Titel

Batterie-Herstellung mittels Spincoating

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle beziehungsweise Batterie, eine Lithium- und/oder Gaszelle beziehungsweise -Batterie sowie ein damit ausgestattetes mobiles oder stationäres System.

Stand der Technik

Lithiumbatterien sind momentan Gegenstand der Forschung, da Lithiummetall mit 3880 mAh/g im Vergleich zu lithiiertem Graphit (370 mAh/g) eine 10-fach höhere Kapazität aufweist. In Hochenergiebatterien, wie Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien, resultiert dies in praktisch erreichbaren spezifischen Energien von 400 Wh/kg beziehungsweise 1000 Wh/kg. Dies entspricht einer Steigerung der spezifischen Energie um den Faktor 3 bis 5 gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.

Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle beziehungsweise Batterie, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst: a) Aufbringen einer Anodenschicht auf eine Stromkollektorschicht,

b) Gegebenenfalls Aufbringen einer Festkörperionenleiterschicht auf die Anodenschicht, c) Aufbringen einer Polymerelektrolytschicht auf die Festkörperionenleiterschicht beziehungsweise auf die Anodenschicht mittels Rotationsbeschichtens (Rota- tionsbeschichtung; englisch:„Spin Coating"),

d) Aufbringen einer Kathodenschicht auf die Polymerelektrolytschicht, insbeson- dere mittels Rotationsbeschichtens (Rotationsbeschichtung; englisch:„Spin

Coating").

Insbesondere kann es sich bei dem Verfahren um ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Zelle beziehungsweise Lithium-Batterie und/oder einer Gaszelle beziehungsweise Gasbatterie handeln. Eine Lithium-Zelle beziehungsweise Lithium-Batterie kann beispielsweise eine Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Lithium-Schwefel- und/oder Lithium-Ionen-Zelle beziehungsweise eine Lithium- Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Lithium-Schwefel- und/oder Lithium-Ionen-Batterie sein. Eine Gaszelle beziehungsweise Gasbatterie kann beispielsweise eine Lithi- um-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Zink-Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-

Sauerstoff- und/oder Magnesium-Luft-Zelle beziehungsweise eine Lithium- Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Zink-Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-Sauerstoff- und/oder Magnesium-Luft-Batterie sein. Insbesondere kann es sich daher bei dem Verfahren um ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Sauerstoff-, Lithi- um-Luft-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Ionen-, Zink-Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-Sauerstoff- oder Magnesium-Luft-Zelle beziehungsweise -Batterie handeln.

Unter einer Stromkollektorschicht kann insbesondere eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Nickel, verstanden werden. Dabei ist es möglich, dass die Stromkollektorschicht auch zur mechanischen Stabilität der herzustellenden Schichtanordnung beiträgt, weswegen die Stromkollektorschicht gegebenenfalls auch als Trägerschicht bezeichnet werden kann.

Durch das Verfahren, insbesondere das Rotationsbeschichten, kann vorteilhaft- erweise, eine innigen Verbindung der einzelnen Funktionsschichten, insbesondere der Polymerelektrolytschicht mit dem darunter liegenden Schichtverbund, beispielsweise der darunter liegenden Festkörperionenleiterschicht beziehungsweise Anodenschicht, sowie der Kathodenschicht mit der Polymerelektrolytschicht erzielt werden. Eine innige Verbindung der Funktionsschichten wirkt sich dabei vorteilhaft auf den Innenwiderstand der herzustellen Zelle beziehungsweise Batterie aus. Zudem können durch Rotationsbeschichten kontrollierte, homogene Schichten mit einer äußerst dünnen Schichtdicke, beispielsweise von einigen 10 nm, und mit einer geringen Fertigungstoleranz hergestellt werden. Geringe Schichtdicken wirken sich dabei ebenfalls vorteilhaft auf eine Verringerung des Innenwiderstandes der herzustellenden Zelle beziehungsweise Batterie aus. Zudem ermöglicht dies eine Herstellung von äußerst dünnen Zellstapeln. Die Polymerelektrolytschicht kann beispielsweise mit einer sehr dünnen Schichtdicke, beispielsweise im Bereich von etwa 100 nm, gebracht werden, was sich besonders vorteilhaft auf eine Reduktion des Innenwiderstandes auswirkt.

Der Innenwiderstand von erfindungsgemäß hergestellten Lithium-Zellen beziehungsweise Lithium-Batterien kann auf diese Weise bis zu zwei Größenordnungen kleiner sein, als bei herkömmlichen Lithium-Zellen beziehungsweise Lithium- Batterien, bei denen Polymerelektrolytschichten mit einer Schichtdicke im Bereich mehrerer μηη mit anderen Funktionsschichten, wie Kathodenschichten, lediglich zusammengelegt oder zusammengepresst gepresst werden. Weiterhin kann durch einen innigen Verbund die lonenleitfähigkeit zwischen einzelnen Funktionsschichten verbessert werden, was es ermöglicht auf einen Flüssigelektrolyten zu verzichten und beispielsweise eine flüssigelektrolytfreie Lithium-Zelle beziehungsweise Lithium-Batterie bereitzustellen. So kann vorteilhafterweise wiederum die Sicherheit der Zelle beziehungsweise Batterie erhöht werden, da brennbare organische Lösungsmittel vermieden werden können.

Durch einen geringen Innenwiderstand kann vorteilhafterweise eine höhere Ratenfähigkeit der herzustellenden Zelle beziehungsweise Batterie erzielt werden.

Die geringe Fertigungstoleranz ermöglicht es zudem eine Vielzahl von Zellen mit einer einheitlichen Kapazität zu produzieren.

Durch das Aufbringen einer Festkörperionenleiterschicht kann vorteilhafterweise eine als Lithiummetallschicht ausgestaltete Anodenschicht verkapselt und vor Umwelteinflüssen, beispielsweise Sauerstoff, geschützt werden. Zudem kann durch die Festkörperionenleiterschicht ein Wachstum von Dendriten, beispielsweise aus dem Lithiummetall der Lithiummetallschicht, verhindert werden.

Insgesamt ermöglicht es das Verfahren vorteilhafterweise Lithium-Zellen beziehungsweise Lithium-Batterien und/oder Gaszellen beziehungsweise Gasbatterien mit Kapazitäten von mehreren Ah zu realisieren, welche beispielsweise für einen Einsatz im Automotive-Bereich geeignet sind.

Die Stromkollektorschicht, die Anodenschicht, die Festkörperionenleiterschicht, die Polymerschicht und die Kathodenschicht können beispielsweise eine im Wesentlichen runde, insbesondere kreisförmige, Grundfläche aufweisen.

Im Rahmen einer Ausführungsform werden die Stromkollektorschicht, die Anodenschicht, die Festkörperionenleiterschicht, die Polymerschicht und die Kathodenschicht im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet. Insbesondere können die Stromkollektorschicht, die Anodenschicht, die Festkörperionenleiterschicht, die Polymerschicht und die Kathodenschicht im Wesentlichen in Form von kreisförmigen Scheiben ausgebildet sein.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird das Rotationsbeschichten in Verfahrensschritt c) und/oder d) mit einer niedrigviskosen Polymerlösung und/oder mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von größer oder

gleich 3000 1/min, insbesondere von größer oder gleich 4000 1/min, beispielsweise um etwa 5000 1/min, durchgeführt. Dies hat sich zum Erzielen von dünnen Schichten als vorteilhaft erwiesen.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt c) die Polymerelektrolytschicht derart auf die Anodenschicht aufgebracht, dass die Anodenschicht zwischen der Polymerelektrolytschicht und der Stromkollektorschicht eingeschlossen wird.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt b) die Festkörperionenleiterschicht derart auf die Anodenschicht aufgebracht, dass die Anodenschicht zwischen der Festkörperionenleiterschicht und der Stromkollektorschicht eingeschlossen wird.

Um ein Einschließen der Anodenschicht zu erzielen, können beispielsweise die Stromkollektorschicht und die Polymerelektrolytschicht beziehungsweise die Festkörperionenleiterschicht eine größere Fläche aufweisen als die Anodenschicht, insbesondere kann dabei die Anodenschicht mittig zwischen der Stromkollektorschicht und der Polymerelektrolytschicht beziehungsweise der Festkör- perionenleiterschicht ausgebildet sein. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass sich die Randabschnitte der Stromkollektorschicht und der

Polymerelektrolytschicht beziehungsweise der Festkörperionenleiterschicht einander kontaktieren und dabei die Anodenschicht umschließen und damit schützen.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: e) Aufbringen einer Distanzscheibe auf die Kathodenschicht. Die Distanzscheibe kann dabei insbesondere zur Ausbildung einer Gaszufuhr zur Kathodenschicht ausgebildet sein. Dafür kann die Distanzscheibe zum Beispiel in Form eines mindestens einseitig geöffneten Rings ausgebildet sein. Die Ringöffnung kann dabei als Gaseintrittsöffnung in den Innenbereich des Rings dienen. Dadurch dass die Distanzscheibe auf eine noch nicht vollständig verfestigte Kathodenschicht aufgebracht wird, kann auch zwischen Kathodenschicht und der Distanzscheibe ein inniger Verbund erzielt werden. So kann zum Einen eine gasdichte Verbindung zwischen der Distanzschicht und der Kathodenschicht realisiert werden. Zum Anderen kann auf diese Weise, da die Distanzscheibe zusätzlich als elektrischer Leiter zur Verschaltung mehrerer Einzelzellen dienen kann, auch der Innenwiderstand der herzustellenden Lithium- Batterie reduziert werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: f) Wiederholen der Verfahrensschritte a); gegebenenfalls b); c); und d) unter Ausbildung eines weiteren Schichtsystems, welches eine Stromkollektorschicht, eine Anodenschicht, gegebenenfalls eine Festkörperionenleiterschicht, eine Polymerelektrolytschicht und eine Kathodenschicht umfasst.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: g) Stapel von zwei oder mehr Schichtsystemen. Die Schichtsysteme können dabei insbesondere jeweils eine Stromkollektorschicht, eine Anodenschicht, gegebenenfalls eine Festkörperionenleiterschicht, eine Polymerelektrolytschicht und eine Kathodenschicht umfassen. Die Schichtsysteme können insbesondere derart gestapelt werden, dass die durch die einzelnen Schichtsysteme ausgebildeten galvanischen Zellen in Reihe geschaltet werden. Insbesondere können mindestens zwei Schichtsysteme derart aufeinander ge- stapelt werden, dass die Kathodenschichten der (beiden) Schichtsysteme gegenüberliegende Seiten einer dazwischen angeordneten Distanzscheibe kontaktieren. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: h) Überführen des Schichtsystems beziehungsweise der gestapelten Schichtsysteme in ein Gehäuse. Das Gehäuse kann insbesondere eine zylindrische Form aufweisen und beispielsweise mit mindestens einer Gaseintrittsöffnung ausgestattet sein. Dabei kann die mindestens eine Gaseintritts- Öffnung an einer Deckfläche des zylindrischen Gehäuses ausgebildet sein. Das

Gehäuse und das Schichtsystem beziehungsweise die gestapelten Schichtsysteme können insbesondere derart ausgelegt sein, dass zwischen dem Gehäuse, insbesondere der Innenwandung des Gehäuses, und dem Schichtsystem beziehungsweise den gestapelten Schichtsystemen ein, insbesondere radialer, Frei- räum ausgebildet wird. Über die mindestens eine Gaseintrittsöffnung, den Freiraum und die Ringöffnung/en der Distanzscheibe/n kann beziehungsweise können die Kathodenschicht vorteilhafterweise mit Gas, insbesondere Sauerstoff beziehungsweise Luft, versorgt werden. So kann vorteilhafterweise auf besonders einfache Weise eine Gaszelle beziehungsweise -Batterie, beispielsweise eine Li- thium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Zink-Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-

Sauerstoff- oder Magnesium-Luft-Zelle beziehungsweise -Batterie realisiert werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt a) die Ano- denschicht auf die Stromkollektorschicht mittels thermischen Aufdampfens und/oder durch Sputtern und/oder durch Lamination und/oder durch Pressen, insbesondere im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre, beispielsweise Argonatmosphäre, aufgebracht. Diese Beschichtungsverfahren haben sich zum Erzeugen eines innigen Verbundes zwischen der Anodenschicht und der Strom- kollektorschicht als vorteilhaft erwiesen. Wie bereits erläutert wirkt sich dies vorteilhaft auf den Innenwiderstand der herzustellenden Zelle beziehungsweise Batterie aus.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt b) die Festkörperionenleiterschicht auf die Anodenschicht mittels thermischen Aufdampfens und/oder durch Sputtern und/oder durch nasschemische Abscheidung, beispielsweise mittels eines Sol-Gel-Verfahrens, und/oder durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht. Diese Beschichtungsverfahren haben sich zum Erzeugen eines innigen Verbundes zwischen der Festkörperionenleiterschicht und der Anodenschicht und einer geringen Schichtdicke der Festkörperionenlei- terschicht als vorteilhaft erwiesen. Wie bereits erläutert wirkt sich dies vorteilhaft auf den Innenwiderstand der herzustellenden Zelle beziehungsweise Batterie aus.

Die Verfahrensschritte c) und/oder d), insbesondere d), können zwei oder mehr, auf Rotationsbeschichten basierende Unterverfahrensschritte umfassen. Insbesondere kann dadurch eine mehrlagige Kathodenschicht, beispielsweise mit mehreren Lagen aus unterschiedlichen Materialien, realisiert werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Stromkollektorschicht Nickel. Insbesondere kann die Stromkollektorschicht aus Nickel ausgebildet sein.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anodenschicht Lithium, Zink und/oder Magnesium. Insofern die Zelle beziehungsweise Batterie eine Zink-Sauerstoff- oder Zink-Luft-Gaszelle beziehungsweise -Gasbatterie ist, kann die Anodenschicht auf, insbesondere metallischem, Zink basieren. Insofern die

Zelle beziehungsweise Batterie eine Magnesium-Sauerstoff- oder Magnesium - Luft-Gaszelle beziehungsweise -Gasbatterie ist, kann die Anodenschicht auf, insbesondere metallischem, Magnesium basieren. Auf Lithium kann die Anodenschicht basieren, insofern die Zelle beziehungsweise Batterie eine Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Ionen-Zelle beziehungsweise -Batterie ist. Beispielsweise kann die Anodenschicht dabei eine Lithiummetallschicht oder eine Interkalationsmatenalschicht sein. Unter einem Interkalationsmaterial kann insbesondere ein Material verstan- den werden, in welches Lithiumionen reversibel ein- und wieder ausgelagert, also interkaliert und deinterkaliert, werden können.

Insbesondere kann die Anodenschicht eine Lithiummetallschicht sein. Unter einer Lithiummetallschicht kann dabei insbesondere sowohl eine Schicht aus metalli- schem Lithium als auch eine Schicht aus einer Lithiumlegierung verstanden werden. Zum Beispiel kann die Lithiummetallschicht metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung, beispielsweise eine Lithium-Aluminium- und/oder Lithium- Silicium-Legierung, umfassen oder daraus ausgebildet sein.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Kathodenschicht eine Gasdif- fusionselektrode, insbesondere für eine Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Zink-

Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-Sauerstoff- oder Magnesium-Luft-Zelle, oder eine schwefelhaltige Kathodenschicht, insbesondere für eine Lithium-Schwefel- Zelle, oder eine, ein Interkalationsmaterial umfassende Kathodenschicht, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle. Als Interkalationsmaterial für eine Katho- denschicht für eine Lithium-Ionen-Zelle kann beispielsweise Li(Ni,Mn,Co)0 ₂ eingesetzt werden. Die Kathodenschicht kann beispielsweise mindestens ein elektrisch leitendes Additiv, beispielsweise Ruß, zum Beispiel Super-P-Li oder Ketjen Black, und/oder mindestens einen Binder, insbesondere mindestens ein lithiumionenleitendes Polymer, (Gasdiffusionselektrode) oder mindestens eine schwefelhaltige Verbindung, insbesondere Schwefel, und gegebenenfalls mindestens ein elektrisch leitendes Additiv, beispielsweise eine Kohlenstoffmodifikation, (Lithium-Schwefel-Zellenkathode) oder mindestens ein Interkalationsmaterial, beispielsweise Li(Ni,Mn,Co)0 ₂ , und gegebenenfalls mindestens ein elektrisch leitendes Additiv, beispielsweise eine Kohlenstoffmodifika- tion, (Lithium-Ionen-Zellen-Kathode) umfassen.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Festkörperionenleiterschicht lithiumionenleitend. Durch eine derartige Festkörperionenleiterschicht kann vorteilhafterweise eine Anodenschicht auf der Basis von Lithium, insbesondere eine Lithiummetallschicht, beispielsweise vor Sauerstoff, geschützt und/oder eine Bildung von Lithium-Dendriten während des Ladevorgangs verhindert werden. Zum Beispiel kann dafür die Festkörperionenleiterschicht mindestens ein Material umfassen oder daraus ausgebildet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LiPON), Lithiumcarbonat (Li ₂ C0 ₃ ), Lithiumtantaloxid (LiTa0 ₃ ), lithiumhaltigen Granaten, wie Li ₇ LaZr ₂ 0i2, germaniumhaltigen Glaskeramiken, wie Li-Ge-P-S oder Li-Al-Ge-P-O, und Mischungen davon. Da die Festkörperionenleiterschicht vorzugsweise mit einer äußerst geringen Schichtdicke aufgetragen wird, muss um einen geringen Innenwiderstand zu erzielen die spezifische Lithiumionenleitfähigkeit der Materialien bei Raumtemperatur nicht zwangsläufig besonders hoch sein, sondern kann unter

10 ^"3 S/cm betragen. Durch den Einsatz von Materialien mit einer höheren Lithiumionenleitfähigkeit kann jedoch der Innenwiderstand vorteilhafterweise noch weiter gesenkt werden.

Die Distanzscheibe/n können insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet sein. Beispielsweise kann beziehungsweise können die Distanzscheibe/n ein metallisches Material umfassen oder daraus ausgebildet sein.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Distanzscheibe Aluminium. Insbesondere kann die Distanzscheibe aus Aluminium ausgebildet sein.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Stromkollektorschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 1 μηη bis kleiner oder gleich 20 μηη, insbesondere von größer oder gleich 1 μηη bis kleiner oder gleich 10 μηη, zum Beispiel von etwa 5 μηη, auf.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Anodenschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 10 μηη bis kleiner oder gleich 150 μηη, insbesondere von größer oder gleich 25 μηη bis kleiner oder gleich 100 μηη, zum Beispiel von etwa 75 μηη, auf.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Festkörperionenleiter- schicht eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 10 nm bis kleiner oder gleich 1 μηη, insbesondere von größer oder gleich 10 nm bis kleiner oder gleich 100 nm, auf.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Polymerelektrolytschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 50 nm bis kleiner oder gleich 10 μηη, insbesondere von größer oder gleich 50 nm bis kleiner oder gleich 5 μηι, auf.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Kathodenschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 10 nm bis kleiner oder gleich 150 μηη, insbesondere von größer oder gleich 10 nm bis kleiner oder gleich 100 μηι, auf. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Distanzscheibe eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 50 nm bis kleiner oder gleich 200 μηη, insbesondere von größer oder gleich 100 nm bis kleiner oder gleich 150 μηη, zum Beispiel von etwa 120 μηη, auf.

Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle beziehungsweise Batterie, dem erfindungsgemäßen mobilen oder stationären System sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine galvanische Zelle oder Batterie. Die galvanische Zelle beziehungsweise Batterie kann insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt sein.

Beispielsweise kann es sich dabei um eine Lithium- und/oder Gaszelle beziehungsweise Lithium- und/oder Gasbatterie, zum Beispiel eine Lithium-Sauerstoff- Zelle oder Lithium-Luft-Zelle oder Lithium-Schwefel-Zelle oder Lithium-Ionen- Zelle oder Zink-Sauerstoff-Zelle oder Zink-Luft-Zelle oder Magnesium-Sauerstoff-

Zelle oder Magnesium-Luft-Zelle beziehungsweise eine Lithium-Sauerstoff- Batterie oder Lithium-Luft-Batterie oder Lithium-Schwefel-Batterie oder Lithium- Ionen-Batterie oder Zink-Sauerstoff-Batterie oder Zink-Luft-Batterie oder Magnesium-Sauerstoff-Batterie oder Magnesium-Luft-Batterie, handeln. Die Zelle be- ziehungsweise Batterie kann insbesondere eine Kapazität von > 1 Ah, beispielsweise von > 10 Ah, aufweisen. Insbesondere kann die Zelle beziehungsweise die Batterie flüssigelektrolytfrei sein.

Insbesondere kann es sich um eine Gasbatterie, beispielsweise eine Lithium- Sauerstoff-Batterie oder Lithium-Luft-Batterie oder Zink-Sauerstoff-Batterie oder

Zink-Luft-Batterie oder Magnesium-Sauerstoff-Batterie oder Magnesium-Luft- Batterie, handeln. Diese kann insbesondere ein zylindrisches Gehäuse und eine Vielzahl von gestapelten Schichtsystemen umfassen. Die Schichtsysteme können dabei jeweils eine Stromkollektorschicht, eine Anodenschicht, gegebenen- falls eine Festkörperionenleiterschicht, eine Polymerelektrolytschicht und eine

Kathodenschicht umfassen. Die Stromkollektorschichten, die Anodenschichten, gegebenenfalls die Festkörperionenleiterschichten, die Polymerschichten und die Kathodenschichten der Schichtsysteme können dabei im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet sein. Dabei können insbesondere mindestens zwei Schichtsysteme derart aufeinander gestapelt sein, dass die Kathodenschichten der (bei- den) Schichtsysteme gegenüberliegende Seiten einer dazwischen angeordneten

Distanzscheibe kontaktieren, welche insbesondere in Form eines mindestens einseitig geöffneten Rings ausgestaltet sein kann.

Insbesondere kann dabei der Schichtsystemstapel derart in dem Gehäuse ange- ordnet oder anordbar sein, dass radial zwischen dem Schichtsystemstapel und der Innenwandung des Gehäuses ein Freiraum ausbildbar ist. Die Kathodenschichten der Schichtsysteme können dabei insbesondere über mindestens eine Gaseintrittsöffnung des Gehäuses, den radialen Freiraum und die Ringöffnungen der Distanzscheiben mit einem Gas, insbesondere Sauerstoff beziehungsweise Luft, versorgbar sein.

Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle beziehungsweise Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen mobilen oder stationären System sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mobiles oder statio- näres System, welches eine erfindungsgemäße Zelle und/oder Batterie umfasst beziehungsweise damit ausgestattet ist. Insbesondere kann es sich dabei um ein Fahrzeug, beispielsweise ein Hybrid-, Plug-in-Hybrid- oder (Voll- )Elektrofahrzeug, eine Energiespeicheranlage, beispielsweise zur stationären Energiespeicherung, zum Beispiel in einem Haus oder einer technischen Anla- gen, ein Elektrowerkzeug, ein Elektrogartengerät oder ein elektronisches Gerät, zum Beispiel ein Notebook, ein PDA oder ein Mobiltelefon, handeln.

Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen mobilen oder stationären Systems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusam- menhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Zelle beziehungsweise Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.

Zeichnungen

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen

Fig. 1 a einen schematischen Querschnitt durch ein im Rahmen einer Ausführungsform von Verfahrensschritt a) hergestelltes Schichtsystem aus ei- ner Stromkollektorschicht und einer Anodenschicht;

Fig. 1 b eine schematische Draufsicht auf das in Figur 1 a gezeigte Schichtsystem;

Fig. 2a einen schematischen Querschnitt durch ein im Rahmen einer Ausführungsform von Verfahrensschritt b) hergestelltes Schichtsystem aus ei- ner Stromkollektorschicht, einer Anodenschicht und einer Festkörperio- nenleiterschicht;

Fig. 2b eine schematische Draufsicht auf das in Figur 2a gezeigte Schichtsystem;

Fig. 3a einen schematischen Querschnitt durch ein im Rahmen einer Ausfüh- rungsform von Verfahrensschritt c) hergestelltes Schichtsystem aus einer Stromkollektorschicht, einer Anodenschicht, einer Festkörperionen- leiterschicht und einer Polymerelektrolytschicht;

Fig. 3b eine schematische Draufsicht auf das in Figur 3a gezeigte Schichtsystem;

Fig. 4a einen schematischen Querschnitt durch ein im Rahmen einer Ausführungsform von Verfahrensschritt d) hergestelltes Schichtsystem aus einer Stromkollektorschicht, einer Anodenschicht, einer Festkörperionen- leiterschicht, einer Polymerelektrolytschicht und einer Kathodenschicht; Fig. 4b eine schematische Draufsicht auf das in Figur 4a gezeigte Schichtsys- tem; Fig. 5a einen schematischen Querschnitt durch ein durch eine Ausführungsform von Verfahrensschritt e) herstellbares Schichtsystem aus einer Stromkollektorschicht, einer Anodenschicht, einer Festkörperionenleiter- schicht, einer Polymerelektrolytschicht, einer Kathodenschicht und einer Distanzscheibe;

Fig. 5b eine schematische Draufsicht auf das in Figur 5a gezeigte Schichtsystem;

Fig. 6a einen schematischen Querschnitt durch ein durch eine Ausführungsform von Verfahrensschritt h) herstellbare Gasbatterie mit einem zylindrischen Gehäuse und einer Vielzahl von gestapelten Schichtsystemen; und

Fig. 6b eine schematische Draufsicht auf die in Figur 6a gezeigte Gasbatterie.

Im Rahmen der Figurenbeschreibung wird eine Ausführungsform des Verfahrens erläutert, im Rahmen welcher eine Lithiummetallschicht als Anodenschicht eingesetzt und eine Lithium-Sauerstoff- beziehungsweise Lithium-Luft-Batterie hergestellt wird.

Die Figuren 1 a und 1 b veranschaulichen, dass zur Herstellung einer Einzelzelle zunächst in einem Verfahrensschritt a) eine Lithiummetallfolie 2, beispielsweise mit einer Schichtdicke von 75 μηη, auf eine Stromkollektorschicht 1 in Form einer Nickelträgerfolie, beispielsweise mit einer Schichtdicke von 5 μηη, aufgebracht wird, um die Anode der herzustellenden Lithium-Zelle zu erzeugen. Dies kann zum Beispiel mittels Aufdampfens im Vakuum oder Sputtern oder durch Lamination beziehungsweise durch Pressen unter Argon geschehen. Eine 75 μηη dicke Lithiummetallfolie 2 kann dabei unter Berücksichtigung von 50 % Lithiumüberschuss beispielsweise eine theoretische Flächenkapazität von 9,7 mAh/cm ² aufweisen.

Die Figuren 2a und 2b illustrieren, dass die so vorbereitete Lithiummetallanode 1 ,2 in einem Verfahrensschritt b) mit einem keramischen oder polymeren Festkörperionenleiter 3, beispielsweise Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LiPON) und/oder Lithiumcarbonat (Li ₂ C0 ₃ ), beschichtet wird. Die Figuren 2a und 2b zeigen, dass dabei das Lithium 2 zwischen dem Festkörperionenleiter 3 und der Nickelfolie 1 vollständig eingeschlossen wird. Diese Beschichtung dient als Schutzschicht, um das hochreaktive Lithium vor aggressiven Stoffen, wie Sauerstoff, zu schützen. Dies ist insbesondere für Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft- und Lithium-Schwefel- Zellen relevant, da hier Nebenreaktionen mit Sauerstoff beziehungsweise Schwefel zu Kapazitätsverlusten führen könnten. Bei Lithium-Sauerstoff- beziehungsweise Lithium-Luft-Zellen können darüber hinaus auch Nebenreaktionen mit Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid problematisch sein, weshalb einer Anodenschutzschicht hier besondere Bedeutung zukommt. Mögliche Aufbringungsverfahren für den Festkörperionenleiter 3 sind thermisches Aufdampfen, Sputtern, nasschemische Abscheidung oder Abscheidung aus der Gasphase. Die Schichtdicke der Festkörperionenleiterschicht 3 wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass eine ausreichende absolute lonenleitfähigkeit gewährleistet werden kann. Die genaue Schichtdicke sollte daher auf die spezifische lonenleitfähigkeit des verwendeten Materials angepasst werden. Die Schichtdicke der Festkörperionenleiterschicht 3 kann beispielsweise zwischen einigen 10 nm und 1 μηη liegen. Mögliche Aufbringungsverfahren sind thermisches Aufdampfen, Sputtern, nasschemische Abscheidung oder Abscheidung aus der Gasphase.

Die Figuren 3a und 3b veranschaulichen, dass in einem Verfahrensschritt c) eine Polymerelektrolytschicht 4 auf die Festkörperionenleiterschicht 3 aufgebracht wird. Dazu kann die in den Figuren 2a und 2b gezeigte beschichtete und damit verkapselte Lithiummetallanode 1 ,2,3 mittels eines so genannten „Spincoaters" mit einer Polymerelektrolytschicht 4 rotationsbeschichtet werden. Mit niedrigviskosen Polymerlösungen und zum Beispiel Umdrehungsgeschwindigkeiten um 5000 1/min können dadurch Schichtdicken unter 100 nm, beispielsweise von 50 nm bis zu einigen μηη, reproduzierbar hergestellt werden. Die genauen Prozess- parameter sollten auf das verwendete Polymer angepasst werden. Für die

Schichtdicke relevante Prozessparameter sind die Viskosität der Polymerlösung, die Rotationsgeschwindigkeit des„Spincoaters" sowie die Rotationsdauer. Da die Polymerlösung direkt auf den Festkörperionenleiter 3 aufgebracht wird und während der Rotation Lösungsmittel teilweise verdampfen kann, kann auf diese Wei- se eine gute Haftung zwischen dem Festkörperionenleiter 3 und dem

Polymerelektrolyten 4 erreicht werden. Neben einer kontrolliert kleinen Schichtdicke im Nanometerbereich ermöglicht das Rotationsbeschichten zudem eine gute Verbindung zwischen den Schichten und die Realisierung eines niedrigen Innenwiderstandes der Zelle. Die Polymerelektrolytschicht 4 kann dabei zudem als Haftvermittler zwischen der Festkörperionenleiterschicht 3 und der im folgenden

Verfahrensschritt d) darauf aufgebrachten Kathodenschicht 5 dienen. Die Figuren 4a und 4b zeigen, dass in Verfahrensschritt d) eine Kathodenschicht 5 in Form einer Gasdiffusionselektrode (GDL) auf die Polymerelektrolytschicht 4 aufgebracht wird. Wie bereits erläutert, ist dabei die Kathodenschicht 5 nicht auf eine Form als Gasdiffusionselektrode beschränkt, sondern es ist ebenso möglich die Kathodenschicht 5 in Form einer Kathoden für Lithium-Schwefel-Zellen oder für eine konventionelle Lithium-Ionen-Zellen, beispielsweise mit oxidischen Kathodenmaterialien, auszugestalten. Alternativ zu einer Ausgestaltung der Kathodenschicht 5 als Gasdiffusionselektrode, kann die Kathodenschicht 5 daher beispielsweise auch als schwefelhaltige Kathodenschicht, welche beispielsweise Kohlenstoff und Schwefel umfasst, oder als eine, ein Interkalationsmaterial umfassende Kathodenschicht, welche beispielsweise Kohlenstoff und LiCo0 ₂ umfasst, ausgestaltet sein. Das Aufbringen der Kathodenschicht 5 kann ebenfalls mittels Rotationsbeschichtens insbesondere auf den noch nicht ausgehärteten Polymerelektrolyten 4 erfolgen. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise auch eine innige Verbindung zwischen der Kathodenschicht 5 und der Polymerelektrolytschicht 4 und damit eine niedrige Übergangsimpedanz bewerkstelligt werden. Der Schlicker für die Kathodenschicht 5 kann zum Beispiel Ruß, beispielsweise Super-P-Li oder Ketjen Black), Binder, beispielsweise ein lithiumionenleitfähiges Polymer, und gegebenenfalls weitere Additiven umfassen. Durch das Rotationsbeschichten kann die Schichtdicke der Kathodenschicht 5 im Bereich von 10 μηη und 100 μηη sehr genau eingestellt werden. Die Schichtdickenvariation über die gesamte Probe kann weniger als 500 nm betragen. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine Herstellung von Lithium-Zellen mit gut reproduzierbarer Kapazität.

Die Figuren 5a und 5b veranschaulichen, dass in einem Verfahrensschritt e) eine Distanzscheibe 6, beispielsweise aus Aluminium, zum Beispiel mit einer Dicke von 120 μηη, auf die Kathodenschicht 5 aufgebracht wird, welche in Form eines auf einer Seite offenen Rings ausgebildet ist und zur Ausbildung einer Gaszufuhr zur Kathodenschicht 5 dient. Eine derartige Distanzscheibe 6 kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn mehrere Einzelzellen, wie in den Figuren 6a und 6b gezeigt, zu einem Zellstapel verbaut werden. Eine Distanzscheibe 6 wird vorzugsweise bei einer Kathodenschicht 5 in Form einer Gasdiffusionselektrode vorgesehen und kann dabei insbesondere dazu dienen, die Kathode 5 mit Gas, beispielsweise Sauerstoff beziehungsweise Luft, zu versorgen. Insofern es sich bei der Kathodenschicht 5 um eine schwefelhaltige Kathodenschicht oder eine, ein Interkalationsmaterial umfassende Kathodenschicht handelt, kann die Distanzscheibe 6 entfallen, da in diesen Fällen das Aktivmaterial, beispielsweise Schwefel oder LiCo0 ₂ , von Anfang an in der Kathode 5 vorliegt und nicht wie im Fall einer Gasdiffusionselektrode aus der Gasphase zugeführt werden muss.

Die Figuren 6a und 6b zeigen, eine Lithium-Batterie mit einem zylindrischen Gehäuse 7, welche eine Stapelung aus einer Vielzahl von in den Figuren 4a und 4b gezeigten Schichtsystemen umfasst. Dabei weist jedes Schichtsystem eine im Wesentlichen scheibenförmige Stromkollektorschicht 1 , Anodenschicht

(Lithiummetallschicht) 2, Festkörperionenleiterschicht 3, Polymerelektrolytschicht 4 und Kathodenschicht 5 auf, insbesondere wobei die Kathodenschicht in Form einer Gasdiffusionselektrode ausgestaltet ist. Dabei sind jeweils zwei Schichtsysteme 1 ,2,3,4,5 derart aufeinander gestapelt, dass die Kathodenschichten 5 der beiden Schichtsysteme 1 ,2,3,4,5 gegenüberliegende Seiten einer dazwischen angeordneten Distanzscheibe 6 kontaktieren. Die Distanzscheiben 6 sind dabei, wie in den Figuren 5a und 5b gezeigt, in Form eines geöffneten Rings ausgestaltet und dienen als Gaszufuhr für die daran angrenzenden Kathodenschichten 5. Mit anderen Worten, jeweils zwei Schichtsysteme 1 ,2,3,4,5 teilen sich eine Dis- tanzscheibe 6. Die Pfeile auf der rechten und linken Seite der Anordnung weisen darauf hin, dass dabei die Distanzscheiben 6 derart angeordnet sind, dass die Ringöffnungen 6a, welche als Gaszutrittsöffnung in den Innenbereich der Distanzscheibe 6 dienen, alternierend auf gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sind. Da die Distanzscheiben 6 insbesondere aus einem elektrisch leitenden Ma- terial, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildet sein können, können die durch die einzelnen Schichtsysteme 1 ,2,3,4,5 ausgebildeten galvanischen Einzelzellen durch die dazwischen angeordneten Distanzscheiben 6 in Reihe geschaltet. Die Figuren 6a und 6b veranschaulichen weiterhin, dass radial zwischen den gestapelten Schichtsystemen 1 ,2,3,4,5 und der Innenwandung des Gehäuses 7 ein Freiraum ausgebildet ist. Auf der Deckseite beziehungsweise Oberseite des zylindrischen Gehäuses 7 sind Gaszutrittsöffnungen 7a vorgesehen. Durch diese Gaszutrittsöffnungen 7a kann Gas, insbesondere Sauerstoff beziehungsweise Luft, in den radialen Freiraum zwischen den gestapelten Schichtsystemen 1 ,2,3,4,5 und der Innenwandung des Gehäuses 7 strömen. Aus diesem Freiraum kann das Gas durch die alternierend ausgebildeten Ringöffnungen 6a der Distanzscheiben 6 in die Innenraume strömen, welche jeweils durch eine Distanz- Scheiben 6 und die beiden auf gegenüberliegenden Seiten daran angrenzenden Kathodenschichten 5 ausgebildet werden, und dort an den Kathodenschichten 6 elektrochemisch umgesetzt werden.