DE102014111622A1 - Flexible membranes and coated electrodes for lithium-based batteries - Google Patents

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Abstract

Ein Beispiel einer flexiblen Membran umfasst eine poröse Membran und eine Festelektrolytbeschichtung, welche auf zumindest einem Abschnitt einer Oberfläche der porösen Membran in Poren der porösen Membran oder sowohl auf der Oberfläche als auch in den Poren gebildet ist. Die Festelektrolytbeschichtung umfasst i) eine Polymerkette oder ii) ein anorganisches, ionenleitfähiges Material. Die Polymerkette oder das anorganische Material umfasst eine Gruppe, um mit einem Polysulfid über kovalentes Binden oder supramolekulare Wechselwirkung in Wechselwirkung zu treten oder zu reagieren.An example of a flexible membrane comprises a porous membrane and a solid electrolyte coating formed on at least a portion of a surface of the porous membrane in pores of the porous membrane or both on the surface and in the pores. The solid electrolyte coating comprises i) a polymer chain or ii) an inorganic, ion-conductive material. The polymer chain or inorganic material includes a group to interact or react with a polysulfide via covalent bonding or supramolecular interaction.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 61/868 323, eingereicht am 21. August 2013, welche hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.This application claims the benefit of U.S. provisional patent application Ser. No. 61 / 868,323, filed August 21, 2013, which is incorporated herein by reference in its entirety.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Sekundäre oder wieder aufladbare Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien werden oft in vielen feststehenden und tragbaren Vorrichtungen wie z. B. jenen verwendet, denen man in den Konsumelektronik-, Automobil- und Luftfahrtindustrien begegnet. Die Lithiumklasse von Batterien hat aus vielerlei Gründen, unter anderem einer relativ hohen Energiedichte, einem allgemeinen Nichtvorhandensein jeglicher Memory-Effekte verglichen mit anderen Arten von wieder aufladbaren Batterien, einem relativ geringen inneren Widerstand und einer niedrigen Selbstentladungsrate, wenn sie nicht in Gebrauch sind, zunehmende Popularität gewonnen. Die Fähigkeit von Lithiumbatterien, über ihre Lebensdauer widerholte Leistungszyklen zu erfahren, macht sie zu einer attraktiven und zuverlässigen Leistungsquelle.Secondary or rechargeable lithium-ion batteries and lithium-sulfur batteries are often used in many fixed and portable devices such. B. those used in the consumer electronics, automotive and aerospace industries. The lithium class of batteries has been increasing for many reasons, including a relatively high energy density, a general absence of any memory effects compared to other types of rechargeable batteries, a relatively low internal resistance, and a low self-discharge rate when not in use Won popularity. The ability of lithium batteries to experience performance cycles over their lifetime makes them an attractive and reliable power source.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Ein Beispiel einer flexiblen Membran umfasst eine poröse Membran und eine Festelektrolytbeschichtung, welche auf zumindest einem Abschnitt einer Oberfläche der porösen Membran in Poren der porösen Membran oder sowohl auf der Oberfläche als auch in den Poren der porösen Membran gebildet ist. Die Festelektrolytbeschichtung umfasst i) eine Polymerkette oder ii) ein anorganisches, ionenleitfähiges Material. Die Polymerkette oder das anorganische, ionenleitfähige Material umfasst eine Gruppe, um mit einem Polysulfid über kovalentes Binden oder supramolekulare Wechselwirkung in Wechselwirkung zu treten oder zu reagieren.An example of a flexible membrane comprises a porous membrane and a solid electrolyte coating formed on at least a portion of a surface of the porous membrane in pores of the porous membrane or both on the surface and in the pores of the porous membrane. The solid electrolyte coating comprises i) a polymer chain or ii) an inorganic, ion-conductive material. The polymer chain or inorganic ion conductive material includes a group to interact or react with a polysulfide via covalent bonding or supramolecular interaction.

Es sind hierin auch eine beschichtete Elektrode, eine Lithium-Batterie und ein Verfahren zum Beschichten einer Lithiumbatteriekomponente offenbart.Also disclosed herein are a coated electrode, a lithium battery, and a method of coating a lithium battery component.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die Merkmale und Vorteile von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen offensichtlich, in denen gleiche Bezugsziffern ähnlichen, wenngleich nicht identischen Komponenten entsprechen. Der Kürze wegen können Bezugsziffern oder Merkmale, welche eine zuvor beschriebene Funktion besitzen, in Verbindung mit weiteren Zeichnungen, in denen sie aufscheinen, beschrieben sein oder nicht.The features and advantages of examples of the present disclosure will become apparent by reference to the following detailed description and drawings in which like reference numerals correspond to similar, though not identical, components. For the sake of brevity, reference numerals or features having a function described above may or may not be described in conjunction with other drawings in which they appear.

1 ist ein schematisches Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Beschichten einer porösen Membran zeigt; 1 Fig. 10 is a schematic flowchart showing an example of a method of coating a porous membrane;

2 ist ein schematisches Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Beschichten einer positiven Elektrode zeigt; 2 Fig. 10 is a schematic flowchart showing an example of a method of coating a positive electrode;

3 ist ein Flussdiagramm, das die chemischen Strukturen zeigt, die in einem Beispiel des Verfahrens verwendet und gebildet werden; 3 Fig. 10 is a flow chart showing the chemical structures used and formed in an example of the method;

4 ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines Beispiels einer Lithium-Schwefel-Batterie, welche sowohl einen Ladezustand als auch einen Entladezustand illustriert, wobei die Batterie ein Beispiel der flexiblen Membran mit einer Polymer-Festelektrolytbeschichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst; 4 FIG. 12 is a schematic perspective view of an example of a lithium-sulfur battery illustrating both a state of charge and a discharge state, the battery including an example of the flexible membrane having a solid polymer electrolyte coating according to the present disclosure; FIG.

5 ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines Beispiels einer Lithium-Ionen-Batterie während eines Entladezustandes illustriert, wobei die Batterie ein Beispiel der flexiblen Membran mit einer Polymer-Festelektrolytbeschichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst; 5 FIG. 12 is a schematic perspective view of an example of a lithium ion battery during a discharge state, the battery including an example of the flexible membrane having a solid polymer electrolyte coating according to the present disclosure; FIG.

6 ist ein Graph, der die Lade- und Entladeleistungen (mAh/g) für eine beispielhafte Batterie, welche eine flexible Membran mit einer Polymer-Festelektrolytbeschichtung umfasst, und für eine beispielhafte Vergleichsbatterie illustriert; und 6 Fig. 10 is a graph illustrating the charge and discharge capacities (mAh / g) for an exemplary battery comprising a flexible membrane with a polymer solid electrolyte coating, and for an exemplary comparative battery; and

7 ist ein Graph, der die Coulombsche Effizienz (%) für die beispielhafte Batterie, welche die flexible Membran mit der Polymer-Festelektrolytbeschichtung umfasst, und für die beispielhafte Vergleichsbatterie illustriert. 7 FIG. 12 is a graph illustrating the Coulomb efficiency (%) for the exemplary battery including the flexible membrane with the polymer solid electrolyte coating and for the exemplary comparative battery.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Lithium-Schwefel-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien arbeiten allgemein durch reversibles Führen von Lithium-Ionen zwischen einer negativen Elektrode (gelegentlich als eine Anode bezeichnet) und einer positiven Elektrode (gelegentlich als eine Kathode bezeichnet). Die negative und die positive Elektrode befinden sich oft auf entgegengesetzten Seiten eines porösen Polymer-Separators, der mit einer Elektrolytlösung getränkt ist, die zum Leiten der Lithium-Ionen geeignet ist. Jede der Elektroden ist auch jeweiligen Stromkollektoren zugeordnet, die durch einen unterbrechbaren äußeren Stromkreis verbunden sind, welcher zulässt, dass elektrischer Strom zwischen der negativen und der positiven Elektrode fließt.Lithium-sulfur batteries and lithium ion batteries generally operate by reversibly conducting lithium ions between a negative electrode (sometimes referred to as an anode) and a positive electrode (sometimes referred to as a cathode). The negative and the positive electrodes are often on opposite sides of a porous polymer separator impregnated with an electrolyte solution suitable for conducting lithium ions. Each of the electrodes is also associated with respective current collectors which are connected by an interruptible external circuit which allows electrical Current flows between the negative and the positive electrode.

Es wurde festgestellt, dass die Lithium-Schwefel-Batterie-Lebensdauer durch das Wandern, die Diffusion oder das Pendeln von Polysulfiden von der Schwefelkathode während des Batterie-Entladevorganges durch den porösen Polymerseparator hindurch zu der Anode begrenzt sein kann. Die Sx-Polysulfide, die an der Kathode erzeugt werden, sind in dem Elektrolyt löslich, und können zu der Anode (z. B. einer Lithium-Elektrode) wandern, wo sie mit der Anode in einer parasitären Weise reagieren, um Polysulfide niedrigerer Ordnung zu erzeugen. Diese Polysulfide diffundieren zurück zu der Kathode und erzeugen die höheren Polysulfid-Formen. Infolgedessen findet ein Pendeleffekt statt. Dieser Effekt führt zu einer herabgesetzten Schwefelnutzung, Selbstentladung, schlechter Zyklierfähigkeit und reduzierter Coulomb-Effizienz der Batterie. Man nimmt an, dass selbst eine kleine Menge Polysulfid an der Anode zu einem Blindverlust von aktivem Lithium an der Anode führen kann, der einen reversiblen Elektrodenbetrieb verhindert und die Nutzungsdauer der Lithium-Schwefel-Batterie herabsetzt.It has been found that the lithium-sulfur battery life may be limited by the migration, diffusion or oscillation of polysulfides from the sulfur cathode during the battery discharge process through the porous polymer separator to the anode. The S x polysulfides generated at the cathode are soluble in the electrolyte and can migrate to the anode (eg, a lithium electrode) where they react with the anode in a parasitic manner to lower polysulfides To create order. These polysulfides diffuse back to the cathode and produce the higher polysulfide forms. As a result, a pendulum effect takes place. This effect leads to reduced sulfur utilization, self-discharge, poor cyclability and reduced Coulomb efficiency of the battery. It is believed that even a small amount of polysulfide at the anode can lead to a reactive loss of active lithium at the anode which prevents reversible electrode operation and reduces the useful life of the lithium-sulfur battery.

In ähnlicher Weise können sich in der Lithium-Ionen-Batterie Übergangsmetall-Kationen in dem Elektrolyt lösen und von der Kathode der Lithium-Ionen-Batterie zu der Anode wandern, was zu deren „Vergiftung” führt. In einem Beispiel wird eine Graphit-Elektrode (z. B. eine Anode) durch Mn+2- oder Mn+3-Kationen vergiftet, die sich aus Spinell-LixMn2O4 der positiven Elektrode/Kathode lösen. Die Mn+2-Kationen können z. B. durch den Batterie-Elektrolyt hindurch wandern und sich auf der Graphitelektrode abscheiden. Wenn sie auf dem Graphit abgeschieden werden, werden die Mn+2-Kationen zu Mn-Metall. Es wurde gezeigt, dass eine relativ geringe Menge (z. B. 90 ppm) Mn-Atome die Graphitelektrode vergiften und einen reversiblen Elektrodenbetrieb verhindern kann und dadurch die Nutzungsdauer der Batterie herabsetzt. Der nachteilige Effekt des an der negativen Elektrode abgeschiedenen Mn wird dadurch deutlich verstärkt, dass die Batterie Temperaturen über der Umgebungstemperatur (> 40°) ausgesetzt wird, unabhängig davon, ob die Exposition durch reine Speicherung (d. h. einfaches Stehen bei Leerlaufspannung in einem gewissen Ladezustand) oder während eines Batteriebetriebes (d. h. während einer Aufladung, während einer Entladung oder während eines Lade – Entlade-Zyklusbetriebes) stattfindet.Similarly, in the lithium ion battery, transition metal cations may dissolve in the electrolyte and migrate from the cathode of the lithium ion battery to the anode, resulting in their "poisoning". In one example, a graphite electrode (eg, an anode) is poisoned by Mn + 2 or Mn + 3 cations that dissolve from spinel Li x Mn 2 O 4 positive electrode / cathode. The Mn +2 cations may, for. B. through the battery electrolyte through and deposit on the graphite electrode. When deposited on the graphite, the Mn + 2 cations become Mn metal. It has been shown that a relatively small amount (e.g., 90 ppm) of Mn atoms can poison the graphite electrode and prevent reversible electrode operation, thereby decreasing the useful life of the battery. The adverse effect of the Mn deposited on the negative electrode is greatly enhanced by exposing the battery to temperatures above ambient (> 40 ° C), regardless of whether the exposure is by pure storage (ie, simply standing at open circuit voltage in a certain state of charge). or during a battery operation (ie, during a charge, during a discharge, or during a charge - discharge cycle operation).

In einigen der hierin offenbarten Beispielen kann das Pendeln von Polysulfid in der Lithium-Schwefel-Batterie oder die Diffusion von Mn+2 (oder anderen Übergangsmetall)-Kationen in der Lithium-Ionen-Batterie durch Einbauen einer Festelektrolytbeschichtung auf einer Oberfläche und/oder in Poren einer porösen Membran verringert oder verhindert werden. Dies wird in Bezug auf 1 weiter beschrieben. In anderen der hierin offenbarten Beispiele können die nachteiligen Effekte des Wanderns von Polysulfiden der Lithium-Schwefel-Batterie oder Mn+2 (oder anderen Übergangsmetall)-Kationen in der Lithium-Ionen-Batterie durch Einbauen der Festelektrolytbeschichtung auf einer Oberfläche der Kathode verringert oder verhindert werden. Dies wird in Bezug auf 2 weiter beschrieben. Man nimmt an, dass bei allen hierin offenbarten Beispielen die Festelektrolytbeschichtung das Pendeln von Polysulfiden zwischen der Kathode und der Anode oder das Wandern von Übergangsmetall-Kationen (z. B. Mangan-Kationen) von der Kathode zu der Anode verhindert.In some of the examples disclosed herein, the commutation of polysulfide in the lithium-sulfur battery or the diffusion of Mn + 2 (or other transition metal) cations in the lithium ion battery may be accomplished by incorporating a solid electrolyte coating on a surface and / or in the surface Pores of a porous membrane can be reduced or prevented. This is in relation to 1 further described. In other of the examples disclosed herein, the adverse effects of migration of polysulfides of the lithium-sulfur battery or Mn + 2 (or other transition metal) cations in the lithium-ion battery can be reduced or prevented by incorporating the solid electrolyte coating on a surface of the cathode become. This is in relation to 2 further described. It is believed that in all of the examples disclosed herein, the solid electrolyte coating inhibits the cycling of polysulfides between the cathode and the anode or the migration of transition metal cations (e.g., manganese cations) from the cathode to the anode.

Nunmehr Bezug nehmend auf 1, ist ein Beispiel des Verfahrens zum Bilden einer flexiblen Membran 28 schematisch dargestellt.Referring now to 1 is an example of the method of forming a flexible membrane 28 shown schematically.

Zu Beginn wird eine poröse Membran 16 ausgewählt. Die poröse Membran 16 kann eine poröse Polymermembran oder eine poröse anorganische Membran sein.At the beginning, a porous membrane 16 selected. The porous membrane 16 may be a porous polymer membrane or a porous inorganic membrane.

In einem Beispiel, in dem die poröse Polymermembran verwendet wird, kann die Membran 16 z. B. aus einem Polyolefin gebildet sein. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (das von einem einzigen Monomer-Bestandteil abgeleitet ist) oder ein Heteropolymer (das von mehr als einem Monomer-Bestandteil abgeleitet ist) sein und kann entweder linear oder verzweigt sein. Wenn ein von zwei Monomer-Bestandteilen abgeleitetes Heteropolymer verwendet wird, kann das Polyolefin jede Copolymerkettenanordnung einschließlich jener eines Block-Copolymers oder eines Random-Polymers annehmen. Das Gleiche gilt, wenn das Polyolefin ein von mehr als zwei Monomer-Bestandteilen abgeleitetes Heteropolymer ist. Als Beispiele kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), eine Mischung aus PE und PP oder mehrschichtige, strukturierte, poröse Filme aus PE und/oder PP umfassen. Die poröse Polyolefinmembran 16 kann auch unbehandelt oder behandelt (z. B. mit einem oberflächenaktiven Stoff) sein. Handelsübliche poröse Polymermembranen umfassen Einzelschicht-Polypropylenmembranen wie z. B. CELGARD 2400, CELGARD 2500 und CELGARD 2325 von Celgard, LLC (Charlotte, NC).In an example in which the porous polymer membrane is used, the membrane may 16 z. B. be formed of a polyolefin. The polyolefin may be a homopolymer (derived from a single monomer component) or a heteropolymer (derived from more than one monomer component) and may be either linear or branched. When a heteropolymer derived from two monomer components is used, the polyolefin may take any copolymer chain arrangement including those of a block copolymer or a random polymer. The same applies if the polyolefin is a heteropolymer derived from more than two monomer constituents. As examples, the polyolefin may include polyethylene (PE), polypropylene (PP), a blend of PE and PP, or multilayer, structured, porous films of PE and / or PP. The porous polyolefin membrane 16 may also be untreated or treated (eg with a surfactant). Commercially available porous polymer membranes include monolayer polypropylene membranes such as e.g. CELGARD 2400, CELGARD 2500 and CELGARD 2325 from Celgard, LLC (Charlotte, NC).

In einem anderen Beispiel kann die Membran 16 der flexiblen Membran 28 aus einem anderen Polymer gebildet sein, das aus Polyethylen-Terephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamiden (Nylons), Polyurethanen, Polycarbonaten, Polyestern, Polyetheretherketonen (PEEK), Polyethersulfonen (PES), Polyimiden (PI), Polyamid-Imiden, Polyethern, Polyoxymethylen (z. B. Acetal), Polybutylen-Terephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren (ABS), Polystyrol-Copolymeren, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polysiloxan-Polymeren (z. B. Polydimethylsiloxan (PDMS)), Polybenzimidazol (PBI), Polybenzoxazol (PBO), Polyphenylenen (z. B. PARMAXTM (Mississippi Polymer Technologies, Inc., Bay Saint Louis, Mississippi)), Polyarylenetherketonen, Polyperfluorcyclobutanen, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid-Copolymeren und -Terpolymeren, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylfluorid, Flüssigkristallpolymeren (z. B., VECTRANTM (Hoechst AG, Deutschland) und ZENITE® (DuPont, Wilmington, DE)), Polyaramiden, Polyphenylenoxid und/oder Kombinationen daraus gewählt sind. Man geht davon aus, dass ein anderes Beispiel eines Flüssigkristallpolymers, das für die Membran 16 der flexiblen Membran 28 verwendet werden kann, Poly(p-Hydroxybenzoesäure) ist. In einem noch anderen Beispiel kann die Membran 16 der flexiblen Membran 28 aus einer Kombination des Polyolefins (wie z. B. PE und/oder PP) und eines oder mehreren der oben angeführten Polymere für die Membrane 16 ausgewählt werden kann.In another example, the membrane 16 the flexible membrane 28 may be formed of a different polymer selected from polyethylene terephthalate (PET), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyamides (nylons), polyurethanes, polycarbonates, polyesters, polyetheretherketones (PEEK), polyethersulfones (PES), polyimides (PI), polyamide-imides , Polyethers, polyoxymethylene (eg acetal), polybutylene terephthalate, polyethylene naphthenate, polybutene, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers (ABS), polystyrene copolymers, Polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polysiloxane polymers (eg, polydimethylsiloxane (PDMS)), polybenzimidazole (PBI), polybenzoxazole (PBO), polyphenylenes (e.g., PARMAX ™ (Mississippi Polymer Technologies, Inc.) Bay Saint Louis, Mississippi)), polyarylene ether ketones, Polyperfluorcyclobutanen, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride copolymers and terpolymers, polyvinylidene chloride, polyvinyl fluoride, liquid crystal polymers (eg. B., VECTRAN TM (Hoechst AG, Germany) and ZENITE ® (DuPont, Wilmington , DE)), polyaramids, polyphenylene oxide and / or combinations thereof. It is believed that another example of a liquid crystal polymer useful for the membrane 16 the flexible membrane 28 can be used, poly (p-hydroxybenzoic acid) is. In yet another example, the membrane 16 the flexible membrane 28 from a combination of the polyolefin (such as PE and / or PP) and one or more of the above polymers for the membrane 16 can be selected.

In einem Beispiel, in dem die poröse anorganische Membran verwendet wird, kann die Membran 16 z. B. aus einer porösen Keramikmembran, einer porösen Oxidmembran, einer porösen Nitridmembran, einer porösen Silikatmembran, einer porösen Carbidmembran etc. gebildet sein. Beispiele für die poröse Oxidmembran umfassen Membranen aus Aluminiumoxid, Zirconiumoxid oder Magnesiumoxid. Ein Beispiel für die poröse Nitridmembran umfasst eine Siliziumnitridmembran. Ein Beispiel für die poröse Carbidmembran umfasst eine Siliziumcarbidmembran.In one example, where the porous inorganic membrane is used, the membrane may 16 z. Example, from a porous ceramic membrane, a porous oxide membrane, a porous nitride membrane, a porous silicate membrane, a porous carbide membrane, etc. may be formed. Examples of the porous oxide membrane include membranes of alumina, zirconia or magnesia. An example of the porous nitride membrane includes a silicon nitride membrane. An example of the porous carbide membrane includes a silicon carbide membrane.

Unabhängig davon, ob eine Polymer- oder eine anorganische poröse Membran 16 gewählt wird, kann die poröse Membran 16 ein Einzelschicht- oder ein Mehrschicht-Laminat sein, dass entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt wird. In einigen Fällen kann die Membran 16 (eine) fasrige Schicht(en) umfassen, um passende strukturelle und Porositätseigenschaften zu verleihen.Regardless of whether a polymer or an inorganic porous membrane 16 is chosen, the porous membrane 16 a single layer or a multi-layer laminate produced by either a dry or a wet process. In some cases, the membrane can 16 comprise a fibrous layer (s) to impart appropriate structural and porosity properties.

Die poröse Membran 16 wird einer Lösung/Dispersion 17 ausgesetzt, die einen Festelektrolyt-Precursor umfasst, der in einem Lösungsmittel gelöst oder dispergiert ist. Es sei angemerkt, dass jeder beliebige Festelektrolyt-Precursor verwendet werden kann, der in der Lage ist, ein Polymer oder ein anorganisches Material zu bilden, das mit einem Polysulfid im Fall einer Lithium-Schwefel-Batterie reagieren oder in Wechselwirkung treten kann, um ein Anion (z. B. (ein) Sauerstoffanion(en) und/oder (ein) Schwefelanion(en)) auf der/den Ketteln des Polymers oder in das anorganische Material einzuschleusen. Das/die Anion/en, welche/s auf dem Polymer oder in das anorganische Material eingeschleust wird/werden, kann/können kovalent gebunden oder über supramolekulare Wechselwirkung festgehalten sein.The porous membrane 16 becomes a solution / dispersion 17 which comprises a solid electrolyte precursor dissolved or dispersed in a solvent. It should be noted that any solid electrolyte precursor capable of forming a polymer or an inorganic material that can react or interact with a polysulfide in the case of a lithium-sulfur battery may be used Anion (eg, oxygen anion (s) and / or sulfur anion (s)) on the polymer (s) or in the inorganic material. The anion (s) introduced on the polymer or inorganic material may be covalently bound or retained via supramolecular interaction.

In einem Beispiel ist der Festelektrolyt-Precursor ein Monomer, das eine Polymerisation erfährt, um Polydopamin, Polythiophen, Polypyrrol, Polyanilin, Polyacetylen, Polyphenylacetylen, Polydiacetylen, Polyamid oder Derivative dieser Polymere (wie z. B. Poly(N-Isopropylacrylamid) und Poly(3,4-ethylendioxythiophen)) zu bilden. Anders ausgedrückt kann der Festelektrolyt-Precursor ein Monomer sein, das aus Dopamin, Thiophen, Pyrrol, Anilin, Ethin, Phenylacetylen, Diacetylen und/oder einem Monomer mit einer Aminogruppe und einer Carboxylsäure- oder einer Säurechloridgruppe gewählt ist.In one example, the solid electrolyte precursor is a polymer undergoing polymerization to form polydopamine, polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacetylene, polyphenylacetylene, polydiacetylene, polyamide or derivatives of these polymers (such as poly (N-isopropylacrylamide) and poly (3,4-ethylenedioxythiophene)). In other words, the solid electrolyte precursor may be a monomer selected from dopamine, thiophene, pyrrole, aniline, ethyne, phenylacetylene, diacetylene, and / or a monomer having an amino group and a carboxylic acid or an acid chloride group.

In einem anderen Beispiel ist der Festelektrolyt-Precursor eine anorganische, ionenleitfähige Verbindung, die einen Festelektrolyt bildet, wenn sie Wärme ausgesetzt wird. Beispiele für den anorganischen Festelektrolyt, die aus der anorganischen Verbindung gebildet werden können, umfassen Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3, Li7Zr2R3O12, La0 . 5Li0 . 5TiO3, einen Thiolithium-Superionenleiter (thio-LISICON), einen Lithium-Superionenleiter (LISICON), Li3.25Ge0.25P0.75S4, eine Glaskeramik (Li7P3S11), ein glasartiges Material (z. B. Li2S-SiS2-Li3PO4), Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LIPON), Li-Aluminiumoxid, Li14Zn(GeO4)4 und Li2B4O7.In another example, the solid electrolyte precursor is an inorganic, ionically conductive compound that forms a solid electrolyte when exposed to heat. Examples of the inorganic solid electrolyte which can be formed from the inorganic compound include Li 1.3 Ti 1.7 Al 0.3 (PO 4 ) 3 , Li 7 Zr 2 R 3 O 12 , La 0 . 5 Li 0 . 5 TiO 3 , a thiolithium super ion conductor (thio-LISICON), a lithium super ion conductor (LISICON), Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , a glass ceramic (Li 7 P 3 S 11 ), a vitreous material (eg. Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 ), lithium phosphorous oxynitride (LIPON), Li alumina, Li 14 Zn (GeO 4 ) 4 and Li 2 B 4 O 7 .

Das Lösungsmittel der Lösung/Dispersion 17 kann Wasser, Alkohol oder ein Gemisch daraus sein.The solvent of the solution / dispersion 17 may be water, alcohol or a mixture thereof.

Es sei angemerkt, dass das Polymer oder die anorganische Membran 16 mit jeder Lösung/Dispersion 17 verwendet werden kann, die das Monomer oder die anorganische Verbindung umfasst. Allerdings können einige der anorganischen, ionenleitfähigen Verbindungen zur Verwendung mit der Polymermembran 16 infolge der Wärmebehandlung unerwünscht sein.It should be noted that the polymer or the inorganic membrane 16 with every solution / dispersion 17 can be used, which comprises the monomer or the inorganic compound. However, some of the inorganic ionically conductive compounds may be for use with the polymer membrane 16 be undesirable due to the heat treatment.

Wie in 1 illustriert, kann der Aussetzungsschritt bewerkstelligt werden, indem die poröse Membran 16 in der Lösung/Dispersion 17 eingetaucht wird. In anderen Beispielen kann der Aussetzungsschritt bewerkstelligt werden, indem die Lösung/Dispersion 17 auf der porösen Membran 16 abgeschieden wird. Die Abscheidung der Lösung/Dispersion 17 kann mithilfe einer Rotationsbeschichtungs- oder Aufdampftechnik wie z. B. chemischer Gasphasenabscheidung (CVD, vom engl. chemical vapor deposition), physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD, vom engl. physical vapor deposition), Atomlagenabscheidung (ALD, vom engl. atomic layer deposition), Bogenentladungs-Kathodenzerstäubungsbeschichtung oder Laserpulsabscheidung bewerkstelligt werden.As in 1 illustrated, the exposure step can be accomplished by placing the porous membrane 16 in the solution / dispersion 17 is immersed. In other examples, the exposure step can be accomplished by adding the solution / dispersion 17 on the porous membrane 16 is deposited. The separation of the solution / dispersion 17 can by using a spin coating or vapor deposition technique such. Chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), atomic layer deposition (ALD), arc-sputtering or laser pulse deposition.

In einem Beispiel des in 1 gezeigten Verfahrens umfasst die Lösung/Dispersion 17 das Monomer als den Festelektrolyt-Precursor. In diesem Beispiel erfährt das Monomer in der Lösung/Dispersion 17 eine in-situ-Oxidation (Bezugsziffer 1) und eine Polymerisation (Bezugsziffer 2), um einen Polymer-Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24' auf zumindest einem Teil der Oberfläche 19 der porösen Membran 16 und in den Poren 21 der porösen Membran 16 zu bilden. Die Oxidation (d. h. eine durch Sauerstoff initiierte Umgruppierung) und Polymerisation (d. h. eine durch Sauerstoff initiierte Polymerisation) können unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Oxidationsmittels wie z. B. Luft, Persulfatsalze etc. initiiert werden. In einem Beispiel finden die Oxidation 1 und die Polymerisation 2 unter Luft und bei Raumtemperatur (z. B. in einem Bereich von etwa 18°C bis etwa 30°C) statt. In einem anderen Beispiel finden die Oxidation 1 und die Polymerisation 2 unter Luft und bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 0°C bis etwa 100°C statt.In an example of the in 1 The method shown comprises the solution / dispersion 17 the monomer as the solid electrolyte precursor. In this example, the monomer in the solution undergoes / dispersion 17 an in situ oxidation (Ref 1 ) and a polymerization (Ref 2 ) to a polymer solid electrolyte coating precursor 24 ' on at least part of the surface 19 the porous membrane 16 and in the pores 21 the porous membrane 16 to build. Oxidation (ie, oxygen-initiated rearrangement) and polymerization (ie, oxygen-initiated polymerization) may be carried out using any suitable oxidizing agent, such as, e.g. As air, persulfate salts, etc. are initiated. In one example, find the oxidation 1 and the polymerization 2 under air and at room temperature (eg in a range from about 18 ° C to about 30 ° C). In another example, find the oxidation 1 and the polymerization 2 under air and at a temperature in a range of about 0 ° C to about 100 ° C.

Der Polymer-Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24' ist eine polymere Festelektrolytbeschichtung, die auf (einer) Oberfläche(n) 19 und/oder in (einer) Pore(n) 21 der Membran 16 gebildet wird. Es sei angemerkt, dass diese Beschichtung 24' hierin als Precursor bezeichnet wird, da sie weiter zur Reaktion oder Wechselwirkung gebracht wird, um die erwünschte Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 zu erzeugen.The polymer solid electrolyte coating precursor 24 ' is a polymeric solid electrolyte coating that is on (a) surface (s) 19 and / or in a pore (s) 21 the membrane 16 is formed. It should be noted that this coating 24 ' herein referred to as precursor, as it is further reacted or interacted to form the desired polymer solid electrolyte coating 24 to create.

In einem anderen Beispiel des in 1 gezeigten Verfahrens umfasst die Lösung/Dispersion 17 die anorganische Verbindung als den Festelektrolyt-Precursor. In diesem Beispiel wird die anorganische Verbindung in der Lösung/Dispersion 17 einer Wärmebehandlung (Bezugsziffer 3) ausgesetzt, um einen anorganischen Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24''' auf zumindest einem Teil der Oberfläche 19 der porösen Membran 16 und in den Poren 21 der porösen Membran 16 zu bilden. Eine Temperatur der Wärmebehandlung kann abhängig von der verwendeten anorganischen Verbindung variieren und kann in einem Bereich von etwa 50°C bis etwa 1500°C liegen.In another example of the in 1 The method shown comprises the solution / dispersion 17 the inorganic compound as the solid electrolyte precursor. In this example, the inorganic compound is in the solution / dispersion 17 a heat treatment (reference numeral 3 ) to form an inorganic solid electrolyte coating precursor 24 ' on at least part of the surface 19 the porous membrane 16 and in the pores 21 the porous membrane 16 to build. A temperature of the heat treatment may vary depending on the inorganic compound used, and may be in a range of about 50 ° C to about 1500 ° C.

Der anorganische Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24''' ist eine anorganische Festelektrolytbeschichtung, die auf (einer) Oberfläche(n) 19 und/oder in (einer) Pore(n) 21 der Membran 16 gebildet wird. Es sei angemerkt, dass diese Beschichtung 24''' hierin als Precursor bezeichnet wird, da sie weiter zur Reaktion oder Wechselwirkung gebracht wird, um die erwünschte anorganische Festelektrolytbeschichtung 24'' zu erzeugen.The inorganic solid electrolyte coating precursor 24 ' is an inorganic solid electrolyte coating that is on (a) surface (s) 19 and / or in a pore (s) 21 the membrane 16 is formed. It should be noted that this coating 24 ' herein referred to as precursor, as it is further reacted or interacted to produce the desired inorganic solid electrolyte coating 24 '' to create.

Bei der Bezugsziffer 4 in 1 wird der Polymer-Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24' oder der anorganische Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24''' mit Polysulfid-Anionen zur Reaktion oder Wechselwirkung gebracht, um ein Anion (z. B. Sauerstoff und/oder Schwefel-Anionen) anstelle einer anderen Gruppe auf den Polymerketten oder dem anorganischen Material einzuschleusen. Diese Reaktion oder Wechselwirkung bildet die Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 oder die anorganische Festelektrolytbeschichtung 24''. In einem Beispiel wird die Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 oder die anorganische Festelektrolytbeschichtung 24'' mit Lithium-Polysulfid zur Reaktion oder Wechselwirkung gebracht, was -OLi- und/oder -SLi-Pendant-Gruppen (wie in dem vergrößerten Abschnitt von 1 gezeigt) anstelle einer anderen Gruppe entlang der Polymerkette/n oder auf der anorganischen Verbindung bildet.At the reference number 4 in 1 becomes the polymer solid electrolyte coating precursor 24 ' or the inorganic solid electrolyte coating precursor 24 ' reacted or interacted with polysulfide anions to introduce an anion (eg, oxygen and / or sulfur anions) into the polymer chains or inorganic material instead of another group. This reaction or interaction forms the polymer solid electrolyte coating 24 or the inorganic solid electrolyte coating 24 '' , In one example, the polymer solid electrolyte coating becomes 24 or the inorganic solid electrolyte coating 24 '' reacted or interacted with lithium polysulfide, which is -OLi and / or -SLi pendant groups (as in the enlarged section of 1 shown) instead of another group along the polymer chain / s or on the inorganic compound.

Die Anionen, die auf die Polymerkette/n der Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 oder auf die anorganische Festelektrolytbeschichtung 24'' eingeschleust werden, ermöglichen es der flexiblen Membran 28, als Festelektrolyt zu fungieren. Im Spezielleren sind Lithium-Kationen in der Lage, sich entlang des/der Anions/en zu bewegen, welche/s eingeschleust wird/werden. Eine Anionensättigung der Polymerkette/n oder anorganischen Verbindung/en erzeugt eine elektrostatische Abstoßung zwischen der Beschichtung 24 oder 24'' und Polysulfiden von der Schwefel-Kathode. Man nimmt an, dass diese elektrostatische Abstoßung die Diffusion der Polysulfide über die flexible Membran 28 hinweg in Beispielen der Lithium-Schwefel-Batterie unterdrückt. Außerdem füllt die Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 oder die anorganische Festelektrolytbeschichtung 24'' die Poren der Membran 16 und macht die flexible Membran 28 im Wesentlichen unporös. Das Fehlen von Porosität in der resultierenden flexiblen Membran 28 verhindert physikalisch die Diffusion von Polysulfiden.The anions on the polymer chain (s) of the solid polymer electrolyte coating 24 or on the inorganic solid electrolyte coating 24 '' be introduced, allow the flexible membrane 28 to act as a solid electrolyte. More specifically, lithium cations are able to move along the anion (s) being introduced. An anionic saturation of the polymer chain (s) or inorganic compound (s) creates an electrostatic repulsion between the coating 24 or 24 '' and polysulfides from the sulfur cathode. It is believed that this electrostatic repulsion diffusion of polysulfides through the flexible membrane 28 suppressed in examples of the lithium-sulfur battery. In addition, the polymer solid electrolyte coating fills 24 or the inorganic solid electrolyte coating 24 '' the pores of the membrane 16 and makes the flexible membrane 28 essentially non-porous. The lack of porosity in the resulting flexible membrane 28 physically prevents the diffusion of polysulfides.

Die Dicke der Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 oder der anorganischen Festelektrolytbeschichtung 24'' kann durch Verändern der Konzentration des Monomers oder der anorganischen Verbindung in der Lösung/Dispersion 17 gesteuert werden. In einem Beispiel liegt die Dicke der Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 oder der anorganischen Festelektrolytbeschichtung 24'' in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 2 μm.The thickness of the polymer solid electrolyte coating 24 or the inorganic solid electrolyte coating 24 '' can be achieved by changing the concentration of the monomer or inorganic compound in the solution / dispersion 17 to be controlled. In one example, the thickness of the polymer solid electrolyte coating is 24 or the inorganic solid electrolyte coating 24 '' in a range of about 10 nm to about 2 μm.

Nunmehr Bezug nehmend auf 2 ist ein Beispiel des Verfahrens zum Bilden einer beschichteten Kathode schematisch dargestellt.Referring now to 2 An example of the method of forming a coated cathode is shown schematically.

Zu Beginn wird eine Kathode 14 ausgewählt. Wenn die Kathode 14 in einer Lithium-Schwefel-Batterie verwendet werden soll, kann die Kathode 14 aus jedem beliebigen aktiven Material auf Schwefelbasis gebildet sein, welches hinreichend ein Lithium-Legieren und -Ablegieren erfahren kann, wobei Aluminium oder ein anderer geeigneter Stromkollektor als der positive Pol der Lithium-Schwefel-Batterie fungiert. Beispiele für aktive Materialien auf Schwefelbasis umfassen S8, Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S3, Li2S2 und Li2S.At the beginning becomes a cathode 14 selected. If the cathode 14 to be used in a lithium-sulfur battery, the cathode can 14 may be formed of any sulfur-based active material which can sufficiently undergo lithium alloying and degassing, with aluminum or other suitable current collector functioning as the positive pole of the lithium-sulfur battery. Examples of active materials Sulfur base include S 8 , Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 , Li 2 S 3 , Li 2 S 2 and Li 2 S.

Die Kathode 14 kann auch ein Polymer-Bindermaterial und einen leitfähigen Füllstoff umfassen, um das aktive Material auf Schwefelbasis strukturell zusammenzuhalten. Der polymere Binder kann aus zumindest einem von Polyvinylidenfluorid (PVdF), einem Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethyl-Zellulose (CMC) oder Natriumalginat oder anderen wasserlöslichen Bindern hergestellt sein. Der Polymerbinder hält das aktive Material auf Schwefelbasis und den leitfähigen Füllstoff strukturell zusammen. Ein Beispiel für den leitfähigen Füllstoff ist ein Kohlenstoff mit einer großen Oberfläche wie z. B. Acetylenruß oder Aktivkohle. Der leitfähige Füllstoff stellt eine Elektronenleitung zwischen dem Stromkollektor auf der positiven Seite und dem aktiven Material auf Schwefelbasis sicher. In einem Beispiel können das positive aktive Elektrodenmaterial und der Polymerbinder mit Kohlenstoff eingekapselt sein.The cathode 14 may also comprise a polymeric binder material and a conductive filler to structurally hold together the sulfur-based active material. The polymeric binder may be made from at least one of polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, carboxymethyl cellulose (CMC), or sodium alginate or other water-soluble binders. The polymer binder structurally holds the sulfur-based active material and the conductive filler together. An example of the conductive filler is a carbon with a large surface area such. As acetylene black or activated carbon. The conductive filler ensures electron conduction between the positive side current collector and the sulfur based active material. In one example, the positive electrode active material and the polymeric binder may be carbon encapsulated.

Wenn die Kathode 14 in einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet werden soll, kann die Kathode 14 aus jedem beliebigen aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet sein, welches hinreichend ein Lithium-Einsetzen und -Herausnehmen erfahren kann, während Aluminium oder ein anderer geeigneter Stromkollektor als der positive Pol der Lithium-Ionen-Batterie fungiert. Eine allgemeine Klasse von bekannten aktiven Materialien auf Lithiumbasis für die Kathode 14 umfasst geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide. Einige spezifische Beispiele für aktive Materialien auf Lithiumbasis umfassen Spinell-Lithium-Manganoxid (LiMn2O4), Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2), einen Nickel-Manganoxid-Spinell [Li(Ni0.5Mni1.5)O2], ein geschichtetes Nickel-Mangan-Cobaltoxid [Li(NixMnyCo)O2 oder Li(NixMnyCoz)O4, oder ein Lithium-Eisen-Polyanionoxid wie z. B. Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) oder Lithium-Eisen-Fluorphosphat (Li2FePO4F). Es können auch andere aktive Materialien auf Lithiumbasis wie z. B. LiNixM1-xO2 (M ist aus einem beliebigen Verhältnis von Al, Co und/oder Mg zusammengesetzt), ein mit Aluminium stabilisierter Lithium-Manganoxid-Spinell (LixMn2-xAlyO4), Lithium-Vanadiumoxid (LiV2O5), Li2MSiO4 (M ist aus einem beliebigen Verhältnis von Co, Fe, und/oder Mn zusammengesetzt), xLi2MnO3-(1-x)LiMO2 (M ist aus einem beliebigen Verhältnis von NI, Mn und/oder Co zusammengesetzt) und jedes andere hocheffiziente Nickel-Mangan-Cobaltmaterial (HE-NMC, vom engl. high efficiency nickel-manganese-cobalt material) verwendet werden. Unter einem „beliebigen Verhältnis” ist zu verstehen, dass jedes Element in einer beliebigen Menge vorhanden sein kann. So könnte beispielsweise M Al mit oder ohne Co und/oder Mg oder eine beliebige andere Kombination der angeführten Elemente sein.If the cathode 14 to be used in a lithium-ion battery, the cathode can 14 may be formed of any lithium-based active material which can sufficiently undergo lithium insertion and recovery while aluminum or another suitable current collector functions as the positive pole of the lithium-ion battery. A general class of known lithium-based active materials for the cathode 14 includes layered lithium transition metal oxides. Some specific examples of lithium based active materials include spinel lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), a nickel manganese oxide spinel [Li (Ni 0.5 Mni 1.5 ) O 2 ], a layered nickel Manganese cobalt oxide [Li (Ni x Mn y Co) O 2 or Li (Ni x Mn y Co z ) O 4 , or a lithium iron polyanion oxide such as. As lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) or lithium iron fluorophosphate (Li 2 FePO 4 F). There may also be other lithium-based active materials such. LiNi x M 1-x O 2 (M is composed of any ratio of Al, Co and / or Mg), an aluminum-stabilized lithium manganese oxide spinel (Li x Mn 2-x Al y O 4 ), Lithium vanadium oxide (LiV 2 O 5 ), Li 2 MSiO 4 (M is composed of any ratio of Co, Fe, and / or Mn), xLi 2 MnO 3- (1-x) LiMO 2 (M is from a any ratio of NI, Mn and / or Co) and any other high-efficiency nickel-manganese cobalt material (HE-NMC, high efficiency nickel-manganese-cobalt material). By "any ratio" is meant that each element may be present in any amount. For example, M Al could be with or without Co and / or Mg, or any other combination of the listed elements.

Die Kathode 14 kann ein aktives Material auf Lithium-Übergangsmetalloxidbasis umfassen, das mit einem polymeren Binder vermengt und mit einem Kohlenstoff mit einer großen Oberfläche vermischt wird. Geeignete Binder umfassen Polyvinylidenfluorid (PVdF), einen Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk und/oder Carboxymethyl-Zellulose (CMC) oder Natriumalginat. Der polymere Binder hält die aktiven Materialien auf Lithiumbasis und den Kohlenstoff mit einer großen Oberfläche strukturell zusammen. Ein Beispiel für den Kohlenstoff mit einer großen Oberfläche ist Acetylenruß. Der Kohlenstoff mit einer großen Oberfläche stellt eine Elektronenleitung zwischen dem Stromkollektor 14a auf der positiven Seite und den Partikeln des aktiven Materials der Kathode 14 sicher.The cathode 14 may comprise a lithium transition metal oxide based active material which is blended with a polymeric binder and mixed with a high surface area carbon. Suitable binders include polyvinylidene fluoride (PVdF), an ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, and / or carboxymethyl cellulose (CMC) or sodium alginate. The polymeric binder structurally holds the lithium based active materials and the high surface area carbon. An example of the high surface area carbon is acetylene black. The carbon with a large surface provides an electron conduction between the current collector 14a on the positive side and particles of active material of the cathode 14 for sure.

Die ausgewählte Kathode 14 wird der Lösung/Dispersion 17 ausgesetzt, indem die Kathode 4 in der Lösung/Dispersion 17 eingetaucht wird oder indem die Lösung/Dispersion 17 auf einer Oberfläche der Kathode 14 abgeschieden wird. Ein Beispiel für eine geeignete Abscheidetechnik ist das Rotationsbeschichten. In diesem Beispiel der Lösung/Dispersion 17 können beliebige Beispiele des Monomers oder der anorganischen Verbindung und des Lösungsmittels verwendet werden.The selected cathode 14 becomes the solution / dispersion 17 exposed by the cathode 4 in the solution / dispersion 17 is immersed or by the solution / dispersion 17 on a surface of the cathode 14 is deposited. An example of a suitable deposition technique is spin coating. In this example of the solution / dispersion 17 For example, any examples of the monomer or the inorganic compound and the solvent may be used.

In einem Beispiel erfährt das Monomer in der Lösung/Dispersion 17, welches auf der Kathodenoberfläche abgeschieden wurde, dann eine in-situ-Oxidation (Bezugsziffer 1) und eine Polymerisation (Bezugsziffer 2), um den Polymer-Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24' auf der Oberfläche der Kathode 14 zu bilden. In einem anderen Beispiel wird die anorganische Verbindung in der Lösung/Dispersion 17, die auf der Kathodenoberfläche abgeschieden wurde, dann der Wärmebehandlung (Bezugsziffer 3) ausgesetzt und/oder unter Vakuum getrocknet, um den anorganischen Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24''' auf der Oberfläche der Kathode 14 zu bilden.In one example, the monomer undergoes solution / dispersion 17 which was deposited on the cathode surface, then an in situ oxidation (Ref 1 ) and a polymerization (Ref 2 ) to the polymer solid electrolyte coating precursor 24 ' on the surface of the cathode 14 to build. In another example, the inorganic compound is in the solution / dispersion 17 deposited on the cathode surface, then the heat treatment (Ref 3 ) and / or dried under vacuum to form the inorganic solid electrolyte coating precursor 24 ' on the surface of the cathode 14 to build.

Der Polymer-Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24' ist eine Polymerbeschichtung, die auf der Oberfläche der Kathode 14 gebildet ist. In ähnlicher Weise ist der anorganische Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24''' eine anorganische Festelektrolytbeschichtung, die auf der Oberfläche der Kathode 14 gebildet ist. Wie zuvor beschrieben, sollte verständlich sein, dass diese Beschichtungen 24', 24'' hierin als Precursor bezeichnet werden, da sie weiter zur Reaktion oder Wechselwirkung gebracht werden, um die erwünschte Polymerbeschichtung 24 oder die anorganische Beschichtung 24'' zu erzeugen. Bei der Bezugsziffer 4 in 2 wird der Polymer-Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24' oder der anorganische Festelektrolytbeschichtungs-Precursor 24''' mit Polysulfid-Anionen zur Reaktion oder Wechselwirkung gebracht, um Sauerstoff und/oder Schwefel und/oder einige andere Anionen in die Polymerketten oder das anorganische Material einzuschleusen. Diese Reaktion/Wechselwirkung bildet die Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 oder die anorganische Festelektrolytbeschichtung 24''. In einem Beispiel wird der Precursor 24' oder 24''' mit Lithium-Polysulfid zur Reaktion gebracht, das -OLi- und/oder -Sli-Pendant-Gruppen entlang der Polymerkette/n oder der anorganischen Verbindung/en bildet (wie in dem vergrößerten Abschnitt von 2 gezeigt).The polymer solid electrolyte coating precursor 24 ' is a polymer coating that is on the surface of the cathode 14 is formed. Similarly, the inorganic solid electrolyte coating precursor 24 ' an inorganic solid electrolyte coating disposed on the surface of the cathode 14 is formed. As previously described, it should be understood that these coatings 24 ' . 24 '' may be referred to herein as precursors as they are further reacted or interacted to form the desired polymer coating 24 or the inorganic coating 24 '' to create. At the reference number 4 in 2 becomes the polymer solid electrolyte coating precursor 24 ' or the inorganic solid electrolyte coating precursor 24 ' reacted with polysulfide anions or reacted to oxygen and / or To introduce sulfur and / or some other anions into the polymer chains or the inorganic material. This reaction / interaction forms the polymer solid electrolyte coating 24 or the inorganic solid electrolyte coating 24 '' , In one example, the precursor becomes 24 ' or 24 ' is reacted with lithium polysulfide which forms -OLi- and / or -Sli-pendant groups along the polymer chain (s) or the inorganic compound (s) (as in the enlarged section of 2 shown).

Die Anionen, die auf die Polymerkette/n der Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 oder auf die anorganische Festelektrolytbeschichtung 24'' eingeschleust werden, ermöglichen es der Polymerbeschichtung 24 als ein Festelektrolyt zu fungieren. Im Spezielleren sind Lithium-Kationen in der Lage, sich entlang der Anionen zu bewegen. Einen Anionensättigung der Polymerkette/n oder anorganischen Verbindung/en erzeugt eine elektrostatische Abstoßung zwischen der Beschichtung 24 oder 24'' und Polysulfiden von der Kathode 14, die Schwefel enthält. Man nimmt an, dass diese elektrostatische Abstoßung die Diffusion der Polysulfide über die flexible Beschichtung 24, 24'' hinweg in Beispielen der Lithium-Schwefel-Batterie unterdrückt.The anions on the polymer chain (s) of the solid polymer electrolyte coating 24 or on the inorganic solid electrolyte coating 24 '' be introduced, allow the polymer coating 24 to act as a solid electrolyte. More specifically, lithium cations are able to move along the anions. An anionic saturation of the polymer chain (s) or inorganic compound (s) produces electrostatic repulsion between the coating 24 or 24 '' and polysulfides from the cathode 14 containing sulfur. It is believed that this electrostatic repulsion diffusion of the polysulfides through the flexible coating 24 . 24 '' suppressed in examples of the lithium-sulfur battery.

Außerdem ist die Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 oder die anorganische Festelektrolytbeschichtung 24'' unporös. Das Fehlen von Porosität in der Beschichtung 24, 24'' verhindert physikalisch die Diffusion der Polysulfide (in einer Lithium-Schwefel-Batterie) oder Mn2+ (in einer Lithium-Ionen-Batterie). Dies schafft eine physikalische Diffusionssperre benachbart zu der Kathode 14.In addition, the polymer solid electrolyte coating 24 or the inorganic solid electrolyte coating 24 '' nonporous. The lack of porosity in the coating 24 . 24 '' physically prevents the diffusion of polysulfides (in a lithium-sulfur battery) or Mn 2+ (in a lithium-ion battery). This creates a physical diffusion barrier adjacent to the cathode 14 ,

In diesem Beispiel des Verfahrens kann die Dicke der Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 oder der anorganischen Festelektrolytbeschichtung 24'' gesteuert werden, wie zuvor beschrieben.In this example of the process, the thickness of the polymer solid electrolyte coating 24 or the inorganic solid electrolyte coating 24 '' be controlled as described above.

3 illustriert ein Beispiel der Chemie, die bei der Oxidation 1, der Polymerisation 2 und der Reaktion mit Polysulfid 4 stattfindet, wenn Dopamin als das Monomer verwendet wird. 3 illustrates an example of chemistry used in oxidation 1 , the polymerization 2 and the reaction with polysulfide 4 takes place when dopamine is used as the monomer.

Ein Beispiel einer sekundären Lithium-Schwefel-Batterie 10 ist in 4 schematisch gezeigt. Die Batterie 10 umfasst allgemein eine Anode 12, eine Kathode 14 und die flexible Membran 28. Die flexible Membran 28 umfasst eine poröse Membran 16 mit der Festelektrolytbeschichtung 24, die auf ihrer Oberfläche und/oder in ihren Poren gebildet ist. Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 umfasst auch einen unterbrechbaren äußeren Stromkreis 18, der die Anode 12 und die Kathode 14 verbindet. Jede von der Anode 12, der Kathode 14 und der flexiblen Membran 28 kann in einer Elektrolytlösung eingetaucht sein, die in der Lage ist, Lithium-Ionen zu leiten. Das Vorhandensein der Elektrolytlösung kann eine größere Kontaktfläche für den Lithium-Ionen-Transport bereitstellen und kann die Leitfähigkeit der Kathode 14 verbessern.An example of a secondary lithium-sulfur battery 10 is in 4 shown schematically. The battery 10 generally includes an anode 12 , a cathode 14 and the flexible membrane 28 , The flexible membrane 28 comprises a porous membrane 16 with the solid electrolyte coating 24 formed on its surface and / or in its pores. The lithium-sulfur battery 10 also includes an interruptible external circuit 18 , the anode 12 and the cathode 14 combines. Each from the anode 12 , the cathode 14 and the flexible membrane 28 may be immersed in an electrolyte solution capable of conducting lithium ions. The presence of the electrolyte solution can provide a larger contact area for lithium ion transport and can increase the conductivity of the cathode 14 improve.

Die flexible Membran 28, die sowohl als ein elektrischer Isolator als auch als eine mechanische Stütze dient, ist zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 eingebaut, um einen physikalischen Kontakt zwischen den zwei Elektroden 12, 14 und das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Außer dass die flexible Membran 28 (d. h. die Membran 16 und die Festelektrolytbeschichtung 24) eine physikalische Sperre zwischen den zwei Elektroden 12, 14 bereitstellt, stellt sie den Durchgang von Lithium-Ionen (mit Li+ bezeichnet) durch den Festelektrolyt hindurch sicher, die ihre Poren füllen. Wie oben erörtert, blockiert die flexible Membran 28 allerdings auch den Durchgang von Polysulfid-Ionen infolge des Vorhandenseins der Festelektrolytbeschichtung 24.The flexible membrane 28 which serves as both an electrical insulator and a mechanical support is between the anode 12 and the cathode 14 built-in to physical contact between the two electrodes 12 . 14 and to prevent the occurrence of a short circuit. Except that the flexible membrane 28 (ie the membrane 16 and the solid electrolyte coating 24 ) a physical barrier between the two electrodes 12 . 14 It ensures the passage of lithium ions (labeled Li + ) through the solid electrolyte that fill their pores. As discussed above, the flexible membrane blocks 28 but also the passage of polysulfide ions due to the presence of the solid electrolyte coating 24 ,

Ein Stromkollektor 12a auf der negativen Seite und ein Stromkollektor 14a auf der positiven Seite können in Kontakt mit der Anode 12 bzw. der Kathode 14 positioniert sein, um freie Elektronen von dem äußeren Stromkreis 18 zu sammeln und zu und von diesem zu bewegen. Der Stromkollektor 14a auf der positiven Seite kann aus Aluminium oder einem beliebigen anderen geeigneten, elektrisch leitfähigen Material gebildet sein, welches Fachleuten bekannt ist. Der Stromkollektor 12a auf der negativen Seite kann aus Kupfer oder einem beliebigen anderen geeigneten, elektrisch leitfähigen Material gebildet sein, welches Fachleuten bekannt ist.A current collector 12a on the negative side and a current collector 14a on the positive side can be in contact with the anode 12 or the cathode 14 be positioned to free electrons from the external circuit 18 to collect and move to and from this. The current collector 14a On the positive side may be formed of aluminum or any other suitable electrically conductive material known to those skilled in the art. The current collector 12a on the negative side may be formed of copper or any other suitable electrically conductive material known to those skilled in the art.

Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann eine Lastvorrichtung 22 tragen, die funktionell mit dem äußeren Stromkreis 18 verbunden sein kann. Die Lastvorrichtung 22 empfängt eine Zufuhr von elektrischer Energie von dem durch den äußeren Stromkreis 18 fließenden elektrischen Strom, wenn sich die Lithium-Schwefel-Batterie 10 entlädt. Während die Lastvorrichtung 22 aus beliebig vielen bekannten elektrisch betriebenen Vorrichtungen bestehen kann, umfassen einige wenige spezifische Beispiele einer stromverbrauchenden Lastvorrichtung einen Elektromotor für ein Hybrid-Fahrzeug oder ein reines Elektrofahrzeug, einen Laptop-Computer, ein Mobiltelefon und ein kabelloses elektrisches Werkzeug. Die Lastvorrichtung 22 kann jedoch auch eine stromerzeugende Apparatur sein, welche die Lithium-Schwefel-Batterie 10 zu Energiespeicherzwecken auflädt. Beispielsweise hat der Trend hin zu Windanlagen und Solarpaneelen zur variablen und/oder intermittierenden Erzeugung von Elektrizität oft die Notwendigkeit des Speicherns überschüssiger Energie zur späteren Nutzung zur Folge.The lithium-sulfur battery 10 can be a load device 22 wear, which is functional with the external circuit 18 can be connected. The load device 22 receives a supply of electrical energy from that through the external circuit 18 flowing electric current when the lithium-sulfur battery 10 discharges. While the load device 22 may consist of any number of known electrically powered devices include a few specific examples of a power consuming load device, an electric motor for a hybrid vehicle or a pure electric vehicle, a laptop computer, a mobile phone and a wireless electric tool. The load device 22 However, it can also be a power-generating apparatus, which is the lithium-sulfur battery 10 for energy storage purposes. For example, the trend towards wind turbines and solar panels for variable and / or intermittent generation of electricity often results in the need to store excess energy for later use.

Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann vielerlei andere Komponenten umfassen, die, wenngleich sie hier nicht gezeigt sind, Fachleuten dennoch bekannt sind. Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann z. B. ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlüsse, Kontaktfahnen und beliebige andere wünschenswerte Komponenten oder Materialien umfassen, die sich zu leistungsbezogenen oder anderen praktischen Zwecken zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 oder um diese herum befinden können. Außerdem können die Größe und Form der Lithium-Schwefel-Batterie 10 wie auch die Bauform und der chemische Aufbau ihrer Hauptkomponenten abhängig von der speziellen Anwendung, für die sie konzipiert ist, variieren. Batteriebetriebene Automobile und tragbare Verbraucherelektronikvorrichtungen sind z. B. zwei Fälle, wo die Lithium-Schwefel-Batterie 10 höchstwahrscheinlich für unterschiedliche Größen-, Kapazitäts- und Leistungsausgangs-Spezifikationen konzipiert würden. Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann auch in Serie und/oder parallel mit anderen ähnlichen Lithium-Schwefel-Batterien 10 verbunden sein, um einen höheren Spannungsausgang und Strom (wenn sie parallel angeordnet sind) oder Spannung (wenn sie in Serie angeordnet sind) zu produzieren, wenn die Lastvorrichtung 22 dies erfordert.The lithium-sulfur battery 10 can include many other components, though they are not shown here but are known to professionals. The lithium-sulfur battery 10 can z. For example, a housing, seals, terminals, tabs, and any other desirable components or materials may be used between the anode for performance or other practical purposes 12 and the cathode 14 or can be around them. Also, the size and shape of the lithium-sulfur battery 10 as well as the design and chemical makeup of its main components vary depending on the particular application for which it is designed. Battery-powered automobiles and portable consumer electronics devices are e.g. For example, two cases where the lithium-sulfur battery 10 most likely would be designed for different size, capacity and power output specifications. The lithium-sulfur battery 10 Can also be used in series and / or in parallel with other similar lithium-sulfur batteries 10 be connected to produce a higher voltage output and current (if they are arranged in parallel) or voltage (if they are arranged in series) when the load device 22 this requires.

Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann während einer Batterieentladung einen nutzbringenden elektrischen Strom erzeugen (durch die Bezugsziffer 11 in 4 gezeigt). Während einer Entladung umfassen die chemischen Prozesse in der Batterie 10 eine Lithium (Li+)-Lösung von der Oberfläche der Anode 12 und einen Einbau der Lithium-Kationen in Alkalimetall-Polysulfidsalze (d. h. Li2Sn) in der Kathode 14. Polysulfide werden als solche auf der Oberfläche der Kathode 14 der Reihe nach gebildet (Schwefel wird reduziert), während die Batterie 10 entlädt. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der Kathode 14 und der Anode 12 (die abhängig von dem genauen chemischen Aufbau der Elektroden 12, 14 in einem Bereich von ca. 1,5 bis 3,0 Volt liegt) treibt Elektronen, die durch die Lösung von Lithium an der Anode 12 produziert werden, durch den äußeren Stromkreis 18 hindurch in Richtung der Kathode 14. Der resultierende elektrische Strom, der durch den äußeren Stromkreis 18 hindurch fließt, kann nutzbar gemacht werden und durch die Lastvorrichtung 22 hindurch geleitet werden, bis das Lithium in der Anode 12 aufgebraucht ist und die Kapazität der Lithium-Schwefel-Batterie 10 vermindert ist.The lithium-sulfur battery 10 may generate a beneficial electrical current during a battery discharge (indicated by the reference numeral 11 in 4 shown). During a discharge, the chemical processes in the battery include 10 a lithium (Li + ) solution from the surface of the anode 12 and incorporation of the lithium cations in alkali metal polysulfide salts (ie Li 2 S n ) in the cathode 14 , Polysulfides are as such on the surface of the cathode 14 formed in turn (sulfur is reduced) while the battery 10 discharges. The chemical potential difference between the cathode 14 and the anode 12 (which depends on the exact chemical structure of the electrodes 12 . 14 in a range of about 1.5 to 3.0 volts) drives electrons, which by the solution of lithium at the anode 12 produced by the external circuit 18 through in the direction of the cathode 14 , The resulting electric current passing through the external circuit 18 flows through, can be harnessed and through the load device 22 be passed through until the lithium in the anode 12 is used up and the capacity of the lithium-sulfur battery 10 is reduced.

Die Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann jederzeit geladen oder wieder mit Energie versorgt werden, indem eine externe Leistungsquelle auf die Lithium-Schwefel-Batterie 10 angewendet wird, um die elektrochemischen Reaktionen, die während einer Batterieentladung stattfinden, umzukehren. Während des Ladens (bei der Bezugsziffer 13 in 4 gezeigt) findet eine Lithium-Metallisierung zu der Anode 12 statt und es findet eine Schwefelbildung an der Kathode 14 statt. Die Verbindung einer externen Leistungsquelle mit der Lithium-Schwefel-Batterie 10 zwingt die andernfalls nicht-spontane Oxidation von Lithium-Polysulfid an der Kathode 14 dazu, Elektronen zu produzieren und Lithium-Ionen abzugeben. Die Elektronen, die zurück in Richtung der Anode 12 durch den äußeren Stromkreis 18 hindurch fließen, und die Lithium-Ionen (Li+), die von der Festelektrolytbeschichtung 24 über die flexible Membran 28 hinweg zurück in Richtung der Anode 12 getragen werden, vereinigen sich wieder an der Anode 12 und füllen sie mit Lithium zum Verbrauch während des nächsten Batterieentladezyklus auf. Die externe Leistungsquelle, die verwendet werden kann, um die Lithium-Schwefel-Batterie 10 zu laden, kann abhängig von der Größe, dem Aufbau und dem speziellen Endverbrauch der Lithium-Schwefel-Batterie 10 variieren. Einige geeignete externe Leistungsquellen umfassen ein in eine Wechselstrom-Wandsteckdose eingestecktes Batterieladegerät und einen Kraftfahrzeug-Drehstromgenerator.The lithium-sulfur battery 10 Can be charged or recharged at any time by adding an external power source to the lithium-sulfur battery 10 is applied to reverse the electrochemical reactions that take place during a battery discharge. During loading (at the reference number 13 in 4 shown) finds a lithium metallization to the anode 12 instead and it finds a sulfur formation at the cathode 14 instead of. The connection of an external power source to the lithium-sulfur battery 10 otherwise forces the non-spontaneous oxidation of lithium polysulfide at the cathode 14 to produce electrons and release lithium ions. The electrons go back towards the anode 12 through the outer circuit 18 through, and the lithium ions (Li + ) coming from the solid electrolyte coating 24 over the flexible membrane 28 back to the anode 12 be worn, reunite at the anode 12 and fill with lithium for consumption during the next battery discharge cycle. The external power source that can be used to power the lithium-sulfur battery 10 Depending on the size, design and specific end use of the lithium-sulfur battery, it can be charged 10 vary. Some suitable external power sources include a battery charger plugged into an AC wall outlet and an automotive alternator.

Die Anode 12 kann ein beliebiges Lithium-Wirtsmaterial umfassen, welches in hinreichender Weise eine Lithium-Metallisierung und -Abreicherung erfahren kann, während Kupfer oder ein anderes geeignetes Stromkollektormaterial als der negative Pol der Lithium-Schwefel-Batterie 10 fungiert. Die negative Elektrode 12 kann auch ein Polymer-Bindermaterial umfassen, um das Lithium-Wirtsmaterial strukturell zusammenzuhalten. Die negative Elektrode 12 kann z. B. aus einem aktiven Material gebildet sein, das aus Graphit oder einem amorphen Kohlenstoff mit einer kleinen Oberfläche gebildet ist, und mit einem Binder vermengt ist, der aus Polyvinylidenfluorid (PVdF), einem Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethyl-Zellulose (CMC) hergestellt ist. Diese Materialien können mit einem Kohlenstoff mit einer großen Oberfläche wie z. B. Acetylenruß gemischt werden, um eine Elektronenleitung zwischen dem Stromkollektor 12a und den Partikeln des aktiven Materials der Anode 12 sicherzustellen. Graphit wird häufig verwendet, um die negative Elektrode zu bilden, da es reversible Lithium-Interkalations- und -Deinterkalationseigenschaften zeigt, relativ unreaktiv ist und Lithium in Mengen speichern kann, die eine relativ hohe Energiedichte produzieren. Handelsformen von Graphit, die verwendet werden können, um die Anode 12 herzustellen, sind von z. B. Timcal Graphite & Carbon (Bodio, Schweiz), Lonza Group (Basel, Schweiz) oder Superior Graphite (Chicago, IL) erhältlich. Es können auch andere Materialien verwendet werden, um die negative Elektrode zu bilden, unter anderen z. B. Lithium-Titanat. Wie zuvor erwähnt, kann der Stromkollektor 12 auf der negativen Seite aus Kupfer oder einem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Material, welches Fachleuten bekannt ist, gebildet sein.The anode 12 may include any lithium host material that can adequately undergo lithium metallization and depletion, while copper or other suitable current collector material may be the negative pole of the lithium-sulfur battery 10 acts. The negative electrode 12 may also include a polymeric binder material to structurally hold the lithium host material together. The negative electrode 12 can z. Example, be formed of an active material which is formed of graphite or an amorphous carbon with a small surface, and is mixed with a binder consisting of polyvinylidene fluoride (PVdF), an ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber or carboxymethyl cellulose (CMC). These materials can be coated with a carbon having a large surface area such as. As acetylene black are mixed to an electron line between the current collector 12a and the particles of active material of the anode 12 sure. Graphite is often used to form the negative electrode because it exhibits reversible lithium intercalation and deintercalation properties, is relatively unreactive, and can store lithium in amounts that produce a relatively high energy density. Commercial forms of graphite that can be used to make the anode 12 are produced by z. Timcal Graphite & Carbon (Bodio, Switzerland), Lonza Group (Basel, Switzerland) or Superior Graphite (Chicago, IL). Other materials may be used to form the negative electrode, including but not limited to, e.g. For example, lithium titanate. As mentioned previously, the current collector 12 on the negative side of copper or any other suitable electrically conductive material known to those skilled in the art.

Die Kathode 14 der Lithium-Schwefel-Batterie 10 kann aus jedem beliebigen aktiven Material auf Schwefelbasis gebildet sein, welches hinreichend ein Lithium-Legieren und -Ablegieren erfahren kann, während Aluminium oder ein anderer geeigneter Stromkollektor als der positive Pol der Lithium-Schwefel-Batterie 10 fungiert. Wie zuvor in Bezug auf 2 beschrieben, umfassen Beispiele für aktive Materialien auf Schwefelbasis S8, Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S2 und Li2S. Außerdem kann jeder von dem/den zuvor beschriebenem/n Binder/n und/oder leitfähigem/n Material/ien verwendet werden, und/oder die Kathode 14 kann mit Kohlenstoff eingekapselt sein.The cathode 14 the lithium-sulfur battery 10 can be from any active Sulfur-based material which can sufficiently undergo lithium alloying and degassing while aluminum or another suitable current collector is the positive pole of the lithium-sulfur battery 10 acts. As before regarding 2 Examples of sulfur-based active materials include S 8 , Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 and Li 2 S. In addition, any of the binder (s) described above may be used and / or conductive material (s), and / or the cathode 14 may be encapsulated with carbon.

Es kann jede geeignete Elektrolytlösung in der Lithium-Schwefel-Batterie 10 verwendet werden, die in der Lage ist, Lithium-Ionen zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 zu leiten. Die Elektrolytlösung umfasst ein Lösungsmittel auf Etherbasis und ein Lithiumsalz, das in dem Lösungsmittel auf Etherbasis gelöst ist. Beispiele für das Lösungsmittel auf Etherbasis umfassen zyklische Ether wie z. B. 1,3-Dioxolan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und Kettenstruktur-Ether wie z. B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetraethylenglykol-Dimethylether (TEGDME), Polyethylenglykol-Dimethylether (PEGDME) und Mischungen daraus. Beispiele für das Lithiumsalz umfassen LiClO4, LiAlCl4, Lil, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(FSO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiB(C2O4)2 (LiBOB), LiBF2(C2O4) (LiODFB), LiPF4(C2O4) (LiFOP), LiNO3, LiPF6, LITFSI und Mischungen daraus. In einem Beispiel kann die Elektrolytlösung ein Elektrolyt auf Etherbasis sein, der mit Lithiumnitrit (z. B., LiTFSI und LiNO3 in 1,3-Dioxolan und 1,2-Dimethoxyethan) stabilisiert ist.It can be any suitable electrolyte solution in the lithium-sulfur battery 10 used, which is capable of lithium ions between the anode 12 and the cathode 14 to lead. The electrolytic solution comprises an ether-based solvent and a lithium salt dissolved in the ether-based solvent. Examples of the ether-based solvent include cyclic ethers such as e.g. As 1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and chain structure ethers such. For example, 1,2-dimethoxyethane, 1-2-diethoxyethane, ethoxymethoxyethane, tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), polyethylene glycol dimethyl ether (PEGDME) and mixtures thereof. Examples of the lithium salt include LiClO 4, LiAlCl 4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF 4, LiB (C 6 H 5) 4, LiAsF 6, LiCF 3 SO 3, LiN (FSO 2) 2, LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiB (C 2 O 4 ) 2 (LiBOB), LiBF 2 (C 2 O 4 ) (LiODFB), LiPF 4 (C 2 O 4 ) (LiFOP), LiNO 3 , LiPF 6 , LITFSI and mixtures thereof. In one example, the electrolyte solution may be an ether-based electrolyte stabilized with lithium nitrite (e.g., LiTFSI and LiNO 3 in 1,3-dioxolane and 1,2-dimethoxyethane).

Ein Beispiel einer sekundären Lithium-Ionen-Batterie 10' ist in 5 schematisch gezeigt. Die Batterie 10' umfasst allgemein eine Anode 12, eine Kathode 14 und die flexible Membran 28, die zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 positioniert ist, wie in 1 gezeigt. Es sei angemerkt, dass die flexible Membran 28 die poröse Membran 16 mit der Polymerbeschichtung 24 umfasst, die in den Poren und/oder auf zumindest einem Abschnitt der Oberfläche der Membran 16 gebildet ist. Die Lithium-Ionen-Batterie 10' umfasst auch einen unterbrechbaren äußeren Stromkreis 18, der die Anode 12 und die Kathode 14 verbindet.An example of a secondary lithium-ion battery 10 ' is in 5 shown schematically. The battery 10 ' generally includes an anode 12 , a cathode 14 and the flexible membrane 28 between the anode 12 and the cathode 14 is positioned as in 1 shown. It should be noted that the flexible membrane 28 the porous membrane 16 with the polymer coating 24 comprising in the pores and / or on at least a portion of the surface of the membrane 16 is formed. The lithium-ion battery 10 ' also includes an interruptible external circuit 18 , the anode 12 and the cathode 14 combines.

Jede von der Anode 12, der Kathode 14 und der flexiblen Membran 28 kann in einer Elektrolytlösung eingetaucht sein, die in der Lage ist, Lithium-Ionen zu leiten. Das Vorhandensein der Elektrolytlösung kann eine größere Kontaktfläche für den Lithium-Ionen-Transport bereitstellen und kann die Leitfähigkeit der Kathode 14 verbessern.Each from the anode 12 , the cathode 14 and the flexible membrane 28 may be immersed in an electrolyte solution capable of conducting lithium ions. The presence of the electrolyte solution can provide a larger contact area for lithium ion transport and can increase the conductivity of the cathode 14 improve.

Die flexible Membran 28 fungiert als ein Festelektrolyt, der in der Lage ist, Lithium-Ionen, wie zuvor hierin beschrieben, zu leiten. Die flexible Membran 28 kann mithilfe des in Bezug auf 1 gezeigten und beschriebenen Verfahrens gebildet werden. In einem Beispiel kann die Membran 16 eine Polypropylenmembran (CELGARD 2400 oder 2500 von Celgard, LLC) sein, und die Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 kann ein Polydopamin mit (einem) Pendant-Sauerstoffanion(en) und Schwefelanion(en) sein. Während die Polymermembran 16 und -Beschichtung 24 in 5 gezeigt sind, sei angemerkt, dass die flexible Membran 28 auch die Polymermembran 16, die mit der anorganischen Festelektrolytbeschichtung 24'' beschichtet ist, oder die anorganische Membran 16 umfassen könnte, die mit entweder der Polymer-Festelektrolytbeschichtung 24 oder der anorganischen Festelektrolytbeschichtung 24'' beschichtet ist.The flexible membrane 28 Acts as a solid electrolyte capable of conducting lithium ions as previously described herein. The flexible membrane 28 can help with respect to 1 formed and described method are formed. In one example, the membrane 16 a polypropylene membrane (CELGARD 2400 or 2500 from Celgard, LLC), and the polymer solid electrolyte coating 24 may be a polydopamine with pendant oxygen anion (s) and sulfur anion (s). While the polymer membrane 16 and coating 24 in 5 It should be noted that the flexible membrane 28 also the polymer membrane 16 that with the inorganic solid electrolyte coating 24 '' coated, or the inorganic membrane 16 comprising either the polymer solid electrolyte coating 24 or the inorganic solid electrolyte coating 24 '' is coated.

Die flexible Membran 28 dient sowohl als ein elektrischer Isolator als auch als eine mechanische Stütze und ist zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 eingebaut, um einen physikalischen Kontakt zwischen den zwei Elektroden 12, 14 und das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Wenn die Polymerbeschichtung 24 auf einer Oberfläche und in den Poren der Membran 16 gebildet ist, kann sie so positioniert sein, dass der Großteil der Beschichtung 24 an der Oberfläche zu der Kathode 14 weist. Außer dass die flexible Membran 28 (d. h. die Membran 16 und die Polymere-Festelektrolytbeschichtung 24) eine physikalische Sperre zwischen den zwei Elektroden 12, 14 bereitstellt, stellt sie den Durchgang von Lithium-Ionen (durch die schwarzen Punkte und durch die offenen Kreise mit einer a (+)-Ladung in 5 gekennzeichnet) durch den Festelektrolyt 24 hindurch sicher, welche die Poren der Membran 16 füllen. In diesem Beispiel blockiert die flexible Membran 28 auch den Durchgang von Mangan-Kationen infolge des Vorhandenseins der Polymerbeschichtung 24.The flexible membrane 28 serves both as an electrical insulator and as a mechanical support and is between the anode 12 and the cathode 14 built-in to physical contact between the two electrodes 12 . 14 and to prevent the occurrence of a short circuit. If the polymer coating 24 on a surface and in the pores of the membrane 16 is formed, it can be positioned so that the bulk of the coating 24 at the surface to the cathode 14 has. Except that the flexible membrane 28 (ie the membrane 16 and the polymer solid electrolyte coating 24 ) a physical barrier between the two electrodes 12 . 14 It provides the passage of lithium ions (through the black dots and through the open circles with an a (+) charge) 5 characterized) by the solid electrolyte 24 sure what the pores of the membrane 16 to fill. In this example, the flexible membrane blocks 28 also the passage of manganese cations due to the presence of the polymer coating 24 ,

Ein Stromkollektor 12a auf der negativen Seite und ein Stromkollektor 14a auf der positiven Seite 14a können in Kontakt mit der Anode 12 bzw. der Kathode 14 positioniert sein, um freie Elektronen von dem äußeren Stromkreis 18 zu sammeln und zu und von diesem zu bewegen. Es sei angemerkt, dass der Stromkollektor 12a auf der negativen Seite und der Stromkollektor 14a auf der positiven Seite, die hierin für die Lithium-Schwefel-Batterie 10 beschrieben sind, auch in der Lithium-Ionen-Batterie 10' verwendet werden können.A current collector 12a on the negative side and a current collector 14a on the positive side 14a can be in contact with the anode 12 or the cathode 14 be positioned to free electrons from the external circuit 18 to collect and move to and from this. It should be noted that the current collector 12a on the negative side and the current collector 14a on the plus side, that for the lithium-sulfur battery 10 are described, even in the lithium-ion battery 10 ' can be used.

Die Lithium-Ionen-Batterie 10' kann eine Lastvorrichtung 22 tragen, die funktionell mit dem äußeren Stromkreis 18 verbunden sein kann, welcher die Anode 12 und die Kathode 14 verbindet. Die Lastvorrichtung 22 empfängt eine Zufuhr von elektrischer Energie von dem durch den äußeren Stromkreis 18 fließenden elektrischen Strom, wenn sich die Lithium-Ionen-Batterie 10' entlädt. Während die Lastvorrichtung 22 aus beliebig vielen bekannten elektrisch betriebenen Vorrichtungen bestehen kann, umfassen einige wenige spezifische Beispiele einer stromverbrauchenden Lastvorrichtung einen Elektromotor für ein Hybrid-Fahrzeug oder ein reines Elektrofahrzeug, einen Laptop-Computer, ein Mobiltelefon und ein kabelloses elektrisches Werkzeug. Die Lastvorrichtung 22 kann jedoch auch eine stromerzeugende Apparatur sein, welche die Lithium-Ionen-Batterie 10' zu Energiespeicherzwecken auflädt. Beispielsweise hat der Trend hin zu Windanlagen und Solarpaneelen zur variablen und/oder intermittierenden Erzeugung von Elektrizität oft die Notwendigkeit des Speicherns überschüssiger Energie zur späteren Nutzung zur Folge.The lithium-ion battery 10 ' can be a load device 22 wear, which is functional with the external circuit 18 may be connected, which is the anode 12 and the cathode 14 combines. The load device 22 receives a supply of electrical energy from that through the external circuit 18 flowing electric current when the lithium-ion battery 10 ' discharges. While the load device 22 may consist of any number of known electrically powered devices include a few specific examples of a power consuming load device, an electric motor for a hybrid vehicle or a pure electric vehicle, a laptop computer, a mobile phone and a wireless electric tool. The load device 22 However, it can also be a power-generating apparatus which the lithium-ion battery 10 ' for energy storage purposes. For example, the trend towards wind turbines and solar panels for variable and / or intermittent generation of electricity often results in the need to store excess energy for later use.

Die Lithium-Ionen-Batterie 10' kann vielerlei andere Komponenten umfassen, die, wenngleich sie hier nicht gezeigt sind, Fachleuten dennoch bekannt sind. Die Lithium-Ionen-Batterie 10' kann z. B. ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlüsse, Kontaktfahnen und beliebige andere wünschenswerte Komponenten oder Materialien umfassen, die sich zu leistungsbezogenen oder anderen praktischen Zwecken zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 oder um diese herum befinden können. Außerdem können die Größe und Form der Lithium-Ionen-Batterie 10' wie auch die Bauform und der chemische Aufbau ihrer Hauptkomponenten abhängig von der speziellen Anwendung, für die sie konzipiert ist, variieren. Batteriebetriebene Automobile und tragbare Verbraucherelektronikvorrichtungen sind z. B. zwei Fälle, wo die Lithium-Schwefel-Batterie 10' höchstwahrscheinlich für unterschiedliche Größen-, Kapazitäts- und Leistungsausgangs-Spezifikationen konzipiert würde. Die Lithium-Ionen-Batterie 10' kann auch in Serie und/oder parallel mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Batterien 10' verbunden sein, um einen höheren Spannungsausgang und Strom (wenn sie parallel angeordnet sind) oder Spannung (wenn sie in Serie angeordnet sind) zu produzieren, wenn die Lastvorrichtung 22 dies erfordert.The lithium-ion battery 10 ' may include many other components which, although not shown, are nevertheless known to those skilled in the art. The lithium-ion battery 10 ' can z. For example, a housing, seals, terminals, tabs, and any other desirable components or materials may be used between the anode for performance or other practical purposes 12 and the cathode 14 or can be around them. Also, the size and shape of the lithium-ion battery 10 ' as well as the design and chemical makeup of its main components vary depending on the particular application for which it is designed. Battery-powered automobiles and portable consumer electronics devices are e.g. For example, two cases where the lithium-sulfur battery 10 ' most likely would be designed for different size, capacity and power output specifications. The lithium-ion battery 10 ' Can also be used in series and / or in parallel with other similar lithium-ion batteries 10 ' be connected to produce a higher voltage output and current (if they are arranged in parallel) or voltage (if they are arranged in series) when the load device 22 this requires.

Die Lithium-Ionen-Batterie 10' arbeitet allgemein, indem sie Lithium-Ionen reversibel zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 durchführt. In dem vollständig geladenen Zustand befindet sich die Spannung der Batterie 10' bei einem Maximum (in der Regel in dem Bereich von 2,0 V bis 5,0 V); während sich in dem vollständig entladenen Zustand die Spannung der Batterie 10' bei einem Minimum (in der Regel in dem Bereich von 0 V bis 2,0 V) befindet. In erster Linie ändern sich die Fermi-Energieniveaus der aktiven Materialien in der Anode 12 und der Kathode 14 während eines Batteriebetriebes, und dies gilt auch für die Differenz zwischen den beiden, die als die Batteriespannung bekannt ist. Die Batteriespannung nimmt während einer Entladung ab, wobei die Fermi-Niveaus näher aneinander kommen. Während des Ladens findet der umgekehrte Prozess statt, wobei die Batteriespannung zunimmt und die Fermi-Niveaus auseinandergetrieben werden. Während einer Batterieentladung ermöglicht die externe Lastvorrichtung 22 einen elektrischen Stromfluss in dem äußeren Stromkreis 18 mit einer Richtung, sodass die Differenz zwischen den Fermi-Niveaus (und dementsprechend die Zellenspannung) abnimmt. Die Umkehr findet während des Batterieladens statt: Das Batterieladegerät zwingt einen elektrischen Stromfluss in dem äußeren Stromkreis 18 mit einer Richtung, sodass die Differenz zwischen den Fermi-Niveaus (und dementsprechend die Zellenspannung) zunimmt.The lithium-ion battery 10 ' works generally by making lithium-ion reversible between the anode 12 and the cathode 14 performs. In the fully charged state is the voltage of the battery 10 ' at a maximum (typically in the range of 2.0V to 5.0V); while in the fully discharged state, the voltage of the battery 10 ' at a minimum (usually in the range of 0V to 2.0V). First and foremost, the Fermi energy levels of the active materials in the anode change 12 and the cathode 14 during a battery operation, and so does the difference between the two, which is known as the battery voltage. The battery voltage decreases during a discharge, with the Fermi levels coming closer to each other. During charging, the reverse process takes place, increasing the battery voltage and driving the Fermi levels apart. During a battery discharge, the external load device allows 22 an electrical current flow in the outer circuit 18 with one direction, so that the difference between the Fermi levels (and accordingly the cell voltage) decreases. The reversal occurs during battery charging: The battery charger forces an electric current flow in the external circuit 18 with one direction, so that the difference between the Fermi levels (and accordingly the cell voltage) increases.

Zu Beginn einer Entladung enthält die Anode 12 der Lithium-Ionen-Batterie 10' eine hohe Konzentration an interkaliertem Lithium, während die Kathode 14 relativ aufgebraucht ist. Wenn die Anode 12 eine hinreichend höhere relative Menge an interkaliertem Lithium enthält, kann die Lithium-Ionen-Batterie 10' einen nutzbringenden elektrischen Strom mithilfe reversibler elektrochemischer Reaktionen erzeugen, die stattfinden, wenn der äußere Stromkreis 18 geschlossen wird, um die Anode 12 und die Kathode 14 zu verbinden. Das Herstellen des geschlossenen äußeren Stromkreises unter solchen Umständen bewirkt das Entziehen von interkaliertem Lithium aus der Anode 12. Die entzogenen Lithiumatome werden in Lithium-Ionen (durch die schwarzen Punkte und durch die offenen Kreise mit einer a (+)-Ladung gekennzeichnet) und Elektronen (e–) getrennt, wenn sie einen interkalationswirt an der negativen Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche verlassen.At the beginning of a discharge contains the anode 12 the lithium-ion battery 10 ' a high concentration of intercalated lithium, while the cathode 14 is relatively used up. If the anode 12 contains a sufficiently higher relative amount of intercalated lithium, the lithium-ion battery 10 ' generate a beneficial electric current by means of reversible electrochemical reactions that take place when the external circuit 18 closed to the anode 12 and the cathode 14 connect to. Making the closed outer circuit under such circumstances causes the removal of intercalated lithium from the anode 12 , The deprived lithium atoms are separated into lithium ions (indicated by the black dots and open circles with an a (+) charge) and electrons (e - ) when they leave an intercalation host at the negative electrode / electrolyte interface.

Die chemische Potentialdifferenz zwischen der Kathode 14 und der Anode 12 (die abhängig von dem genauen chemischen Aufbau der Elektroden 14, 12 in einem Bereich von ca. 2,0 V bis etwa 5,0 V liegt) treibt die Elektronen (e–), die durch die Oxidation von interkaliertem Lithium an der Anode 12 produziert werden, durch den äußeren Stromkreis 18 hindurch in Richtung der Kathode 14. Die Lithium-Ionen werden von der Elektrolytlösung durch die flexible Membran 28 hindurch in Richtung der Kathode 14 transportiert. Die Elektronen (e–), die durch den äußeren Stromkreis 18 hindurch fließen, und die Lithium-Ionen, die über die flexible Membran 28 in der Elektrolytlösung hinweg wandern, gleichen sich allmählich ab und bilden interkaliertes Lithium an der Kathode 14. Der elektrische Strom, der durch den äußeren Stromkreis 18 hindurch fließt, kann nutzbar gemacht werden und durch die Lastvorrichtung 22 hindurch geleitet werden, bis das Niveau an interkaliertem Lithium in der Anode 12 unter ein betriebsfähiges Niveau fällt oder der Bedarf an elektrischer Energie endet.The chemical potential difference between the cathode 14 and the anode 12 (which depends on the exact chemical structure of the electrodes 14 . 12 is in the range of about 2.0V to about 5.0V) drives the electrons (e - ) generated by the oxidation of intercalated lithium at the anode 12 produced by the external circuit 18 through in the direction of the cathode 14 , The lithium ions are transferred from the electrolyte solution through the flexible membrane 28 through in the direction of the cathode 14 transported. The electrons (e-) passing through the outer circuit 18 through, and the lithium ions flowing through the flexible membrane 28 migrate in the electrolyte solution, gradually settle and form intercalated lithium at the cathode 14 , The electric current passing through the external circuit 18 flows through, can be harnessed and through the load device 22 be passed through until the level of intercalated lithium in the anode 12 falls below an operational level or the demand for electrical energy ends.

Die Lithium-Ionen-Batterie 10' kann jederzeit nach einer partiellen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität geladen oder wieder mit Energie versorgt werden, indem eine externe Leistungsquelle auf die Lithium-Ionen-Batterie 10' angewendet wird, um die elektrochemischen Reaktionen, die während einer Batterieentladung stattfinden, umzukehren. Die Verbindung einer externen Leistungsquelle mit der Lithium-Ionen-Batterie 10' zwingt die andernfalls nicht-spontane Oxidation von Lithium-Übergangsmetalloxid oder -Phosphat an der Kathode 14 dazu, Elektronen zu produzieren und Lithium-Ionen abzugeben. Die Elektronen, die zurück in Richtung der Anode 12 durch den äußeren Stromkreis 18 hindurch fließen, und die Lithium-Ionen, die von dem Festelektrolyt über die flexible Membran 28 hinweg zurück in Richtung der Anode 12 getragen werden, vereinigen sich wieder an der Anode 12 und füllen sie wieder mit interkaliertem Lithium zum Verbrauch während des nächsten Batterieentladezyklus auf.The lithium-ion battery 10 ' can be charged at any time after a partial or complete discharge of its available capacity or again with Energy is supplied by an external power source to the lithium-ion battery 10 ' is applied to reverse the electrochemical reactions that take place during a battery discharge. The connection of an external power source to the lithium-ion battery 10 ' otherwise forces the non-spontaneous oxidation of lithium transition metal oxide or phosphate at the cathode 14 to produce electrons and release lithium ions. The electrons go back towards the anode 12 through the outer circuit 18 through, and the lithium ions flowing from the solid electrolyte across the flexible membrane 28 back to the anode 12 be worn, reunite at the anode 12 and refill with intercalated lithium for use during the next battery discharge cycle.

Die externe Leistungsquelle, die verwendet werden kann, um die Lithium-Ionen-Batterie 10' zu laden, kann abhängig von der Größe, dem Aufbau und dem speziellen Endverbrauch der Lithium-Ionen-Batterie 10' variieren. Einige geeignete externe Leistungsquellen umfassen ein in eine Wechselstrom-Wandsteckdose eingestecktes Batterieladegerät und einen Kraftfahrzeug-Drehstromgenerator.The external power source that can be used to charge the lithium-ion battery 10 ' Depending on the size, structure and special end use of the lithium-ion battery 10 ' vary. Some suitable external power sources include a battery charger plugged into an AC wall outlet and an automotive alternator.

Die Anode 12 für die Lithium-Ionen-Batterie 10' kann ein beliebiges Lithium-Wirtsmaterial umfassen, welches in hinreichender Weise eine Lithium-Interkalation und -Deinterkalation erfahren kann, während sie als der negative Pol der Lithium-Ionen-Batterie 10' fungiert. Die Anode 12 kann auch ein Polymer-Bindermaterial umfassen, um das Lithium-Wirtsmaterial strukturell zusammenzuhalten. Die Anode 12 kann z. B. aus einem aktiven Material gebildet sein, das aus Graphit oder einem amorphen Kohlenstoff mit einer kleinen Oberfläche gebildet ist, und mit einem Binder vermengt ist, der aus Polyvinylidenfluorid (PVdF), einem Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethyl-Zellulose (CMC) hergestellt ist. Diese Materialien können mit einem Kohlenstoff mit einer großen Oberfläche wie z. B. Acetylenruß gemischt werden, um eine Elektronenleitung zwischen dem Stromkollektor 12a und den Partikeln des aktiven Materials der Anode 12 sicherzustellen. Graphit wird häufig verwendet, um die negative Elektrode zu bilden, da es vorteilhafte Lithium-Interkalations- und -Deinterkalationseigenschaften zeigt, relativ unreaktiv ist und Lithium in Mengen speichern kann, die eine relativ hohe Energiedichte produzieren. Handelsformen von Graphit, die verwendet werden können, um die Anode 12 herzustellen, sind von z. B. Timcal Graphite & Carbon (Bodio, Schweiz), Lonza Group (Basel, Schweiz) oder Superior Graphite (Chicago, IL) erhältlich. Es können auch andere Materialien verwendet werden, um die negative Elektrode zu bilden, unter anderen z. B. Lithium-Titanat.The anode 12 for the lithium-ion battery 10 ' may include any lithium host material that can adequately undergo lithium intercalation and deintercalation while serving as the negative pole of the lithium ion battery 10 ' acts. The anode 12 may also include a polymeric binder material to structurally hold the lithium host material together. The anode 12 can z. Example, be formed of an active material which is formed of graphite or an amorphous carbon with a small surface, and is mixed with a binder consisting of polyvinylidene fluoride (PVdF), an ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber or carboxymethyl cellulose (CMC). These materials can be coated with a carbon having a large surface area such as. As acetylene black are mixed to an electron line between the current collector 12a and the particles of active material of the anode 12 sure. Graphite is often used to form the negative electrode because it exhibits beneficial lithium intercalation and deintercalation properties, is relatively unreactive, and can store lithium in amounts that produce a relatively high energy density. Commercial forms of graphite that can be used to make the anode 12 are produced by z. Timcal Graphite & Carbon (Bodio, Switzerland), Lonza Group (Basel, Switzerland) or Superior Graphite (Chicago, IL). Other materials may be used to form the negative electrode, including but not limited to, e.g. For example, lithium titanate.

In der Lithium-Ionen-Batterie 10' kann die Kathode 14 z. B. jedes beliebige Lithium-Wirtsmaterial, welches in hinreichender Weise eine Lithium-Interkalation und -Deinterkalation erfahren kann, ein Bindermaterial und einen leitfähigen Füllstoff umfassen, wie zuvor in Bezug auf 2 beschrieben.In the lithium-ion battery 10 ' can the cathode 14 z. For example, any lithium host material that can adequately undergo lithium intercalation and deintercalation, a binder material, and a conductive filler, as described above with respect to 2 described.

In der Lithium-Ionen-Batterie 10' kann jede beliebige geeignete Elektrolytlösung verwendet werden, welche die Leitfähigkeit erhöhen und die Kathode 14 befeuchten kann. In einem Beispiel kann die Elektrolytlösung eine nicht-wässrige, flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz enthält, das in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln gelöst ist. Fachleuten sind die vielen nicht-wässrigen, flüssigen Elektrolytlösungen bekannt, die in der Lithium-Ionen-Batterie 10 verwendet werden können, und ist auch bekannt, wie diese herzustellen oder im Handel zu erwerben sind. Beispiele für Lithiumsalze, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst werden können, um die nicht wässrige, flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfassen LiClO4, LiAlCl4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4, LiCF3SO3, LiN(FSO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiAsF6, LiPF6, LITFSI, LiB(C2O4)2 (LiBOB), LiBF2(C2O4) (LiODFB), LiPF4(C2O4) (LiFOP), LiNO3 und Mischungen daraus. Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in vielerlei organischen Lösungsmitteln wie z. B. zyklischen Carbonaten (Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat, Fluorethylen), linearen Carbonaten (Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat), aliphatischen Carboxylestern (Methylformat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactonen (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturethern (1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetraglyme), zyklischen Ethern (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan) und Mischungen daraus gelöst sein.In the lithium-ion battery 10 ' Any suitable electrolyte solution that increases conductivity and cathode can be used 14 can moisten. In an example, the electrolytic solution may be a nonaqueous liquid electrolyte solution containing a lithium salt dissolved in an organic solvent or a mixture of organic solvents. Those skilled in the art are familiar with the many non-aqueous, liquid electrolyte solutions found in the lithium-ion battery 10 can be used, and is also known how to make or commercially obtain. Examples of lithium salts that can be dissolved in an organic solvent to form the non-aqueous liquid electrolyte solution include LiClO 4 , LiAlCl 4 , LiI, LiBr, LiSCN, LiBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (FSO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LITFSI, LiB (C 2 O 4 ) 2 (LiBOB), LiBF 2 (C 2 O 4 ) (LiODFB) , LiPF 4 (C 2 O 4 ) (LiFOP), LiNO 3 and mixtures thereof. These and other similar lithium salts can be used in many organic solvents such. Cyclic carbonates (ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, fluoroethylene), linear carbonates (dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate), aliphatic carboxyl esters (methyl formate, methyl acetate, methyl propionate), γ-lactones (γ-butyrolactone, γ-valerolactone), chain structure ethers (1 , 2-dimethoxyethane, 1-2-diethoxyethane, ethoxymethoxyethane, tetraglyme), cyclic ethers (tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane), and mixtures thereof.

Es sei angemerkt, dass in jedem der hierin offenbarten Beispiele ein flüssiger Elektrolyt mit der Festelektrolytbeschichtung 24, 24'' eingebaut werden kann, um einen besseren Lithium-Transport zwischen der Kathode 14 und der flexiblen Membran 28 und zwischen der flexiblen Membran 28 und der Anode 12 vorzusehen. Der flüssige Elektrolyt kann für die Art von Batterie (d. h. Lithium-Schwefel oder Lithium-Ionen) gewählt werden.It should be noted that in each of the examples disclosed herein, a liquid electrolyte with the solid electrolyte coating 24 . 24 '' can be incorporated to provide better lithium transport between the cathode 14 and the flexible membrane 28 and between the flexible membrane 28 and the anode 12 provided. The liquid electrolyte may be selected for the type of battery (ie, lithium-sulfur or lithium-ion).

Es sei ferner angemerkt, dass die in 2 gezeigte beschichtete Elektrode auch in Beispielen der Lithium-Schwefel-Batterie 10 oder der Lithium-Ionen-Batterie 10' verwendet werden kann. Diese Beispiele umfassen allgemein die Anode 12 und die Kathode 14, die mit der Festelektrolytbeschichtung 24 oder 24'' beschichtet ist (wie in 2 gezeigt). Dieses Beispiel der Batterie 10 oder 10' kann auch den flüssigen Elektrolyt und einen herkömmlichen Separator oder eine flexible Membran umfassen. Es sei angemerkt, dass die Festelektrolytbeschichtung 24 oder 24'' auf der Kathode 14 die Kathode 14 von dem flüssigen Elektrolyt und der Anode 12 trennt und als der Elektrolyt für den Lithium-Ionen-Transport wie auch als eine Schutzschicht für die Batterie fungiert. Dieses Beispiel der Batterie umfasst auch einen unterbrechbaren äußeren Stromkreis 18, der die Anode 12 und die Kathode 14 und jede der anderen, hierin zuvor beschriebenen Komponenten verbindet.It should also be noted that the in 2 The coated electrode shown also in examples of the lithium-sulfur battery 10 or the lithium-ion battery 10 ' can be used. These examples generally include the anode 12 and the cathode 14 that with the solid electrolyte coating 24 or 24 '' coated (as in 2 shown). This example of the battery 10 or 10 ' may also comprise the liquid electrolyte and a conventional separator or a flexible membrane. It was noted that the solid electrolyte coating 24 or 24 '' on the cathode 14 the cathode 14 from the liquid electrolyte and the anode 12 separates and functions as the electrolyte for lithium-ion transport as well as a protective layer for the battery. This example of the battery also includes an interruptible external circuit 18 , the anode 12 and the cathode 14 and each of the other components described hereinbefore.

Um die vorliegende Offenbarung weiter zu illustrieren, werden hierin Beispiele gezeigt. Es sei angemerkt, dass diese Beispiele zu Illustrationszwecken vorgesehen sind und nicht als den Schutzumfang des/der offenbarten Beispiele/s einschränkend auszulegen sind.To further illustrate the present disclosure, examples are shown herein. It should be noted that these examples are intended for purposes of illustration and are not to be construed as limiting the scope of the disclosed example (s).

BEISPIELEXAMPLE

Es wurde eine flexible Membran gemäß einem Beispiel des hierin offenbarten Verfahrens gebildet. Ein CELGARD-Separator (2325) wurde in einer Lösung aus Dopamin (50 mg bis 200 mg) und Wasser (100 ml) eingetaucht. Es wurden eine Oxidation und eine Polymerisation durchgeführt, um einen Polymer-Festelektrolytbeschichtungs-Precursor innerhalb der Poren und auf der Oberfläche des CELGARD-Separators zu erzeugen. Der Polymer-Festelektrolytbeschichtungs-Precursor wurde mit Lithium-Polysulfid zur Reaktion gebracht. Diese flexible Membran war das Beispiel 1.A flexible membrane was formed according to an example of the method disclosed herein. A CELGARD separator (2325) was immersed in a solution of dopamine (50 mg to 200 mg) and water (100 ml). Oxidation and polymerization were performed to produce a polymer solid electrolyte coating precursor within the pores and on the surface of the CELGARD separator. The polymer solid electrolyte coating precursor was reacted with lithium polysulfide. This flexible membrane was Example 1.

Es wurde auch eine flexible Vergleichsmembran verwendet. Ein CELGARD-Separator ohne jede Beschichtung war das Beispiel 2.A flexible comparative membrane was also used. A CELGARD separator without any coating was Example 2.

Der Separator und der Vergleichsseparator (Beispiele 1 und 2) wurden zu jeweiligen Knopfzellen (d. h. Halbzellen) zusammengesetzt. Die Knopfzellen waren aus einer Lithium-Metall-Anode, der flexiblen Beispiel- oder Vergleichsbeispiel-Membran und einer Schwefelkathode (d. h. 65% Schwefel, 25% Kohlenstoff und 10% Natriumalginat) auf einem Aluminium-Stromkollektor zusammengesetzt. Die Knopfzellen wurden in einer mit Argon gefüllten Glove-Box zusammengesetzt. Der Elektrolyt war eine 1,0 M LiTFSI (Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid)-Lösung in Dimethoxyethan/dioxolan (DOL/DME). Es wurden galvanostatische Lade- und Entladezyklustests bei 25°C zwischen 3,0 und 1,5 V durchgeführt, und beide Beispiele wurden bei einer C-Rate von 0.2 C getestet.The separator and the comparative separator (Examples 1 and 2) were assembled into respective button cells (i.e., half cells). The button cells were composed of a lithium metal anode, the flexible sample or comparative membrane, and a sulfur cathode (i.e., 65% sulfur, 25% carbon and 10% sodium alginate) on an aluminum current collector. The button cells were assembled in an argon-filled glove box. The electrolyte was a 1.0 M LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) solution in dimethoxyethane / dioxolane (DOL / DME). Galvanostatic charge and discharge cycling tests were performed at 25 ° C between 3.0 and 1.5V, and both examples were tested at a C rate of 0.2C.

6 illustriert die Lade (T)- und die Entlade (↓)-Kurven für das Beispiel (1) und das Vergleichsbeispiel (2). Die Y-Achse (mit „Y” gekennzeichnet) ist die Kapazität (mAh/g) und die X-Achse (mit „#” bezeichnet) ist die Anzahl der Zyklen. Wie illustriert, zeiget der Separator mit der Polymerbeschichtung (1) die beste Lade- und Entladekapazität (Y in 6, mAh/g) mit der längsten Zyklusdauer (# in 6). Man nimmt an, dass die Polymerbeschichtung das Polysulfid-Pendeln verringert, die Schwefelausnutzung erhöht und die Lebensdauer und die Kapazität der Batterie verbessert. 6 illustrates the charge (T) and discharge (↓) curves for Example (1) and Comparative Example (2). The Y-axis (marked "Y") is the capacity (mAh / g) and the X-axis (labeled "#") is the number of cycles. As illustrated, the separator having the polymer coating (1) exhibits the best charge and discharge capacity (Y in FIG 6 , mAh / g) with the longest cycle duration (# in 6 ). It is believed that the polymer coating reduces polysulfide hunting, increases sulfur utilization, and improves battery life and capacity.

7 illustriert die Coulombsche Effizienz der Beispiele 1 und 2. Die Y-Achse (mit „%” bezeichnet) ist die Coulombsche Effizienz und die X-Achse (mit „#” bezeichnet) ist die Anzahl der Zyklen. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass der Separator mit der Polymerbeschichtung (1) eine verbesserte Zykluseffizienz zeigt. 7 illustrates the Coulomb efficiency of Examples 1 and 2. The Y axis (denoted by "%") is the Coulomb efficiency, and the X axis (denoted by "#") is the number of cycles. These results indicate that the separator having the polymer coating (1) exhibits improved cycle efficiency.

Das Vergleichsbeispiel, Beispiel 2, wies im Vergleich zu Beispiel 1 eine verminderte Coulombsche Effizienz auf und wies auch eine reduzierte Lebensdauer auf.The Comparative Example, Example 2, exhibited a reduced Coulombic efficiency as compared to Example 1 and also exhibited a reduced life.

Es sei angemerkt, dass die hierin vorgesehenen Bereiche den angegebenen Bereich und jeden Wert oder Unterbereich innerhalb des angegebenen Bereiches umfassen. Zum Beispiel ist ein Bereich von etwa 18°C Hz bis etwa 30°C so zu verstehen, dass er nicht nur die explizit angeführten Grenzen von etwa 18°C bis etwa 30°C umfasst, sondern auch einzelne Werte wie z. B. 19°C, 22°C, 27,75°C etc. und Unterbereiche wie z. B. von etwa 18,5°C bis etwa 29,5°C, von etwa 20°C bis etwa 28°C. etc. umfasst. Wenn ferner „etwa” verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, so bedeutet dies, dass geringfügige Abweichungen (bis zu +/–5%) von dem angegebenen Wert eingeschlossen sind.It should be noted that the ranges provided herein include the specified range and any value or subrange within the specified range. For example, a range of about 18 ° C Hz to about 30 ° C is to be understood not only to include the explicitly stated limits of about 18 ° C to about 30 ° C, but also individual values such. As 19 ° C, 22 ° C, 27.75 ° C, etc. and sub-areas such. From about 18.5 ° C to about 29.5 ° C, from about 20 ° C to about 28 ° C. etc. includes. Further, using "about" to describe a value implies that minor deviations (up to +/- 5%) are included from the declared value.

Die Bezugnahme auf „ein Beispiel”, „ein anderes Beispiel”, „irgendein Beispiel” und so weiter in dieser Patentbeschreibung bedeutet durchweg, dass ein spezielles Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Eigenschaft), das in Verbindung mit dem Beispiel beschrieben ist, in zumindest einem hierin beschriebenen Beispiel enthalten ist und in anderen Beispielen vorhanden sein kann oder nicht. Außerdem sei angemerkt, dass die beschriebenen Elemente für jedes beliebige Beispiel in beliebiger geeigneter Art und Weise in den verschiedenen Beispielen kombiniert sein können, sofern der Kontext nicht eindeutig anderes bestimmt.The reference to "an example", "another example", "any example" and so forth in this specification generally means that a particular element (e.g., feature, structure, and / or property) associated with the invention Example, is included in at least one example described herein and may or may not be present in other examples. In addition, it should be noted that the described elements for any given example may be combined in any suitable manner in the various examples, unless the context clearly dictates otherwise.

Bei der Beschreibung und Beanspruchung der hierin offenbarten Beispiele umfassen die Singularformen „ein/e/s” und „der/die/das” die Mehrzahlformen, es sei denn, der Kontext bringt deutlich etwas anderes zum Ausdruck.In describing and claiming the examples disclosed herein, the singular forms "a / s" and "the" include plural forms unless the context clearly expresses otherwise.

Während verschiedene Beispiele im Detail beschrieben wurden, wird es für Fachleute offensichtlich sein, dass die offenbarten Beispiele abgewandelt werden können. Aus diesem Grund ist die vorstehende Beschreibung als nicht einschränkend zu betrachten.While various examples have been described in detail, it will be apparent to those skilled in the art that the disclosed examples may be modified. For this reason, the foregoing description is not intended to be limiting.

Claims (10)

Flexible Membran, welche umfasst: eine poröse Membran; und eine Festelektrolytbeschichtung, welche auf zumindest einem Abschnitt einer Oberfläche der porösen Membran in Poren der porösen Membran oder sowohl auf der Oberfläche als auch in den Poren gebildet ist, wobei die Festelektrolytbeschichtung i) eine Polymerkette oder ii) ein anorganisches, ionenleitfähiges Material umfasst und die Polymerkette oder das anorganische, ionenleitfähige Material eine Gruppe umfasst, um mit einer Polysulfidgruppe über kovalentes Binden oder supramolekulare Wechselwirkung in Wechselwirkung zu treten oder zu reagieren; wobei die poröse Membran aus der Gruppe gewählt ist, die aus einer porösen Polymermembran und einer porösen anorganischen Membran besteht.Flexible membrane comprising: a porous membrane; and a solid electrolyte coating formed on at least a portion of a surface of the porous membrane in pores of the porous membrane or both on the surface and in the pores, wherein the solid electrolyte coating comprises i) a polymer chain or ii) an inorganic ion conductive material and the polymer chain or the inorganic ionic conductive material comprises a group to interact or react with a polysulfide group via covalent bonding or supramolecular interaction; wherein the porous membrane is selected from the group consisting of a porous polymer membrane and a porous inorganic membrane. Flexible Membran nach Anspruch 1, wobei: die poröse Polymermembran eine unbehandelte poröse Polypropylenmembran, eine unbehandelte poröse Polyethylenmembran, eine oberflächenbehandelte poröse Polypropylenmembran oder eine oberflächenbehandelte poröse Polyethylenmembran ist; oder die poröse anorganische Membran aus der Gruppe gewählt ist, die aus einer porösen Keramikmembran, einer porösen Oxidmembran, einer porösen Nitridmembran, einer porösen Silikatmembran und einer porösen Carbidmembran besteht.A flexible membrane according to claim 1, wherein: the porous polymer membrane is an untreated porous polypropylene membrane, an untreated porous polyethylene membrane, a surface-treated porous polypropylene membrane or a surface-treated porous polyethylene membrane; or the porous inorganic membrane is selected from the group consisting of a porous ceramic membrane, a porous oxide membrane, a porous nitride membrane, a porous silicate membrane and a porous carbide membrane. Flexible Membran nach Anspruch 1, wobei: die Festelektrolytbeschichtung die Polymerkette umfasst, und wobei die Polymerkette Ketten von Polydopamin, Polythiophen, Polypyrrol, Polyanilin, Polyacetylen, Polyphenylacetylen, Polydiacetylen, Polyamid oder Derivative davon umfasst; oder die Festelektrolytbeschichtung das anorganische, ionenleitfähige Material umfasst, und wobei das anorganische, ionenleitfähige Material aus der Gruppe gewählt ist, die aus Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3, Li7Zr2R3O12, La0.5Li0.5TiO3, einem Thiolithium-Superionenleiter (thio-LISICON), einem Lithium-Superionenleiter (LISICON), Li3.25Ge0.25P0.75S4, Li7P3S11, Li2S-SiS2-Li3PO4, Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LIPON), Li-Aluminiumoxid, Li14Zn(GeO4)4 und Li2B4O7 besteht.The flexible membrane of claim 1, wherein: the solid electrolyte coating comprises the polymer chain, and wherein the polymer chain comprises chains of polydopamine, polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacetylene, polyphenylacetylene, polydiacetylene, polyamide or derivatives thereof; or the solid electrolyte coating comprises the inorganic ion conductive material, and wherein the inorganic ion conductive material is selected from the group consisting of Li 1.3 Ti 1.7 Al 0.3 (PO 4 ) 3 , Li 7 Zr 2 R 3 O 12 , La 0.5 Li 0.5 TiO 3 , a thiolithium super ion conductor (thio-LISICON), a lithium super ion conductor (LISICON), Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 7 P 3 S 11 , Li 2 S-SiS 2 -L 3 PO 4 , lithium Phosphorous oxynitride (LIPON), Li alumina, Li 14 Zn (GeO 4 ) 4 and Li 2 B 4 O 7 . Flexible Membran nach Anspruch 1, wobei, nachdem die Festelektrolytbeschichtung mit dem Polysulfid in Wechselwirkung tritt oder reagiert, die Festelektrolytbeschichtung ein Anion anstelle der Gruppe umfasst, wobei das Anion dazu dient, eine Diffusion von Lithium-Kationen zu ermöglichen, und wobei die Festelektrolytbeschichtung dazu dient, eine Diffusion von Polysulfid-Anionen zu unterdrücken.The flexible membrane of claim 1, wherein after the solid electrolyte coating interacts or reacts with the polysulfide, the solid electrolyte coating comprises an anion in place of the group, the anion serving to facilitate diffusion of lithium cations, and wherein the solid electrolyte coating serves to suppress diffusion of polysulfide anions. Flexible Membran nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Festelektrolytbeschichtung in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 2 μm liegt.The flexible membrane of claim 1, wherein the thickness of the solid electrolyte coating is in a range of about 10 nm to about 2 μm. Elektrode, umfassend: eine positive Elektrode mit einem aktiven Material, welches aus einem aktiven Material auf Schwefelbasis für eine Lithium-Schwefel-Batterie und einem aktiven Material auf Lithium-Übergangsmetalloxidbasis für eine Lithium-Ionen-Batterie gewählt ist; und eine Festelektrolytbeschichtung, welche auf einer Oberfläche positiven Elektrode gebildet ist, wobei die Festelektrolytbeschichtung i) eine Polymerkette oder ii) ein anorganisches, ionenleitfähiges Material umfasst, die Polymerkette oder das anorganische Material eine Gruppe umfasst, um mit einem Polysulfid über kovalentes Binden oder supramolekulare Wechselwirkung in Wechselwirkung zu treten oder zu reagieren; wobei das aktive Material auf Schwefelbasis aus der Gruppe gewählt ist, die aus S8, Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S2 und Li2S besteht; und wobei das aktive Material auf Lithium-Übergangsmetalloxidbasis aus der Gruppe gewählt ist, die aus LiMn2O4, Li(Ni0.5Mn1.5)O2, Li(NixMnyCoz)O4, LiCoO2, LiNiO2, LiFePO4, Li2MSiO4 (M = Co, Fe, Mn), xLi2MnO3-(1 – x)LiMO2 (M ist aus einem beliebigen Verhältnis von Ni, Mn und Co zusammengesetzt), und einem hocheffizienten Nickel-Mangan-Cobaltmaterial besteht.An electrode comprising: a positive electrode having an active material selected from a sulfur-based active material for a lithium-sulfur battery and a lithium transition-metal oxide-based active material for a lithium ion battery; and a solid electrolyte coating formed on a positive electrode surface, wherein the solid electrolyte coating comprises i) a polymer chain or ii) an inorganic ion conductive material, the polymer chain or the inorganic material comprises a group to interact with a polysulfide via covalent bonding or supramolecular interaction to interact or react; wherein the sulfur-based active material is selected from the group consisting of S 8 , Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 and Li 2 S; and wherein the lithium transition metal oxide based active material is selected from the group consisting of LiMn 2 O 4 , Li (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 2 , Li (Ni x Mn y Co z ) O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiFePO 4 , Li 2 MSiO 4 (M = Co, Fe, Mn), xLi 2 MnO 3 - (1 - x) LiMO 2 (M is composed of any ratio of Ni, Mn and Co), and a highly efficient nickel Manganese cobalt material exists. Elektrode Anspruch 6, wobei: die Festelektrolytbeschichtung die Polymerkette umfasst, und wobei die Polymerkette Ketten von Polydopamin, Polythiophen, Polypyrrol, Polyanilin, Polyacetylen, Polyphenylacetylen, Polydiacetylen, Polyamid oder Derivative davon umfasst; oder die Festelektrolytbeschichtung das anorganische, ionenleitfähige Material umfasst, und wobei das anorganische, ionenleitfähige Material aus der Gruppe gewählt ist, die aus Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3, Li7Zr2R3O12, La0.5Li0.5TiO3, einem Thiolithium-Superionenleiter (thio-LISICON), einem Lithium-Superionenleiter (LISICON), Li3.25Ge0.25P0.75S4, Li7P3S11, Li2S-SiS2-Li3PO4, Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LIPON), Li-Aluminiumoxid, Li14Zn(GeO4)4 und Li2B4O7 besteht; wobei, nachdem die Festelektrolytbeschichtung mit dem Polysulfid in Wechselwirkung tritt oder reagiert, die Festelektrolytbeschichtung ein Anion anstelle der Gruppe umfasst, wobei das Anion dazu dient, eine Diffusion von Lithium-Kationen zu ermöglichen, und wobei die Festelektrolytbeschichtung dazu dient, eine Diffusion von Polysulfid-Anionen oder anderen Kationen zu unterdrücken.The electrode of Claim 6, wherein: the solid electrolyte coating comprises the polymer chain, and wherein the polymer chain comprises chains of polydopamine, polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacetylene, polyphenylacetylene, polydiacetylene, polyamide or derivatives thereof; or the solid electrolyte coating comprises the inorganic ion conductive material, and wherein the inorganic ion conductive material is selected from the group consisting of Li 1.3 Ti 1.7 Al 0.3 (PO 4 ) 3 , Li 7 Zr 2 R 3 O 12 , La 0.5 Li 0.5 TiO 3 , a thiolithium super ion conductor (thio-LISICON), a lithium super ion conductor (LISICON), Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 7 P 3 S 11 , Li 2 S-SiS 2 -L 3 PO 4 , lithium Phosphorous oxynitride (LIPON), Li alumina, Li 14 Zn (GeO 4 ) 4 and Li 2 B 4 O 7 ; wherein, after the solid electrolyte coating interacts or reacts with the polysulfide, the solid electrolyte coating comprises an anion in place of the group, the anion serving to facilitate diffusion of lithium cations, and wherein the solid electrolyte coating serves to facilitate diffusion of polysulfide Suppress anions or other cations. Verfahren zum Beschichten einer Lithiumbatteriekomponente, wobei das Verfahren umfasst, dass: die Lithiumbatteriekomponente vorgesehen wird, wobei die Lithiumbatteriekomponente aus der Gruppe gewählt ist, die aus einer porösen Membran, einer positiven Elektrode auf Schwefelbasis und einer positiven Elektrode auf Lithium-Übergangsmetalloxidbasis besteht; die Lithiumbatteriekomponente einem Lösungsmittel ausgesetzt wird, welches einen Festelektrolyt-Precursor umfasst; der Festelektrolyt-Precursor einem Behandlungsprozess ausgesetzt wird, der eine Festelektrolytbeschichtung auf der Lithiumbatteriekomponente bildet; und die Festelektrolytbeschichtung mit Polysulfid-Anionen zur Reaktion oder in Wechselwirkung gebracht wird, um ein Anion in eine Gruppe i) einer Polymerkette oder ii) eines anorganischen, ionenleitfähigen Materials der Festelektrolytbeschichtung einzuschleusen; wobei das Aussetzen der Lithiumbatteriekomponente dem Lösungsmittel mit dem Festelektrolyt-Precursor umfasst, dass die Lithiumbatteriekomponente in dem Lösungsmittel mit dem Festelektrolyt-Precursor eingetaucht wird oder das Lösungsmittel mit dem Festelektrolyt-Precursor auf einer Oberfläche der Lithiumbatteriekomponente abgeschieden wird; wobei der Precusor des Festelektrolyt-Precursors aus einer monomeren oder einer anorganischen Verbindung gewählt wird; und wobei: der Festelektrolyt-Precursor das Monomer ist, und wobei der Behandlungsprozess eine Polymerisation ist; oder der Festelektrolyt-Precursor die anorganische Verbindung ist, und wobei der Behandlungsprozess Wärme umfasst.A method of coating a lithium battery component, the method comprising: providing the lithium battery component, wherein the lithium battery component is selected from the group which is composed of a porous membrane, a sulfur-based positive electrode and a lithium transition metal oxide-based positive electrode; exposing the lithium battery component to a solvent comprising a solid electrolyte precursor; subjecting the solid electrolyte precursor to a treatment process that forms a solid electrolyte coating on the lithium battery component; and reacting or interacting the solid electrolyte coating with polysulfide anions to introduce an anion into a group i) of a polymer chain or ii) an inorganic ion conductive material of the solid electrolyte coating; wherein exposing the lithium battery component to the solvent with the solid electrolyte precursor comprises immersing the lithium battery component in the solvent with the solid electrolyte precursor, or depositing the solvent with the solid electrolyte precursor on a surface of the lithium battery component; wherein the precursor of the solid electrolyte precursor is selected from a monomeric or an inorganic compound; and wherein: the solid electrolyte precursor is the monomer, and wherein the treatment process is a polymerization; or the solid electrolyte precursor is the inorganic compound, and wherein the treatment process comprises heat. Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend: eine positive Elektrode auf Schwefelbasis; eine negative Elektrode; und eine flexible Membran, die zwischen der positiven Elektrode auf Schwefelbasis und der negativen Elektrode positioniert ist, wobei die flexible Membran umfasst: eine poröse Membran; und eine Festelektrolytbeschichtung, welche auf zumindest einem Abschnitt einer Oberfläche der porösen Membran in Poren der porösen Membran oder sowohl auf der Oberfläche als auch in den Poren gebildet ist, wobei die Festelektrolytbeschichtung i) eine Polymerkette oder ii) ein anorganisches, ionenleitfähiges Material umfasst, wobei die Polymerkette oder das anorganische Material eine anionische Gruppe, die kovalent daran gebunden oder supramolekular damit in Wechselwirkung gebracht ist, umfasst.Lithium-sulfur battery comprising: a positive sulfur-based electrode; a negative electrode; and a flexible membrane positioned between the sulfur-based positive electrode and the negative electrode, the flexible membrane comprising: a porous membrane; and a solid electrolyte coating formed on at least a portion of a surface of the porous membrane in pores of the porous membrane or both on the surface and in the pores, wherein the solid electrolyte coating comprises i) a polymer chain or ii) an inorganic ion conductive material, wherein the Polymer chain or the inorganic material, an anionic group, which is covalently bound thereto or supramolekular in interaction, comprises. Lithium-Ionen-Batterie, umfassend: eine positive Elektrode mit einem aktiven Material auf Lithium-Übergangsmetalloxidbasis; und eine Festelektrolytbeschichtung, welche auf einer Oberfläche der positiven Elektrode gebildet ist, wobei die Festelektrolytbeschichtung i) eine Polymerkette oder ii) ein anorganisches, ionenleitfähiges Material umfasst, wobei die Polymerkette oder das anorganische, Material eine anionische Gruppe, die kovalent daran gebunden oder supramolekular damit in Wechselwirkung gebracht ist, umfasst; und eine negative Elektrode in Kontakt mit einer Oberfläche der Festelektrolytbeschichtung, die einer Oberfläche der Festelektrolytbeschichtung in Kontakt mit der positiven Elektrode entgegengesetzt ist.Lithium-ion battery, comprising: a positive electrode having a lithium transition metal oxide-based active material; and a solid electrolyte coating formed on a surface of the positive electrode, wherein the solid electrolyte coating comprises i) a polymer chain or ii) an inorganic ion conductive material, wherein the polymer chain or the inorganic material is an anionic group covalently bonded thereto or supramolecular therewithin Interaction is involved; and a negative electrode in contact with a surface of the solid electrolyte coating opposite to a surface of the solid electrolyte coating in contact with the positive electrode.
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