DE102016011895A1 - Coated solid electrolyte for solid battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Feststoffelektrolyt (1) für eine Feststoffbatteriezelle (3), wobei die in einem Einbauzustand der Anode (4) der Feststoffbatteriezelle (3) zugewandte Seite des Feststoffelektrolyts (1) und die der Kathode (5) der Feststoffbatteriezelle (3) zugewandte Seite des Feststoffelektrolyts (1) eine Beschichtung (2, 2') aus Aluminiumoxid oder einem ionenleitenden Glas aufweist. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen des Feststoffelektrolyts (1) sowie eine Feststoffbatteriezelle (3) mit dem Feststoffelektrolyt (1).The invention relates to a solid electrolyte (1) for a solid state battery cell (3), the side of the solid electrolyte (1) facing the solid state battery cell (3) in an installed state of the anode (4) and the solid state battery cell (3) facing the cathode (5) Side of the solid electrolyte (1) has a coating (2, 2 ') made of aluminum oxide or an ion-conducting glass. The invention further relates to a method for producing the solid electrolyte (1) and a solid-state battery cell (3) with the solid electrolyte (1).
Description
Die Erfindung betrifft einen beschichteten Feststoffelektrolyt für eine Feststoffbatteriezelle. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen beschichteten Feststoffelektrolyts und eine Feststoffbatteriezelle mit dem beschichteten Feststoffelektrolyt.The invention relates to a coated solid electrolyte for a solid state battery cell. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a coated solid electrolyte and a solid-state battery cell with the coated solid electrolyte.
Aufgrund knapper werdender fossiler Rohstoffe und der damit zumindest mittel- und langfristig zu erwartenden steigenden Preise für Brennstoffe auf Basis derartiger Rohstoffe sowie aufgrund der anthropogen verursachten Kohlendioxid-Emissionen und den damit einhergehenden Klimaveränderungen sind in den vergangenen Jahren zunehmend die Themen Elektromobilität und Energieversorgung mittels sog. erneuerbarer Energiequellen in den Fokus des Interesses gerückt.Due to dwindling fossil raw materials and thus the expected medium and long-term rising prices for fuels based on such raw materials and anthropogenic carbon dioxide emissions and the associated climate changes in recent years, the topics of electric mobility and energy supply by means of so-called. renewable energy sources has become a focus of interest.
Im Bereich der Elektromobilität gibt es verschiedene Ansätze, angefangen von rein batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen, über auch elektrisch antreibbare Fahrzeuge (Plug-In-Hybridfahrzeuge und serielle Hybridfahrzeuge) bis hin zu Fahrzeugen mit einer Brennstoffzelle als Hauptenergiequelle. In rein batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen kommen – wie der Begriff bereits impliziert – ausschließlich wiederaufladbare Batterien (Traktionsbatterien) als Energiequellen zum Einsatz. In auch elektrisch antreibbaren Fahrzeugen dienen möglichst leistungsfähige wiederaufladbare Batterien dazu, dass deren Verbrennungskraftmaschinen so wenig wie möglich zum Einsatz kommen müssen, sowie als Zwischenspeicher für auch durch Rekuperation gewonnene Energie. Und auch in Brennstoffzellenfahrzeugen ist regelmäßig eine Sekundärbatterie für Zeiten hoher Leistungsanforderung und als Zwischenspeicher für auch durch Rekuperation gewonnene Energie vorgesehen.In the field of electromobility, there are various approaches, ranging from purely battery electric powered vehicles, over electrically powered vehicles (plug-in hybrid vehicles and serial hybrid vehicles) to vehicles with a fuel cell as the main energy source. In purely battery-powered vehicles - as the term implies - exclusively rechargeable batteries (traction batteries) are used as energy sources. In electrically powered vehicles as powerful as possible rechargeable batteries serve that their internal combustion engines must be used as little as possible, as well as a cache for energy recovered by recuperation. And also in fuel cell vehicles is regularly a secondary battery for times of high power demand and as a buffer for energy recovered by recuperation provided.
Die Verfügbarkeit von regenerativen Energiequellen, wie etwa Sonnenlicht und Wind, unterliegt bekanntermaßen starken (tageszeitlichen, jahreszeitlichen, regionalen, etc.) Schwankungen, wodurch eine stabile Energieversorgung auf Basis von regenerativen Energiequellen zusätzliche Maßnahmen erfordert, wie etwa die Speicherung von überschüssiger, bereits in elektrische Energie umgewandelter regenerativer Energie zu verbrauchsarmen Zeiten oder zu Zeiten eines hohen Angebots an regenerativer Energie. Eine Möglichkeit hierzu stellt die Speicherung von elektrischer Energie in wiederaufladbaren Batterien dar. Wiederaufladbare Batterien, Sekundärbatterien, Traktionsbatterien, etc. werden im Nachfolgenden der Einfachheit halber oftmals einfach als „Batterien” bezeichnet.The availability of regenerative energy sources, such as sunlight and wind, is known to be subject to large fluctuations (daytime, seasonal, regional, etc.), requiring a stable energy supply based on regenerative energy sources, such as the storage of excess, already in electrical Energy converted regenerative energy at low-consumption times or times of a high supply of renewable energy. One way of doing this is to store electrical energy in rechargeable batteries. For the sake of simplicity, rechargeable batteries, secondary batteries, traction batteries, etc. are often referred to simply as "batteries."
Zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Anmeldung dominieren auf dem Gebiet der Traktionsbatterien für zumindest auch elektrisch antreibbare Fahrzeuge sowie als (Zwischen)Speichermedium für regenerative Energien ganz eindeutig Batterien auf Lithium-Ionen-Basis. Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien werden oftmals Lithium-Übergangsmetall-Oxide (bspw. LiCoO2) oder Lithium-Übergangsmetall-Phosphate (bspw. LiFePO4) als Kathodenmaterialien und ein Kohlenstoffmaterial (etwa Graphit) als Anodenmaterial verwendet. Beim Entladungsvorgang interkalieren Lithium-Ionen in die Kathode und deinterkalieren beim Ladevorgang wieder aus der Kathode; ein entsprechend entgegengesetzter Vorgang findet an der Anode statt. Zwischen Kathode und Anode angeordnet sind ein oftmals flüssiger Elektrolyt und ein Separator, durch den sich die Lithium-Ionen hindurch bewegen. Ein flüssiger Elektrolyt für Lithium-Ionen-Batterie enthält regelmäßig ein oder mehrere aprotische organische Verbindungen (Lösungsmittel) und ein oder mehrere Leitsalze.At the time of this application dominate in the field of traction batteries for at least electrically powered vehicles as well as (intermediate) storage medium for regenerative energies quite clearly lithium-ion batteries. In conventional lithium ion batteries, lithium transition metal oxides (eg LiCoO 2 ) or lithium transition metal phosphates (eg LiFePO 4 ) are often used as cathode materials and a carbon material (such as graphite) as the anode material. During the discharge process, lithium ions intercalate into the cathode and deintercalate out of the cathode during the charging process; a corresponding opposite process takes place at the anode. Arranged between the cathode and anode are often a liquid electrolyte and a separator through which the lithium ions move. A liquid electrolyte for lithium-ion battery regularly contains one or more aprotic organic compounds (solvents) and one or more conductive salts.
Andere, sich derzeit ganz überwiegend noch im Forschungs-Stadium befindliche Batterietypen, bei denen zu Lithium-Ionen alternative Metall-Ionen zum Einsatz kommen (bspw. Natrium-Ionen, Aluminium-Ionen, Magnesium-Ionen, etc.) weisen oftmals einen ähnlichen Aufbau auf.Other types of batteries that are currently predominantly still in the research stage, in which alternative metal ions are used for lithium ions (for example, sodium ions, aluminum ions, magnesium ions, etc.) often have a similar structure on.
Bei flüssigen Elektrolyten besteht die Gefahr ihres Auslaufens aus der Batteriezelle sowie ihrer Entzündung bei einer Überhitzung der Batteriezelle. Darüber hinaus sind viele derzeit bekannte flüssige Elektrolyten jedenfalls für Säugetiere einschließlich dem Menschen giftig.In the case of liquid electrolytes, there is a risk of their leakage from the battery cell and its ignition in the event of overheating of the battery cell. Moreover, many currently known liquid electrolytes are certainly toxic to mammals, including humans.
Vor diesem Hintergrund wurden und werden Bestrebungen dahin unternommen, flüssige oder auch gelförmige Elektrolyte gegen Feststoffelektrolyte zu ersetzen. In einem Feststoffelektrolyt ist wenigstens eine Ionensorte so beweglich, dass ein durch diese Ionensorte getragener elektrischer Strom fließen kann. Feststoffelektrolyte sind somit elektrisch leitend, haben im Gegensatz zu Metallen aber keine oder nur eine geringe elektronische Leitfähigkeit. Es sind organische Feststoffelektrolyte bekannt, die überwiegend auf Polymeren basieren, sowie kristalline und amorphe Feststoffelektrolyte.Against this background efforts have been and are being made to replace liquid or even gel electrolyte for solid electrolyte. In a solid electrolyte, at least one type of ion is mobile so that an electric current carried by this type of ion can flow. Solid electrolytes are thus electrically conductive, in contrast to metals but no or only a small electronic conductivity. There are known organic solid electrolytes, which are based predominantly on polymers, as well as crystalline and amorphous solid electrolytes.
Feststoffelektrolyte weisen im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten (bei gleicher Schichtdicke und vergleichbarere Temperatur) einen erhöhten Widerstand für den Ionentransport auf, was eine im Vergleich zu herkömmlichen Batterien verringerte abrufbare Leistungsdichte zur Folge hat. Diesem Nachteil versucht man durch eine möglichst geringe Dicke des Feststoffelektrolyts zu begegnen.Solid electrolytes exhibit increased resistance to ion transport compared to liquid electrolytes (with the same layer thickness and more comparable temperature), resulting in a reduced power density compared to conventional batteries. This disadvantage is attempted to be counteracted by the smallest possible thickness of the solid electrolyte.
Ein weiteres Problem von Feststoffelektrolyten ergibt sich in Bezug auf den Übergang zwischen dem Feststoffelektrolyt und den ebenfalls festen Elektroden. Während ein flüssiger Elektrolyt sich „nahtlos” an die Oberfläche der festen Elektroden anpassen und gegebenenfalls sogar in die Poren der Elektroden eindringen kann, ist dies dem Feststoffelektrolyt nicht möglich. Hierdurch ergibt sich der Nachteil eines im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten erhöhten Übergangswiderstands zwischen Elektroden und Feststoffelektrolyt. Diesem Nachteil versucht man durch eine möglichst innige „Verpressung” von Anode, Feststoffelektrolyt und Kathode zu begegnen.Another problem of solid electrolytes arises in relation to the transition between the solid electrolyte and the likewise fixed electrodes. While a liquid electrolyte itself "Seamlessly" adapted to the surface of the fixed electrodes and possibly even penetrate into the pores of the electrodes, this is not possible for the solid electrolyte. This results in the disadvantage of an increased contact resistance between the electrodes and the solid electrolyte compared to liquid electrolytes. This disadvantage is tried to be counteracted by the most intimate possible "pressing" of anode, solid electrolyte and cathode.
Die Schichten einer Feststoffbatteriezelle weisen jedoch unterschiedliche Materialzusammensetzungen und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Aufgrund der wechselnden Temperaturen beim Betrieb einer Feststoffbatteriezelle kommt es somit zu unterschiedlichen Ausdehnungen der einzelnen Schichten. Die damit verbundene mechanische Belastung führt bei derzeit bekannten Feststoffbatteriezellen zu einer raschen Alterung aufgrund von Rissbildungen an den Kontaktflächen zwischen Feststoffelektrolyt und der jeweiligen Elektrode und der damit einhergehenden nachlassenden elektrischen und ionischen Leitfähigkeit.However, the layers of a solid state battery cell have different material compositions and different thermal expansion coefficients. Due to the changing temperatures during operation of a solid-state battery cell, different extents of the individual layers thus occur. The associated mechanical stress leads in currently known solid state battery cells to rapid aging due to cracking at the contact surfaces between the solid electrolyte and the respective electrode and the consequent decreasing electrical and ionic conductivity.
Auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien sind u. a. Feststoffelektrolyte auf Basis von LATP (Li1+xAlxTi2-x(PO4)3) und LAGP (Li1+xAlxGe2Ti2-x(PO4)3) bekannt. Die LATP- bzw. LAGP-Feststoffelektrolyte können bspw. hergestellt werden durch Schmelzen einer entsprechenden Mischung an Ausgangsmaterialien, Gießen der erhaltenen Schmelze auf eine Eisenplatte und Abschrecken der Schmelze. Die in Stücke zerbrochene Glaskeramik-Schmelze kann danach zu einem Pulver zermahlen, dass Pulver zu Plättchen gepresst und die Presslinge gesintert werden (siehe etwa:
Derartige Feststoffelektrolyte zeigen jedoch oftmals eine große Brüchigkeit, so dass sie nur schlecht als größere Flächen verarbeitet werden können. Und selbst wenn es gelingt, derartige Feststoffelektrolyte großflächig herzustellen und zu verarbeiten, ist in damit ausgestatteten Feststoffbatteriezellen bei Vibrationen, wie sie bspw. in Fahrzeugen auftreten, vermehrt mit Rissbildung in den Feststoffelektrolyten zu rechnen.However, such solid electrolytes often show a high brittleness, so that they can be processed only badly as larger areas. And even if it is possible to produce and process such solid electrolytes over a large area, cracking in the solid electrolyte is increasingly to be expected in solid-state battery cells equipped with vibrations such as occur, for example, in vehicles.
Aus dem Gebiet der Metall-Batterien (etwa Lithium-Batterien) und der Metall-Ionen-Batterien ist es auch bekannt, die Anode mit einer glasartigen oder amorphen Schutzschicht zu versehen, etwa um die Ausbildung von Dendriten und „moosartigen” Metallablagerungen bei der Anode zu verhindern oder doch zu minimieren, und/oder um einen direkten Kontakt zwischen der Anode und dem flüssigen Elektrolyt zu vermeiden (siehe etwa
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen im Vergleich zum vorbekannten Stand der Technik verbesserten Feststoffelektrolyt und eine damit ausgestattete Feststoffbatteriezelle zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch den Feststoffelektrolyt gemäß Anspruch 1, das Verfahren zum Herstellen eines Feststoffelektrolyts gemäß Anspruch 4 sowie die Feststoffbatteriezelle gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und können der nachfolgenden Beschreibung, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung entnommen werden.It is an object of the present invention to provide a solid electrolyte improved in comparison with the prior art and a solid state battery cell equipped therewith. This object is achieved by the solid electrolyte according to claim 1, the method for producing a solid electrolyte according to
Erfindungsgemäß wird ein Feststoffelektrolyt für eine Feststoffbatteriezelle vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die in einem Einbauzustand der Anode der Feststoffbatteriezelle zugewandte Seite des Feststoffelektrolyts und die der Kathode der Feststoffbatteriezelle zugewandte Seite des Feststoffelektrolyts eine Beschichtung aus Aluminiumoxid oder einem ionenleitenden Glas aufweist.According to the invention, a solid electrolyte for a solid-state battery cell is proposed, which is characterized in that in an installed state of the anode of the solid state battery cell facing side of the solid electrolyte and the cathode of the solid state battery cell facing side of the solid electrolyte having a coating of aluminum oxide or an ion-conducting glass.
Durch die Beschichtung eines Feststoffelektrolyts mit Aluminiumoxid oder einem ionenleitenden Glas mit einer Oberfläche, die nur eine sehr geringe Rauigkeit aufweist, wird ein Gleiten der in einer Feststoffbatteriezelle vorhandenen und angepressten Elektroden (Anode, Kathode) ermöglicht. Hierdurch wird eine mechanische Alterung durch die bei wechselnden Temperaturen unterschiedlichen Ausdehnungen der drei Schichten der Feststoffbatteriezelle (Feststoffelektrolyt, Anode, Kathode) vermieden und es verringert sich die zyklische Alterung der Zellschichten signifikant. Der elektrische Kontakt verändert sich nicht, wodurch auch der Innenwiderstand konstant bleibt.By coating a solid electrolyte with alumina or an ion-conducting glass having a surface which has only a very low roughness, a sliding of the existing and pressed in a solid state battery cell electrodes (anode, cathode) is possible. As a result, a mechanical aging is avoided by the different temperatures at different temperatures expansions of the three layers of the solid state battery cell (solid electrolyte, anode, cathode) and it significantly reduces the cyclical aging of the cell layers. The electrical contact does not change, whereby the internal resistance remains constant.
Die Schichtdicke der Aluminiumoxid- oder Glasschicht unterliegt keiner besonderen Beschränkung, beträgt in vorteilhafter Weise aber im Bereich von 0,8 μm bis 7 μm.The layer thickness of the aluminum oxide or glass layer is not particularly limited, but is advantageously in the range of 0.8 .mu.m to 7 .mu.m.
Auch ist in vorteilhafter Weise der Feststoffelektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung ein keramischer oder Komposit-Feststoffelektrolyt.Also, advantageously, the solid electrolyte according to the present invention is a ceramic or composite solid electrolyte.
Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Feststoffelektrolyts oder einer seiner vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen, umfassend die Schritte:
- – Bereitstellen eines flächigen Feststoffelektrolyts, bevorzugt eines flächigen keramischen oder flächigen Komposit-Feststoffelektrolyts,
- – Aufbringen einer Beschichtung aus Aluminiumoxid oder einem ionenleitenden Glas auf der in einem Einbauzustand der Anode der Feststoffbatteriezelle zugewandten Seite des Feststoffelektrolyts und der der Kathode der Feststoffbatteriezelle zugewandten Seite des Feststoffelektrolyts, wobei die Beschichtung bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,8 μm bis 7 μm aufweist; und
- – Sintern des beschichteten Feststoffelektrolyts.
- Providing a flat solid electrolyte, preferably a flat ceramic or sheet-like composite solid electrolyte,
- Applying a coating of aluminum oxide or an ion-conducting glass on the side of the solid electrolyte facing the anode of the solid state battery cell and the side facing the cathode of the solid electrolyte cell side of the solid electrolyte, wherein the coating preferably has a thickness in the range of 0.8 .mu.m to 7 .mu.m having; and
- - sintering of the coated solid electrolyte.
Bei dem Verfahren kann die Beschichtung auf jede geeignete Art und Weise aufgebracht werden, in vorteilhafter Weise jedoch unter Verwendung eines Lasertransfer- oder Gasabscheidungs-Verfahrens.In the process, the coating can be applied in any suitable manner, but advantageously using a laser transfer or gas deposition process.
Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist weiter auch eine Feststoffbatteriezelle mit einer Anode, Kathode und einem zwischen Anode und Kathode angeordneten Feststoffelektrolyt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Feststoffelektrolyt einer gemäß der vorliegenden Erfindung oder ein gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellter ist.Also included in the present invention is a solid state battery cell having an anode, cathode and a solid electrolyte disposed between anode and cathode, which is characterized in that the solid electrolyte is one prepared according to the present invention or one according to the present invention.
Die Feststoffbatteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann bspw. eine prismatische oder Rundzelle sein.The solid-state battery cell according to the present invention may be, for example, a prismatic or round cell.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Dabei zeigen:Showing:
In den Figuren sind gleiche Elemente und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same elements and functionally identical elements are provided with the same reference numerals.
Wie in den
Selbstverständlich kann der Feststoffelektrolyt
Der Feststoffelektrolyt
Um eine möglichst glatte Oberfläche der Beschichtung
Sofern in der vorliegenden Anmeldung von einem bereitgestellten flächigen Feststoffelektrolyt
Die Bedingungen für den Sintervorgang können sich dabei in aller Regel an den Parametern für den Sintervorgang orientieren, die auch für die Herstellung des nicht beschichteten Feststoffelektrolyts
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Beschichtung
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist es erforderlich, dass die Beschichtung
Einem Fachmann ist aus dem Stand der Technik eine Vielzahl an Glassorten bekannt, die über die erforderliche(n) Ionenleitfähigkeit(en) verfügen. Vor diesem Hintergrund kann ein Fachmann für den jeweiligen Typ an Feststoffbatteriezelle eine geeignete Glassorte auswählen oder eine geeignete Glassorte durch einige wenige Versuche ermitteln und/oder herstellen. Insoweit wird ausdrücklich auch auf den einleitend genannten Stand der Technik und die darin erwähnten Gläser verwiesen, von denen eine Ionenleitfähigkeit bekannt ist.A person skilled in the art knows a large number of glass types which have the required ion conductivity (s). Against this background, a person skilled in the art can select a suitable type of glass for the particular type of solid-state battery cell or determine and / or produce a suitable type of glass by a few experiments. In that regard, reference is expressly made to the cited prior art and the glasses mentioned therein, of which an ionic conductivity is known.
Da, wie der Erfinder herausgefunden hat, für die Zwecke der vorliegenden Erfindung dünnste Beschichtungen
Die Aluminiumoxid- oder Glasschicht weist in aller Regel einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der demjenigen des Feststoffelektrolyts
Die Feststoffbatteriezelle
Die Feststoffbatteriezelle
Die geometrische Form der Feststoffbatteriezelle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- FeststoffelektrolytSolid electrolyte
- 2, 2'2, 2 '
- Beschichtungcoating
- 33
- FeststoffbatteriezelleSolid battery cell
- 44
- Anodeanode
- 55
- Kathodecathode
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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