). Auf diese Weise kann auf den Einsatz zusätzlicher Trägermaterialien, wie zum Beispiel einer Polyesterfolie, zur Handhabung und/oder zur Prozessführung des erfindungsgemäßen Separators verzichtet werden.The composite material is in particular inherently stable (also referred to as a “self-standing film”). In this way, the use of additional carrier materials, such as a polyester film, for handling and/or process control of the separator according to the invention can be dispensed with.

Bevorzugt besteht der Separator aus dem Kompositmaterial. Anders ausgedrückt ist der Separator bevorzugt frei von ungebundenem flüssigem Elektrolyten.The separator preferably consists of the composite material. In other words, the separator is preferably free of unbound liquid electrolyte.

Besonders bevorzugt ist der Separator volumetrisch vollständig kompakt. Das heißt, dass der Separator keine Poren aufweist, abgesehen von herstellungsbedingt unvermeidbaren Zwischenräumen.Particularly preferably, the separator is completely volumetrically compact. This means that the separator has no pores, apart from gaps that are unavoidable due to manufacturing.

Auf diese Weise ist es zudem nicht notwendig, den Separator zusätzlich mit einem flüssigen Elektrolyten zu tränken, um eine ausreichende Lithiumionenleitfähigkeit innerhalb des Separators bereitzustellen.In this way, it is also not necessary to additionally soak the separator with a liquid electrolyte to provide sufficient lithium ion conductivity within the separator.

Der Separator weist insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit von 10-10 S/cm auf. Auf diese Weise ist eine besonders gute elektrische Isolation von Elektroden in einer Lithiumionenbatterie mit einem erfindungsgemäßen Separator zu erzielen, während zugleich eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit bereitgestellt ist.The separator has in particular an electrical conductivity of 10 -10 S/cm. In this way, particularly good electrical insulation of electrodes in a lithium-ion battery can be achieved with a separator according to the invention, while at the same time a high lithium-ion conductivity is provided.

GelelektrolytGel electrolyte

Der Gelelektrolyt umfasst insbesondere ein polymeres Bindemittel, ein Lösungsmittel und ein Lithiumleitsalz, die miteinander gelifiziert sind.The gel electrolyte comprises in particular a polymeric binder, a solvent and a lithium conductive salt, which are gelled together.

Das polymere Bindemittel übernimmt in diesem Zusammenhang gleichzeitig die Funktion des Elektrodenbinders für den Zusammenhalt der Partikel im Separator und des Gelierens der flüssigen Elektrolytkomponenten, das heißt des Lösungsmittels und des im Lösungsmittel gelösten Lithiumleitsalzes.In this context, the polymeric binder simultaneously takes on the function of the electrode binder for holding the particles together in the separator and for gelling the liquid electrolyte components, i.e. the solvent and the lithium conductive salt dissolved in the solvent.

Der Begriff „gelifiziert“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass alle Komponenten des Gelelektrolyten, die in ungebundener Form bei Raumtemperatur flüssig wären, im Gelelektrolyten gebunden vorliegen. Anders ausgedrückt liegt insbesondere kein freies Lösungsmittel im Gelelektrolyten vor.The term "gelled" in this context means that all components of the gel electrolyte that would be liquid in their unbound form at room temperature are bound in the gel electrolyte. In other words, there is no free solvent in the gel electrolyte.

Grundlegend kann der Gelelektrolyt somit als Gel mit einem nicht-flüssigen kolloidalen oder polymeren Netzwerk verstanden werden, das über sein gesamtes Volumen mittels einer im Netzwerk aufgenommenen Flüssigkeit ausgedehnt ist, gemäß Definition im IUPAC Gold Book (doi: 10.1351/goldbook.G02600) .Basically, the gel electrolyte can be understood as a gel with a non-liquid colloidal or polymeric network that is expanded over its entire volume by means of a liquid absorbed in the network, as defined in IUPAC Gold Book (doi: 10.1351/goldbook.G02600) .

Im Gelelektrolyten wird die Lithiumionenleitfähigkeit weiterhin im Wesentlichen vom eingesetzten Lösungsmittel und dem Lithiumleitsalz bestimmt, also den „flüssigen“ Elektrolytkomponenten.In the gel electrolyte, the lithium ion conductivity continues to be essentially determined by the solvent used and the lithium conducting salt, i.e. the “liquid” electrolyte components.

Durch den Einsatz des Gelelektrolyten im Hybridelektrolyten kann die Menge an ungebundenem flüssigen Elektrolyten im Separator minimiert werden oder sogar vollständig auf den Einsatz eines flüssigen Elektrolyten verzichtet werden. Auf diese Weise ist der Separator bzw. eine Lithiumionenbatterie mit einem solchen Separator besonders robust gegenüber mechanischem, thermischem und/oder elektrischem Stress. Insbesondere kann bei einer mechanischen Beschädigung aufgrund der geringen Fließneigung des Gelelektrolyten kein Lösungsmittel aus dem Separator bzw. der Lithiumionenbatterie austreten oder wenigstens nur eine reduzierte Menge an Lösungsmittel. Zudem kann ein Austreten von Lösungsmittel zumindest zeitlich verzögert werden.By using the gel electrolyte in the hybrid electrolyte, the amount of unbound liquid electrolyte in the separator can be minimized or the use of a liquid electrolyte can even be completely avoided. In this way, the separator or a lithium-ion battery with such a separator is particularly robust against mechanical, thermal and/or electrical stress. In particular, in the event of mechanical damage, no solvent can escape from the separator or the lithium-ion battery due to the low flow tendency of the gel electrolyte, or at least only a reduced amount of solvent. In addition, the leakage of solvent can at least be delayed.

Das Bindemittel ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenoxid (PEO), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer (PVdF-HFP), Cellulose, Acrylat (beispielsweise Polymethylmethacrylat), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyisobuten (PIB) und Mischungen davon.The binder is in particular selected from the group consisting of polyethylene oxide (PEO), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), cellulose, acrylate (for example polymethyl methacrylate), polyvinylpyrrolidone (PVP), styrene-butadiene rubber (SBR), polyisobutene (PIB) and mixtures thereof.

Als Lösungsmittel können alle für den Einsatz in Lithiumionenbatterien geeignete Lösungsmittel eingesetzt sein.Any solvent suitable for use in lithium-ion batteries can be used as solvent.

Beispielsweise ist das Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethylencarbonat (EC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Propylencarbonat (PC), γ-Butyrolacton (GBL), Vinylencarbonat (VC), Fluorethylencarbonat (FEC) und Mischungen davon. Derartige organische Lösungsmittel sind für den Einsatz in Lithiumionenbatterien erprobt, etabliert und weltweit verfügbar.For example, the solvent is selected from the group consisting of ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (GBL), vinylene carbonate (VC), fluoroethylene carbonate (FEC) and mixtures thereof. Such organic solvents are tested, established and available worldwide for use in lithium-ion batteries.

Bevorzugte Leitsalze sind Lithiumsalze, welche inerte Anionen aufweisen und welche vorzugsweise nicht toxisch sind. Geeignete Lithiumsalze sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumtriflat (LiCF3SO3), Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)amid (LiTFSI), Lithiumbis(fluorosulfonyl)amid (LiFSi), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB) und Mischungen davon.Preferred conducting salts are lithium salts which have inert anions and which are preferably non-toxic. Suitable lithium salts are in particular selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium triflate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide (LiTFSI), lithium bis(fluorosulfonyl)amide (LiFSi), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB) and mixtures thereof.

Das Kompositmaterial kann von 5 bis 95 Gew.-% an Gelelektrolyt umfassen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kompositmaterials. Ein Anteil von unter 5 Gew.-% kann zu einer zu geringen Lithiumionenleitfähigkeit innerhalb des Kompositmaterials führen, während bei einem Anteil von über 95 Gew.-% zunehmend der Anteil des anorganischen Lithiumionenleiters zu stark reduziert werden müsste, was sich negativ auf die Leistungsfähigkeit des Separators bzw. einer Lithiumionenbatterie mit einem solchen Separator auswirken kann.The composite material can contain between 5 and 95% by weight of gel electrolyte, based on the total weight of the composite material. A proportion of less than 5% by weight can lead to too low a lithium ion conductivity within the composite material, while a proportion of more than 95% by weight would mean that the proportion of the inorganic lithium ion conductor would have to be reduced too much, which could have a negative effect on the performance of the separator or a lithium ion battery with such a separator.

Bevorzugt umfasst das Kompositmaterial von 22 bis 78 Gew.-% an Gelelektrolyt, besonders bevorzugt von 25 bis 75 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Kompositmaterials.The composite material preferably comprises from 22 to 78 wt.% of gel electrolyte, particularly preferably from 25 to 75 wt.%, in each case based on the total weight of the composite material.

Der Gelelektrolyt kann von 15 bis 60 Gew.-% Bindemittel, von 40 bis 85 Gew. -% Lösungsmittel und/oder bis zu 10 Gew.-% Lithiumleitsalz umfassen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gelelektrolyten.The gel electrolyte may comprise from 15 to 60 wt.% binder, from 40 to 85 wt.% solvent and/or up to 10 wt.% lithium conductive salt, each based on the total weight of the gel electrolyte.

Insbesondere besteht der Gelelektrolyt aus 15 bis 60 Gew.-% Bindemittel, 40 bis 85 Gew.-% Lösungsmittel und 0,1 bis 5 Gew.-% Lithiumleitsalz, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gelelektrolyten, wobei sich die Gehalte aller Komponenten zu 100 Gew.-% addieren.In particular, the gel electrolyte consists of 15 to 60 wt.% binder, 40 to 85 wt.% solvent and 0.1 to 5 wt.% lithium conductive salt, each based on the total weight of the gel electrolyte, whereby the contents of all components add up to 100 wt.%.

Um eine besonders hohe Lithiumionenleitfähigkeit innerhalb des Hybridelektrolyten zu erzeugen, kann der Gelelektrolyt eine Lithiumionenleitfähigkeit von mindestens 10-6 S/cm aufweisen.In order to generate a particularly high lithium ion conductivity within the hybrid electrolyte, the gel electrolyte can have a lithium ion conductivity of at least 10 -6 S/cm.

Die Lithiumionenleitfähigkeit kann mittels der „GITT“ (für englisch: „galvanostatic intermittent titration technique“) bestimmt werden, wie sie beispielsweise in W. Weppner und R. A. Huggins: „Determination of the Kinetic Parameters of Mixed-Conducting Electrodes and Application to the System“ (J. Electrochem. Soc., 124 (1977), S. 1569-1578, doi: 10.1149/1.2133112 ) beschrieben ist.The lithium ion conductivity can be determined using the “GITT” (galvanostatic intermittent titration technique), as used for example in W. Weppner and RA Huggins: “Determination of the Kinetic Parameters of Mixed-Conducting Electrodes and Application to the System” (J. Electrochem. Soc., 124 (1977), pp. 1569-1578, doi: 10.1149/1.2133112 ) is described.

Anorganischer LithiumionenleiterInorganic lithium ion conductor

Die Art des anorganischen Lithiumionenleiters ist grundlegend nicht weiter eingeschränkt, solange sich dieser mit dem jeweils eingesetzten Gelelektrolyten zu einem Hybridelektrolyten verarbeiten lässt.The type of inorganic lithium ion conductor is fundamentally not further restricted as long as it can be processed into a hybrid electrolyte with the gel electrolyte used.

Insbesondere kann der anorganische Lithiumionenleiter ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Granaten, Perovskiten, Sulfiden, Oxiden oder Mischungen davon.In particular, the inorganic lithium ion conductor can be selected from the group consisting of garnets, perovskites, sulfides, oxides or mixtures thereof.

Beispielsweise ist der anorganische Lithiumionenleiter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Granaten, Perovskiten, sulfidischen Lithiumionenleitern, Lithiumionenleitern vom NASICON-Typ, Lithiumionenleitern vom LISICON-Typ, Lithiumionenleitern vom LiPON-Typ, Lithiumionenleitern vom LISON-Typ, Lithiumionenleitern vom LIPOS-Typ, Lithiumionenleitern vom LiBSO-Typ, Lithiumionenleitern vom LiSIPON-Typ, Verbundmaterialien aus lihtiumionenleitenden Verbindungen und einer mesoporösen Verbindung und Mischungen davon.For example, the inorganic lithium ion conductor is selected from the group consisting of garnets, perovskites, sulfidic lithium ion conductors, NASICON-type lithium ion conductors, LISICON-type lithium ion conductors, LiPON-type lithium ion conductors, LISON-type lithium ion conductors, LIPOS-type lithium ion conductors, LiBSO-type lithium ion conductors, LiSIPON-type lithium ion conductors, composite materials of lithium ion-conducting compounds and a mesoporous compound, and mixtures thereof.

Bevorzugte anorganische Lithiumionenleiter sind Granate, beispielsweise Li7La3Zr2O12 (auch als „LLZ-Granat“ bezeichnet). Diese sind zum Beispiel in der US 8 092 941 B2 beschrieben.Preferred inorganic lithium ion conductors are garnets, such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (also known as “LLZ garnet”). These are used, for example, in the US 8 092 941 B2 described.

Das Kompositmaterial kann von 5 bis 95 Gew.-% an anorganischem Lithiumionenleiter umfassen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kompositmaterials. Ein Anteil von unter 5 Gew.-% kann zu einer zu geringen Lithiumionenleitfähigkeit innerhalb des Kompositmaterials führen, während bei einem Anteil von über 95 Gew.-% zunehmend der Anteil des Gelelektrolyten zu stark reduziert werden müsste, was sich negativ auf die Leistungsfähigkeit des Separators bzw. einer Lithiumionenbatterie mit einem solchen Separator auswirken kann.The composite material can contain from 5 to 95% by weight of inorganic lithium ion conductor, based on the total weight of the composite material. A proportion of less than 5% by weight can lead to too low a lithium ion conductivity within the composite material, while a proportion of more than 95% by weight would mean that the proportion of gel electrolyte would have to be reduced too much, which could have a negative effect on the performance of the separator or a lithium ion battery with such a separator.

Bevorzugt umfasst das Kompositmaterial von 22 bis 78 Gew.-% an anorganischem Lithiumionenleiter, besonders bevorzugt von 25 bis 75 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Kompositmaterials.The composite material preferably comprises from 22 to 78 wt.% of inorganic lithium ion conductor, particularly preferably from 25 to 75 wt.%, in each case based on the total weight of the composite material.

Um eine besonders hohe Lithiumionenleitfähigkeit innerhalb des Hybridelektrolyten zu erzeugen, kann der anorganische Lithiumionenleiter eine Lithiumionenleitfähigkeit von mindestens 10-6 S/cm aufweisen.In order to generate a particularly high lithium ion conductivity within the hybrid electrolyte, the inorganic lithium ion conductor can have a lithium ion conductivity of at least 10 -6 S/cm.

Bevorzugt weisen sowohl der Gelelektrolyt als auch der anorganische lonenleiter eine Lithiumionenleitfähigkeit der gleichen Größenordnung auf, beispielsweise jeweils eine Lithiumionenleitfähigkeit von mindestens 10-6 S/cm.Preferably, both the gel electrolyte and the inorganic ion conductor have a lithium ion conductivity of the same order of magnitude, for example a lithium ion conductivity of at least 10 -6 S/cm.

Herstellung des SeparatorsManufacturing the separator

Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Separators sind prinzipiell im Stand der Technik bekannt, wobei lediglich entsprechend des gewünschten Kompositmaterials angepasste Massen bzw. Beschichtungsmassen zum Einsatz kommen.Methods for producing a separator according to the invention are known in principle in the prior art, whereby only masses or coating masses adapted to the desired composite material are used.

Der Separator kann unter Einsatz eines Trägerlösungsmittels oder ohne Einsatz eines Trägerlösungsmittels hergestellt werden.The separator can be manufactured using a carrier solvent or without the use of a carrier solvent.

Beispielsweise wird der Separator unter Einsatz eines Trägerlösungsmittels gemäß M.M.E Jacob et al: „Effect of PEO addition on the electrolytic and thermal properties of PVDF-LiClO4 polymer electrolytes“ (Solid State lonics, 103 (3-4), 1997, S. 267-276, doi: 10.1016/S0167-2738(97)00422-0 ) hergestellt.For example, the separator is prepared using a carrier solvent according to MME Jacob et al: “Effect of PEO addition on the electrolytic and thermal properties of PVDF-LiClO4 polymer electrolytes” (Solid State lonics, 103 (3-4), 1997, pp. 267-276, doi: 10.1016/S0167-2738(97)00422-0 ) manufactured.

Dazu wird ein Blend des bzw. der eingesetzten Bindemittel(s) in der Siedehitze bei 100 °C in Acetonitril als Trägerlösungsmittel erzeugt. Die weiteren Bestandteile des Kompositmaterials werden unter Bildung einer Beschichtungsmasse zum Blend hinzugegeben, wobei die weiteren Bestandteile optional zuvor ebenfalls in Acetonitril gelöst oder suspendiert werden. Die Beschichtungsmasse wird direkt auf eine Elektrode oder auf eine Trägerfolie, beispielsweise aus Polyethylenterephthalat (PETP), gegossen und das Acetonitril abgedampft. Es resultiert ein homogener Separatorfilm aus dem Kompositmaterial.For this purpose, a blend of the binder(s) used is produced at boiling temperature at 100 °C in acetonitrile as a carrier solvent. The other components of the composite material are added to the blend to form a coating mass, whereby the other components are optionally also dissolved or suspended in acetonitrile beforehand. The coating mass is poured directly onto an electrode or onto a carrier film, for example made of polyethylene terephthalate (PETP), and the acetonitrile is evaporated. The result is a homogeneous separator film made of the composite material.

Alternativ kann der Separator ohne Einsatz eines Trägerlösungsmittels mittels eines kontinuierlichen Kneters erzeugt werden, wie in der EP 1 277 250 B1 beschrieben ist. Die im Kneter erzeugte Beschichtungsmasse wird direkt auf eine Elektrode oder auf eine Trägerfolie, beispielsweise aus Polyethylenterephthalat (PETP), aufgebracht.Alternatively, the separator can be produced without the use of a carrier solvent by means of a continuous kneader, as in the EP 1 277 250 B1 The coating mass produced in the kneader is applied directly to an electrode or to a carrier film, for example made of polyethylene terephthalate (PETP).

Die Erfindung wird ferner gelöst durch eine Lithiumionenbatterie, umfassend wenigstens einen Separator wie zuvor beschrieben.The invention is further solved by a lithium-ion battery comprising at least one separator as described above.

Die Merkmale und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Separators gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Lithiumionenbatterie und umgekehrt.The features and properties of the separator according to the invention apply accordingly to the lithium-ion battery according to the invention and vice versa.

Bevorzugt ist mehr als ein Separator der Lithiumionenbatterie ein Separator wie zuvor beschrieben, besonders bevorzugt alle Separatoren der Lithiumionenbatterie.Preferably, more than one separator of the lithium-ion battery is a separator as described above, particularly preferably all separators of the lithium-ion battery.

Neben dem Separator umfasst die Lithiumionenbatterie zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode, die jeweils ein Aktivmaterial umfassen.In addition to the separator, the lithium-ion battery comprises at least one anode and at least one cathode, each of which comprises an active material.

Grundlegend ist ein „Aktivmaterial“ ein Material, das in der Lage ist, reversibel Lithium oder Lithiumionen aufzunehmen bzw. abzugeben.Basically, an “active material” is a material that is able to reversibly absorb or release lithium or lithium ions.

Die Art des Aktivmaterials ist nicht weiter eingeschränkt, sodass alle üblichen Aktivmaterialien für Anoden bzw. Kathoden zum Einsatz kommen können, je nachdem, welche Art von Elektrode gewünscht ist. Entscheidend ist lediglich, dass die jeweils eingesetzten Aktivmaterialien chemisch kompatibel mit den im Separator eingesetzten Verbindungen sind.The type of active material is not further restricted, so that all common active materials for anodes or cathodes can be used, depending on the type of electrode required. The only decisive factor is that the active materials used are chemically compatible with the compounds used in the separator.

In einer Variante ist das Aktivmaterial der Anode ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Hardcarbon, Softcarbon, Silizium, Siliziumoxid, Nano-Silizium, Siliziumlegierungen, Silizium-Kohlenstoff-Kompositen, Lithiumtitanat, metallischem Lithium, Lithiumlegierungen und Mischungen davon.In one variant, the active material of the anode is selected from the group consisting of synthetic graphite, natural graphite, hard carbon, soft carbon, silicon, silicon oxide, nano-silicon, silicon alloys, silicon-carbon composites, lithium titanate, metallic lithium, lithium alloys and mixtures thereof.

In einer Variante ist das Aktivmaterial der Kathode ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtoxiden, Spinellen, Olivinen und Mischungen davon.In one variant, the active material of the cathode is selected from the group consisting of layered oxides, spinels, olivines and mixtures thereof.

Weitere Merkmale und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll, sowie dem Beispiel und der Zeichnung.Further features and characteristics of the invention will become apparent from the following description of an exemplary embodiment, which is not to be understood in a limiting sense, as well as from the example and the drawing.

Die einzige Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Lithiumionenbatterie mit einem erfindungsgemäßen Separator.The single figure shows schematically a lithium-ion battery according to the invention with a separator according to the invention.

Die einzige Figur zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Separator 10, der in einer Lithiumionenbatterie 12 eingesetzt ist.The single figure shows schematically a separator 10 according to the invention, which is used in a lithium-ion battery 12.

Der Separator 10 ist zwischen einer Anode 14 und einer Kathode 16 angeordnet und dient zur elektrischen Isolation sowie zum Austausch von Lithiumionen zwischen Anode 14 und der Kathode 16.The separator 10 is arranged between an anode 14 and a cathode 16 and serves for electrical insulation and for the exchange of lithium ions between the anode 14 and the cathode 16.

Die Zusammensetzung der Anode 14 und der Kathode 16 ist nicht weiter eingeschränkt, solange diese chemisch kompatibel mit den im Separator 10 eingesetzten Materialien sind.The composition of the anode 14 and the cathode 16 is not further restricted as long as they are chemically compatible with the materials used in the separator 10.

Der Separator 10 besteht aus einem Kompositmaterial 18, das wiederum einen Hybridelektrolyten 20 umfasst.The separator 10 consists of a composite material 18, which in turn comprises a hybrid electrolyte 20.

Der Hybridelektrolyt 20 ist aus einem anorganischen Lithiumionenleiter 22 und einem Gelelektrolyten 24 zusammengesetzt, wobei der Gelelektrolyt 24 aus einem Bindemittel 26, einem Lösungsmittel sowie einem Lithiumleitsalz besteht, die miteinander gelifiziert sind.The hybrid electrolyte 20 is composed of an inorganic lithium ion conductor 22 and a gel electrolyte 24, wherein the gel electrolyte 24 consists of a binder 26, a solvent and a lithium conductive salt, which are gelled together.

In Tabelle 1 ist eine beispielhafte Zusammensetzung des Kompositmaterials 16 des Separators 10 angegeben. Tabelle 1: Zusammensetzung des Kompositmaterials 18 eines erfindungsgemäßen Separators, Gewichtsanteile jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Kompositmaterials 18. Anteil in Gew.-% Funktion PVdF-HFP (Kynar 2801) 10 Bindemittel des Gelelektrolyten PEO 10 Bindemittel des Gelelektrolyten LiBF4 10 Lithiumleitsalz des Gelelektrolyten EC 15 Lösungsmittel des Gelelektrolyten DMC 30 Lösungsmittel des Gelelektrolyten Li7La3Zr2O12 (LLZ-Granat) 25 anorganischer Lithiumionenleiter Table 1 shows an exemplary composition of the composite material 16 of the separator 10. Table 1: Composition of the composite material 18 of a separator according to the invention, weight proportions in each case based on the total weight of the composite material 18. Percentage in wt.% function PVdF-HFP (Kynar 2801) 10 Gel electrolyte binder PEO 10 Gel electrolyte binder LiBF4 10 Lithium conductive salt of the gel electrolyte EC 15 Solvent of the gel electrolyte DMC 30 Solvent of the gel electrolyte Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ garnet) 25 inorganic lithium ion conductor

Wie in der Figur angedeutet ist, weist der Separator 10 keine freie Porosität auf, ist also volumetrisch vollständig kompakt. Dies bedeutet, dass alle Hohlräume oder Poren, die zwischen den Partikeln im Kompositmaterial 18 vorliegen, vom Gelelektrolyten 24 ausgefüllt sind. Anders ausgedrückt sind alle Hohlräume und Poren, die zwischen den Partikeln des anorganischen Lithiumionenleiters 22 innerhalb des Hybridelektrolyten 20 vorliegen, vom Gelelektroyten 24 ausgefüllt.As indicated in the figure, the separator 10 has no free porosity, i.e. it is completely volumetrically compact. This means that all cavities or pores that are present between the particles in the composite material 18 are filled by the gel electrolyte 24. In other words, all cavities and pores that are present between the particles of the inorganic lithium ion conductor 22 within the hybrid electrolyte 20 are filled by the gel electrolyte 24.

Somit weist der Separator 10 keine Porosität auf, in der sich ungebundenes Lösungsmittel sammeln könnte. Auf diese Weise kann selbst bei mechanischer, thermischer und/oder elektrischer Belastung des Separators 10 kein flüssiger Elektrolyt austreten. Vielmehr ist das gesamte im Kompositmaterial 18 vorhandene Lösungsmittel im Gelelektrolyten 24 aufgenommen und gelifiziert.The separator 10 therefore has no porosity in which unbound solvent could collect. In this way, even if the separator 10 is subjected to mechanical, thermal and/or electrical stress, no liquid electrolyte can escape. Rather, all of the solvent present in the composite material 18 is absorbed and gelled in the gel electrolyte 24.

Der erfindungsgemäße Separator 10 zeichnet sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit und zugleich eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen, thermischen und elektrischen Belastungen aus.The separator 10 according to the invention is characterized by high performance and at the same time high resistance to mechanical, thermal and electrical stresses.

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Claims (9)

Separator (10) für eine Lithiumionenbatterie (12), mit einem Kompositmaterial (18) umfassend einen Hybridelektrolyten (20), wobei der Hybridelektrolyt (20) einen anorganischen Lithiumionenleiter (22) und einen Gelelektrolyten (24) enthält.Separator (10) for a lithium ion battery (12), comprising a composite material (18) comprising a hybrid electrolyte (20), wherein the hybrid electrolyte (20) contains an inorganic lithium ion conductor (22) and a gel electrolyte (24). Separator (10) nach Anspruch 1, wobei der Gelelektrolyt (24) ein Bindemittel (26), ein Lösungsmittel und ein Lithiumleitsalz umfasst, die miteinander gelifiziert sind.Separator (10) after Claim 1 wherein the gel electrolyte (24) comprises a binder (26), a solvent and a lithium conductive salt which are gelled together. Separator (10) nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel (26) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenoxid, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer, Cellulose, Acrylat, Polyvinylpyrrolidon, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polyisobuten und Mischungen davon.Separator (10) after Claim 1 wherein the binder (26) is selected from the group consisting of polyethylene oxide, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, cellulose, acrylate, polyvinylpyrrolidone, styrene-butadiene rubber, polyisobutene and mixtures thereof. Separator (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ethylencarbonat, Ethylmethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat Propylencarbonat, γ-Butyrolacton, Vinylencarbonat, Fluorethylencarbonat und Mischungen davon.Separator (10) after Claim 2 or 3 , wherein the solvent is selected from the group consisting of ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate and mixtures thereof. Separator (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Lithiumleitsalz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhexafluorophosphat, Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumtriflat, Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)amid, Lithiumbis(oxalato)borat und Mischungen davon.Separator (10) according to one of the Claims 2 until 4 , wherein the lithium conductive salt is selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium triflate, lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide, lithium bis(oxalato)borate and mixtures thereof. Separator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kompositmaterial (18) 5 bis 95 Gew.-% an Gelelektrolyt umfasst, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kompositmaterials (16).Separator (10) according to one of the preceding claims, wherein the composite material (18) comprises 5 to 95 wt.% of gel electrolyte, based on the total weight of the composite material (16). Separator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der anorganische Lithiumionenleiter (22) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Granaten, Perovskiten, Sulfiden, Oxiden oder Mischungen davon.Separator (10) according to one of the preceding claims, wherein the inorganic lithium ion conductor (22) is selected from the group consisting of garnets, perovskites, sulfides, oxides or mixtures thereof. Separator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kompositmaterial (18) 5 bis 95 Gew.-% an anorganischem Lithiumionenleiter (22) umfasst, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kompositmaterials (16).Separator (10) according to one of the preceding claims, wherein the composite material (18) comprises 5 to 95 wt.% of inorganic lithium ion conductor (22), based on the total weight of the composite material (16). Lithiumionenbatterie (12), umfassend einen Separator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Lithium ion battery (12) comprising a separator (10) according to one of the preceding claims.
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