DE102011053782A1 - Lithium-Luft-Batterie - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Luft-Batterie zur elektrochemischen Umsetzung von Lithium mit Sauerstoff, umfassend eine oder mehrere elektrochemische Zellen, welche jeweils umfassen: (a) eine Doppelanode, umfassend (i) ein Anodenkontaktelement aus einem elektrisch leitenden und für Lithium-Ionen undurchlässigen Material, (ii) zwei Anodenbrennstoffelemente, die ganz oder teilweise aus metallischem Lithium gebildet sind, und die auf gegenüberliegenden Seiten des Anodenkontaktelements angeordnet sind, und (iii) zwei Separatorelemente aus einem wasser- und gasdichten Material, das eine Leitfähigkeit für Lithium-Ionen aufweist, wobei jedes der beiden Separatorelemente so angeordnet ist, dass es zusammen mit dem Anodenkontaktelement eines der beiden Anodenbrennstoffelemente vollständig umschließt; und (b) zwei Kathoden, die auf gegenüberliegenden Seiten der Doppelanode mit Kontakt zu jeweils einem der Separatorelemente angeordnet sind, jeweils umfassend (i) ein Kathodenkontaktelement aus einem elektrisch leitenden Material, und (ii) ein auf dem Kathodenkontaktelement angeordnetes Sauerstoffelektrodenelement mit einer porösen Struktur, umfassend einen Katalysator für die Bildung und Zersetzung von Lithiumoxid, wobei das Sauerstoffelektrodenelement mit einem der Separatorelemente der Doppelanode in Kontakt steht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Luft-Batterie zur elektrochemischen Umsetzung von Lithium mit Sauerstoff, die eine oder mehrere elektrochemische Zellen umfasst.
  • Lithium-Luft-Batterien zeichnen sich gegenüber anderen elektrochemischen Systemen zur Bereitstellung von elektrischer Energie (wie z.B. Blei-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren) durch eine um ein vielfaches höhere Energiedichte aus, was zum einen durch das hohe Standardpotential des Übergangs von Li zu Li+ bedingt ist und zum anderen durch die Tatsache, dass bei der Lithium-Luft-Batterie nur einer der beiden Reaktionspartner zum Ausgangsgewicht der Batterie beiträgt, während der Sauerstoff aus der Umgebungsluft zugeführt wird. Im eigentlichen Sinn handelt es sich bei der Lithium-Luft-Batterie um einen Akkumulator, da die elektrochemische Oxidation von Lithium prinzipiell reversibel ist und die Batterie somit wieder aufgeladen werden kann.
  • Die hohe Energiedichte der Lithium-Luft-Batterie bzw. ihr relativ geringes Gewicht bei vorgegebenem Energiegehalt machen diese insbesondere für mobile Anwendungen wie z.B. den Einsatz in elektrischen betriebenen Fahrzeugen äußerst interessant, sodass die praktischen Aspekte des Aufbaus von Lithium-Luft-Batterien Gegenstand intensiver Entwicklung sind. Einen Überblick über den Stand der Technik gibt beispielsweise der Artikel von R. Padbury und X. Zhang in Journal of Power Sources 196 (2011) 4436–4444.
  • Problematisch sind beim konkreten Aufbau einer Lithium-Luft-Batterie insbesondere zwei Bereiche: im Bereich der Anode muss verhindert werden, dass das äußerst reaktive Lithium mit Wasser in flüssiger oder gasförmiger Form in Berührung kommt, da dies zu einer direkten Oxidation des Lithiums führen würde, die natürlich zugunsten der elektrochemischen Oxidation vermieden werden soll; und im Bereich der Kathode sind solche Strukturen und Materialien erforderlich, die zum einen den Zutritt von Sauerstoff und zum anderen dessen Reaktion mit den Lithium-Ionen zu Lithiumoxid (sowie die umgekehrte Reaktion beim Wiederaufladen) begünstigen.
  • Der Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, eine Lithium-Luft-Batterie mit verbesserten Eigenschaften vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird bei der Lithium-Luft-Batterie der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die eine oder mehreren elektrochemischen Zellen jeweils umfassen:
    • (a) eine Doppelanode, umfassend (i) ein Anodenkontaktelement aus einem elektrisch leitenden und für Lithium-Ionen undurchlässigen Material, (ii) zwei Anodenbrennstoffelemente, die ganz oder teilweise aus metallischem Lithium gebildet sind, und die auf gegenüberliegenden Seiten des Anodenkontaktelements angeordnet sind, und (iii) zwei Separatorelemente aus einem wasser- und gasdichten Material, das eine Leitfähigkeit für Lithium-Ionen aufweist, wobei jedes der beiden Separatorelemente so angeordnet ist, dass es zusammen mit dem Anodenkontaktelement eines der beiden Anodenbrennstoffelemente vollständig umschließt; und
    • (b) zwei Kathoden, die auf gegenüberliegenden Seiten der Doppelanode mit Kontakt zu jeweils einem der Separatorelemente angeordnet sind, jeweils umfassend (i) ein Kathodenkontaktelement aus einem elektrisch leitenden Material, und (ii) ein auf dem Kathodenkontaktelement angeordnetes Sauerstoffelektrodenelement mit einer porösen Struktur, umfassend einen Katalysator für die Bildung und Zersetzung von Lithiumoxid, wobei das Sauerstoffelektrodenelement mit einem der Separatorelemente der Doppelanode in Kontakt steht.
  • Bei der Entladung der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batterie gibt das Lithium in den beiden Anodenbrennstoffelementen Elektronen ab, die über das dazwischen angeordnete Anodenkontaktelement in den angeschlossenen Stromkreislauf gelangen, während die Lithium-Ionen jeweils durch die beiden Separatorelemente nach außen zu den Sauerstoffelektrodenelementen der beiden Kathoden wandern, wo sie mit Oxid-Ionen zu Lithiumoxid reagieren. Diese Oxid-Ionen entstehen aus Sauerstoff, der von außen in die Sauerstoffelektrodenelemente gelangt, und Elektronen, die über den angeschlossenen Stromkreislauf zu den Kathodenkontaktelementen gelangen.
  • Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batterie ergibt sich aus dem Aufbau der Anode als Doppelanode mit einem gemeinsamen Anodenkontaktelement, wodurch sich eine äußerst kompakte Bauweise ergibt und insbesondere die Möglichkeit, die gesamte Doppelanode mit den beiden wasser- und gasdichten Separatorelementen, die gleichzeitig als Lithium-Ionenleiter dienen, so zu umschließen, dass nur das Anodenkontaktelement zum Zweck der elektrischen Kontaktierung durch diese hermetische Umhüllung hindurchtritt. Im Vergleich zu einer Einzelanode wird dadurch das Problem des wasser- und gasdichten Abschlusses des Anodenbrennstoffelements zur Außenseite hin vermieden. Dieser Ab- bzw. Einschluss ist aufgrund der extrem hohen Reaktionsfähigkeit von Lithium von großer Bedeutung für die optimale Funktion der Lithium-Luft-Batterie.
  • Bei den Kathoden der erfindunsgemäßen Lithium-Luft-Batterie erfüllt die poröse Struktur des Sauerstoffelektrodenelements in Kombination mit dem Katalysator mehrere Zwecke: sie ermöglicht den Zutritt von Sauerstoff bzw. Luft von außen, sie stellt eine große innere Oberfläche für die katalytisch begünstigte Kathodenreaktion zur Verfügung, und sie bietet in den Poren ausreichend Platz für das gebildete Lithiumoxid. Dabei kann die poröse Struktur des Sauerstoffelektrodenelements selbsttragend sein, sie kann jedoch auch als Beschichtung auf dem Kathodenkontaktelement aufgebracht sein, wobei letzteres in diesem Fall gleichzeitig als Trägerelement fungiert.
  • Die beiden Kathoden können ferner jeweils ein hydrophobes Element umfassen, welches auf der dem Sauerstoffelektrodenelement gegenüberliegenden Seite des Kathodenkontaktelements angeordnet ist, d.h. auf der Außenseite, über die der Luftzutritt erfolgt. Das hydrophobe Element kann insbesondere ein Kunststoffmaterial wie z.B. PTFE, gegebenenfalls in Kombination mit Kohlenstoff, umfassen, oder auch ein metallisches oder keramisches Material, welches gegebenenfalls mit Silikonöl zur Hydrophobizierung versetzt ist. Das hydrophobe Element dient im Wesentlichen zum Schutz gegen einen Eintritt von Wasser in die Kathode, und zwar in flüssiger Form wie auch in Form von Wasserdampf, d.h. es bewirkt eine zumindest teilweise Trocknung der zugeführten Luft. Die Dicke der hydrophoben Elemente liegt vorzugsweise im Bereich von ca. 25 bis ca. 100 µm.
  • Die Elemente, aus denen die Doppelanode und die Kathoden der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batterie gebildet sind, sind vorzugsweise als aufeinander folgende ebene Schichten ausgebildet. Eine elektrochemische Zelle bildet damit ebenfalls eine kompakte, ebene Struktur, wobei mehrere elektrochemische Zellen vorteilhaft aufeinander gestapelt werden können, um einen Stack zu bilden. Die bevorzugten Dicken der verschiedenen Elemente unterscheiden sich dabei in Abhängigkeit von ihrer Funktion, wobei alle Elemente typischerweise eine Dicke im Bereich von unter 1 mm aufweisen. Generell werden die erforderlichen Stofftransporte durch geringere Schichtdicken begünstigt.
  • Die Schichten der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batterie können z.B. eine Fläche im Bereich von ca. 20 bis ca. 100 cm2 aufweisen, was deutlich größer ist als bei den meisten bekannten Lithium-Luft-Batterien.
  • Im Folgenden wird auf den Aufbau und die Funktion der Doppelanode der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batterie näher eingegangen.
  • Das Anodenkontaktelement, das eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen muss, ist günstigerweise aus einem metallischen Material gebildet, insbesondere aus Kupfer. Dieses weist eine sehr gute Leitfähigkeit auf und verhindert einen Transport von Lithium-Ionen zwischen den beiden Anodenbrennstoffelementen. Das Anodenkontaktelement kann dabei als Folie oder als dünnes Blech ausgebildet sein, mit einer Dicke günstigerweise im Bereich von ca. 0,25 bis ca. 1 mm.
  • Die beiden Anodenbrennstoffelemente sind günstigerweise im Wesentlichen vollständig aus Lithium oder aus einer Lithiumlegierung gebildet. Hierbei liegt die Schichtdicke der Anodenbrennstoffelemente günstigerweise in einem Bereich von ca. 0,1 bis ca. 0,5 mm, d.h. die Anodenbrennstoffelemente sind typischerweise wesentlich dünner ausgebildet als das Anodenkontaktelement, welches als Träger für die Anodenbrennstoffelemente dienen kann.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Lithium oder die Lithiumlegierung mittels eines thermischen Spritzverfahrens (z.B. Vakuumplasmaspritzen), mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung (z.B. PECVD, plasma-enhanced chemical vapour deposition) oder mittels eines Nassauftragverfahrens (z.B. Aufsprühen einer Lithium-Supension in flüssigem Parafin) mit anschließendem Sintern auf das Anodenkontaktelement aufgebracht ist. Insbesondere bei thermischen Spritzverfahren müssen die Verfahrensparameter so angepasst werden, dass in Anbetracht des Schmelzpunktes von Lithium von ca. 180 °C eine Abscheidung in fester Form auf dem Anodenkontaktelement möglich ist. Eine Oxidation des Lithiums kann dabei durch entsprechende Vakuum- oder Schutzgasbedingungen vermieden werden.
  • Die beiden Separatorelemente der Doppelanode spielen bei der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batterie, wie bereits oben erwähnt, eine wesentliche Rolle, da sie zum einen (gemeinsam mit dem Anodenkontaktelement) die beiden Anodenbrennstoffelemente wasser- und gasdicht umschließen, und zum anderen den Transport von Lithium-Ionen zu den Sauerstoffelektrodenelementen der beiden Kathoden ermöglichen. Besonders günstig ist es, wenn die Separatorelemente aus einer Lithium-Glaskeramik gebildet sind, die eine gute Leitfähigkeit für Lithium-Ionen aufweist. Geeignete Glaskeramiken sind beispielsweise von der OHARA Corporation (Branchburg, USA) erhältlich.
  • Die Separatorelemente sollten möglicht dünn ausgebildet sein, um den Lithium-Ionen einen möglicht geringen Widerstand entgegenzusetzen, wobei die Dicke insbesondere im Bereich von ca. 5 bis ca. 60 µm liegen kann.
  • Hierbei ist es besonders günstig, wenn die Lithium-Glaskeramik mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf die Anodenbrennstoffelemente aufgebracht ist, insbesondere mittels Plasmaspritzen. In diesem Fall besteht eine besonders vorteilhafte Möglichkeit, die Doppelanode für die erfindungsgemäße Lithium-Luft-Batterie herzustellen, darin, dass zunächst die Anodenbrennstoffelemente (d.h. insbesondere Lithium oder eine Lithiumlegierung) mittels Vakuumplasmaspritzen auf die beiden Seiten des Anodenkontaktelements aufgebracht werden und unmittelbar im Anschluss daran, ohne die Vakuumkammer zu öffnen, die beiden Separatorelemente ebenfalls mittels Vakuumplasmaspritzen. Auf diese Weise sind die Anodenbrennstoffelemente vor jeglichen atmosphärischen Einflüssen geschützt und hermetisch zwischen dem Anodenkontaktelement und den Separatorelementen eingeschlossen. Alternativ kann die Lithium-Glaskeramik auch in Form einer Folie vorliegen, die auf die Anodenbrennstoffelemente aufgebracht wird.
  • Zusätzlich kann noch vorgesehen sein, zwischen den Anodenbrennstoffelementen und den Separatorelementen eine Diffusionsschutzschicht einzubringen, um unerwünschte Reaktionen zwischen dem Lithium und dem Material der Separatorelemente zu verhindern. Diese Diffusionsschutzschicht ist günstigerweise ebenfalls aus einer Lithium-Glaskeramik gebildet und verhindert den Durchtritt von metallischem Lithium.
  • Im Folgenden werden der Aufbau und die Funktion der beiden Kathoden der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batterie näher beschrieben.
  • Die Kathodenkontaktelemente, die elektrisch leitend sein müssen, sind vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet, insbesondere aus Edelstahl oder Nickel. Wie bereits angesprochen, dienen die Kathodenkontaktelemente nicht nur der elektrischen Kontaktierung, sondern übernehmen in vielen Fällen auch die Funktion eines Trägers für die Sauerstoffelektrodenelemente.
  • Günstig ist es, wenn die Kathodenkontaktelemente in Form von mit Öffnungen versehenen Blechen, Folien oder Netzen ausgebildet sind, um einen möglichst ungehinderten Durchtritt des Sauerstoffs zu den Sauerstoffelektrodenelementen zu ermöglichen. Die Dicke der Kathodenkontaktelemente liegt dabei günstigerweise im Bereich von ca. 0,2 bis ca. 0,5 mm.
  • Die poröse Struktur der auf den Kathodenkontaktelementen angeordneten Sauerstoffelektrodenelemente wird vorzugsweise durch einen Schwamm gebildet, oder auch durch ein Drahtnetz, -gitter, -geflecht oder -gewebe. Diese Strukturen sind insbesondere aus einem metallischen Material gebildet, wie z.B. Edelstahl oder Nickel.
  • Es kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kathodenkontaktelemente und die Sauerstoffelektrodenelemente dieselbe Struktur aufweisen und aus demselben Material gebildet sind, d.h. unmittelbar ineinander übergehen, wobei nur im Bereich der Sauerstoffelektrodenelemente der Katalysator für die Bildung und Zersetzung von Lithiumoxid vorgesehen ist. So kann z.B. ein metallisches Drahtgeflecht, das an der einen Seite mit einem Katalysator beschichtet ist, gleichzeitig als Kathodenkontaktelement und Sauerstoffelektrodenelement dienen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Drahtgeflecht im Bereich des Kathodenkontaktelements dichter ist als im Bereich des Sauerstoffelektrodenelements.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Kathodenkontaktelemente und die Sauerstoffelektrodenelemente unterschiedliche Strukturen und/oder Materialien auf. So kann z.B. ein Lochblech aus Edelstahl oder ein Nickelnetz als Kathodenkontaktelement eingesetzt werden, welches mit einem Metallschwamm (z.B. aus Nickel, erhältlich von der ALANTUM Corporation, Südkorea) versintert wird. Die metallischen Schwämme, die als Sauerstoffelektrodenelemente verwendet werden können, weisen vorzugsweise eine Dicke im Bereich von ca. 1 bis ca. 2 mm auf.
  • Der Katalysator für die Bildung und Zersetzung von Lithiumoxid umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Komponenten, die ausgewählt sind aus Oxid-Ionen leitenden keramischen Materialien, insbesondere Lanthan-Strontium-Cobalt-Ferrit (LSCF) und Barium-Strontium-Cobalt-Ferrit (BSCF), Mischoxiden der Zusammensetzung (La, Ca)x(Co, Fe, Ni, Mn)YO3 vom Perovskit-Typ, Mischoxiden von Co, Ni, Mn und/oder Cu vom Spinell-Typ, Mn3O4, Fe3O4, NiO, Pt, Ag, Au und Kohlenstoff. Besonders vorteilhaft ist beispielsweise die Kombination der genannten keramischen Materialien mit Metallen, wie z.B. eine Kombination von LSCF mit Silber. Ebenfalls bevorzugte Katalysatoren sind die Kombination von Kohlenstoff mit Platin und/oder Gold sowie die Kombination von Cobalt mit Silber.
  • Es ist besonders günstig, wenn der Katalysator mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Plasmaspritzen, auf die poröse Struktur aufgebracht ist. Derartige Verfahren ermöglichen eine sehr gleichmäßige Verteilung des oder der Komponenten des Katalysators auf der porösen Struktur und insbesondere auch ein ausreichend tiefes Eindringen in die poröse Struktur des Sauerstoffelektrodenelements. Das Aufbringen des Katalysators erfolgt dabei vorzugsweise erst nachdem das Sauerstoffelektrodenelement mit dem Kathodenkontaktelement verbunden wurde, sodass das Kathodenkontaktelement ein Durchsprühen des Katalysators durch das Sauerstoffelektrodenelement verhindert.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Kathoden der Lithium-Luft-Batterie als weiteren Bestandteil einen flüssigen Elektrolyt, der innerhalb der porösen Struktur des Sauerstoffelektrodenelements angeordnet ist. Dieser flüssige Elektrolyt umfasst bevorzugt ein oder mehrere Lithiumsalze, insbesondere LiOH, entweder in einer wässrigen Lösung oder in einem aprotisch-polaren Lösungsmittel, wie z.B. Propylencarbonat, Dimethylcarbonat oder Dimethoxyethan. Die Kathodenreaktion der elektrochemischen Zelle spielt sich in diesem Fall an einer Dreiphasengrenzfläche ab (Sauerstoff hauptsächlich in der Gasphase, Lithium-Ionen in der flüssigen Phase und Elektronen in der festen Phase des Sauerstoffelektrodenelements).
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, auf einen flüssigen Elektrolyt zu verzichten. In diesem Fall läuft die Reaktion an einer Phasegrenze zwischen dem Separatorelement der Doppelanode als Ionenleiter und dem Sauerstoffelektrodenelement als Elektronenleiter ab.
  • Falls ein flüssiger Elektrolyt vorgesehen ist, sind vorzugsweise eine oder mehrere Kapillaren zur Einführung des flüssigen Elektrolyten in einem Randbereich der Sauerstoffelektrodenelemente angeordnet. Der Elektrolyt kann über diese Kapillaren eingeführt werden, nachdem sämtliche Elemente der Doppelanode und der Kathoden zu einer elektrochemischen Zelle miteinander verbunden worden sind. Insbesondere kann es im Hinblick auf die Haltbarkeit der Lithium-Luft-Batterie vorteilhaft sein, wenn der Elektrolyt erst unmittelbar vor der Inbetriebnahme eingeführt wird.
  • Die erfindungsgemäße Lithium-Luft-Batterie kann prinzipiell aus einer einzelnen elektrochemischen Zelle mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau bestehen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Lithium-Luft-Batterie eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen umfasst, die in Reihe oder parallel geschaltet sein können.
  • Die erfindungsgemäße Lithium-Luft-Batterie kann in verschiedenen Einsatzbereichen für die Versorgung mit elektrischer Energie verwendet werden, mit besonderem Vorteil jedoch zur Energieversorgung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit auch ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, welches eine Lithium-Luft-Batterie der vorstehend beschriebenen Art umfasst.
  • Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt im Einzelnen:
  • 1: eine schematische Darstellung des Aufbaus einer elektrochemischen Zelle eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batterie.
  • Die 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle, die als Ganzes mit 10 bezeichnet ist. Eine erfindungsgemäße Lithium-Luft-Batterie umfasst eine oder bevorzugt mehrere elektrochemische Zellen 10, die in Reihe oder parallel geschalten sind.
  • Die elektrochemische Zelle 10 weist einen Schichtaufbau auf, wobei verschiedene Elemente als aufeinander folgende ebene Schichten ausgebildet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in der 1 alle Schichten bzw. Elemente mit derselben Dicke dargestellt, während in der Realität verschiedene Elemente sehr unterschiedliche Dicken aufweisen können. Die Fläche der Schichten liegt z.B. im Bereich von 20 bis 100 cm2.
  • Die elektrochemische Zelle 10 umfasst eine mittig angeordnete Doppelanode 12 und zwei außenseitig angeordnete Kathoden 14, d.h. es liegt eine Sandwich-Struktur vor, bei der die Doppelanode 12 zwischen den beiden Kathoden 14 angeordnet ist.
  • Die Doppelanode 12 umfasst ein Anodenkontaktelement 16 aus einem elektrisch leitenden und für Lithium-Ionen undurchlässigen Material. Das Anodenkontaktelement 16 kann z.B. eine Kupferfolie bzw. ein dünnes Kupferblech sein. Auf den beiden gegenüberliegenden Seiten des Anodenkontaktelements 16 sind zwei Anodenbrennstoffelemente 18 angeordnet, die z.B. aus reinem metallischem Lithium gebildet sind. Auf diesen Anodenbrennstoffelementen 18 ist jeweils ein Separatorelement 20 aus einem wasser- und gasdichten Material angeordnet, und zwar in der Weise, dass jedes Anodenbrennstoffelement 18 von dem Anodenkontaktelement 16 auf der einen Seite und dem Separatorelement 20 auf der anderen Seite vollständig umschlossen wird. Die Separatorelemente 20 sind in diesem Fall aus einer Lithium-Glaskeramik gebildet, die z.B. von der OHARA Corporation (Branchburg, USA) erhältlich ist.
  • Die Doppelanode 12 der elektrochemischen Zelle 10 wird auf die Weise hergestellt, dass zunächst das Lithium der Anodenbrennstoffelemente 18 auf die beiden Seiten des Anodenkontaktelements 16 mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Vakuumplasmaspritzen, aufgebracht wird, und dass direkt im Anschluss die Lithium-Glaskeramik der Separatorelemente 20 mittels desselben Verfahrens auf die Anodenbrennstoffelemente 18 so aufgebracht wird, dass diese vollständig gegen atmosphärische Einflüsse geschützt sind, wobei ein Randbereich des Anodenkontaktelements 16 als elektrischer Anschluss (Minuspol 22) der elektrochemischen Zelle 10 zur Verfügung steht.
  • Die beiden Kathoden 14 der elektrochemischen Zelle 10 umfassen jeweils ein Kathodenkontaktelement 24 aus einem elektrisch leitenden Material, wobei die Kathodenkontaktelemente 24 in einem Randbereich ebenfalls elektrische Anschlüsse (Pluspole 26) der elektrochemischen Zelle 10 bilden. Die Kathodenkontaktelemente 24 sind z.B. gelochte Bleche oder Folien aus Edelstahl oder Nickel.
  • Auf dem Kathodenkontaktelement 24 ist jeweils ein Sauerstoffelektrodenelement 28 mit einer porösen Struktur angeordnet, wobei jedes der Sauerstoffelektrodenelemente 28 mit einem der Separatorelemente 20 der Doppelanode 12 in Kontakt steht. Die poröse Struktur der Sauerstoffelektrodenelemente 28 wird insbesondere durch einen metallischen Schwamm (z.B. einen Nickelschwamm von der ALANTUM Corporation, Südkorea) oder von einem Drahtgeflecht gebildet. Die Sauerstoffelektrodenelemente 28 sind z.B. durch Sintern mit den Kathodenkontaktelementen 24 verbunden.
  • Die Sauerstoffelektrodenelemente 28 umfassen einen Katalysator für die Bildung und Zersetzung von Lithiumoxid, wobei dieser Katalysator günstigerweise mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf und in die poröse Struktur der Sauerstoffelektrodenelemente 28 eingebracht ist. Der Katalysator umfasst z.B. ein Oxid-Ionen leitendes keramisches Material wie LSCF oder BSCF in Kombination mit einem Edelmetall wie z.B. Silber, oder auch eine Kombination von Cobalt mit Silber oder von Kohlenstoff mit Platin und/oder Gold.
  • Die Sauerstoffelektrodenelemente 28 der Kathoden 14 stehen jeweils in unmittelbarem Kontakt mit den Separatorelementen 20 der Doppelanode 12, wobei an dieser Kontakt- bzw. Grenzfläche die Kathodenreaktion der elektrochemischen Zelle 10, d.h. die Umsetzung von Oxid-Ionen mit den durch die Separatorelemente 20 transportierten Lithium-Ionen, abläuft. Das dabei gebildete Lithiumoxid lagert sich in die Hohlräume der porösen Struktur der Sauerstoffelektrodenelemente 28 ein (dies gilt beim Entladen der Lithium-Luft-Batterie, beim Aufladen läuft die umgekehrte Reaktion ab).
  • In einem Randbereich der Sauerstoffelektrodenelemente 28 ist jeweils eine Kapillare 30 angeordnet, über die ein flüssiger Elektrolyt in die poröse Struktur der Sauerstoffelektrodenelemente 28 eingeführt werden kann. Der flüssige Elektrolyt umfasst ein oder mehrere Lithiumsalze wie z.B. LiOH, entweder in einer wässrigen Lösung oder in einem aprotisch-polaren Lösungsmittel wie z.B. Propylencarbonat. An den Kathoden 14 liegt somit eine Dreiphasengrenzfläche zwischen der festen porösen Struktur, dem flüssigen Elektrolyt und dem gasförmigen Sauerstoff vor.
  • Wenn die Kapillaren 30 aus einem elektrisch leitenden Material gebildet sind, können sie gleichzeitig auch als elektrische Anschlüsse der Kathoden 14 dienen, sodass auf die Anschlüsse 26 verzichtet werden kann. Dies führt zu einer weiteren Vereinfachung des Aufbaus der Lithium-Luft-Batterie.
  • Der Sauerstoff aus der Umgebungsluft wird den Sauerstoffelektrodenelementen 28 von außen durch die Kathodenkontaktelemente 24 zugeführt. Auf den Außenseiten der Kathodenkontaktelemente 24 sind bei der elektrochemischen Zelle 10 jeweils hydrophobe Elemente 32 angeordnet, die von der zuströmenden Luft ebenfalls passiert werden. Hierdurch kann das Eindringen von flüssigem Wasser in die elektrochemische Zelle 10 verhindert werden sowie der Eintrag von Wasserdampf bei einer hohen Luftfeuchtigkeit. Die hydrophoben Elemente 32 können z.B. eine Kombination von PTFE mit Kohlenstoff umfassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    elektrochemische Zelle
    12
    Doppelanode
    14
    Kathoden
    16
    Anodenkontaktelement
    18
    Anodenbrennstoffelemente
    20
    Separatorelemente
    22
    Minuspol
    24
    Kathodenkontaktelemente
    26
    Pluspole
    28
    Sauerstoffelektrodenelemente
    30
    Kapillaren
    32
    hydrophobe Elemente
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • R. Padbury und X. Zhang in Journal of Power Sources 196 (2011) 4436–4444 [0003]

Claims (19)

  1. Lithium-Luft-Batterie zur elektrochemischen Umsetzung von Lithium mit Sauerstoff, umfassend eine oder mehrere elektrochemische Zellen (10), welche jeweils umfassen: (a) eine Doppelanode (12), umfassend (i) ein Anodenkontaktelement (16) aus einem elektrisch leitenden und für Lithium-Ionen undurchlässigen Material, (ii) zwei Anodenbrennstoffelemente (18), die ganz oder teilweise aus metallischem Lithium gebildet sind, und die auf gegenüberliegenden Seiten des Anodenkontaktelements (16) angeordnet sind, und (iii) zwei Separatorelemente (20) aus einem wasser- und gasdichten Material, das eine Leitfähigkeit für Lithium-Ionen aufweist, wobei jedes der beiden Separatorelemente (20) so angeordnet ist, dass es zusammen mit dem Anodenkontaktelement (16) eines der beiden Anodenbrennstoffelemente (18) vollständig umschließt; und (b) zwei Kathoden (14), die auf gegenüberliegenden Seiten der Doppelanode (12) mit Kontakt zu jeweils einem der Separatorelemente (20) angeordnet sind, jeweils umfassend (i) ein Kathodenkontaktelement (24) aus einem elektrisch leitenden Material, und (ii) ein auf dem Kathodenkontaktelement (24) angeordnetes Sauerstoffelektrodenelement (28) mit einer porösen Struktur, umfassend einen Katalysator für die Bildung und Zersetzung von Lithiumoxid, wobei das Sauerstoffelektrodenelement (28) mit einem der Separatorelemente (20) der Doppelanode (12) in Kontakt steht.
  2. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Kathoden (14) ferner jeweils ein hydrophobes Element (32) umfassen, welches auf der dem Sauerstoffelektrodenelement (28) gegenüberliegenden Seite des Kathodenkontaktelements (24) angeordnet ist.
  3. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elemente, aus denen die Doppelanode (12) und die Kathoden (14) gebildet sind, als aufeinander folgende ebene Schichten ausgebildet sind.
  4. Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schichten eine Fläche im Bereich von ca. 20 bis ca. 100 cm2 aufweisen.
  5. Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Anodenkontaktelement (16) aus einem metallischen Material, insbesondere aus Kupfer, gebildet ist.
  6. Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anodenbrennstoffelemente (18) im Wesentlichen vollständig aus Lithium oder aus einer Lithiumlegierung gebildet sind.
  7. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 6, wobei das Lithium oder die Lithiumlegierung mittels eines thermischen Spritzverfahrens, mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung oder mittels eines Nassauftragverfahrens mit anschließendem Sintern auf das Anodenkontaktelement (16) aufgebracht ist.
  8. Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Separatorelemente (20) aus einer Lithium-Glaskeramik gebildet sind.
  9. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 8, wobei die Lithium-Glaskeramik in Form einer Folie oder mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf die Anodenbrennstoffelemente (18) aufgebracht ist, insbesondere mittels Plasmaspritzen.
  10. Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kathodenkontaktelemente (24) aus einem metallischen Material gebildet sind, insbesondere aus Edelstahl oder Nickel.
  11. Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kathodenkontaktelemente (24) in Form von mit Öffnungen versehenen Blechen, Folien oder Netzen ausgebildet sind.
  12. Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die poröse Struktur der Sauerstoffelektrodenelemente (28) durch einen Schwamm oder durch ein Drahtnetz, -gitter, -geflecht oder -gewebe, insbesondere aus einem metallischen Material wie z.B. Edelstahl oder Nickel, gebildet ist.
  13. Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Katalysator eine oder mehrere Komponenten umfasst, die ausgewählt sind aus Oxid-Ionen leitenden keramischen Materialien, insbesondere Lanthan-Strontium-Cobalt-Ferrit (LSCF) und Barium-Strontium-Cobalt-Ferrit (BSCF), Mischoxiden der Zusammensetzung (La, Ca)x(Co, Fe, Ni, Mn)yO3 vom Perovskit-Typ, Mischoxiden von Co, Ni, Mn und/oder Cu vom Spinell-Typ, Mn3O4, Fe3O4, NiO, Pt, Ag, Au und Kohlenstoff.
  14. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 13, wobei der Katalysator mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Plasmaspritzen, auf die poröse Struktur aufgebracht ist.
  15. Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kathoden (14) ferner einen flüssigen Elektrolyt umfassen, der innerhalb der porösen Struktur des Sauerstoffelektrodenelements (28) angeordnet ist.
  16. Lithium-Luft-Batterie nach Anspruch 15, wobei der flüssige Elektrolyt ein oder mehrere Lithiumsalze, insbesondere LiOH, in einer wässrigen Lösung oder in einem aprotisch-polaren Lösungsmittel, wie z.B. Propylencarbonat, Dimethylcarbonat oder Dimethoxyethan, umfasst.
  17. Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in einem Randbereich der Sauerstoffelektrodenelemente (28) jeweils eine oder mehrere Kapillaren (30) zur Einführung des flüssigen Elektrolyten angeordnet sind.
  18. Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (10), die in Reihe oder parallel geschaltet sind.
  19. Elektrisch betriebenes Fahrzeug, umfassend eine Lithium-Luft-Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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