WO2013007420A1

WO2013007420A1 - Elektrode, verfahren zum herstellen einer elektrode und energiespeicher umfassend eine elektrode

Info

Publication number: WO2013007420A1
Application number: PCT/EP2012/058847
Authority: WO
Inventors: Ulrich Hasenkox; Martin Tenzer; Ralf Liedtke
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2013-01-17
Also published as: DE102011079026A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode (1), insbesondere für eine Lithium-Schwefel-Batterie. Um die Dimensionsstabilität sowie die Kapazitätseigenschaften zu verbessern, umfasst die Elektrode (1) eine Grundstruktur (2), die zumindest teilweise aus einem porösen, elektrisch leitfähigen, kohlenstoffbasierten Material aufgebaut ist, wobei die Elektrode (1) ferner metallisches Lithium (4) aufweist, welches zumindest teilweise in den Poren (3) der Grundstruktur (2) angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode (1) sowie einen die Elektrode (1) umfassenden Energiespeicher.

Description

Beschreibung

Titel

Elektrode, Verfahren zum Herstellen einer Elektrode und Energiespeicher umfassend eine Elektrode

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode, ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode und einen eine Elektrode umfassenden Energiespeicher. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Anode für eine Lithium- Schwefel-Batterie und eine Lithium-Schwefel-Batterie mit einer verbesserten Stabilität.

Stand der Technik

Batterien beziehungsweise Akkumulatoren sind weit verbreitet und werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Als Beispiel seien hier Lithium- Schwefel-Batterien genannt, welche beispielsweise gegenüber herkömmlichen Lithium-Zellen eine höhere Energiedichte aufweisen können.

Eine Lithium-Schwefel-Batterie besteht dabei meist aus einer Kathode, einem Separator, einem Elektrolyten und einer Anode. Die Kathode kann dabei einen Stromableiter, wie etwa eine Metallfolie, umfassen, auf dem eine schwefelhaltige Mischung als aktives Material einer Kathodenbeschichtung aufgetragen ist. Da Schwefel elektrisch isolierend ist, enthält die Kathodenbeschichtung meist ein leitfähiges Additiv, wie etwa Ruß. Zum Zusammenhalt der Kathode und zur Haftung auf dem Stromableiter ist meist ein Binder, wie etwa ein Polymer, in der Kathodenbeschichtung vorgesehen. Der Separator ist dabei insbesondere ein Material, welches ionisch leitend ist und den Anodenraum von dem

Kathodenraum trennt. Der Elektrolyt ist ebenfalls ionisch leitend. Die Anode umfasst meist einen Stromableiter, wie etwa Kupfer, und eine metallische Lithium-Folie. Ein zu beachtender Aspekt bei der kommerziellen Herstellung von Lithium- Schwefel-Batterien in technisch großem Maßstab ist das Erzielen einer ausreichenden Zyklenstabilität.

Aus US 2010/0051856 A1 ist ein poröses Anoden-Aktivmaterial bekannt. Ein derartiges Aktivmaterial umfasst ein Salz beziehungsweise ein Oxid eines Elements der Gruppe 14 und ein nicht aktives Material, das keine Reaktivität mit Bezug auf Lithium aufweist, wie beispielsweise Silika. Um eine geeignete

Fuktionalität als Anodenbeschichtung zu erzielen, wird diesem Material ein elektrisch leitfähiger Stoff und für eine geeignete Stabilität ein Binder hinzugefügt.

Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrode, insbesondere für eine Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend eine Grundstruktur, die zumindest teilweise aus einem porösen, elektrisch leitfähigen, kohlenstoff basierten Material aufgebaut ist, wobei die Elektrode ferner metallisches Lithium aufweist, welches zumindest teilweise in den Poren der Grundstruktur angeordnet ist.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine Grundstruktur insbesondere eine Struktur, wie etwa ein Substrat, sein, welche ein an sich stabiles und

eigenständiges Gebilde ist. In oder auf diesem Gebilde können beispielsweise Additive beziehungsweise weitere Stoffe angeordnet sein. Die Grundstruktur kann dabei bereits eine geeignete mechanische Stabilität beziehungsweise Dimensionsstabilität aufweisen, so dass ein weiteres Trägersubstrat nicht erforderlich sein muss. Ein kohlenstoffbasiertes Material kann ferner im Sinne der vorliegenden

Erfindung ein Stoff oder eine Stoffmischung sein, welcher oder welche

vollständig oder zumindest zu einem Teil aus Kohlenstoff oder einer

kohlenstoffhaltigen Verbindung aufgebaut ist. Dabei ist das kohlenstoffbasierte Material im Sinne der vorliegenden Erfindung weiterhin porös. Unter einem porösen Material kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Material verstanden werden, welches insbesondere offene Poren aufweist. Dadurch ist das kohlenstoffhaltige Material beziehungsweise die Grundstruktur insbesondere mit einer offenen Porosität ausgestaltet und daher gasdurchlässig beziehungsweise nach außen zumindest teilweise geöffnet. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch nicht ausgeschlossen, dass die Grundstruktur ferner auch geschlossene Poren aufweist, welche sich im Inneren der Grundstruktur befinden können. Erfindungsgemäß ist das kohlenstoffbasierte Material ferner elektrisch leitfähig. Dabei können insbesondere elektrische Leitfähigkeiten vorgesehen sein, welche für eine Verwendung als Elektrode ausreichend sind. Ein Vorteil einer kohlenstoffbasierten Grundstruktur kann dabei darin gesehen werden, dass diese ein geringes Gewicht aufweisen kann, was den Einsatz einer erfindungsgemäßen Elektrode beispielsweise in mobilen Anwendungen deutlich verbessert. Darüber hinaus sind kohlenstoff basierte Materialien oftmals sehr preisgünstig, was die Herstellung der Elektrode und damit die Elektrode als solche kostengünstig gestaltet.

Die Elektrode weist ferner metallisches Lithium auf, das zumindest teilweise in den Poren der Grundstruktur angeordnet ist. Das Lithium kann der Elektrode seine Funktion, insbesondere als Anode in einer Lithium-Schwefel-Batterie, bereitstellen. Das Lithium kann dabei insbesondere in Form eines Pulvers beziehungsweise als Partikel vorliegen, welches in der Grundstruktur

beziehungsweise in den Poren der Grundstruktur fein verteilt sein kann. Das Lithium kann ferner derart in der Grundstruktur beziehungsweise in der Elektrode vorgesehen sein, dass es ausschließlich in den Poren angeordnet ist, aber nicht auf der Oberfläche der Grundstruktur beziehungsweise der Elektrode. Dabei können die Partikel eine Partikelgröße von < 1 mm, beispielsweise > 5μηι bis <

Ι ΟΟμηη aufweisen. Auf diese Weise können die Poren auch nach dem Auflösen des Lithiums noch eine geeignete Größe aufweisen. Ferner kann das Lithium so eine besonders gute Reaktivität aufweisen. Um der Grundstruktur beziehungsweise der Elektrode mit dem Lithium eine verbesserte mechanische Stabilität zu verleihen, kann die Elektrode

beziehungsweise das Aktivmaterial der Elektrode in einer Ausgestaltung der Erfindung ferner einen geeigneten Binder umfassen. Der Binder kann dabei insbesondere ein organisches Material, wie etwa ein Polymer, umfassen beziehungsweise aus diesem Material bestehen. Geeignete Binder umfassen beispielsweise Polyolefine, Polyacrylate, Polyester, Polycarbonate. Erfindungsgemäß wird eine Elektrode bereitgestellt, die eine verbesserte

Stabilität aufweist, insbesondere bei einer Verwendung in einer Lithium-Ionen- Batterie beziehungsweise in einer Lithium-Schwefel-Batterie. Die Stabilität kann sich dabei insbesondere auf die Stabilität der Kapazität bei einer Mehrzahl an

Lade- und Entladezyklen beziehen, also auf eine Zyklenstabilität. Eine Abnahme der verfügbaren Kapazität bei jedem Lade-Entladezyklus kann dabei verhindert und eine geringe Schwefelausnutzung aufgrund der oftmals unvollständigen Entladung der in der Kathode enthaltenen Schwefelmenge unterbunden werden. Ferner ist die Elektrode auch bei einer Mehrzahl an Zyklen dimensionsstabil.

Dadurch weist die Elektrode ferner eine verbesserte Lebensdauer auf, was gleichermaßen die Lebensdauer eines mit der erfindungsgemäßen Elektrode ausgestatteten Energiespeichers erhöht. Insbesondere durch ein Verwenden einer porösen und leitfähigen Grundstruktur kann bei einem Laden beziehungsweise Entladen beispielsweise ein Abscheiden und ein Abbau von Lithium auf der Oberfläche der Elektrode signifikant verringert oder sogar vermieden werden. Erfindungsgemäß wird es vielmehr ermöglicht, dass ein Abscheiden von Lithium im Inneren der Elektrode beziehungsweise in den Poren der Grundstruktur erfolgt. Daher kann eine Elektrode erhalten werden, welche mechanisch äußerst stabil ist. Dabei ist die Elektrode insbesondere bezogen auf einen Lade- und/oder Entladezyklus dimensionsstabil, so dass sich ihre Abmessungen auch beispielsweise bei einem Abbau und Abscheiden von Lithium während des Gebrauchs nicht verändern. Es erfolgt somit keine oder keine wesentliche Volumenänderung. Dadurch kann eine mechanische

Schädigung der Zellkomponenten oder des Zellaufbaus reduziert oder vollständig verhindert werden, was im Weiteren eine Ausbildung von schlecht leitenden Zwischenschichten zumindest reduziert. Somit kann die Langlebigkeit der Elektrode und damit eines mit der Elektrode ausgestatteten Energiespeichers verbessert werden.

Gleichzeitig kann durch die durch die poröse Grundstruktur hervorgerufene große Oberfläche eine hohe Stromrate bei einer Entladung realisiert werden, ohne dass etwa durch Diffusionsspannungen ein Absinken der Zellspannung bei der Entladung erfolgt. Darüber hinaus kann eine Dendritbildung an der beispielsweise als Anode verwendeten Elektrode dadurch vermieden werden, dass sich Lithium, etwa bei einem Aufladen beispielsweise einer Lithium-Schwefel-Batterie, im Inneren oder im Wesentlich nur im Inneren der Porenstruktur abscheidet. Dadurch kann im Weiteren vermieden werden, dass sich Lithium in Abhängigkeit verschiedener

Faktoren, wie auch der Elektrodenstruktur, als baumartig, also dendritisch, aufwachsende Lithiumverästelungen abscheidet, derartige Verästelungen beispielsweise durch einen Separator hindurchwachsen und dann zu einem elektrischen Kurzschluss und damit zu einem Versagen der Batterie führen. Dadurch kann die Langzeitstabilität wie auch die Verlässlichkeit der Elektrode beziehungsweise eines mit der Elektrode ausgestatteten Energiespeichers verbessert werden.

Im Rahmen einer Ausgestaltung kann die Grundstruktur aus Ruß oder Graphit aufgebaut sein. In dieser Ausgestaltung kann eine gewünschte poröse Struktur auf einfache Weise und mit leicht anwendbaren und gut beherrschbaren Verfahren hergestellt werden. Dadurch lassen sich Grundstrukturen mit einer hohen Reproduzierbarkeit herstellen. Darüber hinaus bietet eine derartige Grundstruktur den Vorteil, dass sie bereits eine zur Verwendung als Elektrode ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist, wodurch das Einfügen einer weiteren leitfähigen Substanz oder eines Stromableiters nicht notwendig ist. Somit kann die Herstellung vereinfacht und Material eingespart werden, was Kosten und Gewicht sparen kann. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Grundstruktur Poren in einer

Größe in einem Bereich von 1 mm oder weniger, beispielsweise zwischen 1 μηι und 100 μηη aufweisen. In dieser Ausgestaltung ist eine ausreichende

Zugänglichkeit vorhanden, um einen Abbau beziehungsweise ein Abscheiden von Lithium in den Poren zu ermöglichen. Dadurch ist eine weiter verbesserte Zyklenstabilität der erfindungsgemäßen Elektrode gegeben. Dabei weist die

Grundstruktur in dieser Ausgestaltung ferner eine ausreichende mechanische Stabilität auf, damit auch die Elektrode an sich in einer Vielzahl von

Anwendungen eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen kann. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Elektrode ein Trägersubstrat umfassen, auf dem die Grundstruktur angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung kann die mechanische Stabilität der Elektrode noch weiter verbessert werden. Diese Ausgestaltung kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn eine besonders große mechanische Stabilität der Elektrode erwünscht ist. Darüber hinaus kann in dieser Ausgestaltung die Elektrode hergestellt werden ohne eine an sich besonders stabile Grundstruktur zu erzeugen. Dadurch ist die Wahl der die Grundstruktur bildenden Stoffe beziehungsweise des Herstellungsverfahrens freier möglich. Ferner kann so auch eine sehr gering dimensionierte Elektrode hergestellt werden, in welchem Fall unter Umständen die Grundstruktur an sich eine verringerte mechanische Stabilität aufweisen kann. Weiterhin kann das Trägersubstrat beispielsweise als zusätzlicher Stromableiter dienen, falls dies in bestimmten Anwendungsgebieten erwünscht ist.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann auf zumindest einem Teil der Oberfläche der Elektrode ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere in Form einer porösen Schicht, angeordnet sein. Insbesondere kann das elektrisch isolierende Material dabei auf der Oberfläche der Grundstruktur angeordnet sein. Dabei kann das Material eine freie Oberfläche der Grundstruktur, wie etwa die einer Kathode zugewandte Oberfläche für den Fall der Verwendung in einem Energiespeicher, vollständig bedecken, dabei aber die offene Porosität der Grundstruktur nicht verschließen, um weiterhin eine Zugänglichkeit der

Grundstruktur von außen zu ermöglichen. Geeignete Porengrößen können dabei in einem Bereich von < Ι ΟΟμηη liegen. In dieser Ausgestaltung kann ein

Abscheiden etwa von Lithium, beispielsweise auf der der Kathode zugewandten Oberfläche der Elektrode beziehungsweise der Grundstruktur, vollständig vermieden werden. Dadurch kann die Stromrate noch effektiver erhöht werden und beispielsweise eine Dendritbildung oder eine Verminderung der Kapazität weiter vermieden werden. Als isolierendes Material beziehungsweise als isolierende Schicht können insbesondere elektrisch nicht leitende Substanzen verwendet werden. Beispielhaft verwendet werden können hierbei Polymere, Keramiken oder Fasern. Im Detail können dies Polymere sein, die aus einer

Lösung auf die Matrixstruktur der Anode aufgetragen und getrocknet werden, oder auch Schmelzsysteme oder poröse Filme, welche auf die Oberfläche auflaminiert werden. Denkbar sind ferner Beschichtungsmassen, die aus einem Polymer und einem oder mehreren elektrisch isolierenden Materialien in Form von Partikeln oder Fasern bestehen. Auch sind auflaminierte oder aufgeklebte

Filme aus einer porösen Keramik oder aus einem Fasergewebe denkbar. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Energiespeicher, insbesondere eine Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend wenigstens eine erfindungsgemäße Elektrode. In dieser Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Elektrode insbesondere eine Anode des vorbeschriebenen Energiespeichers sein. Der erfindungsgemäße Energiespeicher kann dabei erfindungsgemäß eine verbesserte Lebensdauer sowie eine verbesserte Stromdichte aufweisen.

Diesbezüglich wird insbesondere auf die mit Bezug zu der erfindungsgemäßen Elektrode beschriebenen Vorteile verwiesen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, insbesondere für eine Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend die Verfahrensschritte:

a) Herstellen einer Mischung umfassend ein elektrisch leitfähiges

kohlenstoff basiertes Material und metallisches Lithium;

b) Dispergieren der in Mischung aus Schritt a) in einem Lösungsmittel; c) Trocknen der in Schritt b) erhaltenen Dispersion, insbesondere durch eine Wärmebehandlung. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auf einfache und reproduzierbare

Weise möglich, eine erfindungsgemäße Elektrode und ferner einen

erfindungsgemäßen Energiespeicher herzustellen. Dadurch können im

Wesentlichen die Vorteile erzielt werden, die mit Bezug auf die

erfindungsgemäße Elektrode beziehungsweise mit Bezug auf den

erfindungsgemäßen Energiespeicher beschrieben sind. Im Detail kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Elektrode beziehungsweise ein

Energiespeicher, wie etwa eine Lithium-Schwefel-Batterie, hergestellt werden, der eine verbesserte Lebensdauer, und eine vergrößerte Kapazität auch nach einer Mehrzahl von Lade- beziehungsweise Entladezyklen aufweist. Dabei ist die Elektrode insbesondere dimensionsstabil.

Erfindungsgemäß kann dabei zunächst eine Mischung hergestellt werden, die ein elektrisch leitfähiges kohlenstoffbasiertes Material und metallisches Lithium umfasst. Das kohlenstoffbasierte Material kann dabei beispielsweise Ruß oder Graphit sein oder eine andere Verbindung, die elektrisch leitfähig ist und auf

Kohlenstoff basiert. Dieses Material kann ferner in Form kleiner Partikel vorliegen, etwa mit einer Partikelgröße von < Ι ΟΟμηη, bevorzugt von > 30nm bis < 45 μm. Lithium kann der Mischung ferner beispielsweise in Form eines Pulvers vorhanden sein. Für eine geeignete mechanische Stabilität der Elektrode kann in der Mischung ferner ein geeigneter Binder, wie etwa ein inertes Polymer enthalten sein. Die so hergestellte Mischung kann dann in einem geeigneten

Lösungsmittel, wie beispielsweise Methyl-2-pyrrolidinon, Dialkyl-ethylenglykol- oder -propylenglykolether mit einer beliebigen Anzahl an Ethylenglykol- oder Propylenglykoleinheiten, wenigstens einem organischen Carbonat, wenigstens einem aliphatischen oder aromatischen cyclischen Kohlenwasserstoff, dispergiert werden. Dabei kann sich der Binder beispielsweise in dem Lösungsmittel auflösen und erst im fertigen Zustand der Elektrode eine geeignete Stabilität verleihen. Die Anteile können zwischen > 1 bis < 50 Gewichts-% Binder, > 5 bis < 50 Gewichts-% leitfähiges Additiv und > 10 bis < 70 Gewichts-% Lithium enthalten. Dabei kann es ferner möglich sein, die einzelnen Komponenten einzeln in das Lösungsmittel einzubringen und so die Mischung herzustellen und zu dispergieren.

In einem nächsten Schritt wird die Dispersion getrocknet, wodurch eine mechanisch stabile Anode erhalten wird. Dies kann beispielsweise durch eine Wärmebehandlung erfolgen, wobei die Temperatur insbesondere unterhalb des

Schmelzpunktes des Lithiums von 180°C liegen kann. Darüber hinaus sind Binder denkbar, welche nicht in dem verwendeten Lösungsmittel löslich sind, jedoch bei dem Trocknungsschritt zusammensintern. Erfindungsgemäß ist jedoch auch ein Herstellungsverfahren ohne einen Binder denkbar, wobei die Elektrode nur aus dem kohlenstoffbasierten Material und Lithium bestehen kann.

In diesem Fall können die vorgenannten Materialien beispielsweise

zusammengepresst oder durch eine Temperaturbehandlung, etwa bei einem Trocknungsschritt, miteinander verbunden werden. Die Porosität kann dabei insbesondere erzeugt werden durch das Verdampfen des Lösungsmittels, wobei die Porengrößen einstellbar sind durch die Wahl der Reaktionsbedingungen und der verwendeten Partikelgrößen. Zusätzlich kann die Struktur auch nach dem Trocknen durch einen Pressvorgang verdichtet werden, um die Porengröße anzupassen. Allgemein kann sich die Porengröße ergeben durch die verwendeten Materialien und Prozessparameter, wobei sie dabei gut reproduzierbar ist. Darüber hinaus kann die Elektrode, beispielsweise vor dem Trocknungsschritt, in eine geeignete Form gebracht werden.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren den weiteren Verfahrensschritt:

d) Auftragen der in Verfahrensschritt b) hergestellten Dispersion auf ein Trägersubstrat, insbesondere vor dem Verfahrensschritt c).

Insbesondere für den Fall der Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektrode in kleinen Dimensionen kann in dieser Ausgestaltung eine verbesserte Stabilität der Elektrode erzielt werden, was die Anwendungsbreite der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektrode weiter vergrößert. Der Schritt des Auftragens kann dabei insbesondere vor dem Trocknungsschritt erfolgen, da in diesem Herstellungsstadium ein gut zu verarbeitendes Material insbesondere als Dispersion vorliegt. Beispielsweise kann die Dispersion auf das Trägersubstrat aufgerakelt werden. Als Trägersubstrat sind dabei beispielsweise eine Metallfolie oder ein Metallnetz geeignet. Möglich ist auch ein

Umlaminierprozess, bei dem die Dispersion von einer Trägerfolie auf einen elektrisch leitfähigen Elektrodenträger gebracht wird.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren den weiteren

Verfahrensschritt:

e) Aufbringen eines elektrisch isolierenden Materials, insbesondere als elektrisch isolierende Schicht, auf zumindest einen Teil der Oberfläche der Elektrode.

Durch diesen weiteren Verfahrensschritt kann in geeigneter Weise vollständig verhindert werden, dass sich hier, etwa auf der der Kathode zugewandten äußeren Oberfläche der Elektrode, insbesondere Lithium abscheidet. Ein Aufbringen des elektrisch isolierenden Materials kann in dieser Ausgestaltung beispielsweise erfolgen durch das Auftragen von Polymeren aus einer Lösung mit anschließendem Trocknungsschritt. Ferner sind als weitere Beispiele das Auflaminieren, Aufrakeln oder Aufkleben eines elektrisch isolierenden Materials, insbesondere als Film, möglich. Das elektrisch isolierende Material kann dabei beispielsweise neben einem Polymeren eine poröse Keramik oder eine Faser sein. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die

Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer

erfindungsgemäßen Elektrode unmittelbar nach der Herstellung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Ausführungsform aus Figur 1 nach einem Entladevorgang;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ausführungsform aus Figur 1 nach einem Ladevorgang.

In Figur 1 ist eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode 1 gezeigt. Die Elektrode 1 kann beispielsweise Verwendung finden in einem Energiespeicher, wie etwa einer Lithium-Ionen-Batterie, beziehungsweise einer Lithium-Schwefel-Batterie. Derartige Energiespeicher sind etwa nutzbar in zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Ferner sind

erfindungsgemäße Energiespeicher einsetzbar in aller Art von mobilen und stationären Anwendungen. Weitere Beispiele umfassen etwa Mobiltelefone, Computer oder Haushaltsgeräte.

Die erfindungsgemäße Elektrode 1 umfasst eine Grundstruktur 2, die zumindest teilweise aus einem porösen, elektrisch leitfähigen, kohlenstoffbasierten Material aufgebaut ist. Insbesondere besteht die Grundstruktur 2 aus diesem Material. Beispielhaft kann das kohlenstoffbasierte Material Ruß oder Graphit sein. Die Grundstruktur 2 ist dabei ferner porös, weist also Poren 3 auf. Die Poren 3 sind dabei bevorzugt offene Poren, welche nach außen geöffnet sind, also eine Zugänglichkeit von außerhalb der Elektrode 1 aufweisen. Beispielhafte geeignete Porengrößen der Grundstruktur 2 können in einem Bereich von < 1 mm, insbesondere > 1 μηι bis < Ι ΟΟμηη liegen.

Die erfindungsgemäße Elektrode 1 umfasst ferner metallisches Lithium 4, das zumindest teilweise in den Poren 3 der Grundstruktur 2 angeordnet ist. Um einen mechanischen Zusammenhalt der Elektrode 1 zu verbessern, kann die Elektrode 1 ferner einen Binder umfassen, der in Figur 1 nicht detailliert gezeigt ist. Falls eine Verstärkung der mechanischen Stabilität der Elektrode 1 erwünscht ist, ist dies ferner realisierbar, indem die Elektrode 1 ein Trägersubstrat 5 umfasst, auf dem die Grundstruktur 2 angeordnet ist. Das Trägersubstrat 5 kann

beispielsweise eine Metallfolie, ein Metallgitter oder ein sonstiges elektrisch leitfähiges Substrat sein. Es kann ferner etwa als Stromableiter dienen.

Darüber hinaus kann auf zumindest einem Teil der Oberfläche der Elektrode 1 beziehungsweise der Grundstruktur 2 ein elektrisch isolierendes Material 6, insbesondere in Form einer porösen Schicht, angeordnet sein. Dadurch kann verhindert werden, dass sich auf der Oberfläche der Elektrode 1 insbesondere Lithium abscheidet, was die Eigenschaften der Elektrode 1 weiter verbessern kann, wie dies bezüglich der Figuren 2 und 3 erläutert wird. Das Aufwachsen von Dendriten, welche durch den Separator wachsen können, wird hierdurch verhindert. Das elektrisch isolierende Material 6 kann dabei insbesondere ein

Polymer, eine Keramik oder eine Faser sein.

Um die erfindungsgemäße Elektrode 1 herzustellen, kann zunächst eine

Mischung umfassend ein elektrisch leitfähiges kohlenstoffbasiertes Material und metallisches Lithium hergestellt werden. Die Mischung kann dabei ferner, soweit dies bezüglich der mechanischen Stabilität der Elektrode 1 gewünscht ist, einen Binder umfassen. Diese Mischung kann dann in einem Lösungsmittel dispergiert werden. Für den Fall, dass ein Trägersubstrat 5 erwünscht ist, kann die

Dispersion auf das Trägersubstrat 5 aufgebracht werden. Im Anschluss kann die Dispersion alleine oder die auf dem Trägersubstrat 5 aufgebrachte Dispersion, etwa durch eine Wärmebehandlung, getrocknet und ferner geformt werden.

Falls dies erwünscht ist, kann ferner ein elektrisch isolierendes Material 6, insbesondere als elektrisch isolierende Schicht, auf zumindest einen Teil der Oberfläche der Elektrode 1 beziehungsweise der Oberfläche der Grundstruktur 2, aufgebracht werden.

In Figur 2 ist eine, beispielsweise in einer Lithium-Schwefel-Batterie

angeordnete, Elektrode 1 nach einem Entladevorgang gezeigt. Die Elektrode 1 entspricht der in Figur 1 gezeigten, wobei identische oder entsprechende

Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Vergleich zu Figur 1 ist jedoch zu erkennen, dass das Lithium 4 aufgrund des Entladevorgangs aus den Poren 3 entfernt ist. Es hat sich durch bei dem Entladevorgang ablaufende elektrochemische Prozesse beispielsweise zu einer Schwefelverbindung umgesetzt.

Eine erfindungsgemäße Elektrode 1 nach einem Ladevorgang ist in Figur 3 gezeigt, wobei die Elektrodel der in Figur 1 gezeigten entspricht, weshalb identische oder entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. In Figur 3 ist zu erkennen, dass sich, wiederum durch bei einem Laden beispielsweise einer Lithium-Schwefel-Batterie ablaufende

elektrochemische Prozesse, Lithium 4 abgeschieden hat. Aufgrund der oben beschriebenen porösen Struktur der Elektrode 1 beziehungsweise der

Grundstruktur 2 hat sich das Lithium 4 dabei vollständig oder zumindest überwiegend in den Poren 3 abgeschieden. Dabei kann das Lithium

beispielsweise als Lithiumfilm anfallen, welcher die inneren Porenwände bedeckt.

Claims

Ansprüche

1 . Elektrode, insbesondere für eine Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend eine Grundstruktur (2), die zumindest teilweise aus einem porösen, elektrisch leitfähigen, kohlenstoffbasierten Material aufgebaut ist, wobei die Elektrode (1 ) ferner metallisches Lithium (4) aufweist, welches zumindest teilweise in den Poren (3) der Grundstruktur (2) angeordnet ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1 , wobei die Elektrode (1 ) einen Binder aufweist.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Grundstruktur (2) aus Ruß oder Graphit aufgebaut ist.

4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Grundstruktur (2) Poren (3) in einer Größe in einem Bereich von < 1 mm, insbesondere > 1 μηι bis < Ι ΟΟμηη, aufweist.

5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektrode (1 ) ein Trägersubstrat (5) umfasst, auf dem die Grundstruktur (2) angeordnet ist.

6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei auf zumindest einem Teil der Oberfläche der Elektrode (1 ) ein elektrisch isolierendes Material (6), insbesondere in Form einer porösen Schicht, angeordnet ist.

7. Elektrode nach Anspruch 6, wobei das elektrisch isolierende Material (6) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polymeren, Keramiken und Fasern.

8. Energiespeicher, insbesondere Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend

wenigstens eine Elektrode (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode (1 ), insbesondere für eine Lithium- Schwefel-Batterie, umfassend die Verfahrensschritte: a) Herstellen einer Mischung umfassend ein elektrisch leitfähiges kohlenstoff basiertes Material und metallisches Lithium (4) und insbesondere einen Binder;

b) Dispergieren der Mischung aus Schritt a) in einem Lösungsmittel; c) Trocknen der in Schritt b) erhaltenen Dispersion, insbesondere durch eine Wärmebehandlung.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Mischung einen Binder umfasst.

1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, umfassend den weiteren

Verfahrensschritt:

d) Auftragen der in Verfahrensschritt b) hergestellten Dispersion auf ein Trägersubstrat (5), insbesondere vor dem Verfahrensschritt c).

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , umfassend den weiteren

Verfahrensschritt:

e) Aufbringen eines elektrisch isolierenden Materials (6), insbesondere als elektrisch isolierende Schicht, auf zumindest einen Teil der Oberfläche der Elektrode (1 ).