DE102015209964A1 - Lithium-oxygen cell with porous inorganic separator layer - Google Patents

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Felix Eberle
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, welches eine metallisches Lithium umfassende Lithium-Anode und eine Sauerstoff-Kathode umfasst. Um die metallisches Lithium enthaltende Lithium-Sauerstoff-Zelle bei mechanischem und/oder thermischem Stress, insbesondere auch im vollgeladenen Zustand, sicherheitstechnisch besser beherrschen zu können, ist zwischen der Anode und der Kathode mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (11) angeordnet. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren, einen Separator, eine Lithium-Anode, eine Sauerstoff-Kathode hierfür sowie eine damit ausgestattete Lithium-Sauerstoff-Batterie.The present invention relates to a lithium-oxygen cell comprising a metallic lithium lithium anode and an oxygen cathode. In order to be able to control the lithium lithium-containing lithium lithium cell under mechanical and / or thermal stress, especially in the fully charged state, safety technology, at least one porous Anorganikseparatorschicht (11) is arranged between the anode and the cathode. Moreover, the invention relates to a manufacturing method, a separator, a lithium anode, an oxygen cathode for this purpose, and a lithium-oxygen battery equipped therewith.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, ein Herstellungsverfahren, einen Separator, eine Lithium-Anode, eine Sauerstoff-Kathode und eine Lithium-Sauerstoff-Batterie.The present invention relates to a lithium-oxygen cell, a manufacturing method, a separator, a lithium anode, an oxygen cathode, and a lithium-oxygen battery.

Stand der TechnikState of the art

Lithium-Sauerstoff-Zellen und -Batterien sind prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen und können sich unter anderem, insbesondere aufgrund einer Konversionsreaktion von Sauerstoff, durch eine – verglichen mit Lithium-Ionen-Zellen und -Batterien mit einer spezifischen Energie von 120 Wh/kg bis 200 Wh/kg – besonders hohe Energiedichte beziehungsweise spezifische Energie, beispielsweise von etwa 500 Wh/kg bis 900 Wh/kg, auszeichnen.Lithium-oxygen cells and batteries are predestined for a wide range of applications and can, among other things, especially due to a conversion reaction of oxygen by a - compared with lithium-ion cells and batteries with a specific energy of 120 Wh / kg to 200 Wh / kg - particularly high energy density or specific energy, for example from about 500 Wh / kg to 900 Wh / kg, distinguished.

Lithium-Sauerstoff-Zellen umfassen eine Kathode auf Sauerstoff-Basis, welche auch als positive Elektrode beziehungsweise als Sauerstoff-Kathode beziehungsweise Sauerstoffelektrode bezeichnet wird und insbesondere zur Oxidation und Reduktion von Sauerstoff ausgelegt ist, und eine Anode, welche auch als negative Elektrode bezeichnet wird, auf Basis von metallischem Lithium oder einer Lithiumlegierung.Lithium-oxygen cells comprise an oxygen-based cathode, which is also referred to as a positive electrode or as an oxygen cathode or oxygen electrode and is designed in particular for the oxidation and reduction of oxygen, and an anode, which is also referred to as a negative electrode, based on metallic lithium or a lithium alloy.

Beim Entladen einer Lithium-Sauerstoff-Zelle finden an der Anode und der Kathode die folgenden Reaktionen statt: Anode: 2Li → 2Li+ + 2e Kathode: 2Li+ + 2e + O2 → Li2O2 When discharging a lithium-oxygen cell, the following reactions take place at the anode and the cathode: Anode: 2Li → 2Li + + 2e - Cathode: 2Li + + 2e - + O 2 → Li 2 O 2

Beim Entladen einer Lithium-Sauerstoff-Zelle wird an der Anode Lithium zu Lithiumionen oxidiert, wobei die Lithiumionen in Richtung der Kathode und Elektronen in einen externen Stromkreis abgegeben werden, wobei an der Kathode molekulare Sauerstoff (O2) durch Aufnahme von der Elektronen zu Peroxid reduziert wird, welches zusammen mit den Lithiumionen Lithiumperoxid (Li2O2) bildet.When discharging a lithium-oxygen cell, lithium is oxidized to lithium ions at the anode, with the lithium ions being delivered to the cathode and electrons into an external circuit, at the cathode molecular oxygen (O 2 ) by the uptake of the electrons to peroxide is reduced, which forms lithium peroxide (Li 2 O 2 ) together with the lithium ions.

Beim Laden einer Lithium-Sauerstoff-Zelle finden an der Anode und der Kathode die folgenden Reaktionen statt: Anode: 2Li+ + 2e → 2Li Kathode: Li2O2 → 2Li+ + 2e + O2 When charging a lithium-oxygen cell, the following reactions take place at the anode and the cathode: Anode: 2Li + + 2e - → 2Li Cathode: Li 2 O 2 → 2Li + + 2e - + O 2

Beim Laden einer Lithium-Sauerstoff-Zelle wird durch den externen Stromkreis an der Kathode eine Oxidation des Lithiumperoxids zu gasförmigem Sauerstoff sowie Lithiumionen und Elektronen bewirkt. An der Anode werden dabei Lithiumionen und Elektronen zu metallischem Lithium kombiniert.When charging a lithium-oxygen cell is caused by the external circuit at the cathode oxidation of lithium peroxide to gaseous oxygen and lithium ions and electrons. Lithium ions and electrons are combined to metallic lithium at the anode.

In der Druckschrift US 5,510,209 A wird von Abraham et al. eine Lithium-Luft-Zelle mit einer metallischen Lithium-Anode und einer Sauerstoff-Kathode beschrieben.In the publication US 5,510,209 A is by Abraham et al. a lithium-air cell with a metallic lithium anode and an oxygen cathode described.

Jake Christensen et al. haben in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1–R30 (2012)) einen Review zur Lithium-Luft-Technologie publiziert. Jake Christensen et al. have in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1-R30 (2012)) published a review on lithium-air technology.

Lithium-Luft-Zellen sind von der Firma Polyplus, Vereinigte Staaten von Amerika, Kalifornien, bekannt. Derartige Zellen werden beispielsweise in den Druckschriften US 6,402,795 B1 und US 6,723,140 B2 beschrieben.Lithium-air cells are known from Polyplus, United States of America, California. Such cells are for example in the publications US Pat. No. 6,402,795 B1 and US 6,723,140 B2 described.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, welche eine Lithium-Anode und eine Sauerstoff-Kathode, welche auch als Sauerstoff-Elektrode bezeichnet werden kann, umfasst. Dabei kann die Lithium-Anode insbesondere metallisches Lithium umfassen. Zwischen der Anode und der Kathode kann beispielsweise mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht, zum Beispiel Anorganikseparatorschicht, angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Lithium-Sauerstoff-Zelle eine Lithium-Luft-Zelle sein.The subject of the present invention is a lithium-oxygen cell which comprises a lithium anode and an oxygen cathode, which can also be referred to as an oxygen electrode. In this case, the lithium anode may in particular comprise metallic lithium. For example, at least one gas-tight, lithium-ion-conducting separator layer, for example an inorganic separator layer, can be arranged between the anode and the cathode. For example, the lithium-oxygen cell may be a lithium-air cell.

Unter einer Lithium-Sauerstoff-Zelle kann insbesondere eine elektrochemische Zelle beziehungsweise ein galvanisches Element, beispielsweise eine Batteriezelle, zum Beispiel eine sekundäre oder primäre Batteriezelle, verstanden werden, an deren elektrochemischer Reaktion Lithium und Sauerstoff beteiligt sind. Beispielsweise kann eine Lithium-Sauerstoff-Zelle eine Lithium-Luft-Zelle sein. A lithium-oxygen cell may, in particular, be understood as meaning an electrochemical cell or a galvanic element, for example a battery cell, for example a secondary or primary battery cell, to whose electrochemical reaction lithium and oxygen are involved. For example, a lithium-oxygen cell may be a lithium-air cell.

Insbesondere kann zwischen der Anode und der Kathode (weiterhin) mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht angeordnet sein.In particular, at least one porous inorganic separator layer may be arranged between the anode and the cathode.

Dabei kann die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht vorteilhafterweise als, beispielsweise mechanische und thermische sowie insbesondere auch als chemische und elektrochemische, Schutzschicht dienen und das Sicherheitsverhalten der Lithium-Sauerstoff-Zelle bei mechanischem und/oder thermischem Stress, beispielsweise im Fall von äußeren Kurzschlüssen, und/oder das Sicherheitsverhalten der Lithium-Sauerstoff-Zelle im Hinblick auf innere Kurzschlüsse, zum Beispiel durch Hemmung einer Lithium-Dendriten-Bildung während der Langzeitzyklisierung, verbessern. So kann vorteilhafterweise die Zellsicherheit beziehungsweise Eigensicherheit der Zelle deutlich verbessert werden, beispielsweise ohne die Langzeitzyklisierung beziehungsweise die kalendarische Lebensdauer zu verschlechtern. So kann vorteilhafterweise die sicherheitstechnische Beherrschung auch einer, insbesondere metallisches Lithium enthaltenden, Lithium-Sauerstoff-Zelle, bei mechanischem und/oder thermischem Stress im vollgeladenen Zustand verbessert werden. Darüber hinaus kann die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht vorteilhafterweise die Elektroden trennen und in ihren Poren Flüssigelektrolyt aufnehmen und dadurch ein Flüssigelektrolyt-Reservoir bereitstellen.In this case, the at least one porous Anorganikseparatorschicht advantageously as, for example, mechanical and thermal and especially serve as a chemical and electrochemical protective layer and the safety behavior of the lithium-oxygen cell under mechanical and / or thermal stress, for example in the case of external shorts, and / or improve the safety performance of the lithium-oxygen cell with respect to internal short circuits, for example, by inhibiting lithium dendrite formation during long-term cyclization. Thus, the cell safety or intrinsic safety of the cell can advantageously be significantly improved, for example, without worsening the long-term cyclization or the calendar life. Thus, advantageously, the safety control of a, in particular metallic lithium containing, lithium-oxygen cell can be improved under mechanical and / or thermal stress in the fully charged state. In addition, the at least one porous inorganic separator layer may advantageously separate the electrodes and receive liquid electrolyte in their pores thereby providing a liquid electrolyte reservoir.

Im Rahmen einer Ausführungsform ist zwischen der Anode und der Kathode weiterhin mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht angeordnet. Beispielsweise kann die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht ein Kunststoffseparator sein. Die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht kann vorteilhafterweise zusätzlich die Elektroden trennen und in ihren Poren Flüssigelektrolyt aufnehmen und dadurch ein Flüssigelektrolyt-Reservoir bereitstellen. Zudem kann die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht – wie später näher erläutert – vorteilhafterweise die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht tragen beziehungsweise als Träger hierfür dienen.In one embodiment, at least one porous polymer separator layer is further arranged between the anode and the cathode. For example, the at least one porous polymer separator layer may be a plastic separator. The at least one porous polymer separator layer can advantageously additionally separate the electrodes and absorb liquid electrolyte in their pores, thereby providing a liquid electrolyte reservoir. In addition, as explained in more detail later, the at least one porous polymer separator layer can advantageously carry or serve as the carrier for the at least one porous inorganic separator layer.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht und die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht aneinander anliegend angeordnet. Durch die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht kann so vorteilhafterweise die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht, insbesondere hinsichtlich der thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften, stabilisiert werden. Beispielsweise kann so die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht, beispielsweise im Fall eines Versagens der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht, zum Beispiel im Fall eines Schrumpfens (Englisch: Schrinking) und/oder Zusammenschmelzens (Englisch: Melt Down) der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht, das Zellsystem thermisch und mechanisch stabilisieren und auf diese Weise das Sicherheitsverhalten der Zelle im Stressfall erheblich verbessern.In a further embodiment, the at least one porous inorganic separator layer and the at least one porous polymer separator layer are arranged adjacent to one another. The at least one porous polymer separator layer can thus advantageously stabilize the at least one porous polymer separator layer, in particular with regard to the thermal and / or mechanical properties. For example, the at least one porous inorganic separator layer, for example in the case of failure of the at least one porous polymer separator layer, for example in the case of shrinkage and / or melt down of the at least one porous polymer separator layer, can thermally heat the cell system and mechanically stabilize and thus significantly improve the safety behavior of the cell in case of stress.

Im Rahmen einer Ausgestaltung ist die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht anodenseitig der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht angeordnet. So kann vorteilhafterweise einerseits ein Lithium-Dendriten-Wachstum von der Anode hin zur Polymerseparatorschicht gehemmt und beispielsweise dendritenbedingte Kurzschlüsse vermieden und auf diese Weise die Eigensicherheit der Lithium-Sauerstoff-Zelle, insbesondere im Hinblick auf dendritenbedingte, interne Kurzschlüsse, erhöht werden. Andererseits kann so vorteilhafterweise das Material der Polymerseparatorschicht vor einem direkten Kontakt mit dem metallischen Lithium der Lithium-Anode geschützt werden, was es ermöglicht auch gegenüber metallischem Lithium weniger stabile Materialien, wie Polyolefine, zum Beispiel Polyethylen und/oder Polypropylen, zur Ausbildung der Polymerseparatorschicht zu verwenden. Dadurch, dass dabei die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht kathodenseitig der porösen Anorganikseparatorschicht angeordnet ist, kann vorteilhafterweise zudem die Langzeitzyklisierung beziehungsweise die kalendarische Lebensdauer der Lithium-Sauerstoff-Zelle erhöht werden, da die poröse Polymerseparatorschicht, insbesondere aufgrund der Flexibilität ihres Materials, mechanisch, aber auch chemisch und beispielsweise elektrochemisch stabiler gegenüber mit der kathodenseitigen Bildung von Lithiumperoxid beim Entladen der Lithium-Sauerstoff-Zelle einhergehenden Volumenvergrößerungen, welche gegebenenfalls teilweise auch im Randbereich und/oder im freien Seitenbereich der Polymerseparatorschicht auftreten können, sein kann.Within the scope of one embodiment, the at least one porous inorganic separator layer is arranged on the anode side of the at least one porous polymer separator layer. Thus, on the one hand, a lithium dendrite growth from the anode to the polymer separator layer can be inhibited and, for example, dendritic short circuits avoided and, in this way, the intrinsic safety of the lithium-oxygen cell, in particular with regard to dendritic internal shorts, increased. On the other hand, it is thus advantageously possible to protect the material of the polymer separator layer against direct contact with the lithium metal of the lithium anode, which also makes it possible to use less stable materials than metallic lithium, such as polyolefins, for example polyethylene and / or polypropylene, for forming the polymer separator layer use. By arranging the at least one porous polymer separator layer on the cathode side of the porous inorganic separator layer, advantageously the long-term cyclization or the calendar life of the lithium-oxygen cell can be increased, since the porous polymer separator layer is mechanical, but also because of the flexibility of its material chemically and, for example, electrochemically more stable compared with the cathode-side formation of lithium peroxide during discharge of the lithium-oxygen cell volume increases, which may possibly also partially occur in the edge region and / or in the free side region of the Polymerseparatorschicht may be.

Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung ist die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht kathodenseitig der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht angeordnet. So kann vorteilhafterweise – insbesondere zusätzlich zu einer thermischen und mechanischen Stabilisierung – die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht vor einem Anoxidieren durch das höhere Kathodenpotential geschützt und so die Lebensdauer erhöht werden.In the context of another embodiment, the at least one porous inorganic separator layer is arranged on the cathode side of the at least one porous polymer separator layer. So can advantageously - in particular in addition to a thermal and mechanical stabilization - the at least one porous Polymerseparatorschicht protected from anoxidation by the higher cathode potential and so the life can be increased.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung ist anodenseitig und kathodenseitig der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht jeweils mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht angeordnet. So kann vorteilhafterweise die Sicherheit und beispielsweise die Lebensdauer der Lithium-Sauerstoff-Zelle weiter gesteigert werden.In the context of a further embodiment, at least one porous polymer separator layer is arranged on the anode side and cathode side of the at least one porous polymer separator layer. Thus, advantageously, the safety and, for example, the life of the lithium-oxygen cell can be further increased.

Zum Beispiel kann die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht und/oder die Lithium-Anode und/oder die Sauerstoff-Kathode und/oder die gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht mit der mindestens einen porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet sein.For example, the at least one porous polymer separator layer and / or the lithium anode and / or the oxygen cathode and / or the gas-tight, lithium ion-conducting separator layer may be coated with the at least one porous inorganic separator layer.

Im Rahmen einer Ausführungsform ist die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht mit der mindestens einen porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet. So kann vorteilhafterweise das Sicherheitsverhalten verbessert werden. Durch die poröse Anorganikseparatorbeschichtung auf der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht kann vorteilhafterweise die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht stabilisiert und ein mechanisch und thermisch verbesserter Separator, beispielsweise in Form eines, insbesondere porösen Kunststoffseparators mit einer, insbesondere porösen, keramischen Beschichtung, zum Beispiel in Form eines Komposit-Separators, bereitgestellt werden, welche vorteilhafterweise chemisch und elektrochemisch stabilisierende Eigenschaften haben kann und zudem variabel einsetzbar ist.In one embodiment, the at least one porous polymer separator layer is coated with the at least one porous inorganic separator layer. Thus, advantageously, the security behavior can be improved. The porous inorganic separator coating on the at least one porous polymer separator layer advantageously stabilizes the at least one porous polymer separator layer and a mechanically and thermally improved separator, for example in the form of a particularly porous plastic separator with a, in particular porous, ceramic coating, for example in the form of a composite Separators are provided, which can advantageously have chemically and electrochemically stabilizing properties and is also used variably.

Die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht, beispielsweise in Form eines porösen Kunststoffseparators, kann insbesondere auf mindestens einer Seite mit der mindestens einen porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet sein. The at least one porous polymer separator layer, for example in the form of a porous plastic separator, may in particular be coated on at least one side with the at least one porous inorganic separator layer.

Im Rahmen einer Ausgestaltung ist (zumindest) die der Anode zugewandte Seite der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht mit mindestens einer porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet. So können die im Zusammenhang mit der anodenseitigen porösen Anorganikseparatorschicht erläuterten Vorteile realisiert werden.Within the scope of one embodiment, (at least) the side of the at least one porous polymer separator layer facing the anode is coated with at least one porous inorganic separator layer. Thus, the advantages explained in connection with the anode-side porous inorganic separator layer can be realized.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung ist (zumindest) die der Kathode zugewandte Seite der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht mit mindestens einer porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet. So können die im Zusammenhang mit der kathodenseitigen porösen Anorganikseparatorschicht erläuterten Vorteile realisiert werden.In a further embodiment, (at least) the side of the at least one porous polymer separator layer facing the cathode is coated with at least one porous inorganic separator layer. Thus, the advantages explained in connection with the cathode-side porous inorganic separator layer can be realized.

Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung ist die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht, beispielsweise in Form eines porösen Kunststoffseparators, beidseitig jeweils mit mindestens einer porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet. So kann vorteilhafterweise die Sicherheit und gegebenenfalls die Lebensdauer der Lithium-Sauerstoff-Zelle weiter gesteigert werden.In a special embodiment, the at least one porous polymer separator layer, for example in the form of a porous plastic separator, is coated on both sides with at least one porous inorganic separator layer. Thus, advantageously, the safety and optionally the life of the lithium-oxygen cell can be further increased.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Lithium-Anode mit der mindestens einen porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet. Durch eine poröse Anorganikseparatorbeschichtung auf der Lithium-Anode kann vorteilhafterweise eine sehr gute mechanische und ionische Kontaktierung zwischen der Lithium-Anode und der porösen Anorganikseparatorschicht erzielt sowie ein Hemmung Lithium-Dendriten erzielt werden. Zudem kann die poröse Anorganikseparatorbeschichtung, zum Beispiel aus Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Siliciumdioxid (SiO2) und/oder Titandioxid (TiO2), polar sein, wodurch vorteilhafterweise eine verbesserte Benetzung mit Flüssigelektrolyt erzielt werden kann.In another embodiment, the lithium anode is coated with the at least one porous inorganic separator layer. By a porous Anorganikseparatorbeschichtung on the lithium anode can be achieved advantageously a very good mechanical and ionic contact between the lithium anode and the porous Anorganikseparatorschicht and an inhibition lithium dendrites can be achieved. In addition, the porous inorganic separator coating, for example, of alumina (Al 2 O 3 ) and / or silicon dioxide (SiO 2 ) and / or titanium dioxide (TiO 2 ), may be polar, whereby advantageously improved liquid electrolyte wetting can be achieved.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Sauerstoff-Kathode mit der mindestens einen porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet. Durch eine poröse Anorganikseparatorbeschichtung auf der Sauerstoff-Kathode kann vorteilhafterweise eine sehr gute mechanische und ionische Kontaktierung zwischen der Sauerstoff-Kathode und der porösen Anorganikseparatorschicht erzielt werden.In the context of a further embodiment, the oxygen cathode is coated with the at least one porous inorganic separator layer. By a porous Anorganikseparatorbeschichtung on the oxygen cathode can be achieved advantageously a very good mechanical and ionic contact between the oxygen cathode and the porous Anorganikseparatorschicht.

Zum Beispiel kann die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht, beispielsweise die der Anode zugewandte Seite und/oder die der Kathode zugewandte Seite der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht, oder die Lithium-Anode oder die Sauerstoff-Kathode oder die Lithium-Anode und die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht, beispielsweise die der Anode zugewandte Seite und/oder die der Kathode zugewandte Seite der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht, oder die Sauerstoff-Kathode und die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht, beispielsweise die der Anode zugewandte Seite und/oder die der Kathode zugewandte Seite der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht, oder die Lithium-Anode und die Sauerstoff-Kathode oder die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht, beispielsweise die der Anode zugewandte Seite und/oder die der Kathode zugewandte Seite der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht, und die Lithium-Anode und die Sauerstoff-Kathode mit mindestens einer porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet sein.For example, the at least one porous polymer separator layer, for example, the anode-facing side and / or the cathode-facing side of the at least one porous polymer separator layer, or the lithium anode or the oxygen cathode or the lithium anode and the at least one porous polymer separator layer, for example the anode-facing side and / or the cathode-facing side of the at least one porous polymer separator layer, or the oxygen cathode and the at least one porous polymer separator layer, for example the anode-facing side and / or the cathode-facing side of the at least one porous polymer separator layer, or the lithium anode and the oxygen cathode or the at least one porous polymer separator layer, for example the anode-facing side and / or the cathode-facing side of the at least one porous polymer separator layer , and the lithium anode and the oxygen cathode may be coated with at least one porous inorganic separator layer.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht mindestens einen anorganischen Füllstoff und mindestens einen Binder. So kann vorteilhafterweise eine mechanisch und thermisch stabile und insbesondere auch flexible poröse Anorganikseparatorschicht ausgebildet werden. Zudem kann so vorteilhafterweise erzielt werden, dass die poröse Anorganikseparatorschicht besser und länger an der porösen Polymerseparatorschicht anhaften und beispielsweise ein Ablösen davon, zum Beispiel im Herstellungsprozess, vermieden werden kann.In a further embodiment, the at least one porous inorganic separator layer comprises at least one inorganic filler and at least one binder. Thus, advantageously a mechanically and thermally stable and in particular also flexible porous inorganic separator layer can be formed. In addition, it can advantageously be achieved that the porous inorganic separator layer adheres better and longer to the porous polymer separator layer and, for example, a detachment thereof, for example in the production process, can be avoided.

Der mindestens eine anorganische Füllstoff kann insbesondere elektrisch isolierend sein.The at least one inorganic filler may in particular be electrically insulating.

Der mindestens eine anorganische Füllstoff kann beispielsweise nicht-lithiumionenleitend oder lithiumionenleitend sein. The at least one inorganic filler may, for example, be non-lithium ion conducting or lithium ion conducting.

Insbesondere kann der mindestens eine anorganische Füllstoff nicht-lithiumionenleitend sein. Aufgrund der mit mindestens einem, insbesondere lithiumionenleitenden, Flüssigelektrolyten tränkbaren beziehungsweise getränkten Porosität der mindestens einen porösen Anorganikseparatorschicht, insbesondere welche eine ausreichende Lithiumionenleitfähigkeit bereitstellen kann, kann der mindestens eine anorganische Füllstoff selbst nicht-lithiumionenleitend sein. So können vorteilhafterweise Materialkosten reduziert werden.In particular, the at least one inorganic filler may be non-lithium ion conductive. Owing to the porosity of at least one, in particular lithium-ion-conducting, liquid electrolyte impregnated or impregnated porosity of the at least one porous Inorganikseparatorschicht, in particular, which can provide sufficient lithium ion conductivity, the at least one inorganic filler itself may be non-lithium ion. Thus, advantageously, material costs can be reduced.

Insbesondere kann dabei der mindestens eine anorganische Füllstoff ein keramischer Füllstoff sein.In particular, the at least one inorganic filler may be a ceramic filler.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine anorganische, insbesondere keramische, Füllstoff Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Siliciumdioxid (SiO2) und/oder Titandioxid (TiO2). Beispielsweise kann der mindestens eine anorganische, insbesondere keramische, Füllstoff Aluminiumoxid und/oder Siliciumdioxid und/oder Titandioxid sein. Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Titandioxid können vorteilhafterweise elektrisch isolierend und chemisch sowie elektrochemisch stabil sein. Zudem können Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Titandioxid vorteilhafterweise leicht und kostengünstig verfügbar und nicht toxisch sein.Within the scope of a further embodiment, the at least one inorganic, in particular ceramic, filler comprises aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or silicon dioxide (SiO 2 ) and / or titanium dioxide (TiO 2 ). For example, the at least one inorganic, in particular ceramic, filler may be aluminum oxide and / or silicon dioxide and / or titanium dioxide. Alumina, silica and titania may advantageously be electrically insulating and chemically and electrochemically stable. In addition, alumina, silica and titania can advantageously be readily and inexpensively available and non-toxic.

Im Rahmen weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Binder ein fluoriertes Polymer. Beispielsweise kann der mindestens eine Binder ein fluoriertes Polymer sein. Zum Beispiel kann der mindestens eine Binder Polyvinylidenfluorid (PVDF) umfassen oder sein. Durch die Verwendung eines fluorierten Polymers, wie Polyvinylidenfluorid, kann vorteilhafterweise eine gute Füllstoffbindung und insbesondere eine gute Anbindung der Anorganikseparatorschicht an das Trägersubstrat erzielt werden. Zudem können fluorierte Polymere, wie Polyvinylidenfluorid, in einer Zelle eine gute chemische und elektrochemische Stabilität aufweisen und vergleichsweise günstig und gut verfügbar sein.In another embodiment, the at least one binder comprises a fluorinated polymer. For example, the at least one binder may be a fluorinated polymer. For example, the at least one binder may comprise or be polyvinylidene fluoride (PVDF). By using a fluorinated polymer, such as polyvinylidene fluoride, it is advantageously possible to achieve good filler bonding and, in particular, good bonding of the inorganic separator layer to the carrier substrate. In addition, fluorinated polymers, such as polyvinylidene fluoride, can have good chemical and electrochemical stability in a cell and be relatively cheap and readily available.

Die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht kann zum Beispiel mindestens ein Polyolefin, beispielsweise Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), und/oder mindestens ein Polyimid und/oder mindestens einen Polyester und/oder mindestens ein Aramid umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein.The at least one porous polymer separator layer may comprise, for example, at least one polyolefin, for example polyethylene (PE) and / or polypropylene (PP), and / or at least one polyimide and / or at least one polyester and / or at least one aramid.

Die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht kann beispielsweise eine gestreckte Folie oder eine faserförmige Schicht umfassen oder sein. Die Porosität der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht kann zum Beispiel auch durch Weichmacher, zum Beispiel welche anschließend thermisch und/oder chemisch extrahiert werden, erzeugt sein beziehungsweise werden.The at least one porous polymer separator layer may comprise or be, for example, a stretched film or a fibrous layer. The porosity of the at least one porous polymer separator layer can also be produced, for example, by plasticizers, for example, which are subsequently extracted thermally and / or chemically.

Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst oder ist die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht eine faserförmige Schicht, beispielsweise ein Vlies. Eine faserförmige Schicht, wie ein Vlies, zum Beispiel aus Polyimid und/oder Polyester und/oder Aramid, kann sich vorteilhafterweise durch eine besonders hohe mechanische – und beispielsweise auch chemische und/oder elektrochemische – Stabilität bei der kathodenseitigen Bildung von Lithiumperoxid beim Entladen der Lithium-Sauerstoff-Zelle, welche beispielsweise teilweise auch in Randbereichen der Polymerseparatorschicht auftreten kann, auszeichnen.In one embodiment, the at least one porous polymer separator layer comprises or is a fibrous layer, for example a nonwoven. A fibrous layer, such as a nonwoven, for example of polyimide and / or polyester and / or aramid, can advantageously be characterized by a particularly high mechanical and, for example, also chemical and / or electrochemical stability in the cathode-side formation of lithium peroxide during discharging of the lithium Oxygen cell, which may occur, for example, partially in edge regions of the Polymerseparatorschicht distinguished.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht jedoch eine gestreckte Folie. Durch eine gestreckte Folie kann vorteilhafterweise ein verbesserter Trenneffekt von Flüssigkeiten und/oder Gasen, insbesondere zwischen der Kathode und der Anode, erzielt werden. In the context of a further embodiment, however, the at least one porous polymer separator layer comprises or is a stretched film. By means of a stretched film, an improved separation effect of liquids and / or gases, in particular between the cathode and the anode, can advantageously be achieved.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht, zum Beispiel die gestreckte Folie und/oder die faserförmige Schicht, mindestens ein Polyolefin, beispielsweise Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP). Zum Beispiel kann die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht, beispielsweise die gestreckte Folie und/oder die faserförmige Schicht, aus mindestens einem Polyolefin, beispielsweise aus Polyethylen und/oder Polypropylen, ausgebildet sein. Polyolefine, wie Polyethylen und/oder Polypropylen, können vorteilhafterweise eine gute Elektrolytbenetzbarkeit aufweisen und vergleichsweise gut und kostengünstig verfügbar sein. Durch die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht kann dabei vorteilhafterweise einem thermischen Schrumpfen des Polyolefins und/oder einem inneren Kurzschluss im Versagensfall entgegengewirkt werden. Durch eine anodenseitige poröse Anorganikseparatorschicht kann vorteilhafterweise das Polyolefin der porösen Polymerseparatorschicht zudem an einem Kontakt beziehungsweise an einer Reaktion mit metallischem Lithium der Lithium-Anode gehindert werden.Within the scope of a further embodiment, the at least one porous polymer separator layer, for example the stretched film and / or the fibrous layer, comprises at least one polyolefin, for example polyethylene (PE) and / or polypropylene (PP). For example, the at least one porous polymer separator layer, for example the stretched film and / or the fibrous layer, may be formed of at least one polyolefin, for example polyethylene and / or polypropylene. Polyolefins, such as polyethylene and / or polypropylene, may advantageously have good electrolyte wettability and be comparatively good and inexpensive. The at least one porous inorganic separator layer can advantageously counteract thermal shrinkage of the polyolefin and / or an internal short circuit in the event of a failure. By means of an anode-side porous inorganic separator layer, the polyolefin of the porous polymer separator layer can advantageously also be prevented from contacting or reacting with metallic lithium of the lithium anode.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht, zum Beispiel die gestreckte Folie und/oder die faserförmige Schicht, mindestens ein Polyimid und/oder mindestens einen Polyester und/oder mindestens ein Aramid. Zum Beispiel kann die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht, beispielsweise die gestreckte Folie und/oder die faserförmige Schicht, aus mindestens einem Polyimid und/oder mindestens einem Polyester und/oder mindestens einem Aramid ausgebildet sein. Polyimide, Polyester und/oder Aramide können vorteilhafterweise thermisch stabiler als Polyolefine sein.In a further embodiment, the at least one porous polymer separator layer, for example the stretched film and / or the fibrous layer, comprises at least one polyimide and / or at least one polyester and / or at least one aramid. For example, the at least one porous polymer separator layer, for example the stretched film and / or the fibrous layer, may be formed of at least one polyimide and / or at least one polyester and / or at least one aramid. Polyimides, polyesters and / or aramids may advantageously be more thermally stable than polyolefins.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Anode und der Kathode (weiterhin) mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht angeordnet. Durch die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht können vorteilhafterweise Gase und/oder Lösungsmittel, beispielsweise welche das Lithium angreifen könnten, von der Lithium-Oberfläche separiert werden. Beispielsweise kann auf diese Weise das, insbesondere metallische, Lithium der Lithium-Anode vor schädlichen Gasen wie Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2) und Feuchte (H2O) aber zum Beispiel auch vor flüssigen Lösungsmitteln, welche beispielsweise Bestandteil eines kathodenseitigen Elektrolyten sein können und gegebenenfalls ansonsten irreversibel mit dem anodenseitigen Lithium reagieren und dieses gegebenenfalls unter Erhöhung des inneren Widerstandes der Zelle passivieren könnten, geschützt werden. So kann vorteilhafterweise die Langzeitzyklisierung und kalendarische Lebensdauer sowie die Sicherheit der Lithium-Sauerstoff-Zelle weiter erhöht werden. Zudem kann durch die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht eine Trennung zwischen einem kathodenseitigen Flüssigelektrolyten und einem anodenseitigen Flüssigelektrolyten realisiert werden, was es ermöglicht unterschiedliche, auf ihren jeweiligen Einsatz hin optimierte Flüssigelektrolyte einzusetzen, wodurch unter anderem die Leistungsfähigkeit der Zelle weiter gesteigert werden kann.In the context of a further embodiment, at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator layer is (further) arranged between the anode and the cathode. By virtue of the at least one gas-tight, lithium-ion-conducting separator layer, gases and / or solvents, for example which might attack the lithium, can advantageously be separated from the lithium surface. For example, in this way the, in particular, metallic lithium of the lithium anode from harmful gases such as nitrogen (N 2), carbon dioxide (CO 2) and humidity (H 2 O) but for example also from liquid solvents which, for example, part of a cathode-side Electrolytes may be and, if appropriate, otherwise irreversibly react with the anode-side lithium and this could passivate if necessary, increasing the internal resistance of the cell protected. Thus, advantageously, the long-term cyclization and calendar life as well as the safety of the lithium-oxygen cell can be further increased. In addition, a separation between a cathode-side liquid electrolyte and an anode-side liquid electrolyte can be realized by the at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator, which makes it possible to use different optimized for their respective use liquid electrolytes, which among other things, the performance of the cell can be further increased.

Die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht kann insbesondere dünn, beispielsweise im Mikrometerbereich (µm-Bereich), ausgestaltet sein. So kann vorteilhafterweise eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit und damit Leistungsfähigkeit der Lithium-Sauerstoff-Zelle erzielt werden.The at least one gas-tight, lithium-ion-conducting separator layer may in particular be made thin, for example in the micrometer range (μm range). Thus, advantageously, a high lithium ion conductivity and thus performance of the lithium-oxygen cell can be achieved.

Die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht kann beispielsweise mindestens ein lithiumionenleitendes, anorganisches, insbesondere keramisches, Material umfassen. Beispielsweise kann die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht aus mindestens einem lithiumionenleitenden, anorganischen, insbesondere keramischen, Material ausgebildet sein.The at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator layer may comprise, for example, at least one lithium ion-conducting, inorganic, in particular ceramic, material. By way of example, the at least one gas-tight, lithium-ion-conducting separator layer may be formed from at least one lithium-ion-conducting, inorganic, in particular ceramic, material.

Im Rahmen einer Ausgestaltung ist die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht eine gasdichte, lithiumionenleitende Anorganikseparatorschicht sein.Within the scope of an embodiment, the at least one gas-tight, lithium-ion-conducting separator layer is a gas-tight, lithium-ion-conducting inorganic separator layer.

Zum Beispiel kann die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende (Anorganik-)Separatorschicht mindestens einen Festkörperlithiumionenleiter mit granatartiger Kristallstruktur umfassen oder daraus ausgebildet sein.For example, the at least one gas-tight, lithium ion-conducting (inorganic) separator layer may comprise or be formed from at least one solid-state lithium ion conductor having a garnet-like crystal structure.

Die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht beziehungsweise das mindestens eine lithiumionenleitende, anorganische, insbesondere keramische, Material der mindestens einen gasdichten, lithiumionenleitenden Separatorschicht kann insbesondere elektrisch isolierend sein. Da eine elektrische Separation bereits durch die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht erzielt werden kann, kann die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht beziehungsweise das mindestens eine lithiumionenleitende, anorganische, insbesondere keramische, Material der mindestens einen gasdichten, lithiumionenleitenden Separatorschicht jedoch auch elektrisch leitend sein. So kann vorteilhafterweise eine größere Materialpalette bereitgestellt werden, wodurch gegebenenfalls eine höhere Lithiumionenleitfähigkeit und damit eine höhere Leistungsfähigkeit der Lithium-Sauerstoff-Zelle erzielt und/oder Materialkosten reduziert werden können.The at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator layer or the at least one lithium ion-conducting, inorganic, in particular ceramic, material of the at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator layer can in particular be electrically insulating. Since an electrical separation can already be achieved by the at least one porous inorganic separator layer, the at least one gas-tight, lithium-ion-conducting separator layer or the at least one lithium-ion-conducting, inorganic, in particular ceramic, material of the at least one gas-tight, lithium-ion-conducting separator layer can also be electrically conductive. Thus, advantageously, a larger range of materials can be provided, whereby optionally a higher lithium ion conductivity and thus a higher performance of the lithium-oxygen cell can be achieved and / or material costs can be reduced.

Im Rahmen einer Ausgestaltung ist die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende (Anorganik-)Separatorschicht kathodenseitig der mindestens einen porösen Anorganikseparatorschicht und/oder der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht angeordnet. So kann vorteilhafterweise durch die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende (Anorganik-)Separatorschicht ein kathodenseitiger Flüssigelektrolyt und ein anodenseitiger Flüssigelektrolyt, beispielsweise mit welchem die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht und/oder die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht getränkt sein können, voneinander separiert werden. So können vorteilhafterweise unterschiedliche Flüssigelektrolyte auf ihren jeweilige Einsatz hin optimiert eingesetzt werden. In one embodiment, the at least one gas-tight, lithium ion-conducting (inorganic) separator layer is arranged on the cathode side of the at least one porous inorganic separator layer and / or the at least one porous polymer separator layer. Thus, advantageously by the at least one gas-tight, lithium ion-conducting (inorganic) separator layer, a cathode-side liquid electrolyte and an anode-side liquid electrolyte, for example, with which the at least one porous Anorganikseparatorschicht and / or the at least one porous Polymerseparatorschicht can be soaked separated from each other. Thus, advantageously, different liquid electrolytes can be used optimized for their respective use.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung ist die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende (Anorganik-)Separatorschicht anodenseitig der mindestens einen porösen Anorganikseparatorschicht und/oder der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht angeordnet. So kann vorteilhafterweise ein Lithium-Dendriten-Wachstum gehemmt, das Material der mindestens einen porösen Anorganikseparatorschicht und/oder der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht vor einem direkten Kontakt mit metallischen Lithium der Lithium-Anode geschützt und insbesondere die Eigensicherheit der Lithium-Sauerstoff-Zelle weiter erhöht werden.In the context of a further embodiment, the at least one gas-tight, lithium ion-conducting (inorganic) separator layer is arranged on the anode side of the at least one porous inorganic separator layer and / or the at least one porous polymer separator layer. Thus, advantageously, a lithium dendrite growth inhibited, the material of the at least one porous Anorganikseparatorschicht and / or the at least one porous Polymerseparatorschicht protected against direct contact with metallic lithium of the lithium anode and in particular further increases the intrinsic safety of the lithium-oxygen cell become.

Die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht kann insbesondere dünn, beispielsweise im Mikrometerbereicht (µm-Bereich) ausgestaltet sein. So kann vorteilhafterweise durch die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht ein ausreichend hoher Effekt, beispielsweise eine ausreichende Stabilisation des Kunststoffseparators, erzielt werden, wobei vorteilhafterweise die Energiedichte beziehungsweise spezifische Energie durch das Einbringen der mindestens einen porösen Anorganikseparatorschicht kaum beeinträchtigt werden kann.The at least one porous inorganic separator layer may in particular be designed to be thin, for example in the micrometre range (μm range). Thus, advantageously by the at least one porous Anorganikseparatorschicht a sufficiently high effect, for example, a sufficient stabilization of Kunststoffseparators can be achieved, advantageously the energy density or specific energy can hardly be affected by the introduction of at least one porous Anorganikseparatorschicht.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist daher die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht eine Schichtdicke (d11) in einem Bereich von ≥ 0,1 μm bis ≤ 10 μm auf. Insbesondere kann die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht eine Schichtdicke (d11) in einem Bereich von ≥ 1 μm bis ≤ 5 μm, beispielsweise von ≥ 1 μm bis ≤ 4 μm, zum Beispiel von etwa 3 μm, aufweisen. So kann vorteilhafterweise eine gute Energiedichte und spezifische Energie erzielt werden.In the context of a further embodiment, therefore, the at least one porous inorganic separator layer has a layer thickness (d 11 ) in a range of ≥ 0.1 μm to ≦ 10 μm. In particular, the at least one porous inorganic separator layer may have a layer thickness (d 11 ) in a range from ≥ 1 μm to ≦ 5 μm, for example from ≥ 1 μm to ≦ 4 μm, for example from approximately 3 μm. Thus, advantageously, a good energy density and specific energy can be achieved.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht eine Schichtdicke (d12) in einem Bereich von ≥ 5 μm bis ≤ 50 μm auf. Insbesondere kann die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht eine Schichtdicke (d12) in einem Bereich von ≥ 8 μm und ≤ 30 μm, zum Beispiel von etwa 25 μm, aufweisen So kann vorteilhafterweise ebenfalls eine hohe Energiedichte und spezifische Energie erzielt werden.Within the scope of a further embodiment, the at least one porous polymer separator layer has a layer thickness (d 12 ) in a range of ≥ 5 μm to ≦ 50 μm. In particular, the at least one porous polymer separator layer can have a layer thickness (d 12 ) in a range of ≥ 8 μm and ≦ 30 μm, for example of approximately 25 μm. Thus, a high energy density and specific energy can advantageously also be achieved.

Die Lithium-Anode kann aus metallischem Lithium oder einer Lithiumlegierung ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Lithiumlegierung eine Lithium-Silicium-Legierung sein und/oder Indium und/oder Aluminium, beispielsweise als Zulegierungsmetall, umfassen. Durch Hinzulegieren von Indium und/oder Aluminium, welches insbesondere als nicht an der Reaktion teilnehmendes Trägermetall dienen kann, kann vorteilhafterweise die Strukturstabilität der Anode verbessert werden.The lithium anode may be formed of metallic lithium or a lithium alloy. For example, the lithium alloy may be a lithium-silicon alloy and / or include indium and / or aluminum, for example, as an alloying metal. By addition of indium and / or aluminum, which can serve in particular as a non-participating in the reaction support metal, advantageously, the structural stability of the anode can be improved.

Die Sauerstoff-Kathode kann insbesondere eine elektrisch leitende, poröse Struktur, beispielsweise aus Kohlenstoff oder aus mindestens einem Metall, zum Beispiel Gold, aufweisen. In den Poren der porösen Struktur der Sauerstoff-Kathode können vorteilhafterweise bei der Entladung entstehende Stoffe, wie das Lithiumperoxid (Li2O2), aufgenommen werden. Zudem kann die elektrisch leitende, poröse Struktur der Sauerstoff-Kathode als Kathodenstromableiter dienen. Die Poren der porösen Struktur der Sauerstoff-Kathode können zum Beispiel im Nanometer-Bereich liegen. Gegebenenfalls kann die Sauerstoff-Kathode weiterhin mindestens einen Katalysator zur Katalyse einer Reduktion von elementarem Sauerstoff zu Sauerstoffionen und/oder einer Oxidation von Sauerstoffionen zu elementarem Sauerstoff umfassen.The oxygen cathode can in particular have an electrically conductive, porous structure, for example made of carbon or of at least one metal, for example gold. In the pores of the porous structure of the oxygen cathode, it is possible to advantageously take up materials which are formed during the discharge, such as the lithium peroxide (Li 2 O 2 ). In addition, the electrically conductive, porous structure of the oxygen cathode can serve as Kathodenstromableiter. The pores of the porous structure of the oxygen cathode may be in the nanometer range, for example. Optionally, the oxygen cathode may further comprise at least one catalyst for catalyzing a reduction of elemental oxygen to oxygen ions and / or an oxidation of oxygen ions to elemental oxygen.

Die Lithium-Sauerstoff-Zelle kann weiterhin mindestens einen, insbesondere lithiumionenleitenden, Flüssigelektrolyten umfassen. Beispielsweise kann die Lithium-Sauerstoff-Zelle einen ersten und einen zweiten, insbesondere lithiumionenleitenden, Flüssigelektrolyten umfassen. Zum Beispiel kann die Lithium-Sauerstoff-Zelle einen kathodenseitigen und einen anodenseitigen, insbesondere lithiumionenleitenden, Flüssigelektrolyten umfassen. Beispielsweise kann die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht und/oder die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht mit dem mindestens einen, insbesondere lithiumionenleitenden, Flüssigelektrolyten getränkt sein.The lithium-oxygen cell may further comprise at least one, in particular lithium ion-conducting, liquid electrolyte. For example, the lithium-oxygen cell may comprise a first and a second, in particular lithium ion-conducting, liquid electrolyte. For example, the lithium-oxygen cell may comprise a cathode-side and an anode-side, in particular lithium-ion-conducting, liquid electrolyte. For example, the at least one porous inorganic separator layer and / or the at least one porous polymer separator layer may be impregnated with the at least one, in particular lithium ion-conducting, liquid electrolyte.

Zum Beispiel kann die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht und gegebenenfalls die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht mit dem mindestens einen, beispielsweise ersten, insbesondere lithiumionenleitenden, Flüssigelektrolyten getränkt sein. Beispielsweise kann dabei insbesondere die Sauerstoff-Kathode und gegebenenfalls die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht mit einem anderen, beispielsweise zweiten und/oder dritten, insbesondere lithiumionenleitenden, Flüssigelektrolyten getränkt sein. For example, the at least one porous inorganic separator layer and optionally the at least one porous polymer separator layer may be impregnated with the at least one, for example, first, in particular lithium-ion-conducting, liquid electrolyte. For example, in particular the oxygen cathode and optionally the at least one porous polymer separator layer may be impregnated with another, for example second and / or third, in particular lithium ion-conducting, liquid electrolyte.

Weiterhin kann die Zelle beziehungsweise die später erläuterte Batterie einen Gasverteiler (Englisch: Flow-field), insbesondere zur Zuführung und/oder Abführung von Sauerstoff, umfassen. Der Gasverteiler kann insbesondere auf der Sauerstoff-Kathode der Zelle vorgesehen sein. Gegebenenfalls kann der Gasverteiler zur Zuführung und/oder Abführung von Sauerstoff zu beziehungsweise von mehreren Sauerstoff-Kathoden, beispielsweise von mehreren Zellen, ausgelegt sein. So kann vorteilhafterweise eine gleichmäßige Verteilung von Sauerstoff zu der beziehungsweise zu den Sauerstoff-Kathoden gewährleistet werden. Zum Beispiel kann der Gasverteiler hierfür, insbesondre geometrisch ausgebildete, Kanäle und/oder Poren aufweisen. Insbesondere kann der Gasverteiler Strömungskanäle aufweisen, welche dazu ausgelegt sind, dass jeder Oberflächenabschnitt der Sauerstoff-Kathode/n, insbesondere beim Entladen der Lithium-Sauerstoff-Zelle/n, mit ausreichend und gleichmäßig viel reagierendes Gas, insbesondere elementarem Sauerstoff, versorgt werden kann beziehungsweise dass von jedem Oberflächenabschnitt der Sauerstoff-Kathode/n, insbesondere beim Laden der Lithium-Sauerstoff-Zelle/n, ausreichend und gleichmäßig viel entstehendes Gas, insbesondere elementarer Sauerstoff, abgeführt werden kann.Furthermore, the cell or the battery explained later may include a gas distributor (English: flow-field), in particular for the supply and / or removal of oxygen. The gas distributor may be provided in particular on the oxygen cathode of the cell. If appropriate, the gas distributor can be designed to supply and / or discharge oxygen to or from a plurality of oxygen cathodes, for example from a plurality of cells. Thus, advantageously, a uniform distribution of oxygen to or to the oxygen cathodes can be ensured. For example, the gas distributor may have for this purpose, in particular geometrically formed, channels and / or pores. In particular, the gas distributor may have flow channels which are designed so that each surface section of the oxygen cathode / s, in particular during discharging of the lithium-oxygen cell (s), can be supplied with sufficient and uniformly reactive gas, in particular elemental oxygen that from each surface portion of the oxygen cathode / n, in particular during charging of the lithium-oxygen cell / n, sufficient and uniformly evolving much gas, especially elemental oxygen, can be removed.

Die Lithium-Sauerstoff-Zelle kann insbesondere durch ein im Folgenden erläutertes, erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt sein und/oder einen durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Separator und/oder einen im Folgenden erläuterten erfindungsgemäßen Separator und/oder eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Lithium-Anode und/oder eine im Folgenden erläuterte erfindungsgemäße Lithium-Anode und/oder eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Sauerstoff-Kathode und/oder eine im Folgenden erläuterte erfindungsgemäße Sauerstoff-Kathode umfassen.The lithium-oxygen cell can be produced in particular by an inventive process explained below and / or a separator prepared by the process according to the invention and / or a separator according to the invention and / or a lithium anode prepared by the process according to the invention / or a lithium anode according to the invention explained below and / or an oxygen cathode produced by the process according to the invention and / or an oxygen cathode according to the invention explained below.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Separator, der erfindungsgemäßem Lithium-Anode, der erfindungsgemäßen Sauerstoff-Kathode und der erfindungsgemäßen Lithium-Sauerstoff-Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the cell according to the invention is hereby explicitly to the explanations in connection with the inventive method, the separator according to the invention, the inventive lithium anode, the inventive oxygen cathode and the lithium-oxygen battery according to the invention and to the figures and The description of the figures referenced.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Sauerstoff-Zelle, insbesondere einer erfindungsgemäßen Lithium-Sauerstoff-Zelle, und/oder eines Separators, insbesondere eines erfindungsgemäßen Separators, und/oder einer Lithium-Anode, insbesondere einer erfindungsgemäßen Lithium-Anode, und/oder einer Sauerstoff-Kathode, insbesondere einer erfindungsgemäßen Sauerstoff-Kathode, in dem eine Lithium-Anode und/oder eine Sauerstoff-Kathode und/oder eine poröse Polymerseparatorschicht und/oder eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht, beispielsweise Anorganikseparatorschicht, mit mindestens einer porösen Anorganikseparatorschicht und/oder mit mindestens einem Material zur Ausbildung einer porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet wird.Another object of the invention is a process for preparing a lithium-oxygen cell, in particular a lithium-oxygen cell according to the invention, and / or a separator, in particular a separator according to the invention, and / or a lithium anode, in particular a lithium invention. Anode, and / or an oxygen cathode, in particular an oxygen cathode according to the invention, in which a lithium anode and / or an oxygen cathode and / or a porous Polymerseparatorschicht and / or a gas-tight, lithium ion-conducting separator, for example Anorganikseparatorschicht, with at least a porous Inorganikseparatorschicht and / or coated with at least one material for forming a porous Anorganikseparatorschicht.

Dabei kann vorteilhafterweise das Beschichtungsverfahren auf kostengünstige Weise und in Massenproduktion erfolgen.In this case, advantageously, the coating process can be carried out in a cost effective manner and in mass production.

Insofern ein Material zur Ausbildung einer porösen Anorganikseparatorschicht verwendet wird, dass kann das Material insbesondere in eine poröse Anorganikseparatorschicht umgewandelt werden.In particular, inasmuch as a material for forming a porous inorganic separator layer is used, the material may be specifically converted into a porous inorganic separator layer.

Zum Beispiel kann eine poröse Polymerseparatorschicht, zum Beispiel ein poröser Kunststoffseparator, oder eine Lithium-Anode oder einer Sauerstoff-Kathode oder eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht derart mit einer anorganisches, insbesondere keramisches, Material umfassenden Beschichtungsmasse, beispielsweise oberflächlich, beschichtet werden, dass eine poröse Anorganikseparatorschicht entsteht.For example, a porous Polymerseparatorschicht, for example, a porous plastic separator, or a lithium anode or an oxygen cathode or a gas-tight, lithium ion-conducting separator layer so with an inorganic, especially ceramic material comprising coating material, for example superficially, be coated that a porous Anorganikseparatorschicht arises.

Insofern eine poröse Polymerseparatorschicht verwendet wird, kann die poröse Polymerseparatorschicht, zum Beispiel ein poröser Kunststoffseparator, mindestens auf einer Seite beschichtet werden. So kann vorteilhafterweise ein Komposit-Separator hergestellt werden. Zum Beispiel kann (zumindest) die der Anode zugewandte Seite oder die der Kathode zugewandte Seite der porösen Polymerseparatorschicht beschichtet werden. Beispielsweise kann dabei die poröse Polymerseparatorschicht, zum Beispiel ein poröser Kunststoffseparator, auch beidseitig beschichtet werden.Inasmuch as a porous polymer separator layer is used, the porous polymer separator layer, for example, a porous plastic separator, may be coated on at least one side. Thus, advantageously, a composite separator can be produced. For example, (at least) the anode-facing side or the cathode-facing side of the porous polymer separator layer may be coated. For example, the porous polymer separator layer, for example a porous plastic separator, can also be coated on both sides.

Insofern eine Lithium-Anode oder Sauerstoff-Kathode verwendet wird, kann die Lithium-Anode beziehungsweise die Sauerstoff-Kathode insbesondere auf einer Seite beschichtet werden. Insofar as a lithium anode or oxygen cathode is used, the lithium anode or the oxygen cathode can be coated in particular on one side.

Zur Herstellung einer Lithium-Sauerstoff-Zelle kann insbesondere die poröse Anorganikseparatorschicht (beziehungsweise Anorganikseparatorbeschichtung) zwischen einer beziehungsweise der Lithium-Anode und einer beziehungsweise der Sauerstoff-Kathode angeordnet werden.For producing a lithium-oxygen cell, in particular the porous inorganic separator layer (or inorganic separator coating) can be arranged between one or the lithium anode and one or the oxygen cathode.

Im Rahmen einer Ausgestaltung wird die Lithium-Anode auf einer Seite mit einem Anodenstromkollektor, zum Beispiel einer Anodenstromkollektorfolie, konfektioniert bereitgestellt und auf der anderen Seite mit der porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet beziehungsweise an einen erfindungsgemäßen Separator angelegt beziehungsweise damit verbunden. Insofern die Lithium-Anode mit einer porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet wird, kann auch eine, beispielsweise unbeschichtete, poröse Polymerseparatorschicht, zum Beispiel ein poröser Kunststoffseparator, verwendet und beispielsweise an die poröse Anorganikseparatorschicht (beziehungsweise Anorganikseparatorbeschichtung) angelegt beziehungsweise damit verbunden werden. So kann vorteilhafterweise ein Verbund mit einer sehr guten vollflächigen mechanischen, elektrischen und/oder ionischen Kontaktierung unter den einzelnen Schichten beziehungsweise deren Oberflächen ausgebildet werden.In one embodiment, the lithium anode is provided on one side with an anode current collector, for example, an anode current collector foil, and coated on the other side with the porous Anorganikseparatorschicht or applied to a separator according to the invention or connected thereto. Inasmuch as the lithium anode is coated with a porous inorganic separator layer, a, for example, uncoated, porous polymer separator layer, for example, a porous plastic separator may also be used and applied or bonded, for example, to the porous inorganic separator layer (or inorganic separator coating). Thus, advantageously, a composite with a very good full-surface mechanical, electrical and / or ionic contacting under the individual layers or their surfaces can be formed.

Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung wird die Sauerstoff-Kathode mit einem Kathodenstromkollektor, zum Beispiel einer elektrisch leitenden, porösen Struktur, bereitgestellt und auf einer Seite mit der porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet beziehungsweise an einen erfindungsgemäßen Separator angelegt beziehungsweise verbunden. Insofern die Sauerstoff-Kathode mit einer porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet wird, kann auch eine, beispielsweise unbeschichtete, poröse Polymerseparatorschicht, zum Beispiel ein poröser Kunststoffseparator, verwendet und beispielsweise an die poröse Anorganikseparatorschicht (beziehungsweise Anorganikseparatorbeschichtung) angelegt beziehungsweise damit verbunden werden. So kann vorteilhafterweise ebenfalls ein Verbund mit einer sehr guten mechanischen, elektrischen und/oder ionischen Kontaktierung unter den einzelnen Schichten beziehungsweise deren Oberflächen ausgebildet werden.In another embodiment, the oxygen cathode is provided with a cathode current collector, for example an electrically conductive, porous structure, and coated on one side with the porous Anorganikseparatorschicht or applied or connected to a separator according to the invention. Inasmuch as the oxygen cathode is coated with a porous inorganic separator layer, a, for example, uncoated, porous polymer separator layer, for example, a porous plastic separator may also be used and applied or bonded to, for example, the porous inorganic separator layer (or inorganic separator coating). Thus, advantageously, a composite with a very good mechanical, electrical and / or ionic contacting under the individual layers or their surfaces can also be formed.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird die poröse Polymerseparatorschicht auf mindestens einer Seite, gegebenenfalls beidseitig, mit der porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet und einerseits an eine Seite einer Lithium-Anode, beispielsweise welche auf der anderen Seite mit einem Anodenstromkollektor, zum Beispiel einer Anodenstromkollektorfolie, konfektioniert ist, und andererseits an eine Seite einer Sauerstoff-Kathode mit einem Kathodenstromkollektor, zum Beispiel einer elektrisch leitenden, porösen Struktur, angelegt beziehungsweise damit verbunden.In a further embodiment, the porous Polymerseparatorschicht is coated on at least one side, optionally on both sides, with the porous Anorganikseparatorschicht and on the one hand to a side of a lithium anode, for example, which on the other side with an anode current collector, for example, an anode current collector foil, assembled and on the other hand to one side of an oxygen cathode with a cathode current collector, for example, an electrically conductive, porous structure, applied or connected thereto.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (beziehungsweise Anorganikseparatorbeschichtung) mindestens einen anorganischen Füllstoff und mindestens einen Binder beziehungsweise ist das Material zur Ausbildung hiervon ausgelegt. Beispielsweise kann die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (beziehungsweise Anorganikseparatorbeschichtung) mindestens einen keramischen Füllstoff umfassen beziehungsweise das Material zur Ausbildung hiervon ausgelegt sein. Zum Beispiel kann die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (beziehungsweise Anorganikseparatorbeschichtung) Aluminiumoxid und/oder Siliciumdioxid und/oder Titandioxid umfassen beziehungsweise das Material zur Ausbildung hiervon ausgelegt sein. Beispielsweise kann die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (beziehungsweise Anorganikseparatorbeschichtung), insbesondere als Binder, mindestens ein fluoriertes Polymer, zum Beispiel Polyvinylidenfluorid, umfassen beziehungsweise das Material zur Ausbildung hiervon ausgelegt sein.In the context of a further embodiment, the at least one porous inorganic separator layer (or inorganic separator coating) comprises at least one inorganic filler and at least one binder or the material is designed to form the same. By way of example, the at least one porous inorganic separator layer (or inorganic separator coating) may comprise at least one ceramic filler or the material may be designed to form the same. For example, the at least one porous inorganic separator layer (or inorganic separator coating) may comprise alumina and / or silica and / or titania, or the material may be designed to form the same. For example, the at least one porous Inorganikseparatorschicht (or Anorganikseparatorbeschichtung), in particular as a binder, at least one fluorinated polymer, for example, polyvinylidene fluoride, include or be designed to form the material thereof.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die poröse Polymerseparatorschicht eine gestreckte Folie. Beispielsweise kann die poröse Polymerseparatorschicht mindestens ein Polyolefin, zum Beispiel Polyethylen und/oder Polypropylen, umfassen oder daraus ausgebildet sein.In another embodiment, the porous polymer separator layer is a stretched film. For example, the porous polymer separator layer may comprise or be formed from at least one polyolefin, for example polyethylene and / or polypropylene.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Separator, der erfindungsgemäßem Lithium-Anode, der erfindungsgemäßen Sauerstoff-Kathode und der erfindungsgemäßen Lithium-Sauerstoff-Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the method according to the invention is hereby explicitly to the explanations in connection with the cell according to the invention, the separator according to the invention, the inventive lithium anode, the inventive oxygen cathode and the lithium-oxygen battery according to the invention and to the figures and The description of the figures referenced.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen Separator, insbesondere einen Komposit-Separator, für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, welcher eine poröse Polymerseparatorschicht umfasst, die auf mindestens einer Seite, gegebenenfalls beidseitig, mit einer porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet beziehungsweise mit einer porösen Anorganikseparatorbeschichtung versehen ist. Beispielsweise kann dabei die poröse Polymerseparatorschicht eine gestreckte Folie sein. Zum Beispiel kann die poröse Polymerseparatorschicht mindestens ein Polyolefin, wie Polyethylen und/oder Polypropylen, umfassen oder daraus ausgebildet sein. Weiterhin kann der Separator gegebenenfalls mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht, insbesondere Anorganikseparatorschicht, umfassen. Beispielsweise kann der Separator für eine erfindungsgemäße Lithium-Sauerstoff-Zelle ausgelegt und/oder durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt sein.Furthermore, the invention relates to a separator, in particular a composite separator, for a lithium-oxygen cell, which comprises a porous polymer separator layer, which on at least one Side, optionally on both sides, coated with a porous Anorganikseparatorschicht or provided with a porous Anorganikseparatorbeschichtung. For example, the porous polymer separator layer may be a stretched film. For example, the porous polymer separator layer may comprise or be formed from at least one polyolefin, such as polyethylene and / or polypropylene. Furthermore, if appropriate, the separator may comprise at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator layer, in particular an inorganic separator layer. For example, the separator may be designed for a lithium-oxygen cell according to the invention and / or produced by a method according to the invention.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Separators wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßem Lithium-Anode, der erfindungsgemäßen Sauerstoff-Kathode und der erfindungsgemäßen Lithium-Sauerstoff-Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the separator according to the invention is hereby explicitly to the explanations in connection with the cell according to the invention, the inventive method, the inventive lithium anode, the oxygen cathode according to the invention and the lithium-oxygen battery according to the invention and to the figures and The description of the figures referenced.

Zudem betrifft die Erfindung eine Lithium-Anode für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, welche mit einer porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet beziehungsweise mit einer porösen Anorganikseparatorbeschichtung versehen ist. Die Lithium-Anode kann aus metallischem Lithium oder einer Lithiumlegierung ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Lithiumlegierung eine Lithium-Silicium-Legierung sein und/oder Indium und/oder Aluminium, beispielsweise als Zulegierungsmetall, umfassen. Weiterhin kann die Lithium-Anode gegebenenfalls mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht, insbesondere Anorganikseparatorschicht, umfassen. Beispielsweise kann die Lithium-Anode für eine erfindungsgemäße Lithium-Sauerstoff-Zelle ausgelegt und/oder durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt sein.In addition, the invention relates to a lithium anode for a lithium-oxygen cell, which is coated with a porous Anorganikseparatorschicht or provided with a porous Anorganikseparatorbeschichtung. The lithium anode may be formed of metallic lithium or a lithium alloy. For example, the lithium alloy may be a lithium-silicon alloy and / or include indium and / or aluminum, for example, as an alloying metal. Furthermore, the lithium anode may optionally comprise at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator layer, in particular an inorganic separator layer. For example, the lithium anode can be designed for a lithium-oxygen cell according to the invention and / or produced by a method according to the invention.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lithium-Anode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßem Separator, der erfindungsgemäßen Sauerstoff-Kathode und der erfindungsgemäßen Lithium-Sauerstoff-Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the lithium anode according to the invention is hereby explicitly to the explanations in connection with the cell according to the invention, the inventive method, the inventive separator, the inventive oxygen cathode and the lithium-oxygen battery according to the invention and to the figures and The description of the figures referenced.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Sauerstoff-Kathode für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, beispielsweise eine Luft-Kathode für eine Lithium-Luft-Zelle, welche mit einer porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet beziehungsweise mit einer porösen Anorganikseparatorbeschichtung versehen ist. Insbesondere kann die Sauerstoff-Kathode eine elektrisch leitende, poröse Struktur, beispielsweise aus Kohlenstoff oder aus mindestens einem Metall, zum Beispiel aus Gold, aufweisen. Weiterhin kann die Sauerstoff-Kathode gegebenenfalls mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht, insbesondere Anorganikseparatorschicht, umfassen. Beispielsweise kann die Sauerstoff-Kathode für eine erfindungsgemäße Lithium-Sauerstoff-Zelle ausgelegt und/oder durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt sein.Moreover, the invention relates to an oxygen cathode for a lithium-oxygen cell, for example, an air-cathode for a lithium-air cell, which is coated with a porous Anorganikseparatorschicht or provided with a porous Anorganikseparatorbeschichtung. In particular, the oxygen cathode may have an electrically conductive, porous structure, for example of carbon or of at least one metal, for example of gold. Furthermore, the oxygen cathode may optionally comprise at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator layer, in particular an inorganic separator layer. For example, the oxygen cathode can be designed for a lithium-oxygen cell according to the invention and / or produced by a method according to the invention.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Sauerstoff-Kathode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßem Separator, der erfindungsgemäßen Lithium-Anode und der erfindungsgemäßen Lithium-Sauerstoff-Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the oxygen cathode according to the invention is hereby explicitly to the explanations in connection with the cell according to the invention, the inventive method, the inventive separator, the lithium anode according to the invention and the lithium-oxygen battery according to the invention and to the figures and The description of the figures referenced.

Ferner betrifft die Erfindung eine Lithium-Sauerstoff-Batterie, welche erfindungsgemäße und/oder erfindungsgemäß hergestellte Lithium-Sauerstoff-Zellen und/oder Lithium-Sauerstoff-Zellen mit einem erfindungsgemäßen und/oder erfindungsgemäß hergestellten Separator und/oder mit einer erfindungsgemäßen und/oder erfindungsgemäß hergestellten Lithium-Anode und/oder mit einer erfindungsgemäßen und/oder erfindungsgemäß hergestellten Sauerstoff-Kathode umfasst. Beispielsweise kann die Lithium-Sauerstoff-Batterie eine Lithium-Luft-Batterie, insbesondere welche Lithium-Luft-Zellen umfasst, sein.Furthermore, the invention relates to a lithium-oxygen battery, which inventive and / or produced according to lithium-oxygen cells and / or lithium-oxygen cells with a separator according to the invention and / or prepared according to the invention and / or with an inventive and / or inventive comprises lithium anode produced and / or with an oxygen cathode according to the invention and / or produced according to the invention. For example, the lithium-oxygen battery may be a lithium-air battery, in particular which comprises lithium-air cells.

Insbesondere kann die Lithium-Sauerstoff-Batterie mindestens zwei Lithium-Sauerstoff-Zellen umfassen. Beispielsweise kann die Lithium-Sauerstoff-Batterie eine Vielzahl von Lithium-Sauerstoff-Zellen umfassen. Zum Beispiel kann die Lithium-Sauerstoff-Batterie mindestens ein Batteriemodul aus verschalteten Lithium-Sauerstoff-Zellen umfassen. Dabei können die Lithium-Sauerstoff-Zellen beispielsweise parallel und/oder seriell verschalteten sein. Zum Beispiel kann die Lithium-Sauerstoff-Batterie ein so genanntes Batteriepack sein, welches mindestens ein Batteriemodul umfasst. Beispielsweise kann das Batteriepack mehrere, verschaltete Batteriemodule umfassen.In particular, the lithium-oxygen battery may comprise at least two lithium-oxygen cells. For example, the lithium-oxygen battery may comprise a plurality of lithium-oxygen cells. For example, the lithium-oxygen battery may include at least one battery module of interconnected lithium-oxygen cells. The lithium-oxygen cells may, for example, be connected in parallel and / or in series. For example, the lithium-oxygen battery may be a so-called battery pack that includes at least one battery module. For example, the battery pack may comprise a plurality of interconnected battery modules.

Die Lithium-Sauerstoff-Batterie kann zum Beispiel in ein stationäres System, zum Beispiel in eine Stromspeicheranlage und/oder in eine Windkraftanlage, beispielsweise in eine Windturbine, und/oder in eine Photovoltaikanlage, und/oder in ein mobiles System, zum Beispiel in ein Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug, und/oder in eine Consumer-Anwendung, zum Beispiel in einen Laptop und/oder Mobiltelefon, integriert sein. Daher betrifft die Erfindung auch ein stationäres System, zum Beispiel eine Stromspeicheranlage und/oder eine Windkraftanlage, beispielsweise eine Windturbine, und/oder eine Photovoltaikanlage, und/oder ein mobiles System, zum Beispiel ein Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug, und/oder ein Elektronikgerät, beispielsweise eine Consumer-Anwendung, zum Beispiel einen Laptop und/oder ein Mobiltelefon, welches eine erfindungsgemäße Lithium-Sauerstoff-Batterie und/oder eine erfindungsgemäße Lithium-Sauerstoff-Zelle umfasst. The lithium-oxygen battery may, for example, in a stationary system, for example in a power storage system and / or in a wind turbine, for example in a wind turbine, and / or in a photovoltaic system, and / or in a mobile system, for example in a Vehicle, such as a hybrid vehicle and / or electric vehicle, and / or in a consumer application, for example, in a laptop and / or mobile phone integrated. Therefore, the invention also relates to a stationary system, for example a power storage system and / or a wind turbine, for example a wind turbine, and / or a photovoltaic system, and / or a mobile system, for example a vehicle, such as a hybrid vehicle and / or electric vehicle, and / or an electronic device, for example a consumer application, for example a laptop and / or a mobile telephone, which comprises a lithium-oxygen battery according to the invention and / or a lithium-oxygen cell according to the invention.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lithium-Sauerstoff-Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßem Separator, der erfindungsgemäßen Lithium-Anode und der erfindungsgemäßen Sauerstoff-Kathode sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the lithium-oxygen battery according to the invention is hereby explicitly to the explanations in connection with the cell according to the invention, the inventive method, the inventive separator, the lithium anode according to the invention and the oxygen cathode according to the invention and to the figures and The description of the figures referenced.

Zeichnungdrawing

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigtFurther advantages and advantageous embodiments of the objects according to the invention are illustrated by the drawing and explained in the following description. It should be noted that the drawing has only descriptive character and is not intended to limit the invention in any way. It shows

1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Separators. 1 a schematic, perspective view of an embodiment of a separator according to the invention.

1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Separators 10 für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, welcher eine poröse Polymerseparatorschicht 12 umfasst. 1 zeigt, dass dabei die poröse Polymerseparatorschicht 12 auf einer Seite mit einer porösen Anorganikseparatorschicht 11 beschichtet ist. Dabei kann der Separator 10 insbesondere ein Komposit-Separator sein, welcher einen porösen Kunststoffseparator als poröse Polymerseparatorschicht 12 aufweist, der mit einer porösen anorganischen, insbesondere keramischen, Beschichtung als poröse Anorganikseparatorschicht 11 beschichtet ist. 1 shows an embodiment of a separator according to the invention 10 for a lithium-oxygen cell, which is a porous polymer separator layer 12 includes. 1 shows that while the porous Polymerseparatorschicht 12 on one side with a porous inorganic separator layer 11 is coated. In this case, the separator 10 in particular a composite separator, which comprises a porous plastic separator as a porous polymer separator layer 12 having, with a porous inorganic, in particular ceramic, coating as a porous Anorganikseparatorschicht 11 is coated.

Vorteilhafterweise kann die poröse Anorganikseparatorschicht 11 in einer mit dem Separator 10 ausgestatteten Lithium-Sauerstoff-Zelle 10 als mechanische und thermische Schutzschicht dienen.Advantageously, the porous inorganic separator layer 11 in one with the separator 10 equipped lithium-oxygen cell 10 serve as a mechanical and thermal protective layer.

Die poröse Anorganikseparatorschicht 11 kann dabei beispielsweise mindestens einen anorganischen, insbesondere keramischen, Füllstoff und mindestens einen Binder umfassen. Der mindestens eine anorganische, insbesondere keramische, Füllstoff kann dabei beispielsweise Aluminiumoxid und/oder Siliciumdioxid und/oder Titandioxid umfassen beziehungsweise sein. Der mindestens eine Binder kann insbesondere ein fluoriertes Polymer umfassen beziehungsweise sein. Zum Beispiel kann der mindestens eine Binder ein Polyvinylidenfluoridbasierter Binder sein.The porous inorganic separator layer 11 may include, for example, at least one inorganic, in particular ceramic, filler and at least one binder. The at least one inorganic, in particular ceramic, filler may comprise or be, for example, aluminum oxide and / or silicon dioxide and / or titanium dioxide. The at least one binder may in particular comprise or be a fluorinated polymer. For example, the at least one binder may be a polyvinylidene fluoride-based binder.

Die poröse Polymerseparatorschicht 12 kann beispielsweise mindestens ein Polyolefin umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein.The porous polymer separator layer 12 For example, it may comprise or be formed from at least one polyolefin.

1 veranschaulicht, dass die poröse Anorganikseparatorschicht 11 eine Schichtdicke d11 aufweist, welche zum Beispiel 3 μm betragen kann. 1 illustrates that the porous Inorganikseparatorschicht 11 has a layer thickness d 11 , which may be, for example, 3 microns.

Darüber hinaus veranschaulicht 1, dass die poröse Polymerseparatorschicht 12 eine Schichtdicke d12 aufweist, welche zum Beispiel 25 μm, betragen kann.In addition illustrated 1 in that the porous polymer separator layer 12 has a layer thickness d 12 , which may be 25 microns, for example.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 5510209 A [0008] US 5510209 A [0008]
  • US 6402795 B1 [0010] US 6402795 B1 [0010]
  • US 6723140 B2 [0010] US 6723140 B2 [0010]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Jake Christensen et al. haben in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1–R30 (2012)) [0009] Jake Christensen et al. in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1-R30 (2012)) [0009]

Claims (15)

Lithium-Sauerstoff-Zelle, umfassend – eine metallisches Lithium umfassende Lithium-Anode und – eine Sauerstoff-Kathode, wobei zwischen der Anode und der Kathode mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (11) angeordnet ist.A lithium-oxygen cell, comprising - a lithium lithium anode comprising a metallic lithium and - an oxygen cathode, wherein at least one porous inorganic separator layer (between the anode and the cathode) ( 11 ) is arranged. Zelle nach Anspruch 1, wobei zwischen der Anode und der Kathode weiterhin mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht, insbesondere Anorganikseparatorschicht, angeordnet ist.Cell according to claim 1, wherein between the anode and the cathode further at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator layer, in particular inorganic separator layer, is arranged. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der Anode und der Kathode weiterhin mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht (12) angeordnet ist.A cell according to claim 1 or 2, wherein between the anode and the cathode further at least one porous polymer separator layer ( 12 ) is arranged. Zelle nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (11) und die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht (12) aneinander anliegend angeordnet sind.A cell according to claim 3, wherein said at least one porous inorganic separator layer ( 11 ) and the at least one porous polymer separator layer ( 12 ) are arranged adjacent to each other. Zelle nach Anspruch 3 oder 4, wobei die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (11) anodenseitig der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht (12) angeordnet ist, oder wobei die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (11) kathodenseitig der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht (12) angeordnet ist, oder wobei anodenseitig und kathodenseitig der mindestens einen porösen Polymerseparatorschicht (12) jeweils mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (11) angeordnet ist. A cell according to claim 3 or 4, wherein the at least one porous inorganic separator layer ( 11 ) on the anode side of the at least one porous polymer separator layer ( 12 ) or wherein the at least one porous inorganic separator layer ( 11 ) on the cathode side of the at least one porous polymer separator layer ( 12 ) or on the anode side and on the cathode side of the at least one porous polymer separator layer ( 12 ) at least one porous Inorganikseparatorschicht ( 11 ) is arranged. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht (12) und/oder die Lithium-Anode und/oder die Sauerstoff-Kathode und/oder die mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht, insbesondere die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht (12), mit der mindestens einen porösen Anorganikseparatorschicht (11) beschichtet ist.A cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the at least one porous polymer separator layer ( 12 ) and / or the lithium anode and / or the oxygen cathode and / or the at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator layer, in particular the at least one porous polymer separator layer (US Pat. 12 ), with the at least one porous Inorganikseparatorschicht ( 11 ) is coated. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (11) mindestens einen anorganischen Füllstoff und mindestens einen Binder umfasst, insbesondere wobei der mindestens eine anorganische Füllstoff ein keramischer Füllstoff ist.A cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the at least one porous inorganic separator layer ( 11 ) comprises at least one inorganic filler and at least one binder, in particular wherein the at least one inorganic filler is a ceramic filler. Zelle nach Anspruch 7, wobei der mindestens eine Binder ein fluoriertes Polymer, insbesondere Polyvinylidenfluorid, umfasst, und/oder wobei der mindestens eine anorganische Füllstoff Aluminiumoxid und/oder Siliciumdioxid und/oder Titandioxid umfasst.Cell according to claim 7, wherein the at least one binder comprises a fluorinated polymer, in particular polyvinylidene fluoride, and / or wherein the at least one inorganic filler comprises alumina and / or silica and / or titania. Zelle nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht (12) eine gestreckte Folie umfasst, insbesondere wobei die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht (12) mindestens ein Polyolefin umfasst.A cell according to any one of claims 3 to 8, wherein the at least one porous polymer separator layer ( 12 ) comprises a stretched film, in particular wherein the at least one porous polymer separator layer ( 12 ) comprises at least one polyolefin. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht (11) eine Schichtdicke (d11) in einem Bereich von ≥ 0,1 μm bis ≤ 10 μm aufweist, und/oder wobei die mindestens eine poröse Polymerseparatorschicht (12) eine Schichtdicke (d12) in einem Bereich von ≥ 5 μm bis ≤ 50 μm aufweist.A cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the at least one porous inorganic separator layer ( 11 ) has a layer thickness (d 11 ) in a range of ≥ 0.1 μm to ≤ 10 μm, and / or wherein the at least one porous polymer separator layer ( 12 ) has a layer thickness (d 12 ) in a range of ≥ 5 microns to ≤ 50 microns. Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Sauerstoff-Zelle, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, und/oder eines Separators, insbesondere nach Anspruch 13, und/oder einer Lithium-Anode, insbesondere nach Anspruch 14, und/oder einer Sauerstoff-Kathode, insbesondere nach Anspruch 15, in dem eine Lithium-Anode oder eine Sauerstoff-Kathode oder eine poröse Polymerseparatorschicht (12) oder eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht, insbesondere Anorganikseparatorschicht, mit mindestens einer porösen Anorganikseparatorschicht und/oder mit mindestens einem Material zur Ausbildung einer porösen Anorganikseparatorschicht beschichtet wird.A process for producing a lithium-oxygen cell, in particular according to one of claims 1 to 10, and / or a separator, in particular according to claim 13, and / or a lithium anode, in particular according to claim 14, and / or an oxygen cathode , in particular according to claim 15, in which a lithium anode or an oxygen cathode or a porous polymer separator layer ( 12 ) or a gas-tight, lithium ion-conducting separator, in particular Anorganikseparatorschicht, with at least one porous Anorganikseparatorschicht and / or coated with at least one material for forming a porous Anorganikseparatorschicht. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine poröse Anorganikseparatorschicht mindestens einen anorganischen, insbesondere keramischen, Füllstoff und mindestens einen Binder, insbesondere fluoriertes Polymer, umfasst beziehungsweise das Material zur Ausbildung einer porösen Anorganikseparatorschicht zur Ausbildung hiervon ausgelegt ist, und/oder wobei die poröse Polymerseparatorschicht (12) eine gestreckte Folie ist.Method according to claim 11, wherein the at least one porous inorganic separator layer comprises at least one inorganic, in particular ceramic, filler and at least one binder, in particular fluorinated polymer, or the material is designed to form a porous inorganic separator layer for forming thereof, and / or wherein the porous polymer separator layer ( 12 ) is a stretched film. Separator (10) für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, insbesondere für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, welcher eine poröse Polymerseparatorschicht (12), insbesondere in Form einer gestreckten Folie, umfasst, die auf mindestens einer Seite mit einer porösen Anorganikseparatorschicht (11) beschichtet ist, insbesondere wobei der Separator (10) weiterhin mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht, insbesondere Anorganikseparatorschicht, umfasst.Separator ( 10 ) for a lithium-oxygen cell, in particular for a lithium-oxygen cell according to one of claims 1 to 10 and / or produced by a method according to claim 11 or 12, which comprises a porous polymer separator layer ( 12 ), in particular in the form of a stretched film, which on at least one side with a porous Inorganikseparatorschicht ( 11 ), in particular wherein the separator ( 10 ) furthermore comprises at least one gas-tight, lithium-ion-conducting separator layer, in particular an inorganic separator layer. Lithium-Anode für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, insbesondere für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Lithium-Anode mit einer porösen Anorganikseparatorschicht (11) beschichtet ist, insbesondere wobei die Lithium-Anode weiterhin mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht, insbesondere Anorganikseparatorschicht, umfasst.Lithium anode for a lithium-oxygen cell, in particular for a lithium-oxygen cell according to one of claims 1 to 10 and / or produced by a method according to claim 11 or 12, wherein the lithium anode is provided with a porous inorganic separator layer ( 11 ), in particular wherein the lithium anode further comprises at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator layer, in particular inorganic separator layer. Sauerstoff-Kathode für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, insbesondere für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Sauerstoff-Kathode mit einer porösen Anorganikseparatorschicht (11) beschichtet ist, insbesondere wobei die Sauerstoff-Kathode weiterhin mindestens eine gasdichte, lithiumionenleitende Separatorschicht, insbesondere Anorganikseparatorschicht, umfasst.Oxygen cathode for a lithium-oxygen cell, in particular for a lithium-oxygen cell according to one of claims 1 to 10 and / or produced by a method according to claim 11 or 12, wherein the oxygen cathode is provided with a porous inorganic separator layer ( 11 ), in particular wherein the oxygen cathode furthermore comprises at least one gas-tight, lithium ion-conducting separator layer, in particular an inorganic separator layer.
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