DE102019210857A1 - Lithium-Ionen-Batteriezelle und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) mit einer Kathode (14), welche einen Stromableiter (14a) und auf dem Stromableiter (14a) aufgebrachtes LiNi0,5Mn1,5O4als Kathoden-Aktivmaterial (14b) aufweist, wobei auf das Kathoden-Aktivmaterial (14b) eine erste Schicht (18) aus einem Lithium-Niob-Oxid aufgebracht ist, und wobei auf die erste Schicht (20) eine zweite Schicht (20) aus einem Lithiumphosphat aufgebracht ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) sowie ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer Kathode, mit LiNi0,5Mn1,5O4 als Kathoden-Aktivmaterial. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lithium-Ionen-Batteriezelle.
  • Eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (Li-lonen-Batteriezelle) weist eine Anzahl an Anoden und Kathoden auf, wobei zwischen den Anoden und den Kathoden jeweils ein Separator angeordnet ist. Die Anoden und die Kathoden weisen dabei typischerweise jeweils einen, insbesondere folienartigen, Stromableiter mit einem darauf aufgebrachten Aktivmaterial (Elektrodenmaterial) auf, in welches Lithium-Ionen interkalieren (einlagern) und aus welchem Lithium-Ionen deinterkalieren (auslagern) können. Weiterhin weist die Batteriezelle einen Elektrolyten mit einem darin gelösten Leitsatz, beispielsweise LiPF6 (Lithiumhexoflourophoshat), mit einem Lösungsmittel, beispielsweise Ethylencarbonat der Propylencarbonat, und gegebenenfalls mit zusätzlichen Additiven auf.
  • Als Aktivmaterial der Kathode, welches im Folgenden auch als Kathoden-Aktivmaterial bezeichnet wird, wird beispielsweise Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) mit der Formel LiNixMnyCozO2 verwendet, wobei vorzugsweise x + y + z = 1 gilt. Insbesondere weisen ein Nickel-reiche Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide wie LiNi0,60Mn0,20Co0,20O2 (NMC 622) oder LiNi0,80Mn0,10C0,10O2(NMC 811) als Kathoden-Aktivmaterial eine vergleichsweise hohe spezifische Kapazität auf. Allerdings ist Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid aufgrund des Cobalts (Kobalts) sowie aufgrund des vergleichsweise hohen Nickel-Anteils vergleichsweise teuer.
  • Alternativ hierzu wird ein Lithiummetalloxid mit einer Spinellstruktur, insbesondere LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO), als Kathoden-Aktivmaterial verwendet. Dieses Lithiummetalloxid ist vergleichsweise leicht zu synthetisieren und weist dabei eine vergleichsweise hohe Energiedichte auf. Nachteilig reduziert sich die spezifische Kapazität des LiNi0,5Mn1,5O4 vergleichsweise schnell. Dem liegen unterschiedliche Mechanismen zugrunde. So kann beispielsweise Mn3+ des Lithiummetalloxids in Anwesenheit des Elektrolyten zu Mn2+ reagieren, welches löslich ist. Aufgrund des Herauslösen des Mn2+ findet ein Phasenübergang des Lithiummetalloxids von einer Spinellstruktur zu einer Kochsalzstruktur statt, wobei in Bereichen mit einer solchen Kochsalzstruktur keine Ein- und Auslagerung von Lithiumionen stattfindet. Zudem gelangt das Mn2+ mittels des Elektrolyten zur Anode, wobei das Mn2+ an der Anode zu metallischem Mangan reduziert wird, was in der Bildung einer Grenzschicht, der sogenannten SEI (solid electrolyte interphase), resultiert. Eine solche Grenzschicht kann dabei einen Ionentransport in bzw. aus dem Anoden-Aktivmaterial verhindern oder zumindest beschränken.
  • Zudem kann ein Laden der Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer vergleichsweise hohen Spannung die Oxidation des Elektrolyten an der Kathodenoberfläche beschleunigen, wobei sich die Reaktionsprodukte auf den Elektroden ablagern können, so dass eine Interkalation (Einlagerung) und eine Deinterkalation (Auslagerung) von Lithium-Ionen erschwert sind.
  • Wie in „Research Progress in Improving the Cycling Stability of High-Voltage LiNi0,5Mn1,5O4 Cathode in Lithium-Ion Battery“ von XiaoLong Xu et al., Nano-micro letters, 9(2), 22 zusammenfassend dargestellt ist, kann das Lithiummetalloxid zur Reduzierung des Kapazitätsverlustes dotiert oder mit einem anorganischen Material, insbesondere ZnO, Bi2O3 oder Al2O3 beschichtet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lithium-Ionen-Batteriezelle anzugeben, bei welcher ein Kapazitätsverlust, insbesondere aufgrund einer Reaktion des Kathodenaktivmaterials mit dem Elektrolyten, und/oder eine Freisetzung von Mangan-Ionen aus dem Kathodenaktivmaterial, vermieden oder zumindest reduziert ist. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Li-lonen-Batteriezelle sowie ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug angegeben werden, dessen Traktionsbatterie eine solche Lithium-Ionen-Batterie aufweist.
  • Hinsichtlich der Lithium-Ionen-Batteriezelle wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 5 und bezüglich des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit der Lithium-Ionen-Batteriezelle sinngemäß auch für das Verfahren sowie für das Kraftfahrzeug und umgekehrt.
  • Die Lithium-Ionen-Batteriezelle weist eine Kathode mit einem Stromableiter und mit auf dem Stromableiter aufgebrachtem LiNi0,5Mn1,5O4 als Kathoden-Aktivmaterial auf. Das Kathoden-Aktivmaterial dient dabei dazu, dass in dieses Lithium-Ionen interkalieren und aus diesem Lithium-Ionen deinterkalieren. Des Weiteren ist auf dem Kathoden-Aktivmaterial, also auf dem LiNi0,5Mn1,5O4 eine erste Schicht, welche auch als substratseitige Schicht bezeichnet wird, aus einem Lithium-Niob-Oxid aufgebracht.
  • Auf der ersten Schicht aus dem Lithium-Niob-Oxid ist eine auch als elektrolytseitige Schicht bezeichnete zweite Schicht aufgebracht, wobei die zweite Schicht mittels eines Lithiumphosphats gebildet ist. Dabei weist das Lithiumphosphat eine vergleichsweise hohe elektrochemische Stabilität gegen eine Reaktion mit dem Elektrolyten auf, so dass mittels der zweiten Schicht ein Schutz für die erste Schicht und für das Kathoden-Aktivmaterial gebildet ist.
  • Hier und im Folgenden wird eine Kristallachse anhand „[]“ und Achsen, die äquivalent zu dieser Achse sind, werden anhand „<>‟dargestellt.
  • Die substratseitige, also die erste, Schicht aus dem Lithium-Niob-Oxid weist eine vergleichsweise große kristallographische Kompatibilität mit LiNi0,5Mn1,5O4 auf. Mit anderen Worten stimmen eine Kristallsymmetrie und/oder ein Gitterparameter, wie beispielsweise die Seitenlänge der Elementarzelle und/oder ein Winkel zwischen den Kanten der Elementarzelle, des Lithium-Niob-Oxids hinsichtlich zumindest einer (Gitterebene) Kristallfacette mit denen des LiNi0,5Mn1,5O4 überein oder weisen lediglich eine vergleichsweise geringe Abweichung, insbesondere eine Abweichung kleiner als 5%, auf.
  • Bei der oben dargestellten Materialkombination ist des Weiteren sowohl ein Unterschied zwischen dem Elastizitätsmodul, dem Kompressionsmodul sowie dem Schubmodul der ersten Schicht und des Kathoden-Aktivmaterials als auch ein Unterschied zwischen dem Elastizitätsmodul, dem Kompressionsmodul sowie dem Schubmodul der ersten Schicht und der zweiten Schicht vergleichsweise gering. Auf diese Weise ist bei einer mechanischen Belastung des beschichteten Kathoden-Aktivmaterials ein Schichtversagen der ersten und/oder der zweiten Schicht, wie beispielsweise ein Abplatzen, ein Reißen oder eine Bruchbildung, vermieden oder eine Gefahr dessen zumindest verringert.
  • Aufgrund dessen sowie aufgrund der kristallographischen Kompatibilität der ersten Schicht mit der zweiten Schicht sowie der ersten Schicht mit dem Kathoden-Aktivmaterial ist vorteilhaft eine vergleichsweise hohe mechanische Stabilität des beschichteten Kathoden-Aktivmaterials realisiert.
  • Beispielsweise ist die Lithium-Ionen-Batteriezelle für eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen und eingerichtet, welche elektrische Energie für einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellt.
  • Das Lithium-Niob-Oxid der ersten Schicht ist beispielsweise Li3NbO4 oder LiNbO2. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung jedoch ist das Lithium-Niob-Oxid der ersten Schicht LiNbO3 (Lithiumniobat). Vorteilhafterweise weist Lithiumniobat eine kristallographische Übereinstimmung oder eine lediglich geringe Abweichung deren [100]-Kristallachse mit der [110]-Kristallachse des Kathoden-Aktivmaterials auf. Zudem weist das Lithiumniobat vorteilhafterweise eine vergleichsweise hohe ionische Leitfähigkeit auf, welche größer als 10-6 S/cm (Siemens pro Zentimeter) ist.
  • Unter einem Phosphat sind hierbei Salze und Ester der Orthophosphorsäure (H3PO4) sowie die Kondensate (Polymere) der Orthophosphorsäure und ihre Ester zu verstehen. Beispielsweise weist das Lithiumphosphat die Formel Li3PO4 auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung jedoch ist Lithiumdiphosphat, also Li4P2O7, als Lithiumphosphat verwendet. Vorteilhafterweise weist Lithiumdiphosphat eine vergleichsweise hohe elektrochemische Stabilität mit einem elektrochemischen Fenster (Spannungsfenster) größer als 5V auf. Somit ist mittels der zweiten Schicht eine vorteilhaft gegen eine Oxidation oder gegen eine Reduktion stabiler Schutz für das Kathoden-Aktivmaterial sowie für die erste Schicht gegen eine Reaktion mit dem Elektrolyten gebildet. Zudem weist das Lithiumdiphosphat vorteilhafterweise eine vergleichsweise hohe ionische Leitfähigkeit auf, welche größer als 10-3 S/cm (Siemens pro Zentimeter) ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt eine Schichtdicke der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht jeweils zwischen 0,5 nm und 2 nm. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke jeweils 1 nm. Insbesondere ist dabei unter der Schichtdicke einer Schicht deren Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zu derjenigen Fläche zu verstehen, auf welcher die Schicht aufgebracht ist. Vorteilhafterweise ist aufgrund einer solchen vergleichsweise geringen Schichtdicke eine Interkalation bzw. eine Deinterkalation der Lithium-Ionen in bzw. aus dem Kathoden-Aktivmaterial nicht oder lediglich geringfügig beeinflusst.
  • Gemäß einem Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, welche entsprechend einer der oben dargestellten Varianten ausgebildet ist, wird zunächst LiNi0,5Mn1,5O4, also das Lithiummetalloxid mit einer Spinellstruktur, als das Kathoden-Aktivmaterial bereitgestellt. Zweckmäßigerweise wird das LiNi0,5Mn1,5O4 in Pulverform bereitgestellt. Das LiNi0,5Mn1,5O4 ist also mittels einer Vielzahl an (Pulver-)Partikeln gebildet.
  • Anschließend wird das LiNi0,5Mn1,5O4, also das Kathoden-Aktivmaterial, mit der ersten Schicht aus einem Lithium-Niob-Oxid, vorzugsweise aus Lithiumniobat beschichtet. Dementsprechend ist auf dem LiNi0,5Mn1,5O4 eine Schicht aus einem Lithium-Niob-Oxid bzw. aus Lithiumniobat als erste Schicht angeordnet. Somit sind die Partikel des LiNi0,5Mn1,5O4-Pulvers mit der ersten Schicht versehen.
  • Darauf folgend wird das mit der ersten Schicht beschichtete LiNi0,5Mn1,5O4 mit der zweiten Schicht aus einem Lithiumphosphat, vorzugsweise aus Lithiumdiphosphat beschichtet. Mit anderen Worten wird die zweite Schicht auf die erste Schicht aufgebracht. Dabei ist vorteilhafterweise aufgrund des Beschichtens der Partikel des LiNi0,5Mn1,5O4-Pulvers eine vollständige Umhüllung des jeweiligen Partikels mit den beiden Schichten ermöglicht.
  • Das mit der ersten Schicht und mit der zweiten Schicht beschichtete LiNi0,5Mn1,5O4 wird auf den Stromableiter aufgebracht. Beispielsweise wird das beschichtete Kathoden-Aktivmaterial mit einem Binder (Bindemittel), mit einem Lösungsmittel und gegebenenfalls mit einem elektrisch leitenden Leitadditiv, wie insbesondere Leitruß, Aluminium- oder Nickelpulver, gemischt. Das Gemisch wird dann auf den Stromableiter aufgebracht und unter Bildung der Kathode getrocknet. Als Binder wird dabei beispielsweise Polyvinylidenfluorid, Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose, oder Hydroxypropylcellulose und als Lösungsmittel beispielsweise N-Methyl-2-pyrrolidon verwendet.
  • Zusammenfassend sind die Partikel des LiNi0,5Mn1,5O4-Pulvers mit zwei übereinander angeordneten Schichten versehen, welche auch als Lagen bezeichnet werden. Die zweite Schicht, also die bezüglich des jeweiligen Partikels äußere Schicht, ist dabei im Montagezustand der Lithium-Ionen-Batteriezelle vom Elektrolyten umgeben. Die erste Schicht, also die innere Schicht, ist zwischen der zweiten Schicht und dem Partikel des LiNi0,5Mn1,5O4-Pulvers angeordnet. Die zweite Schicht weist dabei eine vergleichsweise hohe elektrochemische Stabilität und damit einhergehend eine hohe Schutzwirkung für das Kathoden-Aktivmaterial und für die erste Schicht gegen eine Reaktion mit dem Elektrolyten auf. Dabei ist das Aufbringen der zweiten Schicht aufgrund der oben dargestellten kristallographischen Übereinstimmung der zweiten Schicht mit der ersten Schicht vorteilhaft vereinfacht. Zudem kann die zweite Schicht aufgrund dessen vergleichsweise dünn ausgebildet werden, so dass die elektrische Leitfähigkeit der Kathode lediglich entsprechend gering verringert.
  • Alternativ hierzu wird zunächst das Kathoden-Aktivmaterial auf den Stromableiter aufgebracht. Zweckmäßigerweise wird das Kathoden-Aktivmaterial hierzu wie oben dargestellt mit dem Binder, mit dem Lösungsmittel und gegebenenfalls mit dem Leitadditiv vermischt, auf den Stromableiter aufgetragen und anschließend getrocknet. Gemäß dieser alternativen Ausgestaltung wird darauf folgend das auf den Stromableiter aufgebrachte Kathoden-Aktivmaterial und der Binder sowie gegebenenfalls das Leitadditiv mit der ersten Schicht und anschließend mit der zweiten Schicht beschichtet.
  • Zum Aufbringen der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht wird beispielsweise das sogenannte Sol-Gel-Verfahren oder ein nass- oder trockenchemisches Verfahren verwendet. Alternativ hierzu wird die jeweilige Schicht beispielsweise im Zuge der Synthese des LiNi0,5Mn1,5O4 durch Zugabe von entsprechenden Präkursoren, beispielsweise mittels einer Oberflächensegregation der jeweiligen Schicht im Zuge einer Kalzinierung des Gemisches aus LiNi0,5Mn1,5O4 und den Präkursoren, gebildet. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung jedoch, wird zum Aufbringen der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht ein Gasphasenabscheidungsverfahren verwendet. Bevorzugt wird das Atomlagenabscheidungsverfahren (ALD, atomic layer deposition) verwendet. Auf diese Weise ist es ermöglicht, vergleichsweise dünne Schichten, insbesondere mit Schichtdicken kleiner als 2 nm zu realisieren, wobei die chemische Zusammensetzung der Schicht beim Atomlagenabscheidungsverfahren vergleichsweise gut kontrollierbar und/oder einstellbar ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung weist ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug eine Traktionsbatterie auf. Diese umfasst wiederum eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, vorzugsweise eine Vielzahl an Lithium-Ionen-Batteriezellen, von denen jede elektrische Energie für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs, geeigneter Weise für einen Elektromotor, bereitstellt. Dabei ist die jeweilige Lithium-Ionen-Batteriezelle gemäß einer der oben dargestellten Varianten der Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgebildet und/oder gemäß einer der oben dargestellten Varianten des Verfahrens zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle hergestellt.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • 1 in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie, deren Lithium-lonen-Batteriezellen jeweils eine Anzahl an Kathoden mit LiNi0,5Mn1,5O4 als Kathoden-Aktivmaterial aufweisen,
    • 2 schematisch einen Partikel des Kathoden-Aktivmaterials, wobei auf den Partikel eine erste Schicht aus Lithiumniobat und auf diese eine zweite Schicht aus Lithiumdiphosphat aufgebracht ist, und
    • 3 in einem Flussdiagramm einen Verfahrensablauf zur Herstellung einer der Lithium-Ionen-Batteriezellen.
  • Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Das in 1 gezeigte Kraftfahrzeug 2 ist elektrisch angetrieben. Hierzu weist das Kraftfahrzeug 2 einen Elektromotor 4 auf, welcher über einen Wechselrichter 6 mit einer Traktionsbatterie 8 verbunden ist. Die Traktionsbatterie 8 weist eine Anzahl an Batteriezellen 10 auf, welche miteinander verschaltet und an den Wechselrichter 8 angeschlossen sind. Hierbei sind zum Zwecke einer verbesserten Übersicht lediglich zwei der Lithium-Ionen-Batteriezellen 10 dargestellt.
  • In jeder der Lithium-Ionen-Batteriezellen 10 sind Anoden 12 und Kathoden 14 abwechselnd übereinander gestapelt, wobei zwischen den Anoden 12 und den Kathoden 14 jeweils ein Separator 16 angeordnet ist, so dass die Anoden 12 und die Kathoden 14 räumlich voneinander getrennt sind. Die Separatoren 16 sind in der 1 schraffiert dargestellt und weisen beispielsweise Polyethylen und/oder Polypropylen auf.
  • Jede der Anoden 12 weist jeweils eine beispielsweise als Kupferfolie ausgebildete Anodenfolie als Stromableiter 12a auf, welcher beidseitig, also an deren flächigen Seiten, mit einem Anoden-Aktivmaterial 12b (Aktivmaterial der Anode), beispielsweise Graphit, beschichtet ist.
  • Jede der Kathoden 14 weist eine Kathodenfolie, beispielsweise eine Aluminiumfolie, als Stromableiter 14a auf. Auf diesen ist beidseitig ein Kathoden-Aktivmaterial 14b (Aktivmaterial der Kathode) aufgebracht. Das Kathoden-Aktivmaterial 14b, also das Aktivmaterial der Kathode 14 ist dabei mittels eines Lithiummetalloxid mit einer Spinellstruktur, nämlich mittels LiNi0,5Mn1,5O4, gebildet.
  • Das Kathoden-Aktivmaterial 14b ist dabei aus einer Vielzahl an Partikeln gebildet, auf welchen jeweils eine erste Schicht 18 aus einem Lithium-Niob-Oxid (LiNbO3), nämlich Lithiumniobat, und eine zweite Schicht 20 aus einem Lithiumphosphat, nämlich Lithiumdiphosphat (Li4P2O7), aufgebracht ist. Mit anderen Worten sind die Partikel jeweils mit der ersten Schicht 18 aus Lithiumniobat und mit der zweiten Schicht 20 aus Lithiumdiphosphat beschichtet. Das mit der ersten Schicht 18 und mit der zweiten Schicht 20 beschichtete Kathoden-Aktivmaterial 14b ist in der 1 flächig punktiert dargestellt. Einer der mit der ersten Schicht 18 und mit der zweiten Schicht 20 beschichteten Partikel ist in der 2 schematisch dargestellt.
  • In jeder der Lithium-Ionen-Batteriezellen 10 ist weiterhin ein nicht weiter dargestellter flüssiger Elektrolyt aufgenommen. Dieser weist ein Leitsalz, sowie ein Lösungsmittel für das Leitsalz auf, wobei beispielhaft als Leitsalz Lithiumhexafluorophosphat und als Lösungsmittel ein Gemisch aus Ethylencarbonat und Diethylcarbonat verwendet ist.
  • In der 2 ist einer der mit der ersten Schicht 18 und mit der zweiten Schicht 20 beschichtete Partikel des Kathoden-Aktivmaterials 14b schematisch dargestellt. Dabei ist die (substratseitige) erste Schicht 18 zwischen dem Partikel und der zweiten Schicht 20 angeordnet. Die zweite Schicht, also die äußere Schicht, ist dabei im Montagezustand der Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 vom Elektrolyten umgeben. Dabei weist die zweite Schicht 20 eine hohe elektrochemische Stabilität mit einem elektrochemischen Fenster (Spannungsfenster) größer als 5V und damit einhergehend eine hohe Schutzwirkung für das Kathoden-Aktivmaterial 14b und für die erste Schicht 18 gegen eine Reaktion mit dem Elektrolyten auf. Das Aufbringen der zweiten Schicht 20 ist aufgrund einer kristallographischen Übereinstimmung oder einer lediglich geringen Abweichung der [001]-Kristallachse von Li4P2O7 mit der [100]-Kristallachse des LiNbO3, der [11-1]-Kristallachse von Li4P2O7 mit der [101]-Kristallachse des LiNbO3 sowie der [010]-Kristallachse von Li4P2O7 mit der [001]-Kristallachse des LiNbO3 vereinfacht.
  • Die 2 ist zum Zwecke einer besseren Erkennbarkeit nicht maßstabsgetreu. So beträgt eine (Partikelgröße) maximale Ausdehnung a der Partikel zwischen 0,5 µm und 20 µm. eine Schichtdicke b der ersten Schicht 18 und eine Schichtdicke c der zweiten Schicht 20 beträgt zwischen 0,5 nm und 2 nm.
  • Das in der 3 dargestellte Flussdiagramm repräsentiert einen Verfahrensablauf zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezellen 10, insbesondere einer der Lithium-Ionen-Batteriezellen 10 des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 2.
  • Hierbei wird in einem ersten Schritt I das als Pulver bereitgestellte Kathoden-Aktivmaterial 14b, also das LiNi0,5Mn1,5O4, mit der ersten Schicht 18 aus Lithiumniobat, beschichtet. Mit anderen Worten wird die erste Schicht 18 auf die Partikel des LiNi0,5Mn1,5O4-Pulvers aufgebracht.
  • In einem zweiten Schritt II werden die mit der ersten Schicht 18 beschichteten Partikel des LiNi0,5Mn1,5O4-Pulvers mit der zweiten Schicht 20 aus Lithiumdiphosphat beschichtet.
  • Für den Beschichtungsvorgang des ersten Schritts I und des zweiten Schritts II wird jeweils ein Gasphasenabscheidungsverfahren verwendet. Bevorzugt wird das Atomlagenabscheidungsverfahren (ALD, atomic layer deposition) und die entsprechenden Präkursoren verwendet. Auf diese Weise werden die Schichtdicken zwischen 0,5 nm und 2 nm realisiert.
  • Die mit der ersten Schicht 18 und mit der zweiten Schicht 20 beschichteten Partikel des LiNi0,5Mn1,5O4- Pulvers werden in einem dritten Schritt III mit einem Binder, mit einem Lösungsmittel und mit einem elektrisch leitfähigen Leitadditiv, insbesondere Leitruß, Aluminium- oder Nickelpulver, gemischt. Das Gemisch wird auf den Stromableiter 14a aufgebracht und unter Bildung der Kathode 14 getrocknet. Als Binder wird dabei beispielsweise Polyvinylidenfluorid, Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose, oder Hydroxypropylcellulose und als Lösungsmittel beispielsweise N-Methyl-2-pyrrolidon verwendet.
  • Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Kraftfahrzeug
    4
    Elektromotor
    6
    Wechselrichter
    8
    Traktionsbatterie
    10
    Lithium-Ionen-Batteriezelle
    12
    Anode
    12a
    Anodenfolie/ Stromableiter
    12b
    Anoden-Aktivmaterial
    14
    Kathode
    14a
    Kathodenfolie/ Stromableiter
    14b
    Kathoden-Aktivmaterial
    16
    Separator
    18
    erste Schicht
    20
    zweite Schicht
    a
    Ausdehnung eines Partikels des Kathoden-Aktivmaterials
    b
    Schichtdicke der ersten Schicht
    c
    Schichtdicke der zweiten Schicht
    I
    Beschichtung des Kathoden-Aktivmaterials mit der ersten Schicht
    II
    Beschichtung des mit der ersten Schicht beschichteten Kathoden-Aktivmaterials mit der zweiten Schicht
    III
    Aufbringen des mit beiden Schichten beschichteten Kathoden-Aktivmaterials auf den Stromableiter
  • 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
    • XiaoLong Xu et al., Nano-micro letters, 9(2), 22 [0006]

Claims (7)

  1. Lithium-Ionen-Batteriezelle (10), aufweisend - eine Kathode (14) mit einem Stromableiter (14a) und mit auf dem Stromableiter (14a) aufgebrachtem LiNi0,5Mn1,5O4 als Kathoden-Aktivmaterial (14b), - wobei auf dem Kathoden-Aktivmaterial (14b) eine erste Schicht (18) aus einem Lithium-Niob-Oxid aufgebracht ist, und - wobei auf der ersten Schicht (18) eine zweite Schicht (20) aus einem Lithiumphosphat aufgebracht ist.
  2. Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lithiumniobat das Lithium-Niob-Oxid ist.
  3. Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Lithiumdiphosphat das Lithiumphosphat ist.
  4. Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (b bzw. c) der ersten Schicht (18) und/oder der zweiten Schicht (20) jeweils zwischen 0,5 nm und 2 nm, insbesondere jeweils 1 nm, beträgt.
  5. Verfahren zur Herstellung einer nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildeten Lithium-lonen-Batteriezelle (10), - bei dem LiNi0,5Mn1,5O4 als Kathoden-Aktivmaterial (14b) mit der ersten Schicht (18) beschichtet wird, - bei dem das mit der ersten Schicht (18) beschichtete LiNi0,5Mn1,5O4 mit der zweiten Schicht (20) beschichtet wird, und - bei dem das mit der ersten Schicht (18) und mit der zweiten Schicht (20) beschichtete LiNi0,5Mn1,5O4 auf den Stromableiter (14a) aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen der ersten Schicht (18) und/oder der zweiten Schicht (20) ein Gasphasenabscheidungsverfahren verwendet wird.
  7. Elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (2) mit einer Traktionsbatterie (8) mit einer Lithium-lonen-Batteriezelle (10), welche nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet und/oder nach Anspruch 5 oder 6 hergestellt ist.
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