DE102015207552A1

DE102015207552A1 - Sauerstoff-Kathode mit schwammartiger Kohlenstoffgerüststruktur

Info

Publication number: DE102015207552A1
Application number: DE102015207552.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wöhrle; Felix Eberle; Bernd Schumann; Calin Iulius Wurm; Vikram Anil Godbole
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2016-10-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sauerstoff-Kathode (10) für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie. Um die Leistungsfähigkeit, den Kapazitätserhalt, die Langzeitzyklenstabilität und die Lebensdauer der Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie zu verbessern, umfasst die Kathode (10) eine elektrisch leitende, schwammartige Gerüststruktur (11). Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine entsprechende Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie sowie Verwendung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sauerstoff-Kathode für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie, eine Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie sowie eine Verwendung.
Stand der Technik
Lithium-Sauerstoff-Zellen und -Batterien sind prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen und zeichnen sich unter anderem, insbesondere aufgrund einer Konversionsreaktion von Sauerstoff, durch eine besonders hohe Energiedichte beziehungsweise spezifische Energie aus.
Lithium-Sauerstoff-Zellen umfassen eine Kathode, welche auch als positive Elektrode beziehungsweise Sauerstoff-Kathode beziehungsweise Sauerstoffelektrode bezeichnet wird, zur Oxidation und Reduktion von Sauerstoff und eine Anode, welche auch als negative Elektrode bezeichnet wird, auf Basis von, insbesondere metallischem, Lithium.
Beim Entladen einer Lithium-Sauerstoff-Zelle finden an der Anode und der Kathode die folgenden Reaktionen statt: Anode: 2 Li → 2 Li+ + 2 e^– Kathode: 2 Li+ + 2 e^– + O₂ → Li₂O₂
Beim Entladen einer Lithium-Sauerstoff-Zelle wird an der Anode Lithium zu Lithiumionen oxidiert, wobei die Lithiumionen in Richtung der Kathode und Elektronen in einen externen Stromkreis abgegeben werden, wobei an der Kathode gasförmiger Sauerstoff reduziert und Lithiumperoxid gebildet wird.
Beim Laden einer Lithium-Sauerstoff-Zelle finden an der Anode und der Kathode die folgenden Reaktionen statt: Anode: 2 Li+ + 2 e^– → 2 Li Kathode: Li₂O₂ → 2 Li+ + 2 e^– + O₂
Beim Laden einer Lithium-Sauerstoff-Zelle wird durch den externen Stromkreis an der Kathode eine Oxidation des Lithiumperoxids zu gasförmigem Sauerstoff sowie Lithiumionen und Elektronen bewirkt. Dabei werden an der Anode Lithiumionen und Elektronen zu metallischem Lithium kombiniert.
In der Druckschrift US 5,510,209 A wird von Abraham et al. eine Lithium-Luft-Zelle mit einer metallischen Lithium-Anode und einer Sauerstoff-Kathode beschrieben.
Jake Christensen et al. haben in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1-R30 (2012)) einen Review zur Lithium-Luft-Technologie publiziert.
Lithium-Luft-Zellen sind von der Firma Polyplus, Vereinigte Staaten von Amerika, Kalifornien, bekannt.
Von Bruce et. al. (A Reversible and Higher-Rate Li-O2-Battery; Zhangquan Peng, Stefan A. Freunberger, Yuhui Chen, Peter G. Bruce; Science Express Reports; July 25th, 2012; Science DOI: 10.1126/science.1223985) werden nanoporöse Goldkathoden beschrieben.
Die Druckschriften US 2013/0171527 A1 , US 2012/0202033 A1 und EP 2 618 410 A1 betreffen Lithium-Luft-Batterien.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Sauerstoff-Kathode, welche auch als Sauerstoffelektrode bezeichnet werden kann, für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie.
Die Kathode kann insbesondere eine elektrisch leitende, schwammartige Gerüststruktur umfassen.
Unter einer schwammartigen Gerüststruktur kann insbesondere eine Gerüststruktur verstanden werden, welche ähnlich der Gerüststruktur eines Schwammes ist. Beispielsweise kann eine schwammartige Gerüststruktur maschenförmig und/oder zellulär, zum Beispiel aus maschenförmig verbundenen, beispielsweise Zellen bildenden, (Verbindungs-)Stegen, ausgebildet sein.
Unter einer Lithium-Sauerstoff-Zelle kann insbesondere eine elektrochemische Zelle, beispielsweise eine Batteriezelle, zum Beispiel eine sekundäre oder primäre Batteriezelle, verstanden werden, an deren elektrochemischer Reaktion Lithium und Sauerstoff beteiligt sind. Beispielsweise kann eine Lithium-Sauerstoff-Zelle eine Lithium-Luft-Zelle sein.
Unter einer Lithium-Sauerstoff-Batterie kann insbesondere ein System verstanden werden, welches mehrere Lithium-Sauerstoff-Zellen umfasst. Beispielsweise kann eine Lithium-Sauerstoff-Batterie eine Lithium-Luft-Batterie sein.
Dadurch, dass die Kathode die elektrisch leitende, schwammartige Gerüststruktur umfasst, kann vorteilhafterweise Lithiumperoxid (Li₂O₂), welches während des Entladens der Zelle gebildet wird und nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, in der inneren Porosität der schwammartigen Gerüststruktur eingeschlossen und elektrisch leitend kontaktiert werden, insbesondere so dass vorteilhafterweise die gesamte Kathode mit Elektronen versorgt und eine verbesserte Leistungsfähigkeit der Zelle erzielt werden kann. Zudem kann durch die elektrisch leitende, schwammartige Gerüststruktur eine herkömmlicherweise während des Entladens und Ladens auftretende Volumenänderung der Kathode als solche, insbesondere eine mit der Bildung von Lithiumperoxid während des Entladens einhergehende Volumenvergrößerung und eine mit dessen Rückbildung während des Ladens einhergehende Volumenverkleinerung der Kathode als solche, welche bei herkömmlichen Sauerstoff-Kathoden aus einer pulverbasierten, porösen Kathodenmaterialmischungen, beispielsweise aus Leitkohlenstoff, Katalysator und Binder, auftreten und beispielsweise nach mehreren Lade-Entlade-Zyklen zu einer Unterbrechung der elektrischen Kontaktierung und damit zu einem Kapazitätsverlust führen könnte, vermieden werden. So kann wiederum vorteilhafterweise ein verbesserter Kapazitätserhalt sowie eine verbesserte Langzeitzyklenstabilität und damit eine längere Lebensdauer der Zelle erzielt werden. Darüber hinaus kann durch die schwammartige und somit offene Gerüststruktur eine hohe spezifische Oberfläche und eine hohe Perkolation bereitgestellt werden, welche vorteilhafterweise eine große Reaktionsoberfläche bieten und gewährleisten kann, dass weite Bereiche der Kathode ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden können. So kann wiederum ebenfalls die Leistungsfähigkeit der Zelle verbessert werden.
Insgesamt kann somit durch die elektrisch leitende, schwammartige Gerüststruktur – zum Beispiel verglichen mit einer herkömmlichen Sauerstoff-Kathode aus einer pulverbasierten, porösen Kathodenmaterialmischung, beispielsweise aus Leitkohlenstoff, Katalysator und Binder, – vorteilhafterweise die Leistungsfähigkeit, der Kapazitätserhalt, die Langzeitzyklenstabilität und die Lebensdauer der Lithium-Sauerstoff-Zelle beziehungsweise -Batterie verbessert werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform ist die, insbesondere schwammartige, Gerüststruktur offenzellig. So kann vorteilhafterweise eine gute Durchströmung der Kathode erzielt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die, insbesondere schwammartige, Gerüststruktur einstückig. Insbesondere kann dabei die Kathode eine einstückige, elektrisch leitende, schwammartige Gerüststruktur aufweisen. Durch die Verwendung einer einstückigen, elektrisch leitenden, schwammartigen Gerüststruktur kann vorteilhafterweise eine besonders hohe mechanische Stabilität der Gerüststruktur erzielt und damit – zum Beispiel verglichen mit einer herkömmlichen Sauerstoff-Kathode aus einer pulverbasierten, porösen Kathodenmaterialmischung, beispielsweise aus Leitkohlenstoff, Katalysator und Binder, – die Leistungsfähigkeit, der Kapazitätserhalt, die Langzeitzyklenstabilität und die Lebensdauer der Lithium-Sauerstoff-Zelle beziehungsweise -Batterie weiter verbessert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die, insbesondere schwammartige, Gerüststruktur einen durchschnittlichen Zelldurchmesser (D₁₁) in einem Bereich von ≥ 20 nm bis ≤ 1 mm auf. Beispielsweise kann die Gerüststruktur einen durchschnittlichen Zelldurchmesser (D₁₁) in einem Bereich von ≥ 50 nm bis ≤ 1 mm aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die, insbesondere schwammartige, Gerüststruktur aus Kohlenstoff und/oder mindestens einem Metall, beispielsweise Nickel, ausgebildet. Im Fall einer Kohlenstoffgerüststruktur kann vorteilhafterweise aufgrund des verglichen mit dem Gewicht von Metallen geringeren Gewichts des Kohlenstoffs eine höhere spezifische Energiedichte erzielt werden. Daher ist die Gerüststruktur vorzugsweise aus Kohlenstoff ausgebildet. Beispielsweise kann die Gerüststruktur eine, insbesondere einstückige, schwammartige Kohlenstoffgerüststruktur beziehungsweise Kohlenstoffstruktur sein. Beispielsweise kann die Gerüststruktur aus einem zellulären Kohlenstoff ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Gerüststruktur, insbesondere die Kohlenstoffgerüststruktur, durch Pyrolyse eines Schaums oder einer Emulsion aus mindestens einem organischen Material hergestellt. So kann vorteilhafterweise eine schwammartige Gerüststruktur, beispielsweise Kohlenstoffgerüststruktur, mit einer hohen Porosität und spezifischen Oberfläche und/oder beispielsweise auch mit einer definiert einstellbaren durchschnittlichen Porengröße auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden. Im Fall einer Emulsion kann vor der Pyrolyse insbesondere eine der Flüssigkeiten, beispielsweise Öl, entfernt werden. Zum Beispiel kann die Herstellung der Gerüststruktur unter Verwendung einer wässrigen Lösung, welche mindestens ein Tannin, mindestens einen Vernetzer und mindestens ein Tensid enthält, erfolgen. Zum Beispiel kann die Gerüststruktur wie von A. Szczurek, V. Fierro, A. Pizzi und A. Celzard in dem Artikel „Mayonnaise, whipped cream and meringue, a new carbon cuisine" in Carbon (2013) (doi:10.1016/j.carbon.2013.02.056) beschrieben hergestellt sein.
Weiterhin kann die Kathode elektrisch leitende Partikel umfassen. Beispielsweise kann die Gerüststruktur, insbesondere die Zellen der Gerüststruktur, elektrisch leitende Partikel umfassen. Zum Beispiel kann die Kathode, insbesondere die Gerüststruktur, beispielsweise die Zellen der Gerüststruktur, (weiterhin) Kohlenstoffpartikel umfassen.
Zum Beispiel kann die Kathode, insbesondere die Gerüststruktur, beispielsweise die Zellen der Gerüststruktur, (weiterhin) Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Kohlenstofffasern, insbesondere Kohlenstoffnanoröhrchen, umfassen. So kann vorteilhafterweise die spezifische Oberfläche der Kathode vergrößert werden.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Kathode, insbesondere die Gerüststruktur, beispielsweise die Zellen der Gerüststruktur, (weiterhin) poröse, elektrisch leitende Partikel, insbesondere poröse Kohlenstoffpartikel, umfassen. So kann vorteilhafterweise ebenfalls die spezifische Oberfläche der Kathode vergrößert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kathode, insbesondere die Gerüststruktur, beispielsweise die Zellen der Gerüststruktur, daher poröse, elektrisch leitende Partikel, insbesondere poröse Kohlenstoffpartikel, und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Kohlenstofffasern. Zum Beispiel kann die Kathode, insbesondere die Gerüststruktur, beispielsweise die Zellen der Gerüststruktur, poröse, elektrisch leitende Partikel, insbesondere poröse Kohlenstoffpartikel, und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen.
Die Gerüststruktur kann insbesondere einen definierten durchschnittlichen Zelldurchmesser und/oder die porösen, elektrisch leitenden Partikel, insbesondere die porösen Kohlenstoffpartikel, können insbesondere einen definierten durchschnittlichen Porendurchmesser aufweisen. Durch Einstellen des durchschnittlichen Zelldurchmesser beziehungsweise des durchschnittlichen Porendurchmessers kann vorteilhafterweise die ausbildbare Schichtdicke von sich im Inneren bildenden Lithiumperoxid, welches eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, beschränkt werden. So kann vorteilhafterweise vermieden werden, dass die Schichtdicke des Lithiumperoxids, welche sich ansonsten während des Entladens kontinuierlich vergrößern kann, was mit einer kontinuierlichen Vergrößerung der Impedanz und des Innenwiderstandes der Zelle einhergehen kann, über eine – beispielsweise im Hinblick auf die Impedanz und den Innenwiderstand und damit die Leistungsfähigkeit – maximal tolerierbare Schichtdicke hinaus anwächst. So kann wiederum vorteilhafterweise insbesondere die Leistungsfähigkeit sowie gegebenenfalls auch die Langzeitzyklenstabilität und Lebensdauer der Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie weiter erhöht werden.
Zum Beispiel kann die Gerüststruktur einen durchschnittlichen Zelldurchmesser und/oder können die porösen, elektrisch leitenden Partikel, insbesondere die porösen Kohlenstoffpartikel, einen durchschnittlichen Porendurchmesser aufweisen, welcher kleiner als das Doppelte einer – insbesondere im Hinblick auf die Impedanz und/oder den Innenwiderstand und/oder die Leistungsfähigkeit der Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie – maximal tolerierbaren Lithiumperoxidschichtdicke ist.
Beispielsweise kann die maximal tolerierbare Lithiumperoxidschichtdicke bei etwa 500 nm liegen. So kann vorteilhafterweise eine akzeptable Leistungsfähigkeit der Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie erzielt werden. Insbesondere kann die maximal tolerierbare Lithiumperoxidschichtdicke bei etwa 125 nm liegen. So kann vorteilhafterweise die Leistungsfähigkeit der Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie weiter gesteigert werden.
Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform weist die Gerüststruktur einen durchschnittlichen Zelldurchmesser (D₁₁) von < 1000 nm auf. Insbesondere kann die Gerüststruktur dabei einen durchschnittlichen Zelldurchmesser (D₁₁) von < 250 nm aufweisen. So kann vorteilhafterweise bereits durch die Gerüststruktur als solches Lithiumperoxid eingeschlossen und eine Beschränkung der ausbildbaren Lithiumperoxidschichtdicke und damit eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie erzielt werden. Dadurch kann wiederum vorteilhafterweise eine Volumenänderung der Kathode als solche und eine Unterbrechung der elektrischen Kontaktierung verhindert und auf diese Weise der Kapazitätserhalt und die Langzeitzyklenstabilität verbessert sowie die Lebenszeit und Leistungsfähigkeit der Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie erhöht werden. Zum Beispiel kann dabei die Gerüststruktur dabei einen durchschnittlichen Zelldurchmesser (D₁₁) in einem Bereich von ≥ 20 nm bis < 1000 nm, beispielsweise von ≥ 50 nm bis < 250 nm, aufweisen.
Im Rahmen einer anderen speziellen Ausführungsform weist die Gerüststruktur jedoch einen durchschnittlichen Zelldurchmesser (D₁₁) in einem Bereich von ≥ 300 nm bis ≤ 1 mm auf. So kann vorteilhafterweise eine hohe Perkolation beziehungsweise Sauerstoffversorgung bereitgestellt werden. So kann zum einen ein geringerer Druck von außen appliziert werden. Dadurch kann vorteilhafterweise gegebenenfalls der Aufbau vereinfacht und beispielsweise auf Spannbänder und/oder Spannplatten, insbesondere zum Modulzusammenhalt und/oder Packzusammenhalt, welche im Verhältnis zum Gewicht der Zelle ein Gewicht in einer Größenordnung von etwa 10 % ausmachen können, verzichtet und auf diese Weise die spezifische Energie der Zelle beziehungsweise Batterie signifikant erhöht werden. Zum anderen können so die Zellen der Gerüststruktur elektrisch leitende Partikel, beispielsweise poröse, elektrisch leitende Partikel, insbesondere poröse Kohlenstoffpartikel, und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Kohlenstofffasern, aufnehmen, wodurch die spezifische Oberfläche der Kathode weiter erhöht werden kann.
Im Rahmen einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weisen die porösen, elektrisch leitenden Partikel, insbesondere die porösen Kohlenstoffpartikel, einen durchschnittlichen Porendurchmesser von < 1000 nm auf. Beispielsweise können die porösen, elektrisch leitenden Partikel, insbesondere die porösen Kohlenstoffpartikel, einen durchschnittlichen Porendurchmesser von< 250 nm aufweisen. Insbesondere kann dabei die Kathode, beispielsweise die Gerüststruktur, zum Beispiel die Zellen der Gerüststruktur, poröse, elektrisch leitende Partikel, insbesondere poröse Kohlenstoffpartikel, mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser von < 1000 nm umfassen. Zum Beispiel kann dabei die Kathode, beispielsweise die Gerüststruktur, zum Beispiel die Zellen der Gerüststruktur, poröse, elektrisch leitende Partikel, insbesondere poröse Kohlenstoffpartikel, mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von < 250 nm umfassen. So kann vorteilhafterweise durch die porösen, elektrisch leitenden Partikel Lithiumperoxid eingeschlossen und eine Beschränkung der ausbildbaren Lithiumperoxidschichtdicke und damit eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie erzielt werden. Durch die Gerüststruktur kann dabei vorteilhafterweise eine hohe Perkolation beziehungsweise Sauerstoffversorgung bereitgestellt werden. Insbesondere kann so auch vorteilhafterweise eine Volumenänderung der Kathode als solche und eine Unterbrechung der elektrischen Kontaktierung verhindert und auf diese Weise der Kapazitätserhalt und die Langzeitzyklenstabilität verbessert sowie die Lebenszeit und Leistungsfähigkeit der Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie erhöht werden. Darüber hinaus kann auch hierbei ein geringerer Druck von außen appliziert werden. Dadurch kann vorteilhafterweise gegebenenfalls der Aufbau vereinfacht und beispielsweise auf Spannbänder und/oder Spannplatten, insbesondere zum Modulzusammenhalt und/oder Packzusammenhalt, welche im Verhältnis zum Gewicht der Zelle ein Gewicht in einer Größenordnung von etwa 10 % ausmachen können, verzichtet und auf diese Weise die spezifische Energie der Zelle beziehungsweise Batterie signifikant erhöht werden.
Zum Beispiel kann der durchschnittliche Porendurchmesser der porösen, elektrisch leitenden Partikel, insbesondere der porösen Kohlenstoffpartikel, in einem Bereich von ≥ 20 nm bis < 1000 nm liegen. Beispielsweise kann der durchschnittliche Porendurchmesser der porösen, elektrisch leitenden Partikel, insbesondere der porösen Kohlenstoffpartikel, in einem Bereich von ≥ 50 nm bis < 250 nm liegen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die innere Oberfläche der Gerüststruktur beziehungsweise sind die Verbindungsstege beziehungsweise Zellwände der Gerüststruktur mit elektrisch leitenden Partikeln beschichtet. Beispielsweise kann die innere Oberfläche der Gerüststruktur beziehungsweise können die Verbindungsstege beziehungsweise Zellwände der Gerüststruktur mit Kohlenstoffpartikeln beschichtet sein. Zum Beispiel kann die innere Oberfläche der Gerüststruktur beziehungsweise können die Verbindungsstege beziehungsweise Zellwände der Gerüststruktur mit Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder porösen, elektrisch leitenden Partikeln, insbesondere porösen Kohlenstoffpartikeln, und/oder Kohlenstofffasern, beschichtet sein. So kann vorteilhafterweise die elektrochemisch aktive, elektrisch leitende Oberfläche vergrößert werden.
Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist die innere Oberfläche der Gerüststruktur beziehungsweise sind die Verbindungsstege beziehungsweise Zellwände der Gerüststruktur mit Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder porösen, elektrisch leitenden Partikeln, insbesondere porösen Kohlenstoffpartikeln, beschichtet. Kohlenstoffnanoröhrchen und elektrisch leitende Partikel, insbesondere poröse Kohlenstoffpartikel, können im Hinblick auf eine Beschränkung der Lithiumperoxidschichtdicke besonders vorteilhaft sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die elektrisch leitenden Partikel, insbesondere die Kohlenstoffpartikel, chemisch an die Gerüststruktur, insbesondere an die Verbindungsstege beziehungsweise Zellwände der Gerüststruktur, gebunden. Beispielsweise können die Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder die porösen, elektrisch leitenden Partikel, insbesondere die porösen Kohlenstoffpartikel, und/oder die Kohlenstofffasern chemisch an die Gerüststruktur, insbesondere an die Verbindungsstege beziehungsweise Zellwände der Gerüststruktur, gebunden sein. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von einem oder mehreren, polar modifizierten Bindern erfolgen, zum Beispiel welche auf Polyvinylidenfluorid (PVdF) basieren und mit polaren Säuregruppen gepfropft sind. Durch die chemische Anbindung der elektrisch leitenden Partikel, insbesondere der Kohlenstoffpartikel, an die Gerüststruktur kann vorteilhafterweise die spezifische Oberfläche erhöht und dadurch die Kapazität und Leistung der Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie weiter erhöht werden.
Alternativ oder zusätzlich dazu, können die elektrisch leitenden Partikel, insbesondere die Kohlenstoffpartikel, zum Beispiel die Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder die porösen, elektrisch leitenden Partikel, beispielsweise die porösen Kohlenstoffpartikel, und/oder die Kohlenstofffasern, mechanisch in der Gerüststruktur verankert sein. Beispielsweise können dabei die elektrisch leitenden Partikel in die Gerüststruktur infiltriert und/oder verpresst sein. Zum Beispiel können die elektrisch leitenden Partikel dabei, beispielsweise direkt, in die Oberfläche der Gerüststruktur eingedrückt sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die, insbesondere schwammartige, Gerüststruktur und/oder sind die elektrisch leitenden Partikel, insbesondere Kohlenstoffpartikel, mit einer metallischen Beschichtung beschichtet beziehungsweise bedeckt. Dabei kann die metallische Beschichtung beispielsweise eine metallische Korrosionsschutzschicht sein. Insbesondere können dabei die Verbindungsstege beziehungsweise Zellwände der Gerüststruktur und/oder die elektrisch leitenden Partikel, insbesondere Kohlenstoffpartikel, mit einer beziehungsweise der metallischen Beschichtung beschichtet beziehungsweise bedeckt sein. Beispielsweise kann die metallische Beschichtung die Gerüststruktur, insbesondere die Verbindungsstege beziehungsweise Zellwänden der Gerüststruktur, beziehungsweise die Beschichtung aus elektrisch leitenden Partikeln, insbesondere Kohlenstoffpartikeln, beispielsweise aus Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder porösen, elektrisch leitenden Partikeln, zum Beispiel porösen Kohlenstoffpartikeln, und/oder Kohlenstofffasern, und gegebenenfalls ansonsten frei liegende Abschnitte der Gerüststruktur bedecken. So kann vorteilhafterweise Kohlenstoff der Gerüststruktur und/oder der Partikel vor einer möglichen Oxidation geschützt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Kathode schichtförmig, insbesondere scheibenförmig, ausgebildet. So kann vorteilhafterweise ein vereinfachter Aufbau realisiert werden.
Weiterhin kann die Kathode gegebenenfalls mindestens einen Katalysator umfassen. Der mindestens eine Katalysator kann beispielsweise zur Katalyse einer Reduktion von elementarem Sauerstoff zu Sauerstoffionen und/oder einer Oxidation von Sauerstoffionen zu elementarem Sauerstoff ausgelegt sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kathode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle und/oder Batterie, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie, welche eine erfindungsgemäße Sauerstoff-Kathode umfasst.
Insbesondere kann die Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie eine erfindungsgemäße Sauerstoff-Kathode und eine Anode umfassen.
Dabei kann die Anode beispielsweise metallisches Lithium und/oder eine Lithiumlegierung und/oder ein Lithiuminsertionsmaterial und/oder ein Lithiuminterkalationsmaterial und/oder ein Lithiumkonversionsmaterial umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Anode metallisches Lithium und/oder eine Legierung, beispielsweise eine Lithiumsiliciumlegierung und/oder einer zinnbasierten Legierung, umfassen.
Weiterhin kann die Lithium-Sauerstoff-Zelle einen, insbesondere lithiumionenleitenden, Festkörperelektrolytseparator, zum Beispiel mit Granatstruktur, umfassen. Der Festkörperelektrolytseparator kann insbesondere zwischen der Kathode und der Anode angeordnet sein. Beispielsweise kann der Festkörperelektrolytseparator eine geringe Schichtdicke aufweisen. So kann gegebenenfalls die Leistungsfähigkeit der Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie weiter gesteigert werden. Der Festkörperelektrolytseparator kann insbesondere gasdicht ausgestaltet sein. So können durch den Festkörperelektrolytseparator vorteilhafterweise Sauerstoff (O₂), Feuchte (H₂O) und andere unerwünschte Gase, wie Kohlendioxid (CO₂), daran gehindert werden von der Kathode zur Anode zu gelangen.
Die Lithium-Sauerstoff-Zelle kann weiterhin mindestens einen lithiumionenleitenden Flüssigelektrolyten umfassen. Beispielsweise kann die Lithium-Sauerstoff-Zelle eine ersten und einen zweiten lithiumionenleitenden Flüssigelektrolyten umfassen.
Weiterhin kann die Lithium-Sauerstoff-Zelle einen Polymerseparator umfassen. Der Polymerseparator kann beispielsweise mit dem mindesten einen lithiumionenleitenden Flüssigelektrolyten getränkt sein. Zum Beispiel kann der Polymerseparator mit einem, insbesondere ersten, lithiumionenleitenden Flüssigelektrolyten getränkt sein. Gegebenenfalls kann dabei die Kathode mit einem anderen, insbesondere zweiten, lithiumionenleitenden Flüssigelektrolyten getränkt sein.
Weiterhin kann die Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie einen Gasverteiler (Englisch: Flow-field), insbesondere zur Zuführung und/oder Abführung von Sauerstoff, umfassen. Der Gasverteiler kann insbesondere auf der Kathode vorgesehen sein. Gegebenenfalls kann der Gasverteiler zur Zuführung und/oder Abführung von Sauerstoff zu beziehungsweise von mehreren Sauerstoff-Kathoden, beispielsweise von mehreren Zellen, ausgelegt sein. So kann vorteilhafterweise eine gleichmäßige Verteilung von Sauerstoff zu der beziehungsweise zu den Kathoden gewährleistet werden.
Insbesondere kann die Lithium-Sauerstoff-Batterie mindesten zwei Lithium-Sauerstoff-Zellen umfassen. Beispielsweise kann die Lithium-Sauerstoff-Batterie eine Vielzahl von Lithium-Sauerstoff-Zellen umfassen. Zum Beispiel kann die Lithium-Sauerstoff-Batterie mindestens ein Batteriemodul aus verschalteten Lithium-Sauerstoff-Zellen umfassen. Dabei können die Lithium-Sauerstoff-Zellen beispielsweise parallel und/oder seriell verschalteten sein. Zum Beispiel kann die Lithium-Sauerstoff-Batterie ein so genanntes Batteriepack sein, welches mindestens ein Batteriemodul umfasst. Beispielsweise kann das Batteriepack mehrere, verschaltete Batteriemodule umfassen.
Die Lithium-Sauerstoff-Batterie kann beispielsweise in ein stationäres System, zum Beispiel in eine Stromspeicheranlage und/oder in eine Windkraftanlage, beispielsweise in eine Windturbine, und/oder in eine Photovoltaikanlage, und/oder in ein mobiles System, zum Beispiel in ein Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug, und/oder in eine Consumer-Anwendung, zum Beispiel in einen Laptop und/oder Mobiltelefon, integriert sein. Daher betrifft die Erfindung auch ein stationäres System, zum Beispiel eine Stromspeicheranlage und/oder eine Windkraftanlage, beispielsweise eine Windturbine, und/oder eine Photovoltaikanlage, und/oder ein mobiles System, zum Beispiel ein Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug, und/oder ein Elektronikgerät, beispielsweise eine Consumer-Anwendung, zum Beispiel einen Laptop und/oder ein Mobiltelefon, welches eine erfindungsgemäße Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie umfasst.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle und/oder Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathode, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer einstückigen, elektrisch leitenden, schwammartiger Gerüststruktur, insbesondere einer einstückigen, schwammartigen Kohlenstoffgerüststruktur, als Kathodenmaterial für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathode, der erfindungsgemäßen Zelle und/oder Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sauerstoff-Kathode für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder -Batterie, welche eine elektrisch leitende, schwammartige Gerüststruktur umfasst;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines porösen Kohlenstoffpartikels; und
3 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lithium-Sauerstoff-Zelle.
1 zeigt, dass die Sauerstoff-Kathode 10 eine einstückige, elektrisch leitende, schwammartige Gerüststruktur 11 umfasst. Dabei ist die Gerüststruktur 11 aus Kohlenstoff, insbesondere aus einem zellulären Kohlenstoff, ausgebildet. Eine derartige Kohlenstoffgerüststruktur 11 kann beispielsweise durch Pyrolyse eines Schaums oder einer Emulsion aus mindestens einem organischen Material hergestellt sein. Eine derartige Gerüststruktur 11 kann beispielsweise mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM; Englisch: Scanning Electron Microscope, SEM) abgebildet werden.
1 veranschaulicht, dass die schwammartige Gerüststruktur 11 offenzellig ist. Dabei wird die innere Oberfläche 11a der Gerüststruktur 11 durch maschenförmig verbundene, offene Zellen bildende Verbindungsstege beziehungsweise Zellwände 11b gebildet. 1 illustriert, dass die Zellen zwischen den Verbindungsstegen beziehungsweise Zellwänden 11b einen durchschnittlichen Zelldurchmesser D₁₁ aufweisen, welcher beispielsweise in einem Bereich von ≥ 20 nm bis ≤ 1 mm, zum Beispiel von ≥ 300 nm bis ≤ 1 mm, liegen kann.
2 veranschaulicht einen porösen Kohlenstoffpartikel 12, welcher Makroporen 12a, Mesoporen 12b und Mikroporen 12c umfasst. Beispielsweise können dabei sowohl die Makroporen 12a als auch die Mesoporen 12b und die Mikroporen 12c jeweils einen durchschnittlichen Porendurchmesser von < 1000 nm, insbesondere von < 250 nm, aufweisen. Derartige poröse Kohlenstoffpartikel 12 können beispielsweise in der in 1 gezeigten Gerüststruktur 11, insbesondere in den Zellen der Gerüststruktur 11, enthalten sein. Beispielsweise kann die innere Oberfläche 11a der Gerüststruktur 11, beispielsweise die Verbindungsstege beziehungsweise die Zellwände 11b der Gerüststruktur 11, mit den porösen Kohlenstoffpartikeln 12 beschichtet sein. Dabei können die porösen Kohlenstoffpartikel 12 zum Beispiel chemisch an die Gerüststruktur 11, insbesondere an die Verbindungsstege beziehungsweise Zellwände 11b der Gerüststruktur 11, angebunden sein.
3 zeigt eine Ausführungsform einer Lithium-Sauerstoff-Zelle 100 und veranschaulicht, dass die Zelle 100 neben einer Sauerstoff-Kathode 10 mit einer elektrisch leitenden, schwammartigen Gerüststruktur, beispielsweise einer schwammartigen Kohlenstoffgerüststruktur, welche auch als Kathodenstromableiter dienen kann, eine Anode 20 umfasst. Dabei ist zwischen der Kathode 10 und der Anode 20 ein lithiumionenleitender Festkörperelektrolytseparator 30 angeordnet.
Die Anode 10 ist dabei mit einem Anodenstromableiter 21 ausgestattet und kann beispielsweise metallisches Lithium umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein. Dabei kann beispielsweise der Anodenstromableiter 21 mit metallischem Lithium oder einem anderen Anodenmaterial, zum Beispiel einer Legierung, 20 beschichtet sein.
3 veranschaulicht, dass gegebenenfalls weiterhin ein mit einem, insbesondere ersten, Elektrolyten getränkter Polymerseparator 31 zwischen der Anode 20 und dem Festkörperelektrolytseparator 30 vorgesehen sein kann. Gegebenenfalls kann die Kathode 10 mit einem anderen, insbesondere zweiten, Elektrolyten getränkt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5510209 A [0008]
US 2013/0171527 A1 [0012]
US 2012/0202033 A1 [0012]
EP 2618410 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Jake Christensen et al. haben in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1-R30 (2012) [0009]
Bruce et. al. (A Reversible and Higher-Rate Li-O2-Battery; Zhangquan Peng, Stefan A. Freunberger, Yuhui Chen, Peter G. Bruce; Science Express Reports; July 25th, 2012; Science DOI: 10.1126/science.1223985) [0011]
A. Szczurek, V. Fierro, A. Pizzi und A. Celzard in dem Artikel „Mayonnaise, whipped cream and meringue, a new carbon cuisine“ in Carbon (2013) (doi:10.1016/j.carbon.2013.02.056) [0024]

Claims

Sauerstoff-Kathode (10) für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie, umfassend eine elektrisch leitende, schwammartige Gerüststruktur (11).
Kathode (10) nach Anspruch 1, wobei die Gerüststruktur (11) offenzellig und/oder einstückig ist.
Kathode (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gerüststruktur (11) einen durchschnittlichen Zelldurchmesser (D₁₁) in einem Bereich von ≥ 20 nm bis ≤ 1 mm aufweist.
Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gerüststruktur (11) aus Kohlenstoff und/oder mindestens einem Metall, insbesondere aus einem zellulären Kohlenstoff, ausgebildet ist.
Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gerüststruktur (11) durch Pyrolyse eines Schaums oder einer Emulsion aus mindestens einem organischen Material hergestellt ist.
Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kathode (10), insbesondere die Gerüststruktur (11), poröse, elektrisch leitende Partikel, insbesondere poröse Kohlenstoffpartikel (12), und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Kohlenstofffasern umfasst.
Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gerüststruktur (11) einen durchschnittlichen Zelldurchmesser (D₁₁) in einem Bereich von ≥ 300 nm bis ≤ 1 mm aufweist.
Kathode (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die porösen, elektrisch leitenden Partikel, insbesondere die porösen Kohlenstoffpartikel (12), einen durchschnittlichen Porendurchmesser von < 1000 nm, insbesondere von < 250 nm, aufweisen.
Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine innere Oberfläche (11a) der Gerüststruktur (11) mit elektrisch leitenden Partikeln beschichtet ist.
Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die innere Oberfläche (11a) der Gerüststruktur (11) mit Kohlenstoffpartikeln, insbesondere mit Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder porösen Kohlenstoffpartikeln (12) und/oder Kohlenstofffasern, beschichtet ist.
Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die innere Oberfläche (11a) der Gerüststruktur (11) mit porösen Kohlenstoffpartikeln (12) und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen beschichtet ist.
Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Kohlenstoffpartikel (12), insbesondere die Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder die porösen Kohlenstoffpartikel (12) und/oder die Kohlenstofffasern, chemisch an die Gerüststruktur (11) gebunden sind.
Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Gerüststruktur (11) und/oder die Kohlenstoffpartikel (12) mit einer metallischen Beschichtung beschichtet sind.
Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Kathode (10) schichtförmig ausgebildet ist.
Lithium-Sauerstoff-Zelle (100) und/oder Lithium-Sauerstoff-Batterie, umfassend eine Sauerstoff-Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.