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DE-102025120306-A1 - FESTKÖRPERBATTERIE, DIE EINEN DOPPELSCHICHT-FESTELEKTROLYTEN AUFWEIST, UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN DERGLEICHEN

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Abstract

Festkörperbatterie, die einen Doppelschicht-Festelektrolyten aufweist, und Verfahren zum Herstellen dergleichen, wobei die Festkörperbatterie, die einen Doppelschicht-Festelektrolyten aufweist, die Robustheit verbessert und zugleich ein thermisches-Durchgehen-Phänomen unterdrückt und eine ausgezeichnete elektrochemische Charakteristik aufweist, sowie ein Verfahren zum Herstellen dergleichen. Die Festkörperbatterie weist eine negative Elektrode, eine erste Festelektrolytschicht, die auf der negativen Elektrode angeordnet ist, eine zweite Festelektrolytschicht, die auf der ersten Festelektrolytschicht angeordnet ist, und eine positive Elektrode, die auf der zweiten Festelektrolytschicht angeordnet ist, auf. Die erste Festelektrolytschicht weist ein anorganisches Flammschutzmittel auf, und die zweite Festelektrolytschicht weist ein endothermes Flammschutzmittel auf.

Inventors

  • Min Sun KIM
  • Yeo Min Yoon
  • Yong Seok Choi
  • Young Jin Nam

Assignees

  • HYUNDAI MOTOR COMPANY
  • KIA CORPORATION

Dates

Publication Date
20260507
Application Date
20250523
Priority Date
20241104

Claims (20)

  1. Festkörperbatterie, die aufweist: eine negative Elektrode, eine erste Festelektrolytschicht, die auf der negativen Elektrode angeordnet ist, eine zweite Festelektrolytschicht, die auf der ersten Festelektrolytschicht angeordnet ist, und eine positive Elektrode, die sich auf der zweiten Festelektrolytschicht befindet, wobei die erste Festelektrolytschicht ein anorganisches Flammschutzmittel aufweist und wobei die zweite Festelektrolytschicht ein endothermes Flammschutzmittel aufweist.
  2. Festkörperbatterie gemäß Anspruch 1 , wobei das anorganische Flammschutzmittel mindestens eines aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus LLZO, LATP, SiO 2 , ZnO, SnO 2 , Mn 3 O 4 , Sn 2 P 2 O 7 , einem Aluminiumoxid, einem Magnesiumoxid, Zeolith, einer Zirkoniumverbindung, einem Calciumsalz und einer Borverbindung.
  3. Festkörperbatterie gemäß Anspruch 1 oder 2 , wobei die erste Festelektrolytschicht das anorganische Flammschutzmittel in einer Menge im Bereich von 20 Gew.-% bis 50 Gew.-% aufweist, bezogen auf ein Gewicht eines in der ersten Festelektrolytschicht enthaltenen Festelektrolyten.
  4. Festkörperbatterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 , wobei das endotherme Flammschutzmittel mindestens eines aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mg(OH) 2 , Al(OH) 3 , Sb 2 O 3 , H 3 BO 3 , Fe(OH) 3 , CaCO 3 , Ca(OH) 2 , Zn(OH) 2 , NaOH, einem Calcium-Magnesium-Hydroxid, Hydrotalcit, Bemat, Talk, Doconit, Calciumsulfat-Hydrat und Magnesiumsulfat-Hydrat.
  5. Festkörperbatterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 , wobei die zweite Festelektrolytschicht das endotherme Flammschutzmittel in einer Menge im Bereich von 5 Gew.-% bis 20 Gew.-% aufweist, bezogen auf ein Gewicht eines in der zweiten Festelektrolytschicht enthaltenen Festelektrolyten.
  6. Festkörperbatterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei ein Verhältnis zwischen einer Dicke der ersten Festelektrolytschicht und einer Dicke der zweiten Festelektrolytschicht im Bereich von 1:9 bis 9:1 liegt.
  7. Festkörperbatterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 , wobei eine Summe einer Dicke der ersten Festelektrolytschicht und einer Dicke der zweiten Festelektrolytschicht im Bereich von 10 µm bis 120 µm liegt.
  8. Festkörperbatterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 , wobei jede der ersten Festelektrolytschicht und der zweiten Festelektrolytschicht ferner ein Bindemittel aufweist.
  9. Festkörperbatterie gemäß Anspruch 8 , wobei der Gehalt des Bindemittels im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% liegt, bezogen auf ein Gewicht eines Festelektrolyten in jeder der ersten Festelektrolytschicht und der zweiten Festelektrolytschicht.
  10. Festkörperbatterie gemäß Anspruch 8 oder 9 , wobei das Bindemittel mindestens eines aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polybutadien-Kautschuk (BR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Polyimid (PI), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM).
  11. Verfahren zum Herstellen einer Festkörperbatterie, wobei das Verfahren aufweist: Herstellen der Festkörperbatterie, wobei eine negative Elektrode, eine erste Festelektrolytschicht, eine zweite Festelektrolytschicht und eine positive Elektrode nacheinander gestapelt werden S0, wobei die erste Festelektrolytschicht ein anorganisches Flammschutzmittel aufweist und wobei die zweite Festelektrolytschicht ein endothermes Flammschutzmittel aufweist.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , wobei das Herstellen der Festkörperbatterie aufweist: Herstellen einer negative-Elektrode-Anordnung mittels nacheinander-Stapelns der negativen Elektrode, der ersten Festelektrolytschicht und der zweiten Festelektrolytschicht und Stapeln der negative-Elektrode-Anordnung und der positiven Elektrode, sodass die zweite Festelektrolytschicht der positiven Elektrode gegenüberliegt.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 12 , wobei die negative-Elektrode-Anordnung in einem Nass-in-Nass- oder Nass-in-Trocken-Schema hergestellt wird.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 11 , wobei das Herstellen der Festkörperbatterie aufweist: Herstellen einer positive-Elektrode-Anordnung mittels nacheinander-Stapelns der positiven Elektrode, der zweiten Festelektrolytschicht und der ersten Festelektrolytschicht und Stapeln der positive-Elektrode-Anordnung und der negativen Elektrode, sodass die erste Festelektrolytschicht der negativen Elektrode gegenüberliegt.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14 , wobei die positive-Elektrode-Anordnung in einem Nass-in-Nass- oder Nass-in-Trocken-Schema hergestellt wird.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 11 , wobei das Herstellen der Festkörperbatterie aufweist: Herstellen einer negative-Elektrode-Anordnung, die die negative Elektrode und die erste Festelektrolytschicht aufweist, Herstellen einer positive-Elektrode-Anordnung, die die positive Elektrode und die zweite Festelektrolytschicht aufweist, und Stapeln der negative-Elektrode-Anordnung und der positive-Elektrode-Anordnung, sodass die erste Festelektrolytschicht und die zweite Festelektrolytschicht einander gegenüberliegen.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16 , wobei jede der negative-Elektrode-Anordnung oder der positive-Elektrode-Anordnung in einem Nass-in-Nass- oder Nass-in-Trocken-Schema hergestellt wird.
  18. Festkörperbatterie, die aufweist: eine negative Elektrode, eine erste Festelektrolytschicht, die auf der negativen Elektrode angeordnet ist, eine zweite Festelektrolytschicht, die auf der ersten Festelektrolytschicht angeordnet ist, und eine positive Elektrode, die sich auf der zweiten Festelektrolytschicht befindet, wobei die erste Festelektrolytschicht mindestens eine Komponente aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus LLZO, LATP, SiO 2 , ZnO, SnO 2 , Mn 3 O 4 , Sn 2 P 2 O 7 , einem Aluminiumoxid, einem Magnesiumoxid, Zeolith, einer Zirkoniumverbindung, einem Calciumsalz und einer Borverbindung und wobei die zweite Festelektrolytschicht mindestens eine Komponente aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mg(OH) 2 , Al(OH) 3 , Sb 2 O 3 , H 3 BO 3 , Fe(OH) 3 , CaCO 3 , Ca(OH) 2 , Zn(OH) 2 , NaOH, einem Calcium-Magnesium-Hydroxid, Hydrotalcit, Bemat, Talk, Doconit, Calciumsulfat-Hydrat und Magnesiumsulfat-Hydrat.
  19. Festkörperbatterie gemäß Anspruch 18 , wobei die mindestens eine in der ersten Festelektrolytschicht enthaltene Komponente in einer Menge im Bereich von 20 Gew.-% bis 50 Gew.-% liegt, bezogen auf ein Gewicht eines in der ersten Festelektrolytschicht enthaltenen Festelektrolyten.
  20. Festkörperbatterie gemäß Anspruch 18 oder 19 , wobei die mindestens eine in der zweiten Festelektrolytschicht enthaltene Komponente in einer Menge im Bereich von 5 Gew.-% bis 20 Gew.-% liegt, bezogen auf ein Gewicht eines in der zweiten Festelektrolytschicht enthaltenen Festelektrolyten.

Description

TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festkörperbatterie, die einen Doppelschicht-Festelektrolyten aufweist, der dazu geeignet ist, die Robustheit einer Elektrolytschicht zu verbessern und zugleich ein thermisches-Durchgehen-Phänomen zu unterdrücken, sowie ein Verfahren zum Herstellen dergleichen. HINTERGRUND Eine Lithium-Sekundärbatterie wird in verschiedenen Bereichen, wie z.B. in Elektrofahrzeugen und tragbaren elektronischen Vorrichtungen, häufig eingesetzt, verursacht jedoch verschiedene Sicherheitsprobleme. Insbesondere wurde ein positives Elektrodenmaterial, das einen höheren Gehalt an Nickel (Ni) hat, hauptsächlich zum Zweck einer höheren Energiedichte verwendet, was zu einem Verringern der Pyrolyse-Starttemperatur führt, um den Brennwert zu erhöhen, sodass das Risiko eines thermisches-Durchgehen-Phänomens erhöht wird. Darüber hinaus wurde eine negative Siliziumelektrode (Si) verwendet, um eine höhere theoretische Kapazität zu erreichen. Die negative Siliziumelektrode wird während des Lade-/Entladevorgangs stark vergrößert (z.B. volumenausgedehnt) und bewirkt, dass sich während des Lade-/Entladevorgangs über einen längeren Zeitraum Lithiummetall abscheidet, was zu einem internen Kurzschluss einer Batterie führt, sodass das thermisches-Durchgehen-Phänomen verursacht wird. Dementsprechend ist eine Festkörperbatterie als eine Energiespeichervorrichtung der nächsten Generation ins Rampenlicht gerückt, da mittels Verwendens eines Festelektrolyten, der sich von einer bestehenden Lithium-Ionen-Batterie unterscheidet, das Auslaufen eines Elektrolyten oder die Gefahr einer Flamme verringert wird. Die Festkörperbatterie ist jedoch nicht frei von Sicherheitsproblemen, wie z.B. dem thermisches-Durchgehen-Phänomen. Insbesondere hat die Festkörperbatterie Schwierigkeiten, sowohl thermische Stabilität als auch mechanische Stabilität zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode aufrechtzuerhalten, was auf die Eigenschaft einer mehrschichtigen Struktur zurückzuführen ist. Dementsprechend ist die Entwicklung einer Festkörperbatterie erforderlich, die dazu geeignet ist, die Energiedichte und die Leistung aufrechtzuerhalten und zugleich sowohl die thermische Stabilität als auch die mechanische Stabilität zu gewährleisten. KURZERLÄUTERUNG Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Probleme des Standes der Technik zu lösen, während Vorteile des Standes der Technik aufrechterhalten bleiben. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Festkörperbatterie, die einen Doppelschicht-Festelektrolyten aufweist, der dazu geeignet ist, die Robustheit einer Elektrolytschicht zu verbessern und zugleich ein thermisches-Durchgehen-Phänomen zu unterdrücken, sowie ein Verfahren zum Herstellen dergleichen. Genauer gesagt geht es bei der vorliegenden Erfindung darum, die Robustheit einer Elektrolytschicht durch eine erste Festelektrolytschicht, die ein anorganisches Flammschutzmittel aufweist, zu verbessern und eine Erwärmungsstarttemperatur durch eine zweite Festelektrolytschicht, die ein endothermes Flammschutzmittel aufweist, so zu verringern, dass ein thermisches-Durchgehen-Phänomen unterdrückt wird. Die technischen Probleme, die mittels der vorliegenden Erfindung gelöst werden sollen, sind nicht auf die vorgenannten Probleme beschränkt und irgendwelche anderen technischen Probleme, die hier nicht erwähnt sind, werden von dem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, aus der folgenden Beschreibung klar verstanden werden. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperbatterie bereitgestellt, die einen Doppelschicht-Festelektrolyten aufweist, und ein Verfahren zum Herstellen dergleichen aufweist.Im Detail, (1) stellt die vorliegende Erfindung eine Festkörperbatterie bereit, die eine negative Elektrode, eine erste Festelektrolytschicht, die auf der negativen Elektrode angeordnet ist, eine zweite Festelektrolytschicht, die auf der ersten Festelektrolytschicht angeordnet ist, und eine positive Elektrode, die auf der zweiten Festelektrolytschicht angeordnet ist, aufweist. Die erste Festelektrolytschicht weist ein anorganisches Flammschutzmittel auf und die zweite Festelektrolytschicht weist ein endothermes Flammschutzmittel auf.(2) Die vorliegende Erfindung stellt eine Festkörperbatterie nach (1) bereit, wobei das anorganische Flammschutzmittel mindestens eines aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus LLZO, LATP, SiO2, ZnO, SnO2, Mn3O4, Sn2P2O7, einem Aluminiumoxid, einem Magnesiumoxid, Zeolith, einer Zirkoniumverbindung, einem Calciumsalz und einer Borverbindung.(3) Die vorliegende Erfindung stellt eine Festkörperbatterie nach (1) oder (2) bereit, wobei die erste Festelektrolytschicht das anorganische Flammschutzmittel in einer Menge von 20 Gew.-% bis 50 Gew.-% aufweist, bezogen auf ein Gewicht eines in der ersten Festelektrolytschicht enthaltenen Festelektrolyten.(4) Die vorliegende Erfindung stellt eine Festkörperbat