能量存储器、双极电极装置和方法制造方法及图纸

技术编号:23403070 阅读:19 留言:0更新日期:2020-02-22 15:03
在各种实施方案中,一种能量存储器(200、300、400、600)可具有:阳极(1012)和阴极(1022),所述阳极(1012)具有:包含第一金属或由其形成的箔(302),其中所述箔(302)的第一金属是铝、锡、锗、镁、铅、锌、锑和锂中的一种;具有第一电化学势的活性阳极材料(1012a);已涂覆所述箔的保护材料(304),其中所述保护材料(304)包含不同于所述第一金属的第二金属;所述阴极(1022)具有:具有不同于第一化学势的第二电化学势的活性阴极材料(1022a),其中所述活性阳极材料(1012a)或所述活性阴极材料(1022a)包含锂。

Energy memory, bipolar electrode device and method

【技术实现步骤摘要】
能量存储器、双极电极装置和方法相关申请的交叉引用本申请要求2019年11月16日提交的德国申请102018128901.4和102018128898.0以及2018年8月8日提交的德国申请102018006255.5的优先权,其中每一个的整体都通过引入全部并入本文。
本公开内容涉及一种能量存储器、双极电极装置和方法。
技术介绍
在能量存储器(例如蓄电池)中使用的以及例如用于接触连接或者用于传导电流的材料或者部件(称为“集流体”)可以通过活性材料暴露于反应性电解质并且因此具有被电解质腐蚀的风险。此风险取决于包括电解质的组成和集流体的材料在内的因素并随着电解质的反应性而上升。在特别侵蚀性的电解质的情况下,例如用于锂离子基蓄电池的电解质,所有材料不再可能直接适用。腐蚀可以指材料与其环境的反应,所述反应导致材料中可测量的变化并且可导致材料或其组分的功能的损害。例如,所述反应可包括铝的锂化,其损害铝组分的功能。常规的锂离子电池组例如由两个不同的电极活性材料层组成,每个电极活性材料层具有不同的活性材料(来自活性阳极材料和活性阴极材料)。活性电极材料层已各自被施涂到集流体上并通常通过隔离物彼此隔离,并且已用填充电池中的孔隙的电解质(固体或液体)彼此面对地组装。仅对于纯固态电池才可能省去隔离物,因为固体电解质同时充当(电)隔离物。在阳极侧上使用的集流体通常是铜箔(厚度为约6-12μm)。在阴极侧上使用的集流体通常是铝箔(厚度为约8-20μm)。
技术实现思路
在各种实施方案中,已经认识到,阳极侧上的铜箔构成锂离子电池组(battery)或其电池(cells)的经济可行性的上限。例如,已经认识到,铜箔由于其高密度而对电池重量贡献了可观的比例,因此构成基于电池重量计的电池的比能量密度的上限。其次,已经认识到,铜箔需要相对高的采购成本。高采购成本例如由以下事实产生:首先,铜的材料价值相对较高,其次,铜由于其材料特性而仅能以高成本来生产为非常宽的箔。较窄的铜箔由于其宽度有限而限制生产量,这反过来增加了生产成本,因为每单位时间可涂覆的电极面积较小。因此,直接(通过采购成本)和间接(通过铜箔的有限宽度的重量和工艺成本)使用铜箔对锂离子电池组或其电池的经济可行性具有很大影响。在各种实施方案中,提供了每次能量存储需要较少铜或不需要铜的能量存储器、双极电极装置和方法。例如,替代铜箔是可能的。显然,铜箔的替代物(材料/箔)至今几乎没有检验过并且还没有确立。其原因在于对集流体的高需求,所述集流体要具有包括高电化学稳定性、高电导率和良好机械稳定性在内的特性。机械稳定性使得例如能够例如在卷对卷电极制造过程中由卷辊进行处理。更特别地,铝至今还没有被认为是阳极侧上的铜的替代物,因为作为阳极集流体,其电化学稳定性过低并且腐蚀性过高。通过反应使锂离子不希望地结合到铝中可能导致铝箔体积膨胀,这可能导致铝箔“破碎”(部件失效)。铝确实形成天然氧化物层(也称为氧化铝层)。然而,这不能够在高能电池中保护铝箔免受腐蚀,在所述高能电池中,阳极和阴极之间的电化学势差示例性地要尽可能大。其原因在于铝的天然氧化物层(氧化铝)对锂离子的电化学稳定性低,使得锂离子通过氧化铝层传导至铝。例如,说明性地,氧化铝层不能够相对于锂离子而钝化铝,因为其本身被锂化。铝本身与锂形成固溶体和/或合金,所述固溶体和/或合金也可通过与锂离子的电化学反应形成或分解。因此,铝也被用于高能电池中,例如作为活性阳极材料。说明性地,尽管铝具有天然氧化物层,但铝也具有随着电池电压(锂离子电池组的充电)升高(即阳极vs.Li/Li+电势的下降)而增加的使锂离子结合(也称为锂化)的趋势。在降低电池电压(锂离子电池组的放电)(即降低阳极vs.Li/Li+电势)的情况下,可以通过电化学反应将锂以锂离子的形式从铝中提取回到电解质中(也称为脱锂)。铝与锂离子的这些电化学反应导致体积增加(在铝的锂化的情况下)和体积收缩(在铝的脱锂的情况下),并改变铝的化学组成和结构完整性。为此,铝(例如,超过和高于临界结构尺寸(例如>1μm))在高能电池的阳极侧上逐渐粉化,这意味着其失去其先前的结构和机械完整性。因此,当用作阳极集流体时,铝与来自锂离子电池组的电解质的锂离子的电化学反应是不期望的,并且其导致部件失效,这意味着铝集流体腐蚀。铝在低电化学势下与锂离子反应的这种高趋势是例如自1971年以来已知的(A.N.Dey,ElectrochemicalAlloyingofLithiuminOrganicElectrolytes,J.Electrochem.Soc.,118(1971)1547-1549)。至今,关于这个观点没有任何改变。在这方面,比较例如(1)“ActaUniversatitisUpsiensis”,来自科技学院的乌普萨拉学位论文数字综合综述1110,ISBN978-91-554-8847-5;(2)MarioWachtler在2016年11月7/21的“WinterTerm2016/17,AnodeMaterials”中发表的“锂离子电池组讲座”;(3)CynthiaA.Lundgren等人在“SpringerHandbookofElectrochemicalEnergy(2017)”中发表的“锂离子电池组和材料”。铝在高能电池中的这种行为与使用钛酸盐基活性阳极材料(例如钛酸锂(LTO))的低能电池中的行为不同。LTO的电化学势(基于锂为约1.55V)是如此之高,以致于铝与来自电解质的锂离子不发生电化学反应(锂化、脱锂),因此铝也可用作阳极侧上的集流体。然而,这种低能电池的特征在于低能量密度,因此其不适合于许多终端用途,例如电移动或其它移动设备。说明性地,每种材料都具有电化学稳定窗口,其中该材料,如果合适的话,还凭借在电池中原位形成的在所述材料上的天然氧化物表面或钝化膜,反应缓慢和/或电化学稳定。说明性地,电化学稳定窗口表示相对于参比电极的电压或电势范围,所述范围中所述材料对于其所暴露于的各种反应物反应缓慢和/或电化学稳定。说明性地,铝的电化学稳定窗口在高能锂离子电池组的阳极工作的电压或电势范围之外,因为尤其在其中含有锂离子的常规电解质中,铝相对于Li/Li+仅在约1.5伏(V)至约4.5伏(V)的电势范围内电化学稳定。然而,高能电池在阳极侧上采用活性阳极材料,所述活性阳极材料在相对于Li/Li+的小于约1.0V、例如约或接近0.0伏特的电势下工作。因此,作为集流体的铝通常仅用在高能源的阴极侧上。这里的(电池)电压可以是整个电池的可测量电压,即阳极相对阴极(任选地具有电流)的可测量电压。电势(例如电极的电势)可以基于参比电极,并且可以报告为相对于参比电极的电压(即,报告为两个电势的差)。可以在没有电流流过参比电极的情况下测量电势(例如电极的电势)。选择的参比电极通常是具有恒定的、公知的电化学电势的材料。锂离子电池组的电极的电势随充电状态(阳极或阴极的锂化程度)而变化。未锂化形式(即在充电曲线起始时)的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能量存储器(200、300、400、600),其具有:/n阳极(1012)和阴极(1022),/n所述阳极(1012)具有:/n包括第一金属的箔(302),其中所述箔(302)的第一金属是铝、锡、锗、镁、铅、锌、锑和锂中的一种;/n具有第一电化学势的活性阳极材料(1012a);/n已涂覆所述箔(302)的保护材料(304),其中所述保护材料(304)包含不同于所述第一金属的第二金属;/n所述阴极(1022)具有:/n具有不同于第一化学势的第二电化学势的活性阴极材料(1022a);/n其中所述活性阳极材料(1012a)或所述活性阴极材料(1022a)包含锂。/n

【技术特征摘要】
20180808 DE 102018006255.5;20181116 DE 102018128891.一种能量存储器(200、300、400、600),其具有:
阳极(1012)和阴极(1022),
所述阳极(1012)具有:
包括第一金属的箔(302),其中所述箔(302)的第一金属是铝、锡、锗、镁、铅、锌、锑和锂中的一种;
具有第一电化学势的活性阳极材料(1012a);
已涂覆所述箔(302)的保护材料(304),其中所述保护材料(304)包含不同于所述第一金属的第二金属;
所述阴极(1022)具有:
具有不同于第一化学势的第二电化学势的活性阴极材料(1022a);
其中所述活性阳极材料(1012a)或所述活性阴极材料(1022a)包含锂。


2.如权利要求1所述的能量存储器(200、300、400、600),
其中所述保护材料(304)对锂的电化学稳定性大于所述第一金属的氧化物。


3.如权利要求1或2所述的能量存储器(200、300、400、600),
其中所述保护材料(304)与活性阳极材料(1012a)物理接触。


4.如权利要求1或2所述的能量存储器(200、300、400、600),其还具有:
包含锂离子的电解质。


5.如权利要求1或2所述的能量存储器(200、300、400、600),
其中已涂覆所述箔(302)的保护材料(304)的范围小于所述活性阳极材料(1012a)的相应范围。


6.如权利要求1或2所述的能量存储器(200、300、400、600),
其中所述保护材料(304)包含铜。


7.如权利要求1或2所述的能量存储器(200、300、400、600),
其中所述保护材料(304)包含钛。


8.如权利要求1或2所述的能量存储器(200、300、400、600),
其中所述保护材料(304)包含镍。


9.如权利要求1或2所述的能量存储器(200、300、400、600),
其中所述活性阳极材料(1012a)和/或所述活性阴极材料(10...

【专利技术属性】
技术研发人员:马库斯·皮维科迈克·菲卢夫
申请(专利权)人:冯·阿登纳资产股份有限公司
类型:发明
国别省市:德国;DE

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