DE102014113894A1

DE102014113894A1 - Lithiumionenbatterie-Separatoren und -Elektroden

Info

Publication number: DE102014113894A1
Application number: DE201410113894
Authority: DE
Inventors: Timothy J. Fuller; Ion C. Halalay; James Mitchell; Lijun Zou
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2015-04-02

Abstract

Ein Lithiumionenbatterie-Separator umfasst einen porösen Film eines polymeren Chelatbildners. Der polymere Chelatbildner umfasst ein Poly(undecylenyl-Makrocyclus), wobei der Makrocyclus ein Chelatbildner ist. Eine positive Elektrode umfasst eine Struktur und eine Beschichtung, die auf einer Oberfläche der Struktur gebildet ist. Die Struktur umfasst ein aktives Material auf Lithiumübergangsmetallbasis, ein Bindemittel und einen leitfähigen Kohlenstoff, und die Beschichtung umfasst ein Poly(undecylenyl-Makrocyclus), wobei der Makrocyclus ein Chelatbildner ist. Der Separator und/oder die positive Elektrode ist/sind zur Verwendung in einer Lithiumionenbatterie geeignet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 61/884,802, welche am 30. September 2013 eingereicht worden ist, welche hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Lithiumionenbatterie-Separatoren und -Elektroden.
HINTERGRUND
Sekundäre oder wiederaufladbare Lithiumionenbatterien werden in vielen feststehenden und tragbaren Vorrichtungen, zum Beispiel solchen, denen man in der Verbraucherelektronik-, Automobil- und Luftfahrtindustrie begegnet, verwendet. Die Klasse der Lithiumionenbatterien hat aus verschiedenen Gründen Popularität erlangt; diese umfassen, sind aber nicht beschränkt auf eine relativ hohe Energiedichte, ein allgemeines Nichtauftreten eines Memory-Effekts, wenn man sie mit anderen Arten wiederaufladbarer Batterien vergleicht, einen relativ niedrigen inneren Widerstand und eine niedrige Selbstentladungsrate, wenn sie nicht in Verwendung sind. Die Fähigkeit von Lithiumbatterien, über ihre Gebrauchsdauer wiederholte Energiezyklisierung durchzumachen, macht sie zu einer attraktiven und zuverlässigen Energiequelle.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Lithiumionenbatterie-Separator umfasst einen porösen Film eines polymeren Chelatbildners. Der polymere Chelatbildner umfasst ein Poly(Undecylenyl-Makrocyclus), wobei der Makrocyclus ein Chelatbildner ist. Eine positive Elektrode umfasst eine Struktur und eine Beschichtung, die auf einer Oberfläche der Struktur gebildet ist.
Die Struktur umfasst ein aktives Material auf Lithiumübergangsmetalloxid-Basis, ein Bindemittel und leitfähigen Kohlenstoff, und die Beschichtung umfasst ein Poly(Undecylenyl-Makrocyclus), wobei der Makrocyclus ein Chelatbildner ist. Der Separator und/oder die positive Elektrode sind zur Verwendung in einer Lithiumionenbatterie geeignet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorteile von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den folgenden Zeichnungen deutlicher werden, wobei gleiche Bezugszeichen ähnlichen, wenn auch vielleicht nicht identischen Komponenten entsprechen. Aus Gründen der Verkürzung können Bezugszeichen oder Merkmale, die eine vorher beschriebene Funktion haben, in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie auftreten, beschrieben oder nicht beschrieben werden.
1 ist eine schematische Schnittzeichnung eines Beispiels eines porösen Separators, der mit dem hierin offenbarten polymeren Chelatbildner gebildet ist;
2 ist eine schematische Schnittzeichnung eines Beispiels eines porösen Separators, der eine poröse Membran umfasst, welche mit einem porösen Film des hierin offenbarten polymeren Chelatbildners beschichtet ist;
3 ist eine schematische Schnittzeichnung eines Beispiels einer positiven Elektrode, die eine Struktur umfasst, welche mit einem porösen Film des hierin offenbarten polymeren Chelatbildners beschichtet ist;
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Lithiumionenbatterie während eines Entladungszustands, wobei der poröse Separator der Batterie mit einem Beispiel des hierin offenbarten polymeren Chelatbildners gebildet ist;
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines anderen Beispiels einer Lithiumionenbatterie während eines Entladungszustands, wobei der Separator der Batterie eine poröse Membran umfasst, welche mit einem porösen Film des hierin offenbarten polymeren Chelatbildners beschichtet ist, und
6 ist eine schematische perspektivische Ansicht noch eines weiteren Beispiels einer Lithiumionenbatterie während eines Entladungszustands, wobei die positive Elektrode der Batterie eine Struktur umfasst, die mit einem porösen Film des hierin offenbarten polymeren Chelatbildners beschichtet ist.
Die in 4 bis 6 gezeigten Separatoren sind dargestellt, um den Ionenstrom zwischen negativer und positiver Elektrode der entsprechenden Lithiumionenbatterien zu veranschaulichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Lithiumionenbatterie arbeitet im Allgemeinen, indem sich Lithiumionen reversibel zwischen einer negativen Elektrode (manchmal als Anode bezeichnet) und einer positiven Elektrode (manchmal als Kathode bezeichnet) bewegen. Die negative und die positive Elektrode befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten eines porösen Polymerseparators, der mit einer Elektrolytlösung durchtränkt ist, die geeignet ist, Lithiumionen zu leiten. Jede der negativen und positiven Elektroden ist auch von einem entsprechenden Stromabnehmer aufgenommen. Die Stromabnehmer, die mit den zwei Elektroden verbunden sind, sind durch einen unterbrechbaren äußeren Stromkreis verbunden, der elektrischen Strom zwischen den Elektroden fließen lässt, um die beschriebene Wanderung von Lithiumionen elektrisch auszugleichen. Außerdem kann die negative Elektrode ein Lithium-Interkalations-Wirtsmaterial umfassen, und kann die positive Elektrode ein aktives Material auf Lithiumbasis umfassen, das Lithiumionen mit einem höheren elektrischen Potential als das Interkalations-Wirtsmaterial der negativen Elektrode speichern kann. Die Elektrolytlösung kann ein Lithiumsalz, gelöst in einem aprotischen nicht-wässrigen Lösungsmittel, enthalten.
Es wurde gefunden, dass Lithiumionenbatterien durch die Auflösung von Übergangsmetallkationen aus der positiven Elektrode in schädlicher Weise beeinträchtigt werden, was zu einem beschleunigten Nachlassen der Kapazität und somit zum Verlust an Gebrauchsdauer bei der Batterie führt. Die Übergangsmetallkationen wandern von der positiven Elektrode zu der negativen Elektrode der Batterie, was zu ihrer ”Vergiftung” führt. In einem Beispiel wird eine Graphitelektrode durch Mn⁺²-, Mn⁺³- oder Mn⁺⁴-Kationen, die sich aus dem Spinell Li_xMn₂O₄ der positiven Elektrode lösen, vergiftet. Beispielsweise können die Mn⁺²-Kationen durch den Batterieelektrolyten wandern und sich an der Graphitelektrode abscheiden. Wenn sie an dem Graphit abgeschieden werden, werden die Mn²⁺-Kationen zu Mn-Metall. Es zeigte sich, dass eine relativ geringe Menge (z. B. 90 ppm) an Mn-Metall die Graphitelektrode vergiften kann und einen reversiblen Elektrodenbetrieb verhindern kann, wodurch die Verwendungsdauer der Batterie nachteilig beeinträchtigt wird. Die schädliche Wirkung des Mn, das an der negativen Elektrode abgeschieden ist, wird während einer Exposition der Batterie gegenüber Temperaturen über Umgebungstemperaturen (> 40°C) deutlich verstärkt, und zwar ungeachtet der Tatsache, ob die Exposition nur während der Lagerung (d. h. einfaches Stehen bei Leerlaufspannung in einem gewissen Ladungszustand) oder während des Batteriebetriebs (z. B. während Ladung, während Entladung oder während Ladungs-Entladungs-Zyklisierung) erfolgt.
Die Vergiftung der Lithiumionenbatterie durch Übergangsmetalle, die sich aus der positiven Elektrode lösen, kann durch Einbauen eines Beispiels des Separators und/oder der positiven Elektrode, die hierin offenbart werden, in die Batterie verringert oder verhindert werden. Der Separator (die Separatoren) und die positive(n) Elektrode(n), die hierin offenbart werden, umfassen einen polymeren Chelatbildner, der, wie er hierin verwendet wird, ein makrocyclisches Polymer ist, das einen Chelatbildner (Chelatbildner) gebunden an ein Salz von Poly(undecylensäure) umfasst (d. h. ein Poly(Undecylenyl-Makrocyclus), wobei der Makrocyclus ein Chelatbildner ist). Der polymere Chelatbildner kann den Separator selbst bilden oder kann als Beschichtung auf einer anderen porösen Membran unter Bildung des Separators oder als Beschichtung auf eine Struktur einer positiven Elektrode eingebaut sein.
Geeignete Chelatbildner umfassen Metallionophore, welche, wie sie hierin verwendet werden, chemische Verbindungen sind, die an bestimmte Ionen binden (z. B. Mn⁺² oder andere Übergangsmetallkationen), während sie den Durchgang von Lithiumionen erlauben. Im Inneren der Batterie fängt der Chelatbildner, der an die Poly(undecylenyl)-Hauptkette gebunden ist, wirksam die unerwünschten Metallkationen ab, sodass eine Bewegung von Lithiumionen durch den mikroporösen Polymerseparator während eines Betriebs der Batterie nicht beeinflusst wird. In einem Beispiel bildet der Chelatbildner selektiv mit den unerwünschten Metallkationen Komplexe, zum Beispiel durch Immobilisieren der Metallkationen (z. B. Cu²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, usw.), die sich aus der positiven Elektrode in die Elektrolytlösung lösen können. Der Chelatbildner wirkt so als Metallkationen-Fängermolekül, das die unerwünschten Metallkationen einfängt und immobilisiert, um die Wanderung der Metallkationen durch die Elektrolytlösung und zu der negativen Elektrode zu verhindern. Es ist einzusehen, dass die Chelatbildner mit Lithiumionen weniger starke Komplexe bilden (z. B. wird eine einzelne Einfangstelle pro je 100 Stellen durch ein Lithiumkation im Vergleich zu einem Mn-Kation besetzt), und somit beeinträchtigen sie die Bewegung von Lithiumionen zwischen der negativen und positiven Elektroden nicht nachteilig.
Darüber hinaus bietet der Poly(undecylensäure)-Vorläufer gegenüber dem funktionalisierten Salz viele Vorteile, zum Beispiel ist er kostengünstiger und leicht zu Filmen, Beschichtungen, Fasern, Membranen, usw. formbar. Es wurde auch festgestellt, dass das Monomer, Trimethylsilylundecylenat, das zur Bildung von Poly(undecylensäure) verwendet wird, leicht mit anderen Olefinen unter Bildung von Copolymeren, Terpolymeren, usw. polymerisiert werden kann, und dass der Poly(undecylensäure)-Vorläufer leicht mit den Chelatbildnern nach Umwandlung in sein Säurechlorid, Poly(undecylensäurechlorid), funktionalisiert werden kann. Alle diese Eigenschaften machen das Poly-(Undecylenyl-Makrocyclus) unter Herstellungsgesichtspunkten wünschenswert.
Außerdem wird angenommen, dass die Polymer-Hauptkette des polymeren Chelatbildners, der hierin offenbart wird, in der Lage sein kann, effizient bei Temperaturen über Umgebungstemperatur ohne Leistungsabbau zu arbeiten. Somit kann das Wärmemanagementsystem der Lithiumionenbatterie geeignet sein, vereinfacht oder gar eliminiert zu werden.
1 bis 3 veranschaulichen verschiedene Beispiele des hierin offenbarten polymeren Chelatbildners.
In 1 bildet der polymere Chelatbildner den Lithiumionenbatterie-Separator 16. In diesem Beispiel ist der Separator 16 selbst ein poröser Film des Poly(Undecylenyl-Makrocyclus). In 1 wird die Poly(undecylenyl)-Hauptkette durch Bezugszeichen 13 dargestellt, der Makrocyclus oder der Chelatbildner, der daran gebunden ist, wird durch Bezugszeichen 15 dargestellt, und die Poren in dem Film werden durch Bezugszeichen 17 dargestellt.
Der Polymer-Chelatbildner kann unter Verwendung einer Ziegler-Natta-Polymerisation gebildet werden, während der Trimethylsilylundecylenat (d. h. Undecylensäuretrimethylsilylester), entweder allein oder in Kombination mit anderem Olefin, in Gegenwart eines Ziegler-Natta-Katalysators polymerisiert wird, um Poly(undecylensäure) oder ein Copolymer, Terpolymer, usw. davon zu bilden.
Wenn anderes Olefin (andere Olefine) verwendet wird (werden), wird etwa eine Hälfte des Undecylenat-Vorläufers, der in die Reaktion eingebracht wird, in das polymere Reaktionsprodukt eingebaut. Beispiele des anderen Olefins (der anderen Olefine) umfassen Ethylen, Propen, Buten, Penten, Hexan, usw.
Die Poly(undecylensäure) oder das Copolymer, Terpolymer usw. davon wird dann mit einem gewünschten Chelatbildner funktionalisiert. Die Poly(undecylensäure) oder das Copolymer, Terpolymer, usw. davon wird mit Thionylchlorid in etwas geeignetem Halogenidlösungsmittel (z. B. Methylenchlorid) oder in Toluol und Pyridin unter Bildung von Poly(undecylenoylchlorid) umgesetzt.
Das Poly(undecylenoylchlorid) wird mit einem Chelatbildner-Vorläufer, welcher die Salzform des gewünschten Chelatbildners ist, umgesetzt. Der gewünschte Chelatbildner kann ein Kronenether, ein Kronenether, der wenigstens einen Ethersauerstoff durch Heteroatom ersetzt hat, ein Podand, ein Lariatether, ein Calixaren, eine Calixkrone oder Kombinationen davon (für die Beispiele unten beschrieben werden) sein. In dem Verfahren kann ein beliebiges Salz eines dieser Chelatbildner eingesetzt werden.
Beispiele für Salze umfassen Lithium-oxyalkyl-kronenether, Lithio-aza-15-krone-5
oder dergleichen. Wie durch diese Beispiele veranschaulicht wird, kann der Salzvorläufer des Chelatbildners ein Kation (z. B. ein Lithiumkation (Li⁺), ein Natriumkation (Na⁺) oder ein anderes Alkalimetallkation, zum Beispiel ein Cäsiumkation (Cs⁺) oder ein Rubidiumkation (Rb⁺)) daran gebunden haben. Dieses reagiert mit Poly(undecylenoylchlorid) unter Bildung einer Ester- oder einer Amidgruppe, um den Chelatbildner zu binden. Wenigstens einige der Chloridgruppen an dem Poly(undecylenoylchlorid) wirken als Befestigungspunkte für den Chelatbildner. Diese Reaktion bildet das Poly(Undecylenyl-Makrocyclus) und erzeugt auch etwas Salz (d. h. zum Beispiel LiCl). In einigen Fällen wirkt der Ester oder das Amid als Verbindungsgruppe, um den Chelatbildner mit der Polymer-Hauptkette 13 zu verbinden (siehe das Reaktionsschema unten mit NR₁R₂), und in anderen Fällen wird zusätzlich zu dem Ester oder Amid eine weitere Gruppe (z. B. -CH₂-, eine Ethoxygruppe, eine Methoxygruppe, eine Undecylenylgruppe oder dergleichen) eingeführt (siehe das Reaktionsschema unten mit RO). Allgemeiner kann die zusätzliche Gruppe ein Alkyl, ein Ester, ein Amid, ein Ether oder ein Isocyanat sein. Beispiele der Reaktion sind unten gezeigt:
Das Reaktionsgemisch des Poly(undecylenoylchlorid) und des gebundenen Chelatbildner-Vorläufers wird weiter mit einer wässrigen Basenlösung (z. B. Lithiumhydroxid) umgesetzt, um nicht umgesetzte Halogenidgruppen zu hydrolysieren. Alle dieser Reaktionen vervollständigen die Bildung des Poly(Undecylenyl-Makrocyclus) oder der Polymer-Hauptkette 13, die den Makrocyclus (d. h. Chelatbildner) 15 daran gebunden hat. Es können auch zusätzliche Reinigungsprozesse durchgeführt werden.
Darüber hinaus können auch andere Reaktionsschemata, welche den Chelatbildner (die Chelatbildner) 15 an die Poly(undecylenyl)-Hauptkette 13 binden werden, eingesetzt werden. Es können zum Beispiel Isocyanatgruppen verwendet werden, um Makrocyclen durch die unten gezeigten Reaktionsschemata an die Undecylenyl-Gruppe zu binden:
Ein Makrocyclus, zum Beispiel
kann direkt an die Säuregruppen von Poly(undecylensäure) binden, und eine Umwandlung der nicht umgesetzten Säuregruppen kann durch Titration mit wässrigem Lithiumhydroxid in der Gegenwart von wässrigem Lithiumchlorid in Poly(Lithiumundecylat-Undecylenyl-Makrocyclus) erfolgen.
Um den in 1 gezeigten Separator 16 zu bilden, kann das Poly(undecylenoylchlorid) oder die Polyundecylensäure vor oder nach der Reaktion unter Erzeugung des Poly(Undecylenyl-Makrocyclus) zu einem Film oder einer Membran verarbeitet werden. In einigen Fällen kann es wünschenswerter sein, das Poly(undecylenoylchlorid) oder die Polyundecylensäure anstatt das Poly(Undecylenyl-Makrocyclus) zu verarbeiten. Schmelzverarbeitung, Extrusion oder ein anderes Verfahren kann eingesetzt werden, um das Poly(undecylenoylchlorid) oder die Polyundecylensäure zu einem porösen Film oder einer porösen Membran zu dehnen. In diesem Beispiel wird der poröse Film oder die poröse Membran aus Poly(undecylenoylchlorid) oder Polyundecylensäure funktionalisiert und weiter umgesetzt, um das Poly(Undecylenyl-Makrocyclus), wie es vorher beschrieben wurde, zu bilden.
Wie in 1 dargestellt ist, hat dieses Beispiel des Separators 16 Poren 17, die durch die Poly(undecylenyl)-Hauptkette 13 ausgebildet sind. Der Chelatbildner 15 ist an der Poly(undecylen)-Hauptkette 13 befestigt. In diesen Beispiel ist der gebundene Chelatbildner 15 Teil der Separatormatrix und kann im Inneren der offenen Poren 17 vorhanden sein.
Wie oben erwähnt wurde, kann der Chelatbildner 15, der an die Poly(undecylenyl)-Hauptkette 13 gebunden ist, ein Kronenether, ein Kronenether, der wenigstens einen Ethersauerstoff durch ein Heteroatom ersetzt hat, ein Podand, ein Lariatether, ein Calixaren, eine Calixkrone oder Kombinationen davon sein. Hierin wird eine verallgemeinerte Beschreibung einiger dieser Chelatbildner bereitgestellt.
Ein Kronenether ist ein cyclischer Ether, in dem der Etherring Sauerstoffatome umfasst, die mit einem Übergangsmetallkation komplexieren können. In vielen Beispielen ist der cyclische Ether ein Makrocyclus. Einige oder alle der Sauerstoffatome in dem Etherring können gegen Stickstoffatome, eine Klasse von Kronenethern, die als Azakronen bekannt sind, oder Schwefelatome, eine Klasse von Kronenethern, die als Thiakronen bekannt sind, ausgetauscht sein. Der Kronenether kann monocyclisch sein, wobei der Kronenether einen ziemlich zweidimensionalen Ring zum Komplexieren mit einem Übergangsmetallkation bildet, oder polycyclisch sein, wobei der Kronenether einen stärker dreidimensionalen Käfig zum Komplexieren mit einem Metallkation bildet. Ein Beispiel eines polycyclischen Kronenethers ist ein Kryptand (z. B. Kryptand [2.2.2], Kryptand [2.2.1] und Kryptand [2.1.1]; die ”[N₁.N₂.N₃]”-Bezeichnung ist eine von Jean-Marie Lehn vorgeschlagene Abkürzung). In dem Kryptand oder dem anderen Kronenether kann ein Sauerstoffatom oder können mehrere Sauerstoffatome an einer beliebigen Stelle entlang seines Polyetherrings durch eine Vielzahl von Atomen oder funktionellen Gruppen, die dem Fachmann auf dem Fachgebiet bekannt sind, ersetzt sein. Der Kryptand kann zum Beispiel Schwefel an einer oder mehreren Sauerstoffstelle(n) substituiert umfassen oder kann Stickstoff an einer oder mehreren Sauerstoffstelle(n) eingesetzt umfassen.
Es wird angenommen, dass Kronenether, die Strukturen haben, in denen i) die Größe der Kavität, die durch die Kronenstruktur definiert ist, einen Durchmesser, der nahe der Größe des Ions (z. B. des Übergangsmetallkations), das eingefangen werden soll, ist, und ii) ein permanentes Dipolmoment eine maximale Ladung für eine gegebene Trennung zwischen positiven und negativen Ladungen der Struktur besitzt, zur Verwendung in den Beispielen der Lithiumbatterie, die hierin offenbart sind, äußerst wünschenswert sind. Beispielsweise wird sich ein Chelatbildner, der ein permanentes Dipolmoment besitzt (z. B. Kronenether mit einer ungeraden Anzahl an Sauerstoffatomen in ihrem Polyetherring (z. B. 9-Krone-3, 15-Krone-5, usw.) und die außerdem Thia- (d. h. Schwefel) oder Aza- (d. h. Stickstoff)-Substitutionen haben, die dazu tendieren, die Symmetrie der Ladungsverteilung eines symmetrischen Kronenethers (z. B. 12-Krone-4 oder 18-Krone-6) zu brechen, oder eine Zunahme bei der Ladungstrennung in einem asymmetrischen Chelatbildner zu brechen) in Reaktion auf ein von außen angelegtes elektrisches Feld gegenparallel ausrichten, um seine potentielle Energie in dem angelegten Feld zu minimieren. Dies wird in der Tat die Ioneneinfangfähigkeit des Kronenethers maximieren.
Außerdem ist ein Podand ein acyclischer Polyetherligand, der eine Donorgruppe tragende Arme umfasst, welche mit einem Metallkationen komplexieren können. Ein Lariatether ist ein Kronenether, der einen eine Donorgruppe tragenden Seitenarm umfasst, welcher zusätzliche Metallkationen-Bindungsstellen außer denen, die an dem Polyetherring vorliegen, bereitstellt. Ein Calixaren ist ein Metacyclophan von Methylen-verbrückten Phenoleinheiten und wird im Allgemeinen in einer aus einer Kegel-Partialkegel-, 1,2-alternierenden oder 1,3-alternierenden Konformation gefunden. Eine Calixkrone ist ein Calixaren, das einen Polyetherring umfasst, der zwei phenolische Sauerstoffe in dem Calixaren-Gerüst verknüpft. Die Indifferenz dieser Chelatbildner, die sie gegenüber einer Komplexierung mit Lithiumionen zeigen, ist wahrscheinlich ihren relativ großen Polyetherring- oder Käfigstrukturen und/oder der räumlichen Orientierung ihrer eine funktionelle Donorgruppe tragenden Arme im Vergleich zu der relativ kleinen Größe von Lithiumionen zuzuschreiben. Analoga und strukturell verwandte Moleküle der eben genannten Chelatbildner können ebenfalls verwendet werden.
Eine Liste einiger Chelatbildner 15, die in dem hierin offenbarten polymeren Chelatbildner verwendet werden kann, umfassen:

und Kombinationen davon. Wasserstoffatome in diesen Strukturen werden angenommen.
Was nun 2 betrifft, so ist der polare Chelatbildner in der Form einer Beschichtung 24 auf einer mikroporösen Membran 26. Zusammen bilden die Beschichtung 24 und die mikroporöse Membran 26 ein weiteres Beispiel des Lithiumionenbatterie-Separators 16'. Da die Beschichtung 24 auf der Oberfläche einer mikroporösen Membran 26 gebildet ist, kann wenigstens etwas des polymeren Chelatbildners in die Poren 17' der mikroporösen Membran 26 wandern.
Der polymere Chelatbildner kann wie es unter Bezug auf 1 beschrieben ist, gebildet werden und umfasst den Chelatbildner 15, gebunden an die Poly(undecylenyl)-Hauptkette 13. Die resultierende Beschichtung 24 umfasst auch die Poren 17. In einem Beispiel der Beschichtung der mikroporösen Membran 26 mit dem polymeren Chelatbildner kann der polymere Chelatbildner in Tetrahydrofuran suspendiert werden, und diese Suspension kann auf der mikroporösen Polymermembran 26 abgeschieden werden oder in anderer Weise dieser ausgesetzt werden. Beispielsweise kann ein nasser Film der Suspension auf die mikroporöse Polymermembran 26 aufgetragen werden.
Beispiele für geeignete mikroporöse Membranen 26 umfassen ein Polyolefin. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein und kann entweder linear oder verzweigt sein. Wenn ein Heteropolymer, das von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, verwendet wird, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines Randomcopolymers. Dasselbe trifft zu, wenn das Polyolefin ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist. Das Polyolefin kann zum Beispiel Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), eine Mischung aus PE und PP oder mehrschichtig strukturierte poröse Filme von PE und/oder PP sein. Im Handel erhältliche poröse Polyolefin-Membranen 26 umfassen CELGARD^® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die von CELGARD LLC erhältlich sind.
In einem anderen Beispiel kann die mikroporöse Membran 26 aus einem anderen Polymer gebildet sein, das ausgewählt ist aus geschäumten Polytetrafluorethylen (ePTFE), Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamiden (Nylon), Polyurethanen, Polycarbonaten, Polyestern, Polyetheretherketonen (PEEK), Polyethersulfonen (PES), Polyimiden (PI), Polyamidimiden, Polyethern, Polyoxymethylen (z. B. Acetal), Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Polyolefin-Copolymeren, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren (ABS), Polystyrol-Copolymeren, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polysiloxan-Polymeren (z. B. Polydimethylsiloxan (PDMS)), Polybenzimidazol (PBI), Polybenzoxazol (PBO), Polyphenylenen (z. B. PARMAX^TM (Mississippi Polymer Technologies, Inc., Bay Saint Louis, Mississippi)), Polyarylenetherketonen, Polyperfluorcyclobutanen, Polyvinylidenfluorid-Copolymeren und -Terpolymeren, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylfluorid, flüssigkristallinen Polymeren (z. B. VECTRAN^TM (Hoechst AG, Deutschland) und ZENITE^® (DuPont, Wilmington, DE)), Polyaramiden, Polyphenylenoxid und/oder Kombinationen davon. Es wird angenommen, dass ein weiteres Beispiel eines flüssigkristallinen Polymers, das für die Membran 26 verwendet werden kann, Poly(p-hydroxybenzoesäure) ist. In noch einem anderen Beispiel kann die Membran 26 eine Kombination aus einem dieser Polymeren und einem Polyolefin (z. B. PE und/oder PP) sein. Bestimmte andere im Handel erhältliche Separatoren sind von Entek International, Asahi-Kasei Corporation, Toray Industries und SK Energy erhältlich.
Die mikroporöse Membran 26 kann eine einzelne Schicht oder ein mehrschichtiges Laminat, hergestellt durch ein trockenes oder nasses Verfahren, durch Lösungsmittelgießen, durch ein Vliesfaser-Legeverfahren oder durch ein anderes Verfahren zur Herstellung einer mikroporösen Membran 26 mit Eigenschaften, die zur Anwendung in Li-Ionenbatterien geeignet sind, enthalten. In einem Beispiel kann zum Beispiel eine einzelne Schicht des Polyolefins die Gesamtheit der mikroporösen Membran 26 ausmachen. In einem anderen Beispiel kann eine einzelne Schicht aus einem oder einer Kombination beliebiger der Polymeren, aus denen die mikroporöse Membran 26 gebildet werden kann (z. B. das Polyolefin und/oder eines oder mehrere der anderen Polymere(n), die oben für die mikroporöse Membran 26 aufgelistet sind), die Gesamtheit der mikroporösen Membran 26 bilden. Als weiteres Beispiel können allerdings mehrere getrennte Schichten aus ähnlichen oder unterschiedlichen Polyolefinen und/oder Polymeren für die mikroporöse Membran 26 zu der mikroporösen Membran 26 zusammengebaut werden. In einem Beispiel kann eine getrennte Schicht eines oder mehrerer der Polymeren auf eine getrennte Schicht des Polyolefins für die mikroporöse Membran 26 aufgetragen werden. Außerdem können die Polyolefin(und/oder andere Polymer)-Schicht und beliebige andere optionale Polymerschichten in der mikroporösen Membran 26 als faserige Schicht enthalten sein, um die Ausstattung der mikroporösen Membran 26 mit geeigneten strukturellen und Porositäts-Charakteristika zu unterstützen. Eine vollständigere Diskussion einzel- und mehrschichtiger Lithiumionenbatterie-Separatoren und der trockenen und nassen Verfahren, die zu ihrer Herstellung eingesetzt werden können, können in P. Arora und Z. Zhang, "Battery Separators", Chem. Rev., 104, 4424–4427 (2004) gefunden werden.
Was nun 3 betrifft, so ist der polymere Chelatbildner in der Form einer Beschichtung 24 auf einer Struktur 25. Zusammen bilden die Beschichtung 24 und die Struktur 25 ein Beispiel einer positiven Elektrode 14'.
Der polymere Chelatbildner kann gebildet werden, wie es anhand von 1 beschrieben ist, und er umfasst den Chelatbildner 15 an die Poly(undecylenyl)-Hauptkette 13 gebunden. Die resultierende Beschichtung 24 umfasst auch die Poren 17. In einem Beispiel des Beschichtens der Struktur 25 mit dem polymeren Chelatbildner kann der polymere Chelatbildner in Tetrahydrofuran suspendiert werden, und diese Suspension kann auf wenigstens der Oberflächen der Struktur 25 abgeschieden werden oder in anderer Weise dieser ausgesetzt werden, um angrenzend an eine mikroporöse Membran 26 (in 3 nicht gezeigt) in einer Lithiumionenbatterie positioniert zu werden. Es ist zu verstehen, dass die gesamte Struktur 25 in der Beschichtung 24 eingekapselt sein kann, obgleich dies in 3 nicht gezeigt ist.
Die Struktur 25 umfasst ein aktives Material auf Lithiumübergangsmetall-Basis 19, einen leitfähigen Kohlenstoff 21 und ein Bindemittel 23. Es ist einzusehen, dass ein beliebiges aktives Material auf Lithiumübergangsmetall-Basis 19 verwendet werden kann, das in ausreichender Weise einer Lithium-Interkalation und -Deinterkalation unterliegt, während es als positiver Pol einer Lithiumionenbatterie fungiert. Beispiele für das aktive Material 19 umfassen wenigstens eines von Spinell-Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄), Lithiumkobaltoxid (LiCoO₂), einem Mangannickeloxid-Spinell [LiMn_1,5Ni_0,5)O₂], einem Nickel-Mangan-Kobalt-Schichtoxid [(Li(Ni_1-xMn_1-yCo_x+y)O₂], LiNiO₂, Li₂MSiO₄ (M = Co, Fe, Mn), einem Lithiumeisen-Polyanionoxid, z. B. Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) oder Lithiumeisenfluorphosphat (Li₂FePO₄F) oder einer Lithium-reichen Schichtstrukturkathode, zum Beispiel xLi₂MnO₃ – (1 – x)LiMo₂ (M besteht aus einem beliebigen Verhältnis von Ni, Mn und Co). Andere aktive Materialien auf Lithium-Basis können auch verwendet werden, zum Beispiel LiNi_l-xCo_l-yM_x+yO₂, LiMn_1,5-xNi_0,5-yM_x+yO₄ (M besteht aus einem beliebigen Verhältnis von Al, Cr, Ti und/oder Mg), stabilisierter Lithiummanganoxid-Spinell (Li_xMn_2-yM_yO₄, wobei M aus einem beliebigen Verhältnis von Al, Cr, Ti und/oder Mg besteht), Lithiumvanadiumoxid (LiV₂O₅), Li₂MSiO₄ (M besteht aus einem beliebigen Verhältnis von Co, Fe und/oder Mn), xLi₂MnO₃ – (1 – x)LiMO₂ (M besteht aus einem beliebigen Verhältnis von Ni, Mn und/oder Co) und jedes andere Nickelmangankobalt-Material. Mit ”beliebiges Verhältnis” ist gemeint, dass ein beliebiges Element in einer beliebigen Menge vorliegen kann. So könnte in einigen Beispielen M Ni sein, mit oder ohne Co und/oder Mn, oder eine beliebige andere Kombination der aufgelisteten Elemente sein. In einem anderen Beispiel können Anionen-Substitutionen in dem Gitter eines beliebigen Beispiels des aktiven Materials auf Lithiumübergangsmetall-Basis erfolgt sein, um die Kristallstruktur zu stabilisieren. Beispielsweise kann ein O-Atom durch ein F-Atom ersetzt sein.
Der leitfähige Kohlenstoff 21 der Struktur 25 kann ein Kohlenstoff mit hoher spezifischer Oberfläche sein, zum Beispiel Acetylenruß, der sich mit dem aktiven Material auf Lithiumübergangsmetall-Basis 19 vermengt. ”Kohlenstoff mit hoher spezifischer Oberfläche”, wie der Ausdruck hierin verwendet wird, soll beliebigen Kohlenstoff umfassen, der eine BET(= Brunauer-Emmett-Teller)-Oberfläche im Bereich von 50 bis 2000 m²/g hat. Der leitfähige Kohlenstoff 21 kann zugesetzt werden, um die Elektronenleitung zwischen einem Stromabnehmer der Lithiumionenbatterie und den aktiven Materialpartikeln 19 der positiven Elektrode 14' sicherzustellen.
Das Bindemittel 23 mit der Struktur 25 kann ein beliebiges polymeres Bindemittel sein, das in der Lage ist, das aktive Material auf Lithium-Basis 19 strukturell zusammenzuhalten. Beispiele des Bindemittels 23 umfassen Polyvinylidenfluorid (PVdF), einen Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Kautschuk und/oder Carboxymethylcellulose (CMC).
4 bis 6 stellen verschiedene Beispiele der Lithiumionenbatterie 10, 10', 10'' dar, die verschiedene Beispiele des hierin offenbarten polymeren Chelatbildners eingebaut haben. Die Batterien 10, 10', 10'' umfassen allgemein eine negative Elektrode 12, einen negativseitigen Stromabnehmer 12a, eine positive Elektrode 14, einen positivseitigen Stromabnehmer 14a und einen Separator 16, 16' oder 26, der sich zwischen der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 befindet. Es ist einzusehen, dass der Separator 16, 16', 26 und/oder die positive Elektrode 14 den Chelatbildner 15 und Poly(undecylenoyl)-Hauptkette 13 darauf aufgetragen umfassen kann/können. Jedes Beispiel der Lithiumionenbatterie 10, 10', 10'' umfasst auch einen unterbrechbaren äußeren Stromkreis 18, der die negative Elektrode 12 und die positive Elektrode 14 verbindet.
Was nun 4 betrifft, so umfasst die Lithiumionenbatterie 10 den Separator 16, der in 1 gezeigt ist, angeordnet zwischen einer negativen Elektrode 12 und einer positiven Elektrode 14. Wie oben diskutiert wurde, ist der Separator 16 aus dem Poly(Undecylenyl-Makrocyclus) gebildet. Der Separator 16, der sowohl als elektrischer Isolator als auch als mechanischer Träger wirkt, ist zwischen der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 angeordnet, um einen physikalischen Kontakt zwischen den zwei Elektroden 12, 14 und das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Der Separator 16 stellt zusätzlich zur Bereitstellung einer physikalischen Barriere zwischen den zwei Elektroden 12, 14 den Durchgang von Lithiumionen (identifiziert durch die schwarzen Punkte und durch die nicht ausgefüllten Kreise mit einer (+)-Ladung in 4) und damit in Bezug stehenden Anionen (identifiziert durch die nicht ausgefüllten Kreise mit einer (–)-Ladung in 4) durch eine Elektrolytlösung, die seine Poren füllt, sicher. Der Chelatbildner 15, der in der Matrix des Separators 16 vorliegt, fängt außerdem die unerwünschten Metallkationen (z. B. Mn²⁺) wirksam ab und immobilisiert sie, um eine Wanderung dieser Metallkationen durch die Elektrolytlösung und zu der negativen Elektrode 12 zu verhindern.
Die negative Elektrode 12 kann ein beliebiges aktives Lithium-Wirtsmaterial umfassen, das in genügender Weise eine Lithium-Interkalation und -Deinterkalation durchmachen kann, während es als der negative Pol der Lithiumionenbatterie 10 fungiert. Beispiele für das aktive Lithium-Wirtsmaterial umfassen Graphit oder einen amorphen Kohlenstoff mit niedriger spezifischer Oberfläche. Graphit wird in großem Umfang zur Bildung der negativen Elektrode 12 verwendet, da er günstige Lithium-Interkalations- und -Deinterkalations-Charakteristika aufweist, relativ nicht-reaktiv ist und Lithium in Mengen speichern kann, die eine relativ hohe Energiedichte produzieren. Kommerzielle Graphitformen, die eingesetzt werden können, um die negative Elektrode 12 herzustellen, sind zum Beispiel von Timcal Graphite & Carbon (Bodio, Schweiz), Lonza Group (Basel, Schweiz) oder Superior Graphite (Chicago, IL) erhältlich. Andere Materialien können ebenfalls verwendet werden, um die negative Elektrode zu formen; sie umfassen zum Beispiel Lithiumtitanat, Silicium oder Silicium-Kohlenstoff-Verbundmaterialien und Zinnoxid.
Die negative Elektrode 12 kann auch ein Polymerbindematerial, vermengt mit dem aktiven Lithium-Wirtsmaterial, umfassen, um das aktive Lithium-Wirtsmaterial strukturell zusammenzuhalten. Beispiele des Bindemittels umfassen Polyvinylidenfluorid (PVdF), einen Ethylen-Propylen-Dienmonomer(EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethylcellulose (CMC). Diese Materialien (d. h. das aktive Lithium-Wirtsmaterial und das Bindemittel) können mit einem Kohlenstoff mit hoher spezifischer Oberfläche, zum Beispiel Acetylenruß, gemischt werden, um eine Elektronenleitung zwischen den Stromabnehmern (in 4 als 12a gezeigt) und den aktiven Materialpartikeln der negativen Elektrode 12 sicherzustellen. Der negativseitige Stromabnehmer 12a kann aus Kupfer oder einem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Material, das dem Fachmann bekannt ist, geformt sein.
Die positive Elektrode 14 in diesem Beispiel der Lithiumionenbatterie 10 ist ähnlich Struktur 25, die vorher anhand von 3 beschrieben wurde. Kurz ausgedrückt, die positive Elektrode 14 kann beliebige der aktiven Materialien auf Lithiumübergangsmetall-Basis 19, leitfähigen Kohlenstoffen 21 und Bindemitteln 23, die vorher beschrieben wurden, umfassen.
Angrenzend an die positive Elektrode 14 befindet sich der positivseitige Stromabnehmer 14a, der aus Aluminium oder einem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Material, das dem Fachmann bekannt ist, gebildet sein kann.
Der negativseitige Stromabnehmer 12a und der positivseitige Stromabnehmer 14a können in Kontakt mit der negativen Elektrode 12 bzw. der positiven Elektrode 14 positioniert sein, um freie Elektronen aus einem unterbrechbaren äußeren Stromkreis 18 zu sammeln und in diesen zu bewegen, wobei dieser unterbrechbare äußere Stromkreis 18 die negative Elektrode 12 und die positive Elektrode 14 verbindet.
Die negative Elektrode 12, die positive Elektrode 14 und der poröse Separator 16 sind jeweils mit einer Elektrolytlösung durchtränkt. Es ist zu verstehen, dass jede geeignete Elektrolytlösung, die Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 leiten kann, in der Lithiumionenbatterie 10 verwendet werden kann. In einem Beispiel kann die Elektrolytlösung eine nicht-wässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz, gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel, umfasst. Einem Fachmann werden viele nicht-wässrige flüssige Elektrolytlösungen, die in der Lithiumionenbatterie 10 verwendet werden können, und auch wie sie herzustellen oder kommerziell zu erwerben sind, geläufig sein. Beispiele für Lithiumsalze, die in einem organischen Lösungsmittel unter Bildung der nicht-wässrigen flüssigen Elektrolytlösung gelöst werden können, umfassen LiClO₄, LiAlCl₄, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF₄, LiB(C₆H₅)₄, LiCF₃SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂ (LiTFSI), LiN(FSO₂)₂ (LiFSI)₂, LiAsF₆, LiPF₆, LiB(C₂O₄)₂ (LiBOB), LiBF₂(C₂O₄) (LiODFB), LiPF₄(C₂O₄) (LiFOP), LiNO₃ und Gemische davon. Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl organischer Lösungsmittel gelöst werden, zum Beispiel in cyclischen Carbonaten (Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat, Fluorethylencarbonat), linearen Carbonaten (Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat), aliphatischen Carbonsureestern (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactonen (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturethern (1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclischen Ethern (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Gemischen davon.
Die Elektrolytlösung kann auch eine Reihe von Additiven umfassen, zum Beispiel Lösungsmittel und/oder Salze, die geringfügigere Komponenten der Lösung sind. Beispiele für Additive umfassen Lithiumbis(oxalatoborat) (LiBOB), Lithiumdifluoroxalatborat (LiDFOB), Vinylencarbonat, Monofluorethylencarbonat, Propansulton, 2-Propynolmethansulfonat, Methyldifluoracetat, Bernsteinsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Adiponitril, Biphenyl, ortho-Terphenyl, Dibenzyl, Diphenylether, N-Methylpyrrol, Furan, Tiophen, 3,4-Ethylendioxythiophen, 2,5-Dihydrofuran, Trishexafluorisopropylphosphat, Trihydroxybenzol, Tetramethoxytitan, usw. Obgleich hier einige Beispiele angegeben wurden, ist einzusehen, dass auch andere Additive verwendet werden könnten. Wenn Additive enthalten sind, können sie von etwa 0,05% bis etwa 5% der Zusammensetzung der Elektrolytlösung ausmachen.
Anstelle der Elektrolytlösung können andere Elektrolyte verwendet werden. Als Beispiele können Polymerelektrolyte, ionische Flüssigkeiten, Schmelzelektrolyte oder dergleichen verwendet werden. Als Beispiele können Polymerelektrolyte, ionische Flüssigkeiten, Schmelzelektrolyte oder dergleichen verwendet werden. Einige spezifische Beispiele für ionische Flüssigkeiten umfassen 1-Ethyl-3-methylimidazolium-bis(fluorsulfonyl)imid, 1-Ethyl-3-methylimidazolium-bis(trifluormethansulfonyl), Phosphonium-bis(trifluormethansulfonyl)imid, Phosphonium-bis(fluorsulfonyl)imid, Triethyl(methoxymethyl)phosphonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid, Triethyl-(2-methoxyethyl)phosphonium und Bis(trifluormethylsulfonyl)imid. Einige Beispiele für Schmelzelektrolyte umfassen Lithium-bis(fluorsulfonyl)imid in Dimethylmethansulfonamid und Lithium-bis-(trifluormethansulfonyl)imid in Dimethylmethansulfonamid. Obgleich einige Beispiele hier angegeben wurden, ist zu verstehen, dass andere Polymerelektrolyte, ionische Flüssigkeiten und Schmelzelektrolyte verwendet werden könnten.
Die Lithiumionenbatterie 10 kann eine Lastvorrichtung 22 unterhalten, die funktionsfähig mit dem äußeren Stromkreis 18 verbunden ist. Die Lastvorrichtung 22 kann eine Zufuhr von elektrischer Energie aus dem elektrischen Strom, der durch den äußeren Stromkreis 18 geht, wenn die Lithiumionenbatterie 10 entladen wird, aufnehmen. Obgleich die Lastvorrichtung 22 eine beliebige Zahl bekannter elektrisch betriebener Vorrichtungen sein kann, umfassen wenige spezifische Beispiele für eine Energie verbrauchende Lastvorrichtung einen Elektromotor für ein Hybridkraftfahrzeug oder ein vollständig elektrisches Fahrzeug, einen Laptop-Computer, ein Mobiltelefon und ein kabelloses Elektrowerkzeug. Die Lastvorrichtung 22 kann allerdings auch eine Energie erzeugende Apparatur sein, die die Lithiumionenbatterie 10 zu Zwecken der Energiespeicherung lädt. Beispielsweise resultiert die Neigung von Windrädern und Solarzellenplatten, in veränderlicher und/oder intermittierender Weise Elektrizität zu erzeugen, oft in einer Notwendigkeit, Überschussenergie für eine spätere Nutzung zu speichern.
Die Lithiumionenbatterie 10 kann auch einen weiten Bereich anderer Komponenten umfassen, die, obgleich sie hier nicht gezeigt sind, dennoch Fachleuten bekannt sind. Beispielsweise kann die Lithiumionenbatterie 10 ein Gehäuse, Dichtungen, Endkappen und beliebige andere wünschenswerte Komponenten oder Materialien, die zwischen der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 oder um diese angeordnet sind, zu leistungsbezogenen oder anderen praktischen Zwecken umfassen. Darüber hinaus können die Größe und die Gestalt der Lithiumionenbatterie 10 wie auch der Aufbau und die chemische Zusammenstellung ihrer Hauptkomponenten in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung, für welche sie entwickelt ist, variieren. Batteriebetriebene Kraftfahrzeuge und tragbare Konsumentenelektronikvorrichtungen sind zum Beispiel zwei Fällen, in denen die Lithiumionenbatterie 10 höchstwahrscheinlich mit unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsabgabe-Spezifikationen entwickelt sein wird. Die Lithiumionenbatterie 10 oder eine Vielzahl von Lithiumionenbatterien kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionenbatterien in Serie oder parallel geschaltet werden, um eine höhere Spannungsabgabe und mehr Strom (wenn parallel angeordnet) oder höhere Spannung (wenn in Serie angeordnet) zu erzeugen, wenn die Lastvorrichtung 22 dies erfordert.
Die Lithiumionenbatterie 10 arbeitet im Allgemeinen, indem Lithiumionen reversibel zwischen der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 fließen. Im vollständig geladenen Zustand ist die Spannung der Batterie 10 bei einem Maximum (typischerweise im Bereich von 2,0 V bis 5,0 V); im vollständig entladenen Zustand ist die Spannung der Batterie 10 dagegen bei einem Minimum (typischerweise im Bereich von 0 V bis 2,0 V). Die Fermi-Energielevel der aktiven Materialien in der positiven und negativen Elektrode 14, 12 verändern sich während des Batteriebetriebs wesentlich, und das gleiche gilt für den Unterschied zwischen den beiden, als Batteriespannung bekannt. Die Batteriespannung nimmt während einer Entladung ab, wobei die Fermi-Level sich einander annähern. Während einer Ladung läuft der umgekehrte Prozess ab, wobei sich die Batteriespannung erhöht, wenn die Fermi-Level aufeinander zu bewegt werden. Während einer Batterieentladung ermöglicht die äußere Lastvorrichtung 22, dass ein Elektronenstrom in dem äußeren Stromkreis 18 fließt, und zwar mit einer solchen Richtung, dass die Differenz zwischen den Fermi-Leveln (und entsprechend die Zellspannung) abnimmt. Das Umgekehrte tritt während einer Batterieladung auf: das Batterieladegerät bewirkt, dass ein Elektronenstrom in dem äußeren Stromkreis 18 mit einer solchen Richtung fließt, dass die Differenz zwischen den Fermi-Leveln (und dementsprechend die Zellspannung) ansteigt.
Am Beginn einer Entladung enthält die negative Elektrode 12 der Lithiumionenbatterie 10 eine hohe Konzentration an interkaliertem bzw. eingelagertem Lithium, während die positive Elektrode 14 relativ depletiert ist. Wenn die negative Elektrode 12 eine genügend höhere relative Menge an interkaliertem Lithium enthält, kann die Lithiumionenbatterie 10 einen vorteilhaften elektrischen Strom mit Hilfe reversibler elektrochemischer Reaktionen erzeugen, welche auftreten, wenn der äußere Stromkreis 18 unter Verwendung der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 geschlossen ist. Die Herstellung des geschlossenen äußeren Stromkreises verursacht unter solchen Umständen die Extraktion von interkaliertem Lithium aus der negativen Elektrode 12. Die extrahierten Lithiumatome werden in Lithiumionen (identifiziert durch die schwarzen Punkte und durch die nicht ausgefüllten Kreise, die eine (+)-Ladung haben) und Elektronen (e^–) gespalten, wenn sie einen Interkalations-Wirt an der Grenzfläche negativer Elektrode-Elektrolyt verlassen.
Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 14 und der negativen Elektrode 12 (im Bereich von etwa 2,0 bis etwa 5,0 V, abhängig von der genauen chemischen Zusammensetzung der Elektroden 14, 12) lenkt die Elektronen (e^–), die durch die Oxidation von eingelagertem Lithium an der negativen Elektrode 12 produziert werden, durch den äußeren Stromkreis 18 zu der positiven Elektrode 14. Die Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 12 produziert werden, werden gleichzeitig durch die Elektrolytlösung durch den porösen Separator 16 in Richtung der positiven Elektrode 14 getragen. Die Elektronen (e^–), die durch den äußeren Stromkreis 18 fließen, und die Lithiumionen, die durch den Separator 16 in die Elektrolytlösung wandern, vereinigen sich gegebenenfalls und bilden interkaliertes bzw. eingelagertes Lithium an der positiven Elektrode 14. Der elektrische Strom, der durch den äußeren Stromkreis 18 geht, kann nutzbar gemacht werden und durch die Lastvorrichtung 22 geführt werden, bis das eingelagerte Lithium in der negativen Elektrode 12 unter einen betriebsfähigen Level fällt oder die Notwendigkeit für elektrische Energie aufhört.
Die Lithiumionenbatterie 10 kann zu einer beliebigen Zeit nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität geladen oder erneuert (repowered) werden, indem ein äußeres Batterieladegerät an die Lithiumionenbatterie 10 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen, die während einer Batterieentladung ablaufen, umzukehren. Der Anschluss einer äußeren Stromquelle an die Lithiumionenbatterie 10 erzwingt die ansonsten nicht spontane Oxidation von Lithiumübergangsmetalloxid oder -phosphat an der positiven Elektrode 14 unter Herstellung von Elektronen und Freisetzung von Lithiumionen. Die Elektronen, die zurück in Richtung der negativen Elektrode 12 durch den äußeren Stromkreis 18 fließen, und die Lithiumionen, die durch den Elektrolyten durch den mikroporösen Polymerseparator 16 zurück zu der negativen Elektrode 12 getragen werden, vereinigen sich in der negativen Elektrode 12 und füllen sie wieder mit eingelagertem Lithium für einen Verbrauch während des nächsten Batterieentladungszyklus auf.
Das äußere Batterieladegerät, das verwendet werden kann, um die Lithiumionenbatterie 10 aufzuladen, kann in Abhängigkeit von der Größe, dem Aufbau und der bestimmten Endverwendung der Lithiumionenbatterie 10 variieren. Einige geeignete äußere Batterieladegeräte umfassen ein Batterieladegerät, das in eine Wechselstrom-Wandsteckdose eingesteckt wird, und einen Motorfahrzeug-Wechselstromgenerator.
Was nun 5 betrifft, so wird ein weiteres Beispiel einer Lithiumionenbatterie 10' gezeigt. Dieses Beispiel umfasst den Separator 16', der in 2 gezeigt ist, der zwischen einer negativen Elektrode 12 und einer positiven Elektrode 14 angeordnet ist.
Wie oben diskutiert wurde, ist die Beschichtung 24 auf der Membran 26 des Separators 16' aus Poly(Undecylenyl-Makrocyclus) gebildet.
In diesem Beispiel wirkt der Separator 16' sowohl als elektrischer Isolator als auch als mechanischer Träger und ist zwischen der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 angeordnet, um einen physikalischen Kontakt zwischen den zwei Elektroden 12, 14 und das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Der Separator 16 stellt eine Passage von Lithiumionen (in 5 durch die schwarzen Punkte und durch die nicht ausgefüllten Kreise, die eine (+)-Ladung haben, identifiziert) und in Beziehung stehender Anionen (in 5 durch die nicht ausgefüllten Kreise, die eine (–)-Ladung haben, identifiziert) durch eine Elektrolytlösung, die seine Poren füllt, sicher. Der Chelatbildner 15, der in der Beschichtung 24 des Separators 16' vorliegt, fängt die unerwünschten Metallionen (z. B. Mn²⁺) auch wirksam ein und immobilisiert sie, um die Wanderung dieser Metallkationen durch die Elektrolytlösung hin zu der negativen Elektrode 12 zu verhindern.
Die anderen Komponenten (z. B. die Elektroden 12, 14, die Stromabnehmer 12a, 14a, der äußere Stromkreis 18, die Lastvorrichtung 22, usw.) und der Betrieb der Batterie 10' sind ähnlich den Komponenten, die vorher für Batterie 10 und den Betrieb der Batterie 10 beschrieben wurden.
Was nun 6 betrifft, so wird noch ein anderes Beispiel der Lithiumionenbatterie 10'' gezeigt. Dieses Beispiel umfasst die in 3 gezeigte positive Elektrode 14', die so angeordnet ist, dass die Beschichtung 24 an eine Seite der porösen Membran 26 (die in diesem Beispiel als Separator fungiert) angrenzt. Wie oben diskutiert wurde, wird die Beschichtung 24 auf der Struktur 25 der positiven Elektrode 14' aus Poly(Undecylenyl-Makrocyclus) gebildet.
In diesem Beispiel wirkt die Membran 26 sowohl als elektrischer Isolator als auch als mechanischer Träger und ist zwischen der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14' angeordnet, um einen physikalischen Kontakt zwischen den zwei Elektroden 12, 14' und das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Die Membran 26 stellt eine Passage von Lithiumionen (in 6 durch die schwarzen Punkte und durch die nicht ausgefüllten Kreise, die eine (+)-Ladung haben, identifiziert) und in Bezug stehenden Anionen (in 6 durch die nicht ausgefüllten Kreise, die eine (–)-Ladung haben, identifiziert) durch eine Elektrolytlösung, die ihre Poren füllt, sicher. Beliebige Beispiele der Membran 26, die vorher beschrieben wurden, können in diesem Beispiel der Batterie 10'' eingesetzt werden.
Wie oben erwähnt wurde, ist die Beschichtung 24 der positiven Elektrode 14' angrenzend an die Membran 26 positioniert. In diesem Beispiel fängt der Chelatbildner 15, der in der Beschichtung 24 der positiven Elektrode 14' vorliegt, die unerwünschten Metallkationen (z. B. Mn²⁺) wirksam ab und immobilisiert sie, um die Wanderung dieser Metallkationen durch die Membran 26 (und die Elektrolytlösung) und zu der negativen Elektrode 12 zu verhindern.
Die anderen Komponenten (z. B. die Elektrode 12, die Stromabnehmer 12a, 14a, der äußere Stromkreis 18, die Lastvorrichtung 22, usw.) und der Betrieb der Batterie 10'' sind ähnlich den Komponenten, die hierin vorher in Bezug auf die Batterie 10 beschrieben wurden, und ähnlich dem Betrieb der Batterie 10.
Zur weiteren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung werden hierin Beispiele angeführt. Es ist zu verstehen, dass diese Beispiele zu Erläuterungszwecken bereitgestellt werden und nicht als den Umfang der Offenbarung beschränkend aufgebaut sind.
BEISPIELE
Herstellung von Lithiumundecylenat
Das Monomer, Undecylensäuretrimethylsilylester, und Poly(undecylensäure) wurden hergestellt. In einen 3-Liter-Dreihalsrundkolben, der mit einem Zugabetrichter, einem mechanischen Rührer und einem Rückflusskühler ausgestattet war, wurden Undecylensäure (480 Gramm, 2,6 Mol), Pyridin (240 Gramm, 3,03 mol) und Toluol (900 Milliliter) gegeben. Danach wurde Thionylchlorid (326 Gramm, 3,0 mol) langsam über 2,5 Stunden mit dem Zugabetrichter zugegeben. Nach Rühren bei 25°C für 16 Stunden wurde das Präzipitat abfiltriert und mit Toluol gewaschen.
Die Filtrate wurden kombiniert und Toluol wurde unter Verwendung eines Rotationsverdampfers entfernt. Der Rückstand wurde destilliert und bei 25°C bis 115°C bei etwa 1 mm Quecksilber gesammelt. Eine zweite Fraktion wurde zwischen 115°C und 119°C bei etwa 1 mm Quecksilber gesammelt. Eine dritte Fraktion, gesammelt zwischen 115°C und 120°C bei etwa 1 mm Quecksilber, wurde durch IR-Spektroskopie (1640 cm^–1, Carbonylester-C=O), ¹³O- und ¹H-Spektrometrie als Trimethylsilylester von Undecylensäure (320,4 Gramm) ohne Hinweis auf das Vorliegen der freien Säure identifiziert.
Toluol (63 Gramm), Trimethylsilyl-undecylensäureester (10 Gramm) und Hexan (5 Gramm) wurden in ein Glasgefäß mit Schraubverschluss gegeben. Diethylaluminiumchlorid (1,8 molare Lösung in Toluol, 48 Milliliter) und TiCl₃.AA (Alfa, 2 Teelöffel) wurden unter Argonatmosphäre zugesetzt. Das Reaktionsgemisch wurde für 16 Stunden gerührt. Dann wurde Methanol tropfenweise zugegeben, bis das Gemisch grün wurde. Das grüne Reaktionsgemisch wurde dann zu Methanol/Salzsäure in einen Waring-Mischer gegeben, um das feste Polymer auszufällen. Nach Waschen mit Methanol, danach mit Wasser und danach mit Methanol in dem Mischer, gefolgt von Filtration, wurde das isolierte Polymer im Vakuum getrocknet, wodurch 2,6 Gramm des halbkristallinen Copolymerprodukts erhalten wurden. Das Polymer wurde in wässriges Lithiumchlorid eingetaucht und mit wässrigem Lithiumhydroxid titriert, bis pH 8 erreicht war. Darauf folgte ein Waschen mit Wasser, bis der pH der Wasserwaschflüssigkeit neutral war, wodurch Poly(Lithium-undecylenat) erhalten wurde.
Herstellung von Poly(Lithium-undecylenat-Hexen)-Copolymer
Ein Copolymer aus Hexen und Undecylensäure (umgesetzt als die geschützte Trimethylsilylester-Gruppe, die anschließend mit Säure entfernt wird) wurde unter Verwendung eines isotaktischen Ziegler-Natta-Katalysators hergestellt. Etwa 50% der Undecylensäure, als Trimethylsilylester eingebracht, wurde in die Polymerkette eingebaut. Toluol (63 Gramm), Trimethylsilyl-undecylensäureester (5 Gramm) und Hexan (5 Gramm) wurden in ein Glasgefäß mit Schraubverschluss gegeben. Diethylaluminiumchlorid (1,8 molare Lösung in Toluol, 22 Milliliter) und TiCl₃.AA (Alfa, 2 Teelöffel) wurden unter Argonatmosphäre zugesetzt. Das Reaktionsgemisch wurde für 16 Stunden gerührt. Danach wurde Methanol tropfenweise zugegeben, bis das Gemisch grün wurde. Das grüne Reaktionsgemisch wurde dann zu Methanol/Salzsäure in einen Waring-Mischer gegeben, um das feste Polymer auszufällen. Nach Waschen mit Methanol, danach mit Wasser und danach mit Methanol in einem Mischer, gefolgt von einer Filtration, wurde das isolierte Polymer im Vakuum getrocknet, wodurch das halbkristalline Copolymerprodukt Poly(25% Undecylensäure-Hexen) erhalten wurde. Das Polymer wurde in wässriges Lithiumchlorid getaucht und mit wässrigem Lithiumhydroxid bis pH 8 titriert, gefolgt von einem Waschen mit Wasser, bis der pH der Wasserwaschflüssigkeit neutral war.
Herstellung von Poly(undecylenoylchlorid)
In einen 250-ml-Rundkolben, der mit einem Zugabetrichter, einem Kühler mit Trocknungsrohr ausgestattet war, wurden Methylenchlorid (100 ml), Poly(undecylenylsäure) (2 g, 0,0109 mol) und Pyridin (0,86 g, 0,0109 mol) gegeben. Danach wurde tropfenweise Thionylchlorid (1,3 g, 0,0109 mol) zugegeben. Nach vollständiger Zugabe wurde das Gemisch für 24 Stunden refluxiert. Das Reaktionsgemisch wurde filtriert und das Lösungsmittel wurde unter Verwendung eines Rotationsverdampfers entfernt, wodurch Poly(Undecylenoylchlorid) erhalten wurde. Es ist zu verstehen, dass eine teilweise Umwandlung der Säure in das Säurechlorid erreicht werden kann, indem weniger Thionylchlorid eingesetzt wird.
Reaktion von Poly(undecylenoylchlorid) und 1-Aza-15-krone-5 & Batterieseparator, der mit dem Reaktionsprodukt beschichtet ist
1-Aza-15-krone-5 (2,5 g, 0,0114 mol) und Tetrahydrofuran (40 ml, frisch destilliert von blauem Natriumbenzophenonketyl) wurden unter Argon in einen 500-ml-Schlenk-Kolben gegeben, der in einem Eisbad gekühlt wurde und mit einem Magnetrührer und einem Gummiseptum ausgestattet war. Danach wurde 1,6 molares n-Butyllithium in THF (Aldrich, 7,2 ml, 0,0115 mol) mit Hilfe einer gasdichten Spritze zugesetzt. Nach 30 Minuten wurde dann das gesamte Poly(undecylenylchlorid) (2 g, 0,009877 mol) in frisch destilliertem Tetrahydrofuran (50 mL) auf einmal zugegeben. Das Gemisch wurde für 5 Tage gerührt und danach wurde es zu Methanol (500 mL) zugegeben, um das Polymer, Poly(N-Undecylenylamido-1-Aza-15-krone-5), auszufällen.
Dasselbe Produkt wurde erhalten, wenn Poly(undecenoylchlorid) (2 g, 0,009877 mol) mit 1-Aza-15-krone-5 (0,0217 mol, 4,76 g) in Tetrahydrofuran (90 mL) bei 23°C für 2 Wochen umgesetzt wurde.
Das Polymer (Poly(N-Undecylenylamido-1-Aza-15-krone-5, 1 g) in THF (100 mL) wurde mit einem IKA Turrax t25^®-Homogenisator homogenisiert und auf eine CELGARD^® 2320-Membran aufgetragen und wurde als Batterieseparator in einer Lithiumionenbatterie verwendet. Diese Batterie zeigte einen 0,5-reduzierten Kapazitätsverlust während eines beschleunigten Alterungstests bei 40°C Ladung-Entladung.
Batterieseparator, hergestellt mit Poly(Lithium-undecylenat-N-Aza-15-krone-5-Undecylenylamid) und geschäumtem Polytetrafluorethylen (ePTFE)
Poly(Lithium-undecylenat-N-Aza-15-krone-5-undecylenylamid) (1 g) und Lithiumchlorid (1 g) wurden in einem 1:1-Gemisch aus Propanol und Wasser (20 mL) unter Verwendung eines IKA Turrax t25-Homogenisators suspendiert. Ein 3-mil-Bird-Applikator mit Abdeckklebeband, das als Abstandshalter verwendet wurde, wurde verwendet, um einen nassen Film der Dispersion auf einen zweiseitig TFE-beschichteten Kapton-Film (American Durofilm), der als Trägerfolie verwendet wurde, aufzutragen. Geschäumtes Polytetrafluorethylen (Linqiao), das an einem Stickrahmen gedehnt worden war, wurde auf die Oberseite des feuchten Films gelegt, und die Dispersion wurde in das expandierte Polytetrafluorethylen imprägniert. Dann wurde eine optionale zweite Beschichtung der Dispersion auf dieses Verbundmaterial aufgetragen, wobei ein 3-mil-Bird-Applikator mit Abdeckklebeband, das als Abstandshalter verwendet wurde, verwendet wurde. Nach Erwärmen bei 80°C auf einer Heizplatte bis zur Trockene wurde das Produkt von dem Träger entfernt, um einen freistehenden Film herzustellen, der durch 16-stündiges Einweichen in entionisiertem Wasser mikroporös gemacht wurde. Das mikroporöse Poly(Lithium-undecylenat) mit ePTFE-Film wurde als Batterieseparator in einer Lithiumionenbatterie verwendet. Diese geträgerte mikroporöse Membran war mechanisch robuster als ohne das ePTFE, und wenn sie als Separator in einer Lithiumionenbatterie verwendet wurde, zeigte sie während eines beschleunigten Alterungstests Ladung-Entladung bei 40°C eine 0,5-reduzierten Kapazitätsverlust.
Es ist einzusehen, dass die hierin bereitgestellten Bereiche den festgelegten Bereich und jeden Wert oder Unterbereich innerhalb des festgelegten Bereichs. Beispielsweise sollte ein Bereich von etwa 25°C bis etwa 115°C so interpretiert werden, dass er nicht nur die explizit angegebenen Grenzen von etwa 25°C bis etwa 115°C umfasst, sondern auch einzelne Werte, zum Beispiel 29,5°C, 100°C, usw., sowie Unterbereiche, zum Beispiel von etwa 50°C bis etwa 110°C, usw. Wenn darüber hinaus ”etwa” verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, so ist gemeint, dass geringere Abweichungen (bis zu +/–5%) von dem angegebenen Wert umfasst werden.
Eine Bezugnahme in der Beschreibung auf ”ein Beispiel”, ”ein weiteres Beispiel”, ”ein Beispiel”, usw. bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Charakteristikum), das in Verbindung mit dem Beispiel beschrieben ist, in wenigstens einem hierin beschriebenen Beispiel enthalten ist und in anderen Beispielen vorliegen kann oder nicht. Außerdem ist zu verstehen, dass die beschriebenen Elemente für ein bestimmtes Beispiel in beliebiger geeigneter Weise in den verschiedenen Beispielen kombiniert werden können, es sei, der Kontext diktiert klar etwas anderes.
Beim Beschreiben und Beanspruchen umfassen die hierin offenbarten Beispiele die Singularformen ”ein” bzw. ”eine” und ”der” bzw. ”die” bzw. ”das” Pluralbezeichnungen, es sei denn, der Kontext diktiert klar etwas anderes.
Während verschiedene Beispiele im Detail beschrieben wurden, wird es dem Fachmann klar sein, dass die offenbarten Beispiele modifiziert werden können. Daher ist die vorstehende Beschreibung nicht als beschränkend anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

P. Arora und Z. Zhang, ”Battery Separators”, Chem. Rev., 104, 4424–4427 (2004) [0041]

Claims

Lithiumionenbatterie-Separator, umfassend: einen mikroporösen Film eines polymeren Chelatbildners, wobei der polymere Chelatbildner Poly(undecylenyl-Makrocyclus) umfasst, wobei der Makrocyclus ein Chelatbildner ist.
Lithiumionenbatterie-Separator nach Anspruch 1, wobei der Chelatbildner aus der Gruppe bestehend aus einem Kronenether, einem Kronenether, in dem wenigstens ein Ethersauerstoff durch ein Heteroatom ersetzt ist, einem Podanden, einem Lariatether, einem Calixaren, einer Calixkrone oder Mischungen davon ausgewählt ist.
Lithiumionenbatterie-Separator nach Anspruch 1, wobei der Chelatbildner aus der Gruppe bestehend aus

und Mischungen davon ausgewählt ist.
Lithiumionenbatterie-Separator nach Anspruch 1, der außerdem eine poröse Polymermembran umfasst, wobei der poröse Film eine Beschichtung auf einer Oberfläche der porösen Polymermembran ist.
Positive Elektrode, umfassend eine Struktur, die ein aktives Material auf Lithiumübergangsmetallbasis, ein Bindemittel und leitfähigen Kohlenstoff umfasst, und eine Beschichtung, die auf einer Oberfläche der Struktur gebildet ist, wobei die Beschichtung ein Poly(indecylenyl-Makrocyclus) umfasst, wobei der Makrocyclus ein Chelatbildner ist.
Positive Elektrode nach Anspruch 5, wobei der Chelatbildner aus der Gruppe bestehend aus

und Mischungen davon ausgewählt ist.
Lithiumionenbatterie, umfassend: eine positive Elektrode; eine negative Elektrode; einen mikroporösen Polymerseparator, durchtränkt mit Elektrolytlösung, wobei der mikroporöse Polymerseparator zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist, und einen polymeren Chelatbildner, der ein Poly(undecylenyl-Makrocyclus) umfasst, wobei der Makrocyclus ein Chelatbildner ist, der polymere Chelatbildner i) auf einer Oberfläche der positiven Elektrode abgeschieden ist, oder ii) als der mikroporöse Polymerseparator eingebaut ist, oder iii) auf einer Oberfläche einer porösen Polymermembran unter Bildung des mikroporösen Polymerseparators abgeschieden ist.
Lithiumionenbatterie nach Anspruch 7, wobei der Chelatbildner aus der Gruppe bestehend aus einem Kronenether, einem Kronenether, in der wenigstens ein Ethersauerstoff durch ein Heteroatom ersetzt ist, einem Podanden, einem Lariatether, einem Calixaren, einer Calixkrone oder Kombinationen davon ausgewählt ist.
Lithiumionenbatterie nach Anspruch 7, wobei das Poly(undecylenyl-Makrocyclus) auf der Oberfläche der porösen Polymermembran abgeschieden ist, und wobei die poröse Polymermembran aus der Gruppe bestehend aus einer porösen Polypropylenmembran, einer porösen Polyethylenmembran und einer geschäumten Polytetrafluorethylenmembran ausgewählt ist.
Lithiumionenbatterie nach Anspruch 7, wobei der Chelatbildner aus der Gruppe bestehend aus

und Mischungen davon ausgewählt ist.
Verfahren zur Herstellung eines polymeren Chelatbildners für eine Lithiumionenbatterie, wobei das Verfahren umfasst: Polymerisieren von Trimethylsilylundecylenat durch Ziegler-Natta-Polymerisation in Gegenwart eines Ziegler-Natta-Katalysators unter Bildung von Poly(undecylensäure) und Funktionalisieren der Polyundecylensäure mit einem Chelatbildner durch: Umsetzen der Polyundecylensäure mit Thionylchlorid und Pyridin unter Bildung von Poly(undecylenoylchlorid); Bilden eines Reaktionsgemisches aus dem Poly(undecylenoylchlorid) und einem Chelatbildner-Vorläufer in Salzform und Behandeln des Reaktionsgemisches mit einer wässrigen Base, um nicht umgesetzte Chloridgruppen von Poly(undecylenoylchlorid) zu hydrolysieren; wobei das Funktionalisierungsverfahren den Chelatbildner durch eine beliebige von Ester- und Amidgruppen an das Poly(undecylenoylchlorid) unter Bildung eines Poly(undecylenyl-Makrocyclus) bindet; wobei: der Polymerisierungsschritt ein Poly(undecylensäure)-Olefin-Copolymer bildet und der Polymerisierungsschritt das Trimethylsilylundecylenat und ein anderes Olefin involviert; wobei das Verfahren vor den Reaktionsschritten außerdem Umwandeln der Polyundecylensäure in einen porösen Film unter Verwendung von Schmelzverarbeitung umfasst; wobei das Verfahren nach den Reaktionsschritten außerdem Umwandeln des polymeren Chelatbildners in einen porösen Film unter Verwendung von Schmelzverarbeitung umfasst; und wobei die wässrige Base Lithiumhydroxid ist.