DE102020111239A1 - Lithium ion battery and method of making a lithium ion battery - Google Patents

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Abstract

Eine Lithiumionen-Batterie hat eine Kathode, die ein Kathodenaktivmaterial umfasst, und eine Anode, die ein Anodenaktivmaterial umfasst. Das Kathodenaktivmaterial besteht aus zumindest einer Verbindung mit Schichtstruktur und das Kathodenaktivmaterial weist einen Gesamtlithiierungsgrad L kleiner 1 auf. Das Anodenaktivmaterial ist vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie vorlithiiert.Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lithiumionen-Batterie angegeben.A lithium ion battery has a cathode including a cathode active material and an anode including an anode active material. The cathode active material consists of at least one compound with a layer structure and the cathode active material has a total degree of lithiation L less than 1. The anode active material is prelithiated before the first discharging and / or charging process of the lithium ion battery. In addition, a method for producing such a lithium ion battery is specified.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lithiumionen-Batterie und ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiumionen-Batterie.The invention relates to a lithium ion battery and a method for producing a lithium ion battery.

Im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle, Lithiumionen-BatterieZelle, Lithium-Batteriezelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zu den Begriffen „Lithiumionen-Batterie“ und „Lithiumionen-Zelle“ genutzt. Die Lithiumionen-Batterie kann auch eine Festkörperbatterie sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörperbatterie.In the following, the term "lithium ion battery" is used synonymously for all terms used in the prior art for galvanic elements and cells containing lithium, such as lithium batteries, lithium cells, lithium ion cells, lithium polymer cells, lithium ion cells. Battery cell, lithium battery cell and lithium ion accumulator. In particular, rechargeable batteries (secondary batteries) are included. The terms “battery” and “electrochemical cell” are also used synonymously with the terms “lithium ion battery” and “lithium ion cell”. The lithium ion battery can also be a solid-state battery, for example a ceramic or polymer-based solid-state battery.

Eine Lithiumionen-Batterie hat mindestens zwei verschiedene Elektroden, eine positive (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und elektrischen Leitfähigkeitszusätzen.A lithium ion battery has at least two different electrodes, a positive (cathode) and a negative electrode (anode). Each of these electrodes has at least one active material, optionally together with additives such as electrode binders and electrical conductivity additives.

In Lithiumionen-Batterien muss sowohl das Kathodenaktivmaterial als auch das Anodenaktivmaterial in der Lage sein, reversibel Lithiumionen aufzunehmen bzw. abzugeben.In lithium ion batteries, both the cathode active material and the anode active material must be capable of reversibly absorbing or releasing lithium ions.

Eine allgemeine Beschreibung zur Lithiumionen-Technologie findet sich in Kapitel 9 (Lithium-Ionen-Zelle, Autor Thomas Wöhrle) des „Handbuchs Lithium-Ionen-Batterien“ (Herausgeber Reiner Korthauer, Springer, 2013) sowie in Kapitel 9 (Lithium-ion cell, Autor Thomas Wöhrle) des Buchs „Lithium-Ion Batteries: Basics and Applications“ (Editor Reiner Korthauer, Springer, 2018).A general description of lithium-ion technology can be found in Chapter 9 (lithium-ion cell, author Thomas Wöhrle) of the “Handbook Lithium-Ion Batteries” (editor Reiner Korthauer, Springer, 2013) and in Chapter 9 (lithium-ion cell , Author Thomas Wöhrle) of the book "Lithium-Ion Batteries: Basics and Applications" (Editor Reiner Korthauer, Springer, 2018).

Lithiumionen-Batterien werden heute im Stand der Technik im völlig ungeladenen Zustand zusammengebaut und konfektioniert. Dies entspricht einem Zustand, in dem die Lithiumionen vollständig in der Kathode interkaliert, also eingelagert, sind, während die Anode üblicherweise keine aktiven, das heißt reversibel zyklisierbaren, Lithiumionen aufweist.Lithium ion batteries are now assembled and packaged in the state of the art in a completely uncharged state. This corresponds to a state in which the lithium ions are completely intercalated in the cathode, that is to say are incorporated, while the anode usually does not have any active, that is to say reversibly cyclizable, lithium ions.

Beim ersten Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie, der auch unter dem Begriff „Formation“ bekannt ist, verlassen die Lithiumionen die Kathode und lagern sich in der Anode ein. Dieser erste Ladungsvorgang beinhaltet komplexe Vorgänge mit einer Vielzahl von zwischen den verschiedenen Komponenten der Lithiumionen-Batterie ablaufenden Reaktionen.When the lithium-ion battery is charged for the first time, which is also known as "formation", the lithium ions leave the cathode and are stored in the anode. This first charging process involves complex processes with a large number of reactions taking place between the various components of the lithium-ion battery.

Von besonderer Bedeutung ist dabei die Ausbildung einer Grenzfläche zwischen Aktivmaterial und Elektrolyt auf der Anode, die als „solid electrolyte interface“ oder „SEI“ bezeichnet wird und Lithium enthält. Die Ausbildung der SEI, die auch als Schutzschicht zu sehen ist, wird im Wesentlichen auf Zersetzungsreaktionen des Elektrolyten mit der Oberfläche des Anodenaktivmaterials zurückgeführt.Of particular importance is the formation of an interface between the active material and the electrolyte on the anode, which is called the “solid electrolyte interface” or “SEI” and contains lithium. The formation of the SEI, which can also be seen as a protective layer, is essentially attributed to decomposition reactions between the electrolyte and the surface of the anode active material.

Zum Aufbau der SEI wird jedoch Lithium benötigt, das später nicht mehr für die Zyklisierung im Lade- und Entladeprozess zur Verfügung steht. Die Differenz der Kapazität nach der ersten Ladung und der Kapazität nach der ersten Entladung, im Verhältnis zur Ladekapazität, wird als Formationsverlust bezeichnet und kann je nach verwendetem Kathoden- und Anodenaktivmaterial im Bereich von etwa 5 bis 40 % liegen.To build up the SEI, however, lithium is required, which is later no longer available for cycling in the charging and discharging process. The difference between the capacity after the first charge and the capacity after the first discharge, in relation to the charge capacity, is referred to as formation loss and can be in the range from about 5 to 40% depending on the cathode and anode active material used.

Das Kathodenaktivmaterial muss daher überdimensioniert werden, das heißt in größerer Menge bereitgestellt werden, um auch nach dem Formationsverlust eine gewünschte Nenn-Kapazität der fertigen Lithiumionen-Batterie zu erzielen, wodurch sich die Kosten in der Herstellung erhöhen und die spezifische Energie der Batterie sinkt. Dadurch steigt auch der Bedarf an toxischen und/oder nicht beliebig verfügbaren Metallen, die für die Herstellung des Kathodenaktivmaterials notwendig sind, beispielsweise Cobalt und Nickel.The cathode active material must therefore be oversized, that is to say made available in larger quantities, in order to achieve a desired nominal capacity of the finished lithium-ion battery even after the loss of formation, which increases production costs and decreases the specific energy of the battery. This also increases the need for toxic and / or metals that are not freely available and that are necessary for the production of the cathode active material, for example cobalt and nickel.

Aus der EP 3 255 714 B1 ist bekannt, in der Zelle ein zusätzliches Lithium-Depot aus einer Lithiumlegierung bereitzustellen, um Lithiumverluste bei der Formation der Zelle und/oder im Betrieb der Zelle ausgleichen zu können. Die Bereitstellung zusätzlicher Komponenten bedingt jedoch einen komplexeren Zellaufbau, sowie zusätzliche Herstellprozesse mit zum Teil erhöhtem Aufwand und höheren Kosten.From the EP 3 255 714 B1 It is known to provide an additional lithium depot made of a lithium alloy in the cell in order to be able to compensate for lithium losses during the formation of the cell and / or during operation of the cell. The provision of additional components, however, requires a more complex cell structure, as well as additional manufacturing processes, sometimes with increased effort and higher costs.

Bei der im Stand der Technik bekannten Zellfertigung werden die Lithiumionen-Batterien zunächst im ungeladenen Zustand montiert und danach formiert. Die Formation ist ein äußerst kostenintensiver Prozess, da hierzu sowohl ein spezielles Equipment bereitgestellt als auch hohe Sicherheitsstandards eingehalten werden müssen, insbesondere bezüglich des Brandschutzes.In the cell production known in the prior art, the lithium ion batteries are first assembled in the uncharged state and then formed. The formation is an extremely cost-intensive process, as special equipment has to be provided and high safety standards have to be adhered to, especially with regard to fire protection.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lithiumionen-Batterie zur Verfügung zu stellen, die eine höhere spezifische Energie als auch eine höhere Strombelastbarkeit aufweist, sowie ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer solchen Lithiumionen-Batterie. Insbesondere soll das Verfahren zur Herstellung einer solchen Lithiumionen-Batterie einfacher als bekannte Verfahren sein und insbesondere aufwendige Formations-Prozesse vermeiden.It is the object of the invention to provide a lithium ion battery which has a higher specific energy and a higher current carrying capacity, as well as an inexpensive method for producing such a lithium ion battery. In particular, the method for producing such a lithium ion battery should be simpler than known methods and in particular avoid complex formation processes.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lithiumionen-Batterie mit einer Kathode, die ein Kathodenaktivmaterial umfasst, und einer Anode, die ein Anodenaktivmaterial umfasst. Das Kathodenaktivmaterial besteht aus zumindest einer Verbindung mit Schichtstruktur, wobei das Kathodenaktivmaterial einen Gesamtlithiierungsgrad L kleiner 1 aufweist. Das Anodenaktivmaterial ist vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie vorlithiiert.The object is achieved according to the invention by a lithium ion battery having a cathode, which comprises a cathode active material, and an anode, which comprises an anode active material. The cathode active material consists of at least one compound with a layer structure, the cathode active material having a total degree of lithiation L less than 1. The anode active material is prelithiated before the first discharging and / or charging process of the lithium ion battery.

Der Gesamtlithiierungsgrad L des Kathodenaktivmaterials ist insbesondere vor dem Befüllen der Lithiumionen-Batterie mit Elektrolyt kleiner als 1.The total degree of lithiation L of the cathode active material is less than 1, in particular before the lithium-ion battery is filled with electrolyte.

Der Begriff „Lithiierungsgrad“ bezeichnet den Gehalt an reversibel zyklisierbarem Lithium, in Form von Lithiumionen und/oder metallischem Lithium, im Verhältnis zum maximalen Gehalt an reversibel zyklisierbarem Lithium des Aktivmaterials. Mit anderen Worten ist der Lithiierungsgrad ein Maß dafür, wie viel Prozent des maximal zyklisierbaren Lithiumgehalts innerhalb der Struktur des Aktivmaterials eingelagert beziehungsweise interkaliert ist.The term “degree of lithiation” denotes the content of reversibly cyclizable lithium, in the form of lithium ions and / or metallic lithium, in relation to the maximum content of reversibly cyclizable lithium of the active material. In other words, the degree of lithiation is a measure of how many percent of the maximum cyclizable lithium content is incorporated or intercalated within the structure of the active material.

Ein Lithiierungsgrad von 1 bezeichnet dabei ein vollständig lithiiertes Aktivmaterial, während ein Lithiierungsgrad von 0 ein vollständig delithiiertes Aktivmaterial angibt.A degree of lithiation of 1 denotes a completely lithiated active material, while a degree of lithiation of 0 indicates a completely delithiated active material.

Beispielsweise ist in einem stöchiometrischen Lithium-Cobalt-Oxid LiCoO2 (LCO) der Lithiierungsgrad gleich 1 und bei reinem Cobalt(IV)-Oxid CoO2 (CO) dementsprechend gleich 0.For example, in a stoichiometric lithium-cobalt oxide LiCoO 2 (LCO) the degree of lithiation is 1 and in the case of pure cobalt (IV) oxide CoO 2 (CO) it is correspondingly 0.

Umfasst das Kathodenaktivmaterial mehr als eine Verbindung mit Schichtstruktur, weist jede der Verbindungen mit Schichtstruktur einen Lithiierungsgrad auf. Beispielsweise umfasst das Kathodenaktivmaterial eine erste Verbindung mit Schichtstruktur mit einem Lithiierungsgrad a und eine zweite Verbindung mit Schichtstruktur mit einem Lithiierungsgrad b.If the cathode active material comprises more than one compound with a layer structure, each of the compounds with a layer structure has a degree of lithiation. For example, the cathode active material comprises a first compound with a layer structure with a degree of lithiation a and a second compound with a layer structure with a degree of lithiation b.

Der Begriff „Gesamtlithiierungsgrad“ gibt den insgesamt resultierenden Lithiierungsgrad aller Komponenten des Aktivmaterials an, wobei sowohl der jeweilige Lithiierungsgrad der Komponenten als auch der jeweilige Gewichtsanteil der Komponenten am Kathodenaktivmaterial berücksichtigt wird.The term “total degree of lithiation” indicates the total resulting degree of lithiation of all components of the active material, taking into account both the respective degree of lithiation of the components and the respective weight proportion of the components in the cathode active material.

Beispielsweise ist in einem Kathodenaktivmaterial bestehend aus 70 Gew.-% Li0,5CoO2 als erstes Kathodenaktivmaterial mit einem Lithiierungsgrad a von 0,5 und 30 Gew.-% Li0,4Ni0,80Co0,15Al0,05O2 als zweites Kathodenaktivmaterial mit einem Lithiierungsgrad b von 0,4 der Gesamtlithiierungsgrad L gleich 0,47.For example, in a cathode active material consisting of 70% by weight Li 0.5 CoO 2 as the first cathode active material with a degree of lithiation a of 0.5 and 30% by weight Li 0.4 Ni 0.80 Co 0.15 Al 0, 05 O 2 as the second cathode active material with a degree of lithiation b of 0.4, the total degree of lithiation L is equal to 0.47.

Mit anderen Worten ist der Gesamtlithiierungsgrad L die Summe der Produkte aus Gewichtsanteil und Lithiierungsgrad aller Komponenten des Aktivmaterials.In other words, the total degree of lithiation L is the sum of the products of the weight fraction and degree of lithiation of all components of the active material.

Die Lithiierungsgrade der Komponenten des Kathodenaktivmaterials, beispielsweise die Lithiierungsgrade a und b im Fall einer ersten und einer zweiten Verbindung mit Schichtstruktur, können sich voneinander unterscheiden oder gleich sein.The degrees of lithiation of the components of the cathode active material, for example the degrees of lithiation a and b in the case of a first and a second compound with a layer structure, can differ from one another or be the same.

In einer Ausführungsform beträgt die Differenz zwischen dem Lithiierungsgrad a der ersten Verbindung mit Schichtstruktur und dem Lithiierungsgrad b der zweiten Verbindung mit Schichtstruktur weniger als 0,1.In one embodiment, the difference between the degree of lithiation a of the first connection with a layer structure and the degree of lithiation b of the second connection with a layer structure is less than 0.1.

In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Verbindung mit Schichtstruktur vollständig lithiiert und mindestens eine weitere Verbindung mit Schichtstruktur ist mindestens teilweise delithiiert. Beispielsweise ist im Fall einer ersten und einer zweiten Verbindung mit Schichtstruktur der Lithiierungsgrad a der ersten Verbindung mit Schichtstruktur gleich 1 und der Lithiierungsgrad b der zweiten Verbindung mit Schichtstruktur im Bereich größer null bis kleiner eins.In a further embodiment, the first connection with a layer structure is completely lithiated and at least one further connection with a layer structure is at least partially delithiated. For example, in the case of a first and a second connection with a layer structure, the degree of lithiation a of the first connection with a layer structure is 1 and the degree of lithiation b of the second connection with a layer structure is in the range greater than zero to less than one.

Insbesondere weist das Kathodenaktivmaterial einen Gesamtlithiierungsgrad L von 0,99 oder weniger auf, bevorzugt von 0,95 oder weniger, besonders bevorzugt von 0,7 oder weniger, weiter bevorzugt von 0,5 oder weniger, oder von 0,3 oder weniger. Beispielsweise hat das Kathodenaktivmaterial einen Gesamtlithiierungsgrad L von 0,5.In particular, the cathode active material has a total degree of lithiation L of 0.99 or less, preferably of 0.95 or less, particularly preferably of 0.7 or less, more preferably of 0.5 or less, or of 0.3 or less. For example, the cathode active material has a total degree of lithiation L of 0.5.

Das Kathodenaktivmaterial kann vollständig delithiiert sein, also einen Gesamtlithiierungsgrad L von 0 aufweisen. Insbesondere kann der Gesamtlithiierungsgrad des Kathodenaktivmaterials mindestens 0,1, bevorzugt mindestens 0,3, und weiter bevorzugt mindestens 0,5 betragen. Somit liegt der Gesamtlithiierungsgrad des Kathodenaktivmaterials bevorzugt in einem Bereich von 0 bis 0,99, wobei alle vorgenannten Ober- und Untergrenzen miteinander kombiniert werden können.The cathode active material can be completely delithiated, that is to say have a total degree of lithiation L of 0. In particular, the total degree of lithiation of the cathode active material can be at least 0.1, preferably at least 0.3, and more preferably at least 0.5. The total degree of lithiation of the cathode active material is therefore preferably in a range from 0 to 0.99, it being possible for all of the aforementioned upper and lower limits to be combined with one another.

Umfasst das Kathodenaktivmaterial mehr als eine Verbindung mit Schichtstruktur, wird das Kathodenaktivmaterial auch als Komposit-Kathodenaktivmaterial bezeichnet.If the cathode active material comprises more than one compound with a layer structure, the cathode active material is also referred to as composite cathode active material.

Erfindungsgemäß besteht das Kathodenaktivmaterial aus der zumindest einen Verbindung mit Schichtstruktur. Mit anderen Worten weist das Kathodenaktivmaterial keine weiteren Aktivmaterialien anderer Verbindungsklassen auf, beispielsweise keine Olivine.According to the invention, the cathode active material consists of the at least one compound with a layer structure. In other words, the cathode active material has no further active materials of other compound classes, for example no olivines.

Als Verbindung mit Schichtstruktur werden hier Übergangsmetalloxide mit geschichteter Struktur verstanden, insbesondere Verbindungen mit α-NaCrO2-Struktur wie sie beispielsweise in der EP 0 017 400 B1 beschrieben sind. Derartige Strukturen kristallisieren insbesondere in der Raumgruppe Nummer 166 (R-3m).Compounds with a layered structure are understood here to mean transition metal oxides with a layered structure, in particular compounds with an α-NaCrO 2 structure, such as those in FIG EP 0 017 400 B1 are described. Such structures crystallize in particular in space group number 166 (R-3m).

Auch kann die Verbindung mit Schichtstruktur eine Verbindung mit der Summenformel Li1+x(NiaCobMnc)1-xO2 sein, wie sie beispielsweise in der US 6,677,082 B2 beschrieben ist. Derartige Verbindungen werden im englischen Sprachgebrauch auch als „overlithiated oxide“ (OLO) beziehungsweise als „layered-layered oxide“ bezeichnet.The compound with a layer structure can also be a compound with the empirical formula Li 1 + x (Ni a Co b Mn c ) 1-x O 2 , as is shown, for example, in FIG US 6,677,082 B2 is described. Such compounds are also referred to in English as “overlithiated oxide” (OLO) or as “layered-layered oxide”.

Die zumindest eine Verbindung mit Schichtstruktur kann aus allen im Stand der Technik bekannten Verbindungen mit Schichtstruktur ausgewählt sein, die sich als positives Aktivmaterial in einer Lithiumionen-Batterie eignen.The at least one compound with a layer structure can be selected from all compounds known in the prior art with a layer structure which are suitable as positive active material in a lithium-ion battery.

Beispielsweise ist die zumindest eine Verbindung mit Schichtstruktur Cobalt-Oxid, Nickel-Cobalt-Oxid, Nickel-Oxid, Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid oder Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid. Die Verbindung mit Schichtstruktur kann auch jede der genannten Substanzen in Verbindung mit Lithium sein, also Lithium-Cobalt-Oxid (LCO), Lithium-Nickel-Cobalt-Oxid (LNCO), Lithium-Nickel-Oxid (LNO), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA) oder Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC).For example, the at least one compound with a layer structure is cobalt oxide, nickel-cobalt oxide, nickel oxide, nickel-cobalt-aluminum oxide or nickel-manganese-cobalt oxide. The compound with a layer structure can also be any of the substances mentioned in connection with lithium, i.e. lithium cobalt oxide (LCO), lithium nickel cobalt oxide (LNCO), lithium nickel oxide (LNO), lithium nickel oxide Cobalt aluminum oxide (NCA) or lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC).

Die zumindest eine Verbindung mit Schichtstruktur enthält bevorzugt Mangan, Aluminium, Cobalt und/oder Nickel.The at least one compound with a layer structure preferably contains manganese, aluminum, cobalt and / or nickel.

Besonders bevorzugt ist der Anteil an Nickel pro Formeleinheit der zumindest einen Verbindung mit Schichtstruktur 0,8 oder mehr. Derartige Verbindungen können durch die Formeleinheit Li1-xNi0,8+yM0,2-yO2 mit 0 < X ≤ 1 beschrieben werden, wobei 0 ≤ y ≤ 0,2 ist und M jedes beliebige Metall sein kann wie im Stand der Technik bekannt. Insbesondere ist M Cobalt, Mangan und/oder Aluminium. Beispielsweise ist die Verbindung mit Schichtstruktur Li1-xNi0,8Mn0,1Co0,1O2 mit 0 < x ≤ 1, die durch Delithiierung von LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 erhalten werden kann, wobei die stabile Schichtstruktur des LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 erhalten bleibt.The proportion of nickel per formula unit of the at least one compound with a layer structure is particularly preferably 0.8 or more. Such compounds can be described by the formula unit Li 1-x Ni 0.8 + y M 0.2-y O 2 with 0 <X 1, where 0 y 0.2 and M can be any metal such as known in the art. In particular, M is cobalt, manganese and / or aluminum. For example, the compound with a layer structure is Li 1-x Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 with 0 <x 1, which is obtained by delithiation of LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 the stable layer structure of LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 is retained.

Die Verbindung mit Schichtstruktur kann in Form monokristalliner bzw. monolithischer Partikel oder in polykristalliner Form vorliegen.The compound with a layer structure can be in the form of monocrystalline or monolithic particles or in polycrystalline form.

Verbindungen mit Schichtstruktur können reversibel Lithiumionen einlagern, wodurch eine hohe zyklische Lebensdauer der Lithiumionen-Batterie resultiert. Darüber hinaus besitzen Verbindungen mit Schichtstruktur eine hohe spezifische Kapazität, wodurch hohe spezifische Energien der Lithiumionen-Batterien resultieren.Compounds with a layer structure can reversibly store lithium ions, which results in a long cyclical life of the lithium ion battery. In addition, compounds with a layer structure have a high specific capacity, which results in high specific energies of the lithium ion batteries.

Verbindungen mit Schichtstruktur sind kommerziell verfügbar und mit gängigen Elektrodenbindern, Elektrolytzusammensetzungen sowie Leitfähigkeitsadditiven, beispielsweise Leitruß, sowie mit den gängigen Herstellungsprozessen von Kathodenaktivmaterialien vollständig kompatibel, beispielsweise Misch-, Beschichtungs-, Kalandrierungs-, Stanz-, Schneide-, Trocknungs-, Wickel-, Stapel- und Laminationsprozessen.Compounds with a layer structure are commercially available and fully compatible with common electrode binders, electrolyte compositions and conductivity additives, for example carbon black, as well as with the common manufacturing processes for cathode active materials, for example mixing, coating, calendering, punching, cutting, drying, winding, Stacking and lamination processes.

Auch können eine oder mehrere nicht-stöchiometrische Verbindungen mit Schichtstruktur verwendet werden, beispielsweise Li0,98CoO2-δ, wobei δ insbesondere im Bereich zwischen 0 und 0,05 liegt.One or more non-stoichiometric compounds with a layer structure can also be used, for example Li 0.98 CoO 2-δ , where δ is in particular in the range between 0 and 0.05.

Die zumindest eine Verbindung mit Schichtstruktur kann auch weitere Metalle enthalten, wie im Stand der Technik bekannt. Insbesondere kann die zumindest eine Verbindung mit Schichtstruktur Dopingmetalle enthalten, beispielsweise Magnesium, Wolfram, Zirkonium, Titan, Aluminium und/oder Mangan.The at least one compound with a layer structure can also contain further metals, as is known in the prior art. In particular, the at least one compound with a layer structure can contain doping metals, for example magnesium, tungsten, zirconium, titanium, aluminum and / or manganese.

In der zumindest einen Verbindung mit Schichtstruktur kann Sauerstoff teilweise substituiert sein, beispielsweise mit Fluor.In the at least one compound with a layer structure, oxygen can be partially substituted, for example with fluorine.

Die zumindest eine Verbindung mit Schichtstruktur kann in einer Partikelgröße im Bereich von 0,03 bis 25 µm eingesetzt werden, bevorzugt von 0,1 bis 15 µm. Derartige Partikelgrößen eignen sich optimal, um eine homogene und hoch verdichtete Kathoden-Elektrode zu erhalten.The at least one compound with a layer structure can be used in a particle size in the range from 0.03 to 25 μm, preferably from 0.1 to 15 μm. Such particle sizes are ideal for obtaining a homogeneous and highly compressed cathode electrode.

In einer Variante besteht das Kathodenaktivmaterial aus einer einzelnen Verbindung mit Schichtstruktur. Mit anderen Worten enthält das Kathodenaktivmaterial keine weiteren Kathodenaktivmaterialien mit Schichtstruktur, die eine von der einzelnen Verbindung mit Schichtstruktur abweichende Zusammensetzung aufweisen.In a variant, the cathode active material consists of a single compound with a layer structure. In other words, the cathode active material does not contain any further cathode active materials with a layer structure which have a composition that differs from the individual compound with a layer structure.

In diesem Fall entspricht der Lithiierungsgrad a der einzelnen Verbindung mit Schichtstruktur dem Gesamtlithiierungsgrad L des Kathodenaktivmaterials.In this case, the degree of lithiation a of the individual compound with a layer structure corresponds to the total degree of lithiation L of the cathode active material.

Eine solche Ausgestaltung vereinfacht die Auslegung des Kathodenaktivmaterials, da keine Abstimmung mehrerer aktiver Komponenten und/oder Lithiierungsgrade aufeinander nötig ist.Such a configuration simplifies the design of the cathode active material, since it is not necessary to coordinate several active components and / or degrees of lithiation with one another.

Zusätzlich zum Kathodenaktivmaterial kann die Kathode weitere Komponenten und Zusätze aufweisen, wie beispielsweise einen Folien-Träger, ein Elektroden-Bindemittel und/oder einen elektrischen Leitfähigkeitsverbesserer, beispielsweise Leitruß. Als weitere Komponenten und Zusätze können alle üblichen im Stand der Technik bekannten Verbindungen und Materialien eingesetzt werden.In addition to the cathode active material, the cathode can have further components and additives, such as, for example, a foil carrier, an electrode binder and / or an electrical conductivity improver, for example conductive carbon black. As further components and additives it is possible to use all of the customary compounds and materials known in the prior art.

Das Anodenaktivmaterial ist erfindungsgemäß vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie vorlithiiert. Der Begriff „vorlithiiert“ bzw. „Vorlithiierung“ gibt an, dass im Anodenaktivmaterial bereits vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie, insbesondere vor dem Befüllen mit Elektrolyt, wenigstens teilweise Lithium in der Struktur des Anodenaktivmaterials vorhanden ist, insbesondere interkaliert und/oder legiert ist.According to the invention, the anode active material is prelithiated before the first discharging and / or charging process of the lithium ion battery. The term “pre-lithiated” or “pre-lithiated” indicates that in the anode active material before the first discharging and / or charging process of the lithium ion battery, in particular before filling with electrolyte, lithium is at least partially present in the structure of the anode active material, in particular is intercalated and / or alloyed.

Entsprechend weist das Anodenaktivmaterial vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang, insbesondere vor dem Befüllen mit Elektrolyt, einen Lithiierungsgrad c von größer null auf.Correspondingly, before the first discharging and / or charging process, in particular before being filled with electrolyte, the anode active material has a degree of lithiation c of greater than zero.

Zum Lithiierungsgrad c des Anodenaktivmaterials kann auch metallisches Lithium hinzugezählt werden, welches bereits auf die Anode aufgebracht wurde, jedoch noch nicht oder nur unvollständig in das Anodenaktivmaterial aufgenommen wurde, insbesondere interkaliert und/oder legiert wurde. Es hat sich gezeigt, dass derartige Anteile an metallischem Lithium beim ersten Betreiben der Lithiumionen-Batterie vollständig in das Anodenaktivmaterial aufgenommen werden, insbesondere interkaliert und/oder legiert werden.Metallic lithium, which has already been applied to the anode, but has not yet been or only incompletely taken up in the anode active material, in particular intercalated and / or alloyed, can also be added to the lithiation degree c of the anode active material. It has been shown that such proportions of metallic lithium are completely absorbed into the anode active material when the lithium ion battery is operated for the first time, in particular are intercalated and / or alloyed.

Da sich die Lithiumionen nach dem Befüllen mit Elektrolyt und insbesondere beim ersten Entlade- bzw. Ladevorgang auch in das Anodenaktivmaterial einlagern können, können sich die Lithiierungsgrade der mindestens einen Verbindung mit Schichtstruktur und des Anodenaktivmaterials nach dem Befüllen mit Elektrolyt und/oder nach dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang vom Ausgangszustand unterscheiden. Daher beziehen sich die Angaben bezüglich der Lithiierungsgrade auf den Zustand vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang und insbesondere auf den Zustand vor dem Befüllen mit Elektrolyt.Since the lithium ions can also be embedded in the anode active material after filling with electrolyte and in particular during the first discharge or charging process, the degrees of lithiation of the at least one compound with a layer structure and of the anode active material can be after filling with electrolyte and / or after the first discharge - and / or differentiate the charging process from the initial state. Therefore, the information regarding the degrees of lithiation relate to the state before the first discharging and / or charging process and in particular to the state before the filling with electrolyte.

Insbesondere kann das Anodenaktivmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffhaltigen Materialien, Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Lithium, Lithiumlegierungen, Aluminiumlegierungen, Indium, Indiumlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen, Niobpentoxid, Titandioxid, Titanaten, beispielsweise Lithium-Titanat (Li4Ti5O12), Zinndioxid und Mischungen davon.In particular, the anode active material can be selected from the group consisting of carbon-containing materials, silicon, silicon suboxide, silicon alloys, lithium, lithium alloys, aluminum alloys, indium, indium alloys, tin, tin alloys, cobalt alloys, niobium pentoxide, titanium dioxide, titanates, for example lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), tin dioxide, and mixtures thereof.

Bevorzugt ist das Anodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Silizium, oberflächenbeschichteten Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Lithium, Aluminiumlegierungen, Indium, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon.The anode active material is preferably selected from the group consisting of synthetic graphite, natural graphite, graphene, mesocarbon, doped carbon, hard carbon, soft carbon, fullerene, silicon-carbon composite, silicon, surface-coated silicon, silicon suboxide, silicon alloys, lithium, aluminum alloys, indium , Tin alloys, cobalt alloys, and mixtures thereof.

Enthält das Anodenaktivmaterial bereits Lithium, welches nicht an der Zyklisierung teilnimmt, also kein aktives Lithium ist, so wird dieser Anteil an Lithium erfindungsgemäß nicht als Bestandteil der Vorlithiierung angesehen. Mit anderen Worten hat dieser Anteil an Lithium keinen Einfluss auf den Lithiierungsgrad c des Aktivmaterials.If the anode active material already contains lithium, which does not take part in the cyclization, that is to say is not active lithium, this proportion of lithium is not regarded according to the invention as a component of the prelithiation. In other words, this proportion of lithium has no influence on the degree of lithiation c of the active material.

Zusätzlich zum Anodenaktivmaterial kann die Anode weitere Komponenten und Zusätze aufweisen, wie beispielsweise einen Folien-Träger, ein Elektroden-Bindemittel und/oder einen elektrischen Leitfähigkeitsverbesserer, beispielsweise Leitruß, Leitgraphit, sogenannte „Carbon Nano Tubes“ (CNT), Carbon Fibres und/oder Graphen. Als weitere Komponenten und Zusätze können alle üblichen im Stand der Technik bekannten Verbindungen und Materialien eingesetzt werden.In addition to the anode active material, the anode can have further components and additives, such as a foil carrier, an electrode binder and / or an electrical conductivity improver, for example carbon black, conductive graphite, so-called “carbon nano tubes” (CNT), carbon fibers and / or Graph. As further components and additives it is possible to use all of the customary compounds and materials known in the prior art.

Das für die Vorlithiierung des Anodenaktivmaterials verwendete Lithium kann sowohl später als Lithiumreserve in den Lade- und Entladezyklen der Lithiumionen-Batterie über deren Lebensdauer hinweg zur Verfügung stehen als auch zur Ausbildung einer SEI noch vor oder während des ersten Entlade- und/oder Ladevorgangs der Lithiumionen-Batterie genutzt werden. Somit kann die Vorlithiierung die ansonsten prinzipiell auftretenden Formationsverluste wenigstens teilweise ausgleichen.The lithium used for prelithiation of the anode active material can be available later as a lithium reserve in the charging and discharging cycles of the lithium ion battery over its service life and to form an SEI before or during the first discharging and / or charging process of the lithium ions -Battery can be used. Thus, the prelithiation can at least partially compensate for the formation losses that otherwise occur in principle.

Des Weiteren müssen die Reaktionen zur Bildung der SEI nicht erst beim ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der zusammengebauten Lithiumionen-Batterie stattfinden, sondern können wenigstens teilweise bereits bei der Herstellung des Anodenaktivmaterials und/oder der Anode durchgeführt werden, insbesondere nach Einfüllen des Elektrolyten.Furthermore, the reactions for the formation of the SEI do not have to take place during the first discharging and / or charging process of the assembled lithium-ion battery, but can at least partially be carried out during the production of the anode active material and / or the anode, in particular after the electrolyte has been filled.

Insbesondere ist das Anodenmaterial so weit vorlithiiert, dass mehr Lithium vorhanden ist als zur Ausbildung der SEI während der Anodenherstellung und/oder der Formation der Lithiumionen-Batterie benötigt wird.In particular, the anode material is prelithiated to such an extent that more lithium is present than is required to form the SEI during the anode production and / or the formation of the lithium ion battery.

Bevorzugt weist das Anodenaktivmaterial vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie, insbesondere vor dem Befüllen mit Elektrolyt, einen Lithiierungsgrad c von größer null und zusätzlich eine stabile SEI auf.Before the first discharging and / or charging process of the lithium ion battery, in particular before being filled with electrolyte, the anode active material preferably has a degree of lithiation c of greater than zero and, in addition, a stable SEI.

Der Lithiierungsgrad c des Anodenaktivmaterials liegt insbesondere im Bereich von 0,01 bis 1,0, bevorzugt im Bereich von 0,03 bis 0,50, besonders bevorzugt im Bereich 0,05 bis 0,30.The degree of lithiation c of the anode active material is in particular in the range from 0.01 to 1.0, preferably in the range from 0.03 to 0.50, particularly preferably in the range from 0.05 to 0.30.

Bei Verwendung von Graphit als Anodenaktivmaterial würde dies beispielsweise einer Zusammensetzung von Li0,01≤x≤1,0C6, Li0,03≤x≤0,50C6 bzw. Li0,05≤x≤0,30C6 entsprechen. Bei Verwendung von Silizium als Anodenaktivmaterial würde dies einer Zusammensetzung von Li0,0375≤x≤3,75Si1, Li0,1125≤x≤1,875Si1 bzw. Li0,1875≤x≤1,125Si1 entsprechen.If graphite is used as the anode active material, this would be one, for example Composition of Li 0.01≤x≤1.0 C 6 , Li 0.03≤x≤0.50 C 6 or Li 0.05≤x≤0.30 C 6 . If silicon is used as the anode active material, this would correspond to a composition of Li 0.0375 x 3.75 Si 1 , Li 0.1125 x 1.875 Si 1 or Li 0.1875 x 1.125 Si 1 .

Durch die Kombination eines teilweise delithiierten Kathodenaktivmaterials und eines, wahlweise unterstöchiometrisch, vorlithiierten Anodenaktivmaterials ist die Lithiumionen-Batterie direkt nach dem Zusammenbau bereits wenigstens teilweise geladen und somit sofort für den Einsatz geeignet.Due to the combination of a partially delithiated cathode active material and an optionally substoichiometric, prelithiated anode active material, the lithium ion battery is already at least partially charged immediately after assembly and is therefore immediately suitable for use.

Der erste Entlade- und/oder Ladevorgang kann entsprechend direkt in der angedachten Anwendung erfolgen, beispielsweise beim Endkunden. Einzelne elektrochemische Zellen können auch zunächst zu einem Batteriemodul verbunden bzw. verschaltet und erst dann zum ersten Mal entladen und/oder geladen werden.The first discharging and / or charging process can accordingly take place directly in the intended application, for example at the end customer. Individual electrochemical cells can also initially be connected or interconnected to form a battery module and only then be discharged and / or charged for the first time.

Auf diese Weise kann der Pre-Charge-Schritt und/oder der Formierungsschritt, also das erstmalige Laden der Lithiumionen-Batterie, während des Herstellungsprozesses entfallen, wodurch die Produktionszeit verkürzt und die Prozesskosten reduziert werden. Zudem wird der Stromverbrauch in der Herstellung verglichen mit dem bisherigen Stand der Technik sowie der Umfang und Betrieb der benötigten Produktionsanlagen reduziert.In this way, the pre-charge step and / or the formation step, that is to say the initial charging of the lithium-ion battery, can be omitted during the manufacturing process, as a result of which the production time is shortened and the process costs are reduced. In addition, the power consumption in production is reduced compared to the previous state of the art as well as the scope and operation of the required production facilities.

Bevorzugt kann der Gesamtlithiierungsgrad L des Kathodenaktivmaterials und der Lithiierungsgrad c des Anodenaktivmaterials im Bereich von 0,1 bis zu 0,5 liegen. Hiermit wird erreicht, dass ein Ladestand der Lithiumionen-Batterie direkt nach der Herstellung erzielt wird, der für eine Vielzahl von Applikationen ausreichend ist. Zudem kann bei diesem Ladestand eine sichere Lagerung und Handhabung sowie ein sicherer Transport erfolgen.The total degree of lithiation L of the cathode active material and the degree of lithiation c of the anode active material can preferably be in the range from 0.1 to 0.5. This ensures that the lithium-ion battery is charged directly after manufacture which is sufficient for a large number of applications. In addition, safe storage and handling as well as safe transport can take place with this charge level.

Sofern mehrere Verbindungen mit Schichtstruktur vorhanden sind, kann der Lithiierungsgrad a einer ersten Verbindung mit Schichtstruktur, der Lithiierungsgrad b einer zweiten Verbindung mit Schichtstruktur und der Lithiierungsgrad c des Anoden-Aktivmaterials bevorzugt im Bereich von 0,1 bis zu 0,5 liegen.If several compounds with a layer structure are present, the degree of lithiation a of a first compound with a layer structure, the degree of lithiation b of a second compound with a layer structure and the degree of lithiation c of the anode active material can preferably be in the range from 0.1 to 0.5.

In einer weiteren Variante ist die zumindest eine Verbindung mit Schichtstruktur weitgehend delithiiert. Mit anderen Worten ist, abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen, nur noch etwa 5 bis 30 % des maximalen Lithiumanteils innerhalb des Kathodenaktivmaterials vor dem ersten Entlade- und/oder Ladezyklus der Lithiumionen-Batterie vorhanden. In dieser Variante kann die Verbindung mit Schichtstruktur höchstens soweit delithiiert sein, dass die Stabilität der Struktur der Verbindung mit Schichtstruktur noch erhalten bleibt.In a further variant, the at least one connection with a layer structure is largely delithiated. In other words, apart from unavoidable impurities, only about 5 to 30% of the maximum lithium content is present within the cathode active material before the first discharge and / or charge cycle of the lithium ion battery. In this variant, the connection with the layer structure can at most be delithiated to such an extent that the stability of the structure of the connection with the layer structure is still retained.

Teilweise delithiierte Verbindungen mit Schichtstruktur sind kommerziell erhältlich und/oder können durch elektrochemische Extraktion von Lithium aus vollständig oder teilweise lithiierten Kathodenaktivmaterialien gewonnen werden. Auch eine chemische Extraktion von Lithium aus vollständig oder teilweise lithiierten Kathodenaktivmaterialien ist möglich, bei der das Lithium beispielsweise mittels starker Oxidationsmittel herausgelöst wird, insbesondere mittels NO2BF4.Partially delithiated compounds with a layer structure are commercially available and / or can be obtained by electrochemical extraction of lithium from completely or partially lithiated cathode active materials. Chemical extraction of lithium from completely or partially lithiated cathode active materials is also possible, in which the lithium is dissolved out, for example, by means of strong oxidizing agents, in particular by means of NO 2 BF 4 .

Bevorzugt ist der Lithiierungsgrad der Verbindung mit Schichtstruktur an die Vorlithiierung des Anodenaktivmaterials angepasst. Mit anderen Worten kann der Gesamtlithiierungsgrad L des Kathodenaktivmaterials um die Menge Lithium gesenkt werden, die für die Vorlithiierung des Anodenaktivmaterials genutzt wird. In dieser Weise wird die Energiedichte bzw. die offene Zellspannung der Lithiumionen-Batterie weiter optimiert.The degree of lithiation of the connection with the layer structure is preferably adapted to the prelithiation of the anode active material. In other words, the total degree of lithiation L of the cathode active material can be reduced by the amount of lithium that is used for the prelithiation of the anode active material. In this way, the energy density or the open cell voltage of the lithium ion battery is further optimized.

In einer Variante ist das Anodenaktivmaterial vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie soweit vorlithiiert, dass die zusammengebaute Lithiumionen-Batterie vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang einen State-of-Charge (SoC) im Bereich von 0,1 bis 100 % hat, bevorzugt von 3 bis 50 %, besonders bevorzugt von 5 bis 35 %.In one variant, the anode active material is prelithiated before the first discharge and / or charging process of the lithium-ion battery to such an extent that the assembled lithium-ion battery has a state-of-charge (SoC) in the range of 0 before the first discharge and / or charging process , 1 to 100%, preferably from 3 to 50%, particularly preferably from 5 to 35%.

Der SoC gibt die noch verfügbare Kapazität der Lithiumionen-Batterie im Verhältnis zur maximalen Kapazität der Lithiumionen-Batterie an und kann auf einfache Weise beispielsweise über die Spannung und/oder den Stromfluss der Lithiumionen-Batterie bestimmt werden.The SoC indicates the still available capacity of the lithium ion battery in relation to the maximum capacity of the lithium ion battery and can be determined in a simple manner, for example via the voltage and / or the current flow of the lithium ion battery.

Die Menge an Lithium, die für die Vorlithiierung des Anodenaktivmaterials eingesetzt werden muss, um einen bestimmten SoC vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie zu erreichen, ist abhängig davon, ob bereits eine SEI auf dem Anodenaktivmaterial vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie ausgebildet wird. Ist dies nicht der Fall, so muss das Anodenaktivmaterial so stark vorlithiiert sein, dass das zugesetzte Lithium sowohl für die Ausbildung der SEI als auch zum Erreichen der entsprechenden Ziel-Kapazität und/oder Zellspannung ausreicht. Die für die Ausbildung der SEI benötigte Menge an Lithium kann anhand der verwendeten Anodenaktivmaterialien gut abgeschätzt werden.The amount of lithium that must be used for prelithiation of the anode active material in order to achieve a certain SoC before the first discharge and / or charge process of the lithium ion battery depends on whether there is already an SEI on the anode active material before the first discharge - And / or charging process of the lithium ion battery is formed. If this is not the case, the anode active material must be prelithiated to such an extent that the added lithium is sufficient both for the formation of the SEI and for achieving the corresponding target capacity and / or cell voltage. The amount of lithium required for the formation of the SEI can be estimated well based on the anode active materials used.

Der SoC der Lithiumionen-Batterie vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang ist jedoch nicht nur von der Vorlithiierung des Anodenaktivmaterials abhängig, sondern auch von der Delithiierung der zumindest einen Verbindung mit Schichtstruktur im Kathodenaktivmaterial. Bevorzugt ist das Anodenaktivmaterial so weit vorlithiiert, dass das im Kathodenaktivmaterial bzw. Komposit-Kathodenaktivmaterial fehlende Lithium ausgeglichen wird. Besonders bevorzugt kann das Anodenaktivmaterial auch so weit vorlithiiert sein, dass ein Lithiumüberschuss in der Lithiumionen-Batterie resultiert, gleichzeitig jedoch ein SoC vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie in den zuvor genannten Bereichen erreicht ist. Der in diesem Fall resultierende Lithiumüberschuss stellt ein Lithium-Reservoir dar, das während des Betriebs der Lithiumionen-Batterie auftretende Verluste ausgleichen und somit die Lebensdauer der Zelle verlängern kann.The SoC of the lithium ion battery before the first discharging and / or charging process is not only dependent on the prelithiation of the anode active material, but also on the delithiation of the at least one compound with a layer structure in the cathode active material. The anode active material is preferably prelithiated to such an extent that the im Cathode active material or composite cathode active material missing lithium is compensated. Particularly preferably, the anode active material can also be prelithiated to such an extent that an excess of lithium results in the lithium-ion battery, but at the same time an SoC is achieved before the first discharging and / or charging process of the lithium-ion battery in the aforementioned areas. The excess lithium that results in this case represents a lithium reservoir that can compensate for losses that occur during operation of the lithium ion battery and thus extend the service life of the cell.

Zwischen der Kathode und der Anode weist die erfindungsgemäße Lithiumionen-Batterie einen Separator auf, der die beiden Elektroden voneinander trennt. Der Separator ist für Lithiumionen durchlässig, aber für Elektronen ein Nichtleiter. Der Separator ist entsprechend ein Lithiumionenleiter und kann flüssig, kunststoffbasiert, geliert und/oder anorganischer Natur sein.The lithium ion battery according to the invention has a separator between the cathode and the anode, which separates the two electrodes from one another. The separator is permeable to lithium ions, but a non-conductor to electrons. The separator is accordingly a lithium ion conductor and can be liquid, plastic-based, gelled and / or inorganic in nature.

Als Separatoren können Polymere eingesetzt werden, insbesondere ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, Polyacrylnitrilen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinyliden-Hexafluoropropylen, Polyetherimid, Polyimid, Aramid, Polyether, Polyetherketon oder Mischungen davon.Polymers can be used as separators, in particular a polymer selected from the group consisting of polyesters, in particular polyethylene terephthalate, polyolefins, in particular polyethylene and / or polypropylene, polyacrylonitriles, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene-hexafluoropropylene, polyetherimide, polyimide, aramid, polyether, polyetherketone or mixtures thereof .

Der Separator kann zusätzlich mit keramischem Material und/oder einem Binder beschichtet sein, beispielsweise mit Al2O3.The separator can additionally be coated with ceramic material and / or a binder, for example with Al 2 O 3 .

Zudem weist die Lithiumionen-Batterie einen Elektrolyten auf, der leitend für Lithiumionen ist und der sowohl ein Feststoffelektrolyt als auch eine Flüssigkeit sein kann, die ein Lösungsmittel und zumindest ein darin gelöstes Lithium-Leitsalz, beispielsweise Lithium-Hexafluorophosphat (LiPF6), umfasst.In addition, the lithium ion battery has an electrolyte which is conductive for lithium ions and which can be both a solid electrolyte and a liquid that includes a solvent and at least one lithium conductive salt dissolved therein, for example lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ).

Das Elektrolyt-Lösungsmittel ist vorzugsweise inert. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise organische Lösungsmittel wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Fluorethylencarbonat (FEC), Sulfolane, 2-Methyltetrahydrofuran, Acetonitril und 1,3-Dioxolan.The electrolyte solvent is preferably inert. Suitable solvents are, for example, organic solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, fluoroethylene carbonate (FEC), sulfolanes, 2-methyltetrahydrofuran, acetonitrile and 1,3-dioxolane.

Als Lösungsmittel können auch ionische Flüssigkeiten verwendet werden. Solche ionischen Flüssigkeiten enthalten ausschließlich Ionen. Bevorzugte Kationen, die insbesondere alkyliert sein können, sind Imidazolium-, Pyridinium-, Pyrrolidinium-, Guanidinium-, Uronium-, Thiuronium-, Piperidinium-, Morpholinium-, Sulfonium-, Ammonium- und Phosphonium-Kationen. Beispiele für verwendbare Anionen sind Halogenid-, Tetrafluoroborat-, Trifluoracetat-, Triflat-, Hexafluorophosphat-, Phosphinat- und Tosylat-Anionen.Ionic liquids can also be used as solvents. Such ionic liquids contain only ions. Preferred cations, which can in particular be alkylated, are imidazolium, pyridinium, pyrrolidinium, guanidinium, uronium, thiuronium, piperidinium, morpholinium, sulfonium, ammonium and phosphonium cations. Examples of usable anions are halide, tetrafluoroborate, trifluoroacetate, triflate, hexafluorophosphate, phosphinate and tosylate anions.

Als beispielhafte ionische Flüssigkeiten seien genannt: N-Methyl-N-propyl-piperidinium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid, N-Methyl-N-butyl-pyrrolidinium-bis(trifluormethyl-sulfonyl)imid, N-Butyl-N-trimethyl-ammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid, Triethylsulfonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid und N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)-ammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)-imid.Exemplary ionic liquids are: N-methyl-N-propyl-piperidinium-bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, N-methyl-N-butyl-pyrrolidinium-bis (trifluoromethyl-sulfonyl) imide, N-butyl-N-trimethyl-ammonium bis (trifluoromethylsulphonyl) imide, triethylsulphonium bis (trifluoromethylsulphonyl) imide and N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethylsulphonyl) imide.

In einer Variante können zwei oder mehrere der oben genannten Flüssigkeiten verwendet werden.In a variant, two or more of the liquids mentioned above can be used.

Bevorzugte Leitsalze sind Lithiumsalze, welche inerte Anionen aufweisen und welche vorzugsweise nicht toxisch sind. Geeignete Lithiumsalze sind insbesondere Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) und Mischungen dieser Salze.Preferred conductive salts are lithium salts which have inert anions and which are preferably non-toxic. Suitable lithium salts are, in particular, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) and mixtures of these salts.

Der Separator kann mit dem Lithiumsalz-Elektrolyt getränkt bzw. benetzt sein, wenn dieser flüssig ist.The separator can be soaked or wetted with the lithium salt electrolyte if it is liquid.

Die erfindungsgemäße Lithiumionen-Batterie kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug oder einem tragbaren Gerät vorgesehen sein. Das tragbare Gerät kann insbesondere ein Smartphone, ein Elektrowerkzeug bzw. Powertool, ein Tablet oder ein in die Kleidung integriertes Computersystem, auch mit dem Begriff „Wearable“ bezeichnet, sein. Ebenso kann die erfindungsgemäße Lithiumionen-Batterie in einem stationären Speicher eingesetzt seinThe lithium ion battery according to the invention can in particular be provided in a motor vehicle or a portable device. The portable device can in particular be a smartphone, a power tool or power tool, a tablet or a computer system integrated into the clothing, also referred to by the term “wearable”. The lithium ion battery according to the invention can also be used in a stationary storage device

Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiumionen-Batterie, umfassend folgende Schritte: Zunächst wird ein Kathodenaktivmaterial bereitgestellt, wobei das Kathodenaktivmaterial zumindest eine Verbindung mit Schichtstruktur umfasst und das Kathodenaktivmaterial einen Gesamtlithiierungsgrad L kleiner 1 aufweist. Zudem wird ein Anodenaktivmaterial bereitgestellt. Anschließend wird das Kathodenaktivmaterial in einer Kathode und das Anodenaktivmaterial in einer Anode verbaut. Schließlich werden die Kathode und die Anode zu einer Lithiumionen-Batterie konfektioniert. Erfindungsgemäß wird das Anodenaktivmaterial vor oder nach dem Verbauen des Anodenaktivmaterials in der Anode vorlithiiert.The object of the invention is further achieved by a method for producing a lithium ion battery, comprising the following steps: First, a cathode active material is provided, the cathode active material comprising at least one compound with a layer structure and the cathode active material having a total degree of lithiation L less than 1. In addition, an anode active material is provided. The cathode active material is then installed in a cathode and the anode active material in an anode. Finally, the cathode and the anode are assembled into a lithium ion battery. According to the invention, the anode active material is prelithiated before or after the anode active material is built into the anode.

Die Bestandteile der Lithiumionen-Batterie sind insbesondere aus den zuvor beschriebenen Materialien gefertigt.The components of the lithium ion battery are made in particular from the materials described above.

Entsprechend ist die zuvor beschriebene Lithiumionen-Batterie insbesondere durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich.Accordingly, the lithium ion battery described above can be obtained, in particular, by the method according to the invention.

Das Vorlithiieren des Anodenaktivmaterials kann durch die im Stand der Technik bekannten Techniken zur Herstellung von Lithium-Interkalationsverbindungen beziehungsweise Lithium-Legierungen erfolgen.The anode active material can be prelithiated by the techniques known in the prior art for producing lithium intercalation compounds or lithium alloys.

Beispielsweise kann ein Gemisch aus dem Anodenaktivmaterial mit metallischem Lithium hergestellt werden. Anschließend kann das Gemisch für einen Zeitraum von bis zu zwei Wochen gelagert werden, bevorzugt von bis zu einer Woche, besonders bevorzugt von bis zu zwei Tagen. In diesem Zeitraum kann sich das Lithium in das Anodenaktivmaterial einlagern, sodass ein vorlithiiertes Anodenaktivmaterial erhalten wird.For example, a mixture of the anode active material with metallic lithium can be produced. The mixture can then be stored for a period of up to two weeks, preferably up to one week, particularly preferably up to two days. During this period, the lithium can be incorporated into the anode active material, so that a prelithiated anode active material is obtained.

In einer Variante kann das Vorlithiieren des Anodenaktivmaterials durch Vermengen des Anodenaktivmaterials mit einem Lithium-Präkursor und anschließender Umsetzung des Lithium-Präkursors zu metallischem Lithium erfolgen.In one variant, the anode active material can be prelithiated by mixing the anode active material with a lithium precursor and then converting the lithium precursor to metallic lithium.

In einer weiteren Variante kann das Vorlithiieren des Anodenaktivmaterials durch Einpressen von Lithium in das Anodenaktivmaterial und/oder die zusammengesetzte Anode erfolgen.In a further variant, the anode active material can be prelithiated by pressing lithium into the anode active material and / or the assembled anode.

Durch Lagern der vorlithiierten Anode in einem Elektrolyten über einen vorbestimmten Zeitraum von beispielsweise 2 Minuten bis 14 Tagen kann eine stabile SEI auf der Anode aufgebaut werden.By storing the prelithiated anode in an electrolyte for a predetermined period of, for example, 2 minutes to 14 days, a stable SEI can be built up on the anode.

Schließlich ist es möglich, das Vorlithiieren des Anodenaktivmaterials durch elektrochemische Behandlung des zu einer Anode verbauten Anodenaktivmaterials in einem lithiumhaltigen Elektrolyten durchzuführen. Auf diese Weise kann die SEI auf der Anode schon während des Vorlithiierens gebildet werden. Durch Lagern der Anode in dem Elektrolyten kann die SEI weiter vervollständigt werden.Finally, it is possible to prelithiate the anode active material by electrochemical treatment of the anode active material built into an anode in a lithium-containing electrolyte. In this way, the SEI can already be formed on the anode during the prelithiation. By storing the anode in the electrolyte, the SEI can be further completed.

Durch die Ausbildung der SEI während der Vorlithiierung entstehen „Formationsgase“ (gasförmige Zersetzungsprodukte) bereits vor dem Zusammenbau der elektrochemischen Zelle und müssen nicht mehr aus dieser entfernt werden, beispielsweise durch Absaugung.The formation of the SEI during pre-lithiation creates “formation gases” (gaseous decomposition products) before the electrochemical cell is assembled and no longer needs to be removed from it, for example by suction.

Insbesondere bei der Herstellung von Pouch-Zellen kann der sogenannte Gas-Pouch entfallen, der im Stand der Technik seitlich an der elektrochemischen Zelle angebracht wird, und der vor der Auslieferung entfernt und aufgrund einer Kontaminierung mit Elektrolyt aufwendig und kostenintensiv entsorgt werden muss.In the production of pouch cells in particular, the so-called gas pouch, which is attached to the side of the electrochemical cell in the prior art, and which has to be removed before delivery and disposed of in a complex and costly manner due to contamination with electrolyte, can be dispensed with.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Beispielen, die nicht in einem einschränkenden Sinne verstanden werden sollen.Further advantages and properties of the invention emerge from the following description and the examples, which should not be understood in a restrictive sense.

In Tabelle 1 werden die in den Beispielen verwendeten Substanzen und Materialien aufgeführt. Tabelle 1: Verwendete Substanzen und Materialien. Beschreibung LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 Kathodenaktivmaterial Li0,58Ni0,8Mn0,1Co0,1O2 Kathodenaktivmaterial (teilweise delithiiert) PVdF Polyvinylidenfluorid, Elektroden-Bindemittel NMP (electronic grade) N-Methyl-2-Pyrrolidon Träger-Lösungsmittel Aluminium-Trägerfolie Trägerfolie für Kathode Naturgraphit Anodenaktivmaterial SBR Styrol-Butadien-Kautschuk, Bindemittel CMC Carboxymethylcellulose, Bindemittel Super C65 Leitruß, Leitadditiv Kupfer-Trägerfolie Trägerfolie für Anode Lithium Vorlithiierungsmittel Separator Separator (25 µm) aus Polypropylen (PP) Flüssig-Elektrolyt, umfassend eine Lösung von LiPF6 in organischen Flüssig-Elektrolyt mit Lithium-Leitsalz Carbonaten (z.B. Ethylencarbonat (EC), Diethylencarbonat (DEC) Aluminiumverbundfolie (0,12 mm Dicke) Verpackungsfolie für die Zelle zum Softpack bzw. zur Pouch-Zelle Table 1 lists the substances and materials used in the examples. Table 1: Substances and materials used. description LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 Cathode active material Li 0.58 Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 Cathode active material (partially delithiated) PVdF Polyvinylidene fluoride, electrode binder NMP (electronic grade) N-methyl-2-pyrrolidone carrier solvent Aluminum carrier film Carrier film for cathode Natural graphite Anode active material SBR Styrene-butadiene rubber, binder CMC Carboxymethyl cellulose, binder Super C65 Conductive carbon black, conductive additive Copper carrier foil Carrier foil for anode lithium Prelithiation agent separator Separator (25 µm) made of polypropylene (PP) Liquid electrolyte comprising a solution of LiPF 6 in organic Liquid electrolyte with lithium electrolyte salt Carbonates (e.g. ethylene carbonate (EC), diethylene carbonate (DEC) Aluminum composite foil (0.12 mm thick) Packaging film for the cell for the softpack or for the pouch cell

Beispiel 1 (Referenzbeispiel)Example 1 (reference example)

Ein Gemenge aus 94 Gew.-% LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2, 3 Gew.-% PVdF, und 3 Gew.-% Leitruß Super C65 wird in NMP bei 20 °C mit einem Dissolver-Mischer mit hoher Scherung suspendiert. Man erhält eine homogene Beschichtungsmasse, die auf eine auf 15 µm gewalzte Aluminium-Träger-Folie ausgerakelt wird. Nach Abziehen des NMP erhält man einen zusammengesetzten Kathodenfilm mit einem Flächengewicht von 16,7 mg/cm2. Die einzige eingesetzte Verbindung mit Schichtstruktur LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 weist einen Lithiierungsgrad a = 1,0 auf, wodurch das Kathodenaktivmaterial einen Gesamtlithiierungsgrad L von ebenfalls 1,0 aufweist.A mixture of 94 wt .-% LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 , 3 wt .-% PVdF, and 3 wt .-% conductive black Super C65 is in NMP at 20 ° C with a dissolver High shear mixer suspended. A homogeneous coating material is obtained, which is knife-coated onto an aluminum carrier film rolled to a size of 15 μm. After peeling off the NMP, a composite cathode film with a weight per unit area of 16.7 mg / cm 2 is obtained . The only compound used with a layer structure LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 has a degree of lithiation a = 1.0, as a result of which the cathode active material also has a total degree of lithiation L of 1.0.

Analog wird eine Anoden-Beschichtungsmasse mit einer Zusammensetzung von 94 Gew.-% Naturgraphit, 2 Gew.-% SBR, 2 Gew.-% CMC und 2 Gew.-% Leitruß Super C65 hergestellt und auf einer 10 µm Walz-Kupfer-Träger-Folie aufgebracht. Der so hergestellte Anodenfilm hat ein Flächengewicht von 9,1 mg/cm2.An anode coating compound with a composition of 94% by weight is analogously Natural graphite, 2% by weight SBR, 2% by weight CMC and 2% by weight conductive carbon black Super C65 and applied to a 10 μm rolled copper carrier film. The anode film produced in this way has a weight per unit area of 9.1 mg / cm 2 .

Die Kathode mit dem Kathodenfilm wird unter Verwendung einer Anode mit dem Anodenfilm, eines Separators (25 µm) aus Polypropylen (PP) und eines Flüssig-Elektrolyten einer 1 M Lösung von LiPF6 in EC/DMC (3:7 w/w) zu einer elektrochemischen Zelle mit 25 cm2 aktiver Elektrodenfläche verbaut, die in hochveredelte Aluminiumverbundfolie (Dicke: 0,12 mm) verpackt und versiegelt wird. Es resultiert eine Pouch-Zelle mit äußeren Abmessungen von etwa 0,5 mm x 6,4 mm x 4,3 mm. The cathode with the cathode film is added to a 1 M solution of LiPF 6 in EC / DMC (3: 7 w / w) using an anode with the anode film, a separator (25 μm) made of polypropylene (PP) and a liquid electrolyte an electrochemical cell with 25 cm 2 of active electrode area, which is packed and sealed in a highly refined aluminum composite film (thickness: 0.12 mm). The result is a pouch cell with external dimensions of approximately 0.5 mm × 6.4 mm × 4.3 mm.

Nach Konfektionierung und Elektrolytzugabe hat die Zelle eine Spannung von ca. 0 V und liegt im völlig entladenen Zustand vor. Die Zelle wird erstmalig bis 4,2 V geladen (C/10) und anschließend mit C/10 bis 3,0 V entladen. Die Kapazität der ersten Ladung beträgt 83,3 mAh und die Kapazität der ersten Entladung beträgt 75 mAh. Daraus resultiert ein Formationsverlust von ca. 10 % für die komplette Zelle. Dies entspricht einem erwarteten Formationsverlust von ca. 10 % bei Verwendung von Naturgraphit als Anodenaktivmaterial.After assembly and electrolyte addition, the cell has a voltage of approx. 0 V and is in a completely discharged state. The cell is charged to 4.2 V for the first time (C / 10) and then discharged to 3.0 V with C / 10. The capacity of the first charge is 83.3 mAh and the capacity of the first discharge is 75 mAh. This results in a loss of formation of approx. 10% for the entire cell. This corresponds to an expected loss of formation of approx. 10% when using natural graphite as anode active material.

Beispiel 2 (Erfindungsgemäße Lithiumionen-Batterie)Example 2 (lithium ion battery according to the invention)

Ein Gemenge aus 94 Gew.-% Li0,58Ni0,8Mn0,1Co0,1O2, 3 Gew.-% PVdF, und 3 Gew.-% Leitruß Super C65 wird in NMP bei 20 °C mit einer Mischvorrichtung mit hoher Scherung suspendiert. Man erhält eine homogene Beschichtungsmasse, die auf einer auf 15 µm gewalzten Aluminium-Kollektor-Träger-Folie ausgerakelt wird. Nach Abziehen des NMP erhält man einen zusammengesetzten Kathodenfilm mit einem Flächengewicht von 16,0 mg/cm2. Die einzige eingesetzte Verbindung mit Schichtstruktur Li0,58Ni0,8Mn0,1Co0,1O2 weist einen Lithiierungsgrad a = 0,58 auf, wodurch das Kathodenaktivmaterial einen Gesamtlithiierungsgrad L von ebenfalls 0,58 aufweist.A mixture of 94% by weight Li 0.58 Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 , 3% by weight PVdF, and 3% by weight conductive black Super C65 is in NMP at 20 ° C suspended with a high shear mixer. A homogeneous coating mass is obtained, which is knife-coated onto an aluminum collector carrier foil rolled to a size of 15 μm. After peeling off the NMP, a composite cathode film with a weight per unit area of 16.0 mg / cm 2 is obtained . The only compound used with a layer structure Li 0.58 Ni 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 has a degree of lithiation a = 0.58, as a result of which the cathode active material has a total degree of lithiation L of likewise 0.58.

Analog wird eine Anoden-Beschichtungsmasse mit einer Zusammensetzung von 94 Gew.-% Naturgraphit, 2 Gew.-% SBR, 2 Gew.-% CMC und 2 Gew.-% Leitruß Super C65 hergestellt und auf einer 10 µm Walz-Kupfer-Träger-Folie aufgebracht. Der so hergestellte Anodenfilm hat ein Flächengewicht von 9,1 mg/cm2.An anode coating compound with a composition of 94% by weight of natural graphite, 2% by weight of SBR, 2% by weight of CMC and 2% by weight of conductive black Super C65 is produced in an analogous manner and on a 10 μm rolled copper carrier -Film applied. The anode film produced in this way has a weight per unit area of 9.1 mg / cm 2 .

Dieser Anodenfilm wird vor Zellassemblierung soweit vorlithiiert, dass eine stabile SEI-Schutzschicht entsteht und der Naturgraphit bis zu einer Summenformel Li0,5C6 mit Lithium beladen wird. Somit weist der Naturgraphit einen Lithiierungsgrad c von 0,50 auf. Durch die Ausbildung der SEI während der Vorlithiierung entstehen „Formationsgase“ (gasförmige Zersetzungsprodukte) bereits vor dem Zusammenbau der elektrochemischen Zelle und müssen nicht aus dieser entfernt werden.Before the cell assembly, this anode film is prelithiated to such an extent that a stable SEI protective layer is created and the natural graphite is charged with lithium up to an empirical formula Li 0.5 C 6. The natural graphite thus has a degree of lithiation c of 0.50. The formation of the SEI during pre-lithiation creates “formation gases” (gaseous decomposition products) before the electrochemical cell is assembled and does not have to be removed from it.

Die Kathode mit dem Kathodenfilm wird unter Verwendung einer Anode mit dem Anodenfilm, eines Separators (25 µm) und eines Elektrolyten einer 1 M Lösung von LiPF6 in EC/DMC (3:7 w/w) zu einer elektrochemischen Zelle mit 25 cm2 Elektrodenfläche verbaut, die in Aluminiumverbundfolie (Dicke: 0,12 mm) verpackt und versiegelt wird. Es resultiert eine Pouch-Zelle mit äußeren Abmessungen von etwa 0,5 mm x 6,4 mm x 4,3 mm. The cathode with the cathode film is converted into an electrochemical cell with 25 cm 2 using an anode with the anode film, a separator (25 μm) and an electrolyte of a 1 M solution of LiPF 6 in EC / DMC (3: 7 w / w) Electrode surface installed, which is packed and sealed in aluminum composite foil (thickness: 0.12 mm). The result is a pouch cell with external dimensions of approximately 0.5 mm × 6.4 mm × 4.3 mm.

Nach Dosierung des Elektrolyten und finaler Versiegelung der erfindungsgemäßen Zelle hat diese eine offene Spannung von ca. 3,7 V, die aus der Potentialdifferenz der teils delithiierten Kathode und der vorlithiierten Anode resultiert. Damit hat die Zelle direkt nach der Herstellung einen State-of-Charge (SoC) von 50 %.After the electrolyte has been dispensed and the cell according to the invention has been finally sealed, it has an open voltage of approx. 3.7 V, which results from the potential difference between the partially delithiated cathode and the prelithiated anode. This means that the cell has a state-of-charge (SoC) of 50% immediately after production.

Die Zelle wird erstmalig bis 2,8 V entladen (C/10), wobei eine erste Entladekapazität von 37,5 mAh resultiert und anschließend mit C/10 bis 4,2 V geladen, wobei eine Ladekapazität von 75 mAh festgestellt wird. Danach wird die Zelle nochmals mit C/10 bis 3,0 V entladen, wobei eine Entladekapazität von 75 mAh beobachtet wird.The cell is first discharged to 2.8 V (C / 10), resulting in a first discharge capacity of 37.5 mAh and then charged with C / 10 to 4.2 V, with a charging capacity of 75 mAh being determined. The cell is then discharged again at C / 10 to 3.0 V, a discharge capacity of 75 mAh being observed.

Die erfindungsgemäße Lithiumionen-Batterie weist somit eine 4 % niedrigere Beladung der Kathode, also ein niedrigeres Flächengewicht, bei gleicher nominaler Kapazität im Vergleich zum Referenzbeispiel auf und ist nach Zugabe des Flüssig-Elektrolyten bereits zu 50 % geladen und damit für die gewünschte Applikation einsetzbar. Darüber hinaus ist durch das verringerte Flächengewicht die spezifische Energie und die Energiedichte der Lithiumionen-Batterie im Vergleich zum Referenzbeispiel erhöht.The lithium ion battery according to the invention thus has a 4% lower loading of the cathode, i.e. a lower weight per unit area, with the same nominal capacity compared to the reference example and is already 50% charged after adding the liquid electrolyte and can therefore be used for the desired application. In addition, the reduced weight per unit area increases the specific energy and the energy density of the lithium ion battery compared to the reference example.

Analog zum erfindungsgemäßen Beispiel 2 ist es auch möglich, die Beladung der Kathode im Vergleich zum Referenzbeispiel konstant zu halten und die Beladung der Anode leicht zu erhöhen, um die nominelle Kapazität, spezifische Energie und Energiedichte der Lithiumionen-Batterie weiter zu erhöhen.Analogously to example 2 according to the invention, it is also possible to keep the loading of the cathode constant compared to the reference example and to slightly increase the loading of the anode in order to further increase the nominal capacity, specific energy and energy density of the lithium ion battery.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Lithiumionen-Batterie mit einer Kathode, die ein Kathodenaktivmaterial umfasst, und einer Anode, die ein Anodenaktivmaterial umfasst, wobei das Kathodenaktivmaterial aus zumindest einer Verbindung mit Schichtstruktur besteht und das Kathodenaktivmaterial einen Gesamtlithiierungsgrad L kleiner 1 aufweist, und wobei das Anodenaktivmaterial vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie vorlithiiert ist.Lithium ion battery having a cathode comprising a cathode active material and an anode comprising an anode active material, wherein the cathode active material consists of at least one compound with a layer structure and the cathode active material has a total degree of lithiation L less than 1, and wherein the anode active material is prelithiated before the first discharging and / or charging process of the lithium ion battery. Lithiumionen-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenaktivmaterial einen Gesamtlithiierungsgrad L von 0,99 oder weniger aufweist, bevorzugt von 0,95 oder weniger, besonders bevorzugt von 0,7 oder weniger, weiter bevorzugt von 0,5 oder weniger.Lithium ion battery Claim 1 , characterized in that the cathode active material has a total degree of lithiation L of 0.99 or less, preferably of 0.95 or less, particularly preferably of 0.7 or less, more preferably of 0.5 or less. Lithiumionen-Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenaktivmaterial einen Gesamtlithiierungsgrad L von mindestens 0 aufweist, bevorzugt von mindestens 0,3, besonders bevorzugt von mindestens 0,5.Lithium ion battery Claim 1 or 2 , characterized in that the cathode active material has a total degree of lithiation L of at least 0, preferably of at least 0.3, particularly preferably of at least 0.5. Lithiumionen-Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verbindung mit Schichtstruktur Mangan, Aluminium, Cobalt und/oder Nickel enthält.Lithium-ion battery according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one compound with a layer structure contains manganese, aluminum, cobalt and / or nickel. Lithiumionen-Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenaktivmaterial aus einer einzelnen Verbindung mit Schichtstruktur besteht, wobei der Gesamtlithiierungsgrad L des Kathodenaktivmaterials dem Lithiierungsgrad a der Verbindung mit Schichtstruktur entspricht.Lithium-ion battery according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode active material consists of a single compound with a layer structure, the total degree of lithiation L of the cathode active material corresponding to the degree of lithiation a of the compound with a layer structure. Lithiumionen-Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenaktivmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffhaltigen Materialien, Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Lithium, Lithiumlegierungen Aluminiumlegierungen, Indium, Indiumlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen, Niobpentoxid, Titandioxid, Titanaten, Zinndioxid und Mischungen davon, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Silizium, oberflächenbeschichtetes Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Lithium, Aluminiumlegierungen, Indium, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon.Lithium ion battery according to one of the preceding claims, characterized in that the anode active material is selected from the group consisting of carbonaceous materials, silicon, silicon suboxide, silicon alloys, lithium, lithium alloys, aluminum alloys, indium, indium alloys, tin, tin alloys, cobalt alloys, niobium pentoxide, Titanium dioxide, titanates, tin dioxide and mixtures thereof, preferably selected from the group consisting of synthetic graphite, natural graphite, graphene, mesocarbon, doped carbon, hard carbon, soft carbon, fullerene, silicon-carbon composite, silicon, surface-coated silicon, silicon suboxide, silicon alloys , Lithium, aluminum alloys, indium, tin alloys, cobalt alloys, and mixtures thereof. Lithiumionen-Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenaktivmaterial vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang der Lithiumionen-Batterie so weit vorlithiiert ist, dass die Lithiumionen-Batterie vor dem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang einen State-of-Charge (SoC) im Bereich von 0,1 bis 100 % hat, bevorzugt von 3 bis 50 %, besonders bevorzugt von 5 bis 35 %.Lithium-ion battery according to one of the preceding claims, characterized in that the anode active material is prelithiated before the first discharging and / or charging process of the lithium-ion battery to such an extent that the lithium-ion battery has a state before the first discharging and / or charging process. of-Charge (SoC) in the range from 0.1 to 100%, preferably from 3 to 50%, particularly preferably from 5 to 35%. Verfahren zur Herstellung einer Lithiumionen-Batterie, umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen eines Kathodenaktivmaterials, wobei das Kathodenaktivmaterial zumindest eine Verbindung mit Schichtstruktur umfasst und das Kathodenaktivmaterial einen Gesamtlithiierungsgrad L kleiner 1 aufweist; - Bereitstellen eines Anodenaktivmaterials; - Verbauen des Kathodenaktivmaterials in einer Kathode und des Anodenaktivmaterials in einer Anode; und - Konfektionieren der Kathode und der Anode zu einer Lithiumionen-Batterie; wobei das Anodenaktivmaterial vor oder nach dem Verbauen des Anodenaktivmaterials in der Anode vorlithiiert wird.A method for manufacturing a lithium ion battery, comprising the following steps: Provision of a cathode active material, wherein the cathode active material comprises at least one compound with a layer structure and the cathode active material has a total degree of lithiation L less than 1; - providing an anode active material; - Building up the cathode active material in a cathode and the anode active material in an anode; and - Assembling the cathode and the anode to form a lithium ion battery; wherein the anode active material is prelithiated before or after the anode active material is built into the anode. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode vor dem Herstellen der Lithiumionen-Batterie mit einer SEI versehen wird.Procedure according to Claim 8 , characterized in that the anode is provided with an SEI prior to the manufacture of the lithium ion battery. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithiumionen-Batterie unmittelbar nach dem Schritt des Herstellens, vor einem ersten Entlade- und/oder Ladevorgang, einen State-of-Charge (SoC) im Bereich von 0,1 bis 100 % hat, bevorzugt von 3 bis 50 %, besonders bevorzugt von 5 bis 35 %.Procedure according to Claim 8 or 9 , characterized in that the lithium-ion battery has a state-of-charge (SoC) in the range from 0.1 to 100%, preferably from 3 to 100%, immediately after the manufacturing step, before a first discharging and / or charging process 50%, particularly preferably from 5 to 35%.
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