BE1026832B1 - REAL ROLL TO ROLL IN-LINE MANUFACTURABLE LARGE SURFACE BATTERY AND CAPACITOR CELLS, BATTERY AND CAPACITOR STACKS - Google Patents
REAL ROLL TO ROLL IN-LINE MANUFACTURABLE LARGE SURFACE BATTERY AND CAPACITOR CELLS, BATTERY AND CAPACITOR STACKS Download PDFInfo
- Publication number
- BE1026832B1 BE1026832B1 BE20195949A BE201905949A BE1026832B1 BE 1026832 B1 BE1026832 B1 BE 1026832B1 BE 20195949 A BE20195949 A BE 20195949A BE 201905949 A BE201905949 A BE 201905949A BE 1026832 B1 BE1026832 B1 BE 1026832B1
- Authority
- BE
- Belgium
- Prior art keywords
- battery
- anode
- cathode
- cell
- roll
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/054—Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/058—Construction or manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/44—Methods for charging or discharging
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
- H01M50/403—Manufacturing processes of separators, membranes or diaphragms
- H01M50/406—Moulding; Embossing; Cutting
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
- H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
- H01M50/461—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes with adhesive layers between electrodes and separators
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
- Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
Abstract
De uitvinding heeft betrekking op batterij- en condensatorarrangementen, oplossingen, systemen, pakketten, modules en cellen, materialen die daarin worden gebruikt als onderdeel van de anode, kathode, separator, diëlektricum en/of bij het fabricageproces van de batterij, condensator of elk tussenproduct of eindproduct, de fabricageprocessen zelf en elk voordelig gebruik mogelijk gemaakt door het specifieke type batterij of condensator verkregen.The invention relates to battery and capacitor arrangements, solutions, systems, packages, modules and cells, materials used therein as part of the anode, cathode, separator, dielectric and / or in the manufacturing process of the battery, capacitor or any intermediate product or end product, the manufacturing processes themselves and any advantageous uses made possible by the particular type of battery or capacitor obtained.
Description
BATTERIJ EN CONDENSATORCELLEN, BATTERIJ EN CONDENSATORSTACKS Technisch veld De uitvinding heeft betrekking op batterij- en condensatorarrangementen, oplossingen, systemen, pakketten, modules en cellen, materialen die daarin worden gebruikt als onderdeel van de anode, kathode, separator, diëlektricum en/of in het fabricageproces van de batterij, condensator of een tussenproduct of eindproduct, de fabricageprocessen zelf en elk voordelig gebruik mogelijk gemaakt door het bepaalde type batterij of condensator dat wordt verkregen.The invention relates to battery and capacitor arrangements, solutions, systems, packages, modules and cells, materials used therein as part of the anode, cathode, separator, dielectric and / or in the manufacturing process of the battery, capacitor or an intermediate or finished product, the manufacturing processes themselves and any advantageous use enabled by the particular type of battery or capacitor obtained.
Achtergrond van de uitvinding Een verscheidenheid aan batterijen en condensatoren bestaat, met name met betrekking tot hun interne materiaalsysteem, waardoor de batterij en condensator operationeel zijn. De prestaties van deze variëteit aan batterijen en condensatoren moeten worden beoordeeld ten opzichte van de fabricagekosten en de resulterende metriek bepaalt en beperkt tegenwoordig ook het potentiële gebruik van de momenteel bekende batterijen en condensatoren.Background of the Invention A variety of batteries and capacitors exist, particularly with regard to their internal material system through which the battery and capacitor are operational. The performance of this variety of batteries and capacitors must be judged against manufacturing cost, and the resulting metric today also determines and limits the potential uses of the currently known batteries and capacitors.
Tegenwoordig berust verdere innovatie van batterijen en condensatoren op verdere optimalisatie binnen het paradigma van de bestaande productieprocessen, met het kenmerk dat de delen van de batterij en condensator zoals anode, kathode, separator en diëlektricum worden gemaakt door afzonderlijke te onderscheiden processen en daarna worden geassembleerd, wat de hoofdoorzaak is van de hierboven beschreven kostenproblemen.Today, further innovation of batteries and capacitors relies on further optimization within the paradigm of existing manufacturing processes, characterized in that the parts of the battery and capacitor such as anode, cathode, separator and dielectric are made by separate distinct processes and then assembled, which is the main cause of the cost problems described above.
De huidige uitvinding is geïnspireerd door het feit dat batterijen en condensatoren een paar grootteorden te duur zijn om economisch relevant te zijn voor energieopslag in elektriciteitsnetten of in micro-grids bestaande uit hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windkrachtcentrales. Vooral de kapitaaluitgaven in termen van kosten per kW (kosten voor vermogen-eenheid) en kWh (kosten voor energie-eenheid) hangen rechtstreeks samen met de complexiteit van de batterij- en condensatorcelcomponenten en daarmee de dure materialen en de dure fabricagemethoden van coatings. De fundamentele reden voor de complexiteit van de batterijcelcomponenten houdt verband met de zoektocht naar de hoogste energie- en vermogensdichtheid op batterijcelniveau, zowel in termen van volumetrische als gravimetrische dichtheid. In Li-ioncellen is de actieve kathodecoating op de huidige collector bijvoorbeeld een complexe verbinding van gelithieerde oxiden zoals bijvoorbeeld het Lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide, waarvoor dure en zeldzame chemische elementen zoals lithium en kobalt nodig zijn.The present invention is inspired by the fact that batteries and capacitors are a few orders of magnitude too expensive to be economically relevant for energy storage in electricity grids or in micro-grids consisting of renewable energy sources such as solar and wind power plants. In particular, the capital expenditures in terms of cost per kW (cost of power unit) and kWh (cost of energy unit) are directly related to the complexity of the battery and capacitor cell components and thus the expensive materials and the expensive manufacturing methods of coatings. The fundamental reason for the complexity of the battery cell components is related to the quest for the highest energy and power density at the battery cell level, both in terms of volumetric and gravimetric density. For example, in Li-ion cells, the active cathode coating on the current collector is a complex compound of lithiated oxides such as, for example, the lithium nickel manganese cobalt oxide, which requires expensive and rare chemical elements such as lithium and cobalt.
Bovendien moeten de synthese van vaste reactanten (bijv.In addition, the synthesis of solid reactants (e.g.
Poeders) en de samenstelling met chemische additieven om de coating te vormen, evenals het coatingproces, strikte protocollen volgen om een specifieke stoichiometrie van de coating te verkrijgen en kan alleen worden aangebracht op kleine geconditioneerde oppervlakken gegeven de gevoelige en selectieve interface-kinetiek.Powders) and the composition with chemical additives to form the coating, as well as the coating process, follow strict protocols to obtain a specific stoichiometry of the coating and can only be applied to small conditioned surfaces given the sensitive and selective interface kinetics.
Bijgevolg vertegenwoordigen de kosten van de kathode en anode bijna meer dan een derde van de kosten van een batterijpakket (verbonden batterijmodules en batterijmodules zijn verbonden batterijcellen). Gezien de complexiteit van de celcomponenten en de toepassing van hun respectieve coatings op kleine geconditioneerde oppervlakken, moeten deze kleine batterijcellen bovendien worden voorzien van labels, bedraad en geassembleerd in modules en modules die in pakketten zijn geassembleerd om bepaalde energie- en vermogensclassificaties te bereiken.As a result, the cost of the cathode and anode represents almost more than a third of the cost of a battery pack (connected battery modules and battery modules are connected battery cells). In addition, given the complexity of the cell components and the application of their respective coatings to small conditioned surfaces, these small battery cells must be additionally labeled, wired and assembled into modules and modules assembled in packages to achieve certain energy and power ratings.
De assemblagekosten om pakketten te bekomen zijn gemakkelijk meer dan 15% van de kosten van het batterijpakket.The assembly cost to obtain packs is easily more than 15% of the cost of the battery pack.
Erkennend dat apparaten voor consumentenelektronica, draagbare elektrische gereedschappen, scheepvaart, luchtvaart, ruimtevaart en motorvoertuigen compacte en lichtgewicht batterijen nodig hebben, hebben energieopslageenheden voor netten in principe een grote voetafdruk beschikbaar op locatie en in de meeste gevallen blijven deze eenheden op locatie.Recognizing that consumer electronics, portable power tools, marine, aerospace, aerospace and motor vehicles require compact and lightweight batteries, grid energy storage units basically have a large footprint available on site and in most cases these units remain on site.
Gewicht is alleen relevant voor transportdoeleinden waarbij bijvoorbeeld vrachten tot 40 ton op vrachtwagens op snelwegen zijn toegestaan.Weight is only relevant for transport purposes where, for example, loads of up to 40 tons on trucks on highways are allowed.
Met andere woorden, celdichtheid is niet de primaire bezorgdheid van energieproducenten en netbeheerders.In other words, cell density is not the primary concern of power producers and grid operators.
Hun primaire zorg is veiligheid en kosteneffectiviteit van de energie-opslageenheden en de batterijcel is een grote opteller van eenheidskosten van meer dan 50% van de eenheidskosten van een batterijpakket in termen van stuklijst, de verwerking van de coatings en alle assemblagestappen inbegrepen.Their primary concern is safety and cost effectiveness of the energy storage units and the battery cell is a major add-on of unit costs in excess of 50% of the unit cost of a battery pack in terms of bill of materials, including the processing of the coatings and all assembly steps.
Afgezien van de voorkeur voor batterijcellen met een hoge dichtheid, is onderzoek en ontwikkeling over de hele wereld beperkt tot kleine batterijcellen die compatibel zijn met module en pakket assemblage die wereldwijd is tot stand gebracht.Apart from the preference for high density battery cells, research and development around the world is limited to small battery cells compatible with module and package assembly accomplished worldwide.
Historisch gezien werden kleine batterijcellen al in de jaren negentig op smalle magneetbandmachines gemaakt.Historically, small battery cells were made on narrow magnetic tape machines as far back as the 1990s.
Sony stond onder druk om een alternatieve toepassing voor het gereedschap te vinden, omdat magnetische banden door compact discs werden verplaatst.Sony was under pressure to find an alternative use for the tool as magnetic tapes moved through compact discs.
Erkennend dat de batterijcellen waren bedoeld voor consumentenelektronica zoals mobiele telefoons, bleef verder onderzoek en ontwikkeling streven naar batterijcellen met een kleine vormfactor waarbij meerdere batterijcellen werden geassembleerd in modules voor gebruik in draagbare elektrische gereedschappen en grotere consumentenelektronica.Recognizing that the battery cells were intended for consumer electronics such as mobile phones, further research and development continued to develop small form factor battery cells that assemble multiple battery cells into modules for use in portable power tools and larger consumer electronics.
Deze tendens ging verder met de assemblage van grotere modules en zelfs de assemblage van meerdere modules in pakketten om grotere vermogens- en energieratings aan te pakken voor gebruik in de scheepvaart, luchtvaart, ruimtevaart, vervoers- en automobielsector.This trend continued with the assembly of larger modules and even the assembly of multiple modules into packages to address larger power and energy ratings for use in the marine, aviation, aerospace, transportation and automotive industries.
Hoewel deze benadering modulariteit biedt, zijn de minimale schaalvereisten (of kleinste eenheid) in de energiesector een grootteorde groter dan het grootste voertuig met batterij-ondersteuning dat je je kunt voorstellen.While this approach offers modularity, the minimum scale requirements (or smallest unit) in the power industry are an order of magnitude greater than the largest battery-backed vehicle imaginable.
Met deze polarisatie naar module- en pakketassemblage, neigen innovaties rond klassieke (zoals zgn.With this polarization towards module and package assembly, innovations around classical (such as so-called.
Rocking chair single ion bijv.Rocking chair single ion eg.
Natrium) batterijtypen allemaal compatibel te zijn, niet alleen met de celproductiemethoden van Li-ioncellen, maar ook met de lange en gevestigde voetafdruk van module- en pakketassemblagefabrieken over de hele wereld.Sodium) battery types are all compatible not only with the cell manufacturing methods of Li-ion cells, but also with the long and established footprint of module and package assembly plants around the world.
Doel van de uitvinding Het is het doel van de uitvinding om het bovenstaande probleem op te lossen door uit te gaan van een geheel ander productieparadigma.Object of the invention It is the object of the invention to solve the above problem by starting from a completely different production paradigm.
Samenvatting van de uitvinding Het is een eerste aspect van de uitvinding om een vervaardigingswerkwijze voor een batterij en condensatorcel te verschaffen door voor ten minste twee delen van de batterij en condensatorcel op folie of vel gebaseerde fabricage te gebruiken, en daarna beide gegenereerde delen te combineren in een verdere op folie of vel gebaseerde manier.Summary of the Invention It is a first aspect of the invention to provide a manufacturing method for a battery and capacitor cell by using foil or sheet-based fabrication for at least two parts of the battery and capacitor cell, and then combining both generated parts into a further foil or sheet based manner.
Het is een tweede aspect van de uitvinding om, in de geest van het eerste aspect van de uitvinding, een geschikte op folie of vel gebaseerde vervaardiging van één of meer van genoemde delen te verschaffen, meer in het bijzonder werkwijzen voor het vervaardigen die profiteren van een dergelijke geselecteerde op folie of vel gebaseerde methode, in het bijzonder door het combineren van de vervaardiging van dergelijke onderdelen (zoals anode of kathode met de separator) en/of uitgaande van eenvoudiger (in rolformaat beschikbaar) materialen voor een dergelijke anode of kathode (vergeleken met moeiljker te verwerken materiaalstacks resulterend uit verdere optimalisering van de huidige productiemethoden). In een uitvoeringsvorm van de uitvinding worden extrusie-coatingprocessen gebruikt voor het vervaardigen van de separator, het diëlektricum en/of het beschermende deel van de anode of kathode.It is a second aspect of the invention to provide, in the spirit of the first aspect of the invention, a suitable film or sheet based manufacture of one or more of said parts, more particularly manufacturing methods that benefit from such a selected foil or sheet based method, in particular by combining the fabrication of such parts (such as anode or cathode with the separator) and / or starting from simpler (available in roll format) materials for such anode or cathode ( compared to material stacks that are more difficult to process, resulting from further optimization of current production methods). In one embodiment of the invention, extrusion coating processes are used to make the separator, dielectric and / or protective portion of the anode or cathode.
In een uitvoeringsvorm van de uitvinding worden roll-to-roll aerosolprocessen zoals grafeenafzetting uit CO2 gebruikt voor het vervaardigen van het beschermende deel van de anode of kathode.In one embodiment of the invention, roll-to-roll aerosol processes such as graphene deposition from CO 2 are used to prepare the protective portion of the anode or cathode.
In een verdere bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt het gebruik van een geschuimd polymeer of een geschuimde polymeerverbinding verschaft.In a further particular embodiment of the invention, the use of a foamed polymer or a foamed polymer compound is provided.
In een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt het gebruik van een polymeer met ingebedde metaalachtige materialen verschaft voor de beschermende laag of stroomcollector van de anode, kathode of beide. Ook wordt in een uitvoeringsvorm van de uitvinding gebruik van een polymeer met ingebedde diëlektrische materialen verschaft voor het diëlektricum in een condensatorcel.In another embodiment of the invention, the use of a polymer with embedded metallic materials is provided for the protective layer or current collector of the anode, cathode, or both. Also, in one embodiment of the invention, use of a polymer with embedded dielectric materials is provided for the dielectric in a capacitor cell.
In een uitvoeringsvorm van de uitvinding worden coatingprocessen gebruikt voor het vervaardigen van de anode of kathode, waarvan derhalve één van beide of beide ten minste uit twee lagen bestaat.In one embodiment of the invention, coating processes are used to fabricate the anode or cathode, thus one or both of which is at least two layers.
Het is de moeite waard om reeds in dit stadium te benadrukken dat bij het opereren in de hierboven beschreven (gecombineerde) (in-line) rol-gebaseerde benadering, dat ook andere processen (zoals het voorzien van geleiders voor verbindingsdoeleinden of isolatoren voor koeldoeleinden tijdens het afwerken de batterijmodule of pakket) kunnen (en bij voorkeur) daarin ingebed zijn.It is worth emphasizing already at this stage that when operating in the (combined) (in-line) roll-based approach described above, other processes (such as providing conductors for connection purposes or insulators for cooling purposes during finishing the battery module or package) may (and preferably) be embedded therein.
Het is ook vermeldenswaardig dat wanneer in de hierboven geschetste (gecombineerde) (in-line) rol-gebaseerde benadering wordt gewerkt, alternatieve methoden voor het aanpassen van batterijcellen, modules en pakketten tijdens de fabricage kunnen worden gebruikt, met name bij het variëren van de gebruikte materialen in de extrusie-coating en/of andere voor in-line geschikte coatingprocessen en/of de procesparameters van één of meer van deze stappen.It is also worth noting that when working in the (combined) (in-line) role-based approach outlined above, alternative methods of adapting battery cells, modules and packs during manufacture can be used, particularly when varying the materials used in the extrusion coating and / or other coating processes suitable for in-line and / or the process parameters of one or more of these steps.
Voor de volledigheid kan de bovenstaande fabricagemethode voor batterij en condensator (onderdeel) die ten minste één geschetste op folie of vel gebaseerde fabricagebenadering omvat, ook worden gecombineerd met offline of discontinue processen.For the sake of completeness, the above battery and capacitor (part) fabrication method that includes at least one outlined foil or sheet based fabrication approach can also be combined with offline or discontinuous processes.
Overzicht van de tekeningen Figuur 1 toont schematisch een batterij of condensator (10) met zijn anode (20), zijn kathode, zijn separator of diëlektricum (40) en zijn elektrolyt (50).Overview of the Drawings Figure 1 schematically shows a battery or capacitor (10) with its anode (20), its cathode, its separator or dielectric (40) and its electrolyte (50).
Figuur 2 toont twee uitvoeringsvormen van een op folie of vel gebaseerde vervaardiging van een gecombineerde laag (120) zijnde de stroomcollector of condensatorplaat (100), voorzien van een rol, met de separator of het diëlektricum (110), daarop aangebracht via een extrusie-coatingproces (210).Figure 2 shows two embodiments of a foil or sheet based fabrication of a combined layer (120) being the current collector or capacitor plate (100), provided with a roll, with the separator or dielectric (110) applied thereto via an extrusion. coating process (210).
Figuur 3 toont een uitvoeringsvorm van een op folie of vel gebaseerde vervaardiging van de anode of kathode via een coatingstap (300) gevolgd door de uitvoeringsvorm van figuur 2 (boven). Alternatief voor de uitvoeringsvorm, zou deze van figuur 2 (onder) daarmee ook kunnen worden gecombineerd. Als verder alternatief voor de 5 uitvoeringsvorm van figuur 2 (boven) zou kunnen worden gecombineerd met een condensatorplaat (100), voorzien van een rol, daarop aangebracht via een kalanderproces of een assemblage of stacking stap.Figure 3 shows an embodiment of a foil or sheet based fabrication of the anode or cathode via a coating step (300) followed by the embodiment of Figure 2 (top). As an alternative to the embodiment, that of Figure 2 (below) could also be combined therewith. As a further alternative to the embodiment of Figure 2 (top), it could be combined with a capacitor plate (100), provided with a roll, applied thereto via a calendering process or an assembling or stacking step.
Figuur 4 toont schematisch een batterij (10) met zijn anode (20), zijn kathode, zijn separator (40) en zijn elektrolyt (50), fabriceerbaar volgens de methode van figuur 3, meer in het bijzonder omvat de anode (of kathode) nu twee lagen (100, 130) waarvan er één wordt verschaft als een folie of vel via een rol terwijl de andere wordt verschaft via een in-line continu coatingproces. Voor de volledigheid kunnen de coatingstappen (420, 300) geen of één of meer coatingstappen omvatten.Figure 4 schematically shows a battery (10) with its anode (20), its cathode, its separator (40) and its electrolyte (50), manufacturable according to the method of Figure 3, more particularly comprising the anode (or cathode) now two layers (100, 130) of which one is provided as a film or sheet via a roll while the other is provided via an in-line continuous coating process. For the sake of completeness, the coating steps (420, 300) may include none or one or more coating steps.
Figuur 5 toont een uitvoeringsvorm van de uitvinding in overeenstemming met het eerste aspect van de uitvinding doordat combinaties van op rol-gebaseerde processen worden gebruikt. Merk op dat hybride combinaties van ten minste één continue in-line rol-gebaseerde met meerdere andere in-line of offline op rol of vel gebaseerde processen ook zijn mogelijk.Figure 5 shows an embodiment of the invention in accordance with the first aspect of the invention using combinations of role-based processes. Note that hybrid combinations of at least one continuous in-line roll-based with multiple other in-line or offline roll or sheet-based processes are also possible.
Figuur 6 toont schematisch een batterij (10) met zijn anode (20), zijn kathode, zijn separator (40) en zijn elektrolyt (50), te produceren volgens de methode van figuur 5, meer in het bijzonder omvatten zowel de anode als de kathode nu twee lagen (respectievelijk 100, 130 en 410, 430) waarvan één wordt voorzien als een folie of vel via een rol, terwijl de andere wordt verschaft via een in-line continu coatingproces.Figure 6 schematically shows a battery (10) with its anode (20), its cathode, its separator (40) and its electrolyte (50), to be produced by the method of Figure 5, more particularly comprising both the anode and the cathode now has two layers (100, 130 and 410, 430 respectively), one of which is provided as a foil or sheet via a roll, while the other is provided via an in-line continuous coating process.
Figuur 7 toont een uitvoeringsvorm van een op folie of vel gebaseerde vervaardiging van de anode of kathode via een beschermingslaag met een coatingproces, gebaseerd op extrusie-coating, vloeistof- of aerosolcoating, dampafzetting, atomaire laagafzetting en/of epitaxiale groei (500) verder nog een vergelijkbare coatingstap (300) die eerder is besproken en die verder werd gevolgd met de uitvoeringsvorm van figuur 2 (boven). Alternatief zou de uitvoeringsvorm van figuur 2 (onder) daarmee ook kunnen worden gecombineerd.Figure 7 shows an embodiment of a foil or sheet based fabrication of the anode or cathode via a protective layer with a coating process, based on extrusion coating, liquid or aerosol coating, vapor deposition, atomic layer deposition and / or epitaxial growth (500) further still a similar coating step (300) previously discussed and followed further with the embodiment of Figure 2 (above). Alternatively, the embodiment of Figure 2 (bottom) could also be combined therewith.
Figuur 8 toont een uitvoeringsvorm waarbij de (gelaagde) folie (460) geproduceerd door één van de folie of op vel gebaseerde vervaardigingsmethoden ook wordt verschaft op een rol (mogelijk op een plaats ver van de oorspronkelijk geplaatste productie), verdere extra stappen (1000) worden toegepast zoals labels aanbrengen met geleidende lagen voor bedradingsdoeleinden en coating met isolerende lagen voor warmteafvoer (bij voorkeur aan de buitenranden van de (AL) folie (rondom))Figure 8 shows an embodiment where the (layered) film (460) produced by one of the film or sheet-based manufacturing methods is also provided on a roll (possibly at a location far from the originally placed production), further additional steps (1000) can be applied such as applying labels with conductive layers for wiring purposes and coating with insulating layers for heat dissipation (preferably on the outer edges of the (AL) foil (all around))
en vervolgens op een gewenste lengte worden gesneden en daarna een verdere bewerkingsstap (zoals voor het voorzien van elektrische en thermische geleiders). Figuur 9 toont een werkwijze voor het vervaardigen van cellen met een groot oppervlak gebaseerd op het buigen of rollen van de folie.and then cut to a desired length and then a further processing step (such as for providing electrical and thermal conductors). Figure 9 shows a method for manufacturing cells with a large area based on bending or rolling the film.
Figuur 10 toont een alternatieve methode voor het vervaardigen van modules op basis van herhaalde uitvoering van de hierboven beschreven processen.Figure 10 shows an alternative method of manufacturing modules based on repeated execution of the processes described above.
Figuur 11 toont een voorbeeldmodule volgens de methode van figuur 10. Figuur 12 toont twee uitvoeringsvormen van modules in overeenstemming met de beschreven moduleproductiemethoden, een uitvoeringsvorm met isolatie (bijvoorbeeld op basis van papier of kunststof) tussen de cellen (links) en een voordelige uitvoeringsvorm met geleiding (bijvoorbeeld op basis van Al) tussen de cellen (rechts). Figuur 13 verschaft een vervaardigingswerkwijze met een beschermende en actieve laag aan één zijde van de folie terwijl de separator aan de andere zijde van de folie wordt aangebracht.Figure 11 shows an exemplary module according to the method of Figure 10. Figure 12 shows two embodiments of modules in accordance with the described module manufacturing methods, an embodiment with insulation (e.g. paper or plastic based) between the cells (left) and an advantageous embodiment with conduction (for example based on Al) between the cells (right). Figure 13 provides a manufacturing process with a protective and active layer on one side of the film while the separator is applied to the other side of the film.
Een soortgelijke benadering kan worden gebruikt voor een condensator door in plaats van de separator een diëlektrische laag te verschaffen met de extrusie (of alternatief gietproces). Figuur 14 is een voorbeeld van een stack met gemeenschappelijke stroomcollectoren voor opeenvolgende cellen in een batterijstack.A similar approach can be used for a capacitor by providing a dielectric layer in place of the separator with the extrusion (or alternate casting process). Figure 14 is an example of a stack with common current collectors for consecutive cells in a battery stack.
Figuur 15 illustreert een stack voorzien van warmte-uitwisselingselementen.Figure 15 illustrates a stack provided with heat exchange elements.
Beschrijving van de uitvinding Met specifieke verwijzing nu naar de figuren, wordt benadrukt dat de getoonde bijzonderheden bij wijze van voorbeeld zijn en alleen ter illustratie van de verschillende uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding.Description of the Invention With specific reference now to the figures, it is emphasized that the details shown are by way of example and illustrative only of the various embodiments of the present invention.
Ze worden gepresenteerd om de meest bruikbare en gemakkelijkste beschrijving van de principes en conceptuele aspecten van de uitvinding te verschaffen.They are presented to provide the most useful and easiest description of the principles and conceptual aspects of the invention.
In dit opzicht wordt geen poging gedaan om structurele details van de uitvinding gedetailleerder weer te geven dan nodig is voor een fundamenteel begrip van de uitvinding.In this regard, no attempt is made to depict structural details of the invention in more detail than is necessary for a basic understanding of the invention.
De beschrijving, genomen met de tekeningen, maakt de vakman duidelijk hoe de verschillende vormen van de uitvinding in de praktijk kunnen worden gebracht.The description, taken with the drawings, makes it clear to those skilled in the art how the various forms of the invention can be practiced.
De uitvinding heeft betrekking op batterijen en condensatoren.The invention relates to batteries and capacitors.
Terwijl in batterijen een separator en stroomcollector worden gebruikt, worden in condensatoren in plaats daarvan een diëlektricum en condensatorplaat gebruikt.While batteries use a separator and current collector, capacitors use a dielectric and capacitor plate instead.
De uitvinding, geïnspireerd door de behoefte aan een paradigma om de kosten van batterijen en condensatoren drastisch te verlagen, houdt verband met een batterij- en condensator (elektrolytneutrale of agnostische) celarchitectuur en verwerking die het mogelijk maakt om cellen te produceren met massavolumeproductiemethoden uit volledig niet-verwante industrieën en waarop de vermenigvuldiging van productiecapaciteit zeer snel en op wereldschaal kan plaatsvinden.The invention, inspired by the need for a paradigm to drastically reduce the cost of batteries and capacitors, is related to a battery and capacitor (electrolyte neutral or agnostic) cell architecture and processing that makes it possible to produce cells using mass volume production methods from completely non-existent related industries and where the multiplication of production capacity can take place very quickly and on a global scale.
Met een hoge vermenigvuldigingsfactor zullen kostenleercurven en gerelateerde prijserosies die door de waardeketen van materiaal tot batterij en condensatorsysteemproductie gaan, ongekend zijn en is de enige duurzame strategie om de huidige stand-van- techniek kosteneffectieve Li-ion-batterijen en supercondensatoren voor stationaire energieopslag te veroordelen.With a high multiplier, cost learning curves and related price erosions going through the value chain from material to battery and capacitor system production will be unprecedented and is the only sustainable strategy to condemn the current state of the art cost effective Li-ion batteries and supercapacitors for stationary energy storage .
Bij het zoeken naar een nieuwe celarchitectuur, in het bijzonder voor batterijen, is het belangrijk om een batterijceltype na te streven waarmee de kathode en de anode zo eenvoudig mogelijk kunnen worden gehouden, waarbij complexen, legeringen of meerlagen-structuren worden vermeden en waarbij beide celcomponenten kunnen worden geproduceerd met goedkope, goed gevestigde productiemethoden, die bij voorkeur in staat zijn om batterijceltypen te implementeren, zoals de dubbel ion non-rocking chair cel, waarbij ladingopslag plaatsvindt in de cel aan beide zijden bij anode en kathode.When looking for a new cell architecture, especially for batteries, it is important to aim for a battery cell type that allows the cathode and anode to be kept as simple as possible, avoiding complexes, alloys, or multilayer structures, while keeping both cell components. can be produced by inexpensive, well-established manufacturing methods, which are preferably capable of implementing battery cell types, such as the double ion non-rocking chair cell, where charge storage takes place in the cell on both sides at anode and cathode.
Vervolgens moeten beide werkionen door de elektrolyt tussen beide celcomponenten worden gehost en kan ladingopslag aan beide zijden van de cel plaatsvinden via plaat/strip, legering/delegering of grafietintercalatie.Subsequently, both working ions must be hosted by the electrolyte between both cell components and charge storage can occur on both sides of the cell via plate / strip, alloy / delegation or graphite intercalation.
Daarom kan de elektrode een bulk metalen substraat met één enkel atoomelement zijn voor bepaalde ionen die uit de elektrolyt migreren of een conventionele grafietelektrode voor andere ionen.Therefore, the electrode can be a bulk metal substrate with a single atomic element for certain ions migrating from the electrolyte or a conventional graphite electrode for other ions.
Wanneer een metalen substraat met één enkel atoomelement in bulk effectief is voor ion- ladingopslag, dient het plotseling ook als stroomcollector om elektronisch ladingstransport buiten de batterijcel mogelijk te maken.When a metal substrate with a single atomic element in bulk is effective for ion charge storage, it suddenly also serves as a current collector to enable electronic charge transport outside the battery cell.
In Li-ion-cellen heeft elke elektrode een apart substraat voor de huidige verzameling naast een actieve laag voor opslag van ion-ladingopslag (zowel een grafietlaag aan de anodezijde als een complexe legering aan de kathodezijde). Wanneer een grafietlaag nodig is voor ion-In Li-ion cells, each electrode has a separate substrate for the current collection in addition to an active ion charge storage layer (both a graphite layer on the anode side and a complex alloy on the cathode side). When a graphite layer is needed for ionic
ladingopslag, dan is een apart substraat voor stroomafname vereist.charge storage, then a separate substrate for current collection is required.
Figuur 2 (boven) toont een eerste uitvoeringsvorm waarbij de extruder is voorzien van granulaten (240) en schuimmiddelen (250). Figuur 2 (onder) toont een tweede alternatieve uitvoeringsvorm waarin een verdere (IR) stralingsstap (220) wordt gebruikt om het schuimproces te starten of verder te verbeteren.Figure 2 (top) shows a first embodiment in which the extruder is provided with granulates (240) and foaming means (250). Figure 2 (bottom) shows a second alternative embodiment in which a further (IR) radiation step (220) is used to start or further improve the foaming process.
Tenslotte wordt een stap van het snijden (260) van de resulterende composietlaag uitgevoerd, direct of na aanvullende (bij voorkeur ook op rollen of vellen vervaardigde productielagen,Finally, a step of cutting (260) the resulting composite layer is performed, directly or after additional production layers (preferably also made on rolls or sheets,
zoals weergegeven in figuur 5) gecombineerd.as shown in Figure 5).
Als zodanig toont Figuur 2 boven een eerste fabricageproces met een ondersteuning (100) (ingezet vanaf een rol (200)) waarop via een extruder (210) direct het geschuimde polymeer of diëlektricum (110) wordt verschaft.As such, Figure 2 above shows a first manufacturing process with a support (100) (deployed from a roll (200)) onto which the foamed polymer or dielectric (110) is directly provided via an extruder (210).
De drager (100) is geselecteerd om geschikt te zijn als stroomcollector en voor rolprocessen voor daaropvolgende in-line coating van andere vereiste batterij- of condensatorcelelementen.The carrier (100) is selected to be suitable as a current collector and for rolling processes for subsequent in-line coating of other required battery or capacitor cell elements.
Na deze stap kan de resulterende stack worden gesneden (mogelijk nadat er verdere stappen op zijn uitgevoerd). Figuur 2 onder toont een tweede (alternatief) fabricageproces met een ondersteuning (100) (ingezet vanaf een rol (200)) waarop via een extruder (210) polymeer (110) wordt voorzien en via (IR) straling schuim wordt gevormd.After this step, the resulting stack can be cut (possibly after further steps have been performed on it). Figure 2 below shows a second (alternative) manufacturing process with a support (100) (deployed from a roll (200)) on which polymer (110) is provided via an extruder (210) and foam is formed via (IR) radiation.
Figuur 5 toont een uitvoeringsvorm van de uitvinding in overeenstemming met het eerste aspect van de uitvinding doordat combinaties van op rollen gebaseerde processen worden gebruikt, in het bijzonder wordt de anode (of kathode) gemaakt met de processen links van Figuur 5, verder op een van deze de separator of het diëlektricum is voorzien (met elk van de uitvoeringsvormen van figuur 5) en tenslotte gecombineerd (450) en gesneden (260). Figuur 5 toont dus een gecombineerd fabricageproces waarbij lagen of dragers van coatings worden voorzien, verder wordt er één daarvan voorzien van een separator en daarna wordt de gehele stack gecombineerd voor snijden.Figure 5 shows an embodiment of the invention in accordance with the first aspect of the invention in that combinations of roller-based processes are used, in particular the anode (or cathode) is made with the processes to the left of Figure 5, further on one of the it is provided with the separator or dielectric (with each of the embodiments of Figure 5) and finally combined (450) and cut (260). Figure 5 thus shows a combined manufacturing process in which layers or supports are provided with coatings, further one of them is provided with a separator and then the entire stack is combined for cutting.
Ter wille van de duidelijkheid, in de voorgestelde gecombineerde stroming zoals getoond in Figuur 5 worden bij voorkeur de snelheden van de rollen aan elkaar aangepast zoals schematisch aangegeven door de gestippelde rol.For the sake of clarity, in the proposed combined flow as shown in Figure 5, the speeds of the rollers are preferably matched as schematically indicated by the dotted roll.
Verder is de voorgestelde gecombineerde stroming hier ook geheel een schematische weergave en geen concreet overzicht van de productiefaciliteit.Furthermore, the proposed combined flow is here also entirely a schematic representation and not a concrete overview of the production facility.
Het moet bijvoorbeeld duidelijk zijn dat de combinatiestap een draaien van de verkregen folie (440) vereist, b.v. door gebruik van een extra rolelement (niet getoond). Figuur 7 toont een alternatief proces, waarbij de beschermlaag ook wordt aangebracht via een extruder (500). Figuur 7 toont dus een uitvoeringsvorm van een op folie of vel gebaseerde fabricage van de anode of kathode via het aanbrengen van een beschermende laag met een coatingproces (500), verder een andere coatingstap voor de actieve laag (300) die eerder is besproken en daarna wordt vervolgd met de uitvoering van figuur 2 (boven). Als alternatief zou de uitvoering van figuur 2 (onder) daarmee ook kunnen worden gecombineerd.For example, it is to be understood that the combining step requires twisting of the resulting film (440), e.g. by using an additional roller element (not shown). Figure 7 shows an alternative process, where the protective layer is also applied via an extruder (500). Figure 7 thus shows an embodiment of a foil or sheet based fabrication of the anode or cathode via the application of a protective layer with a coating process (500), further another coating step for the active layer (300) discussed earlier and thereafter. continues with the execution of figure 2 (above). Alternatively, the embodiment of Figure 2 (bottom) could also be combined therewith.
Ook hier wordt een extruder (500) voorzien van granulaten (510) en werkzame middelen (520). Merk op dat de volgens dit proces gemaakte anode en kathode nu vier lagen bevatten respectievelijk stroomcollector, beschermlaag, actieve laag en separator (niet expliciet getoond in de tekeningen).Here, too, an extruder (500) is provided with granulates (510) and active agents (520). Note that the anode and cathode made by this process now contain four layers, respectively, current collector, protective layer, active layer and separator (not explicitly shown in the drawings).
Aangezien het doel is om een batterij of condensator (of ten minste materialen die geschikt zijn om er één te vormen) te verschaffen, worden de geselecteerde of resulterende materialen impliciet gekenmerkt doordat het ionentransport voor het elektrochemische systeem gedefinieerd door de anode, kathode en elektrolyt of de elektronenopslag bij anode en kathode moet kunnen werken. In het bijzonder zijn de separator en de elektrolyt die in hoofdzaak binnen een deel van de separatorcontext wordt verschaft, daarom speciaal ontworpen. Evenzo zijn de diëlektrische elementen die binnen een deel van de diëlektrische context worden verschaft, daarvoor speciaal ontworpen.Since the purpose is to provide a battery or capacitor (or at least materials suitable for forming one), the selected or resulting materials are implicitly characterized in that the ion transport for the electrochemical system is defined by the anode, cathode and electrolyte or the electron storage at the anode and cathode must be able to function. In particular, the separator and the electrolyte provided substantially within part of the separator context are therefore specially designed. Likewise, the dielectric elements provided within part of the dielectric context are specially designed for that purpose.
Een verscheidenheid aan uitvoeringen wordt nu beschreven: (1) In één uitvoeringsvorm wordt een echt roll-to-roll-proces beschreven om een aluminiumchloride-grafietbatterij te genereren. Om dit type batterijcelstructuur te produceren, wordt een aluminiumfolie gebruikt als anodemateriaal of stroomcollector. Deze aluminiumfolie wordt afgerold en vervolgens extrusie-gecoat met een opencellige polymeerschuim, die bijvoorbeeld wordt geproduceerd met CO2 of N2 als fysisch blaasmiddel. De dikte van de schuimlaag wordt geregeld door kalanderrollen. De door extrusie gecoate polymeercoating werkt als separator en kan worden geformuleerd met een hechtadditief om een goede hechting aan het anode- of stroomcollectoroppervlak mogelijk te maken. Daarnaast kan ook een thermische of door licht veroorzaakte cross-linking van het polymeer worden toegepast om de thermische en/of chemische weerstand van het schuim te verbeteren. De beschreven structuur is een anode of stroomcollectorfolie met een in-line gecoate separator. In een afzonderlijke stap wordt de kathode voorbereid door een beschermende laag op een stroomcollector te coaten via een in-line fysisch opdampproces. Een voorbeeld is een coating van TiN op een aluminiumfolie. Deze dubbellagige folie wordt vervolgens aan de eerder gecoate zijde gecoat met een grafietsuspensie. Het anodegedeelte (aluminium en) en het kathodegedeelte (stroomcollector - beschermlaag - grafiet) met daartussen de separator worden samen op de juiste lengte gesneden, afhankelijk van de gewenste capaciteit of energierating van de batterij of condensatorcel. Labels voor elektrische bedrading en isolatielagen voor warmteafvoer zijn op geschikte plaatsen gecoat op anode- en kathodefolies. Een stack afwisselende anode- en kathodefolies wordt gevormd en ingebracht of opnieuw gecoat met behulp van de in-line rolprocessen om een verpakkingsomhulsel te vormen waar een AICI3-EMIMCI (1-methyl-3- ethylimidazoliumchloride) anolyt aan de verpakking wordt toegevoegd om de batterijcel, module of pakket te vormen.A variety of embodiments are now described: (1) In one embodiment, a true roll-to-roll process to generate an aluminum chloride-graphite battery is described. To produce this type of battery cell structure, an aluminum foil is used as anode material or current collector. This aluminum foil is unrolled and then extrusion-coated with an open-cell polymer foam, which is produced, for example, with CO2 or N2 as a physical blowing agent. The thickness of the foam layer is controlled by calender rolls. The extrusion coated polymer coating acts as a separator and can be formulated with an adhesive additive to allow good adhesion to the anode or current collector surface. In addition, thermal or light-induced cross-linking of the polymer can also be used to improve the thermal and / or chemical resistance of the foam. The structure described is an anode or current collector foil with an in-line coated separator. In a separate step, the cathode is prepared by coating a protective layer on a current collector through an in-line physical vapor deposition process. An example is a coating of TiN on an aluminum foil. This double layer film is then coated on the previously coated side with a graphite suspension. The anode part (aluminum en) and the cathode part (current collector - protective layer - graphite) with the separator in between are cut together to the correct length, depending on the desired capacity or energy rating of the battery or capacitor cell. Electrical wiring labels and heat sink insulation layers are coated on anode and cathode foils in suitable locations. A stack of alternating anode and cathode foils is formed and inserted or recoated using the in-line rolling processes to form a packaging case where an AICI3-EMIMCI (1-methyl-3-ethylimidazolium chloride) anolyte is added to the package around the battery cell , module or package.
(2) In een tweede uitvoeringsvorm worden kathode en anode geproduceerd in hetzelfde roll-to-roll-proces, maar de manier om het separatorschuim te produceren is iets anders, waarbij een chemisch blaasmiddel wordt gebruikt in plaats van een fysisch blaasmiddel. Het chemische blaasmiddel wordt aan de extruder toegevoegd en bij een gegeven smelttemperatuur van het polymeer ontleedt het chemische schuimmiddel zich en vormt een inert gas (zoals CO2 of N2), resulterend in een open cel gestructureerd schuim bij het uittredevel of de folie.(2) In a second embodiment, cathode and anode are produced in the same roll-to-roll process, but the way to produce the separator foam is slightly different using a chemical blowing agent instead of a physical blowing agent. The chemical blowing agent is added to the extruder and at a given melting temperature of the polymer, the chemical blowing agent decomposes and forms an inert gas (such as CO2 or N2), resulting in an open cell structured foam at the exit sheet or film.
(3) In een derde uitvoeringsvorm kan een soortgelijk proces worden voorgesteld waarbij de afgerolde aluminiumfolie via extrusiecoating wordt gecoat met een polymeer dat een chemisch blaasmiddel bevat. De dikte van de coating wordt geregeld door kalanderrollen. De extrusiecoating wordt uitgevoerd bij een temperatuur die lager is dan de ontledingstemperatuur van het chemische blaasmiddel. Als een juiste dikte wordt bereikt, gaat het geassembleerde door een in-line oven met een temperatuur die hoger is dan de ontledingstemperatuur van het chemische schuimmiddel. Tijdens deze secundaire verwarmingsstap wordt de open celstructuur in de polymeercoating gevormd. Een extra cross-linking middel kan worden toegevoegd aan de polymeersmelt die tegelijkertijd het polymeer zal cross- linken tijdens de vorming van de open celstructuur om te voorkomen dat het schuim instort. De rest van het batterijpakket of module wordt op dezelfde manier geproduceerd als hierboven beschreven.(3) In a third embodiment, a similar process can be proposed in which the unrolled aluminum foil is extrusion-coated with a polymer containing a chemical blowing agent. The thickness of the coating is controlled by calender rolls. The extrusion coating is performed at a temperature below the decomposition temperature of the chemical blowing agent. When a proper thickness is achieved, the assembled passes through an in-line oven at a temperature higher than the decomposition temperature of the chemical foaming agent. During this secondary heating step, the open cell structure is formed in the polymer coating. An additional cross-linking agent can be added to the polymer melt which will simultaneously cross-link the polymer during the formation of the open cell structure to prevent the foam from collapsing. The rest of the battery pack or module is produced in the same way as described above.
(4) In een vierde uitvoeringsvorm wordt de geschuimde open cel separator niet gevormd met behulp van een extrusiecoating, maar via een chemische polymerisatiereactie. Hier worden twee vloeistoffen gemengd en gecoat op het aluminium substraat, waar een chemische reactie plaatsvindt. Een voorbeeld kan de reactie zijn van een isocyanaatvloeistof en een diol met hydroxylgroepen. In combinatie met een katalysator kan op het aluminium substraat een opencellig polyurethaanschuim worden gevormd, resulterend in een anode met in-line geproduceerde schuimpolymeer separator.(4) In a fourth embodiment, the foamed open cell separator is not formed by an extrusion coating, but by a chemical polymerization reaction. Here, two liquids are mixed and coated on the aluminum substrate, where a chemical reaction takes place. An example can be the reaction of an isocyanate liquid and a diol with hydroxyl groups. In combination with a catalyst, an open-cell polyurethane foam can be formed on the aluminum substrate, resulting in an anode with in-line produced foam polymer separator.
(5) In een vijfde uitvoeringsvorm kan het in-line polymeerschuim worden geproduceerd aan de kathodezijde. In dit geval wordt een aluminium substraat gecoat met een beschermende coating (bijvoorbeeld TiN-coating via fysische dampafzetting). Dit geassembleerde wordt vervolgens mengsel- gecoat (=bekleed met een mengsel) met een grafietsuspensie. Na kalanderen en drogen kan het geschuimde polymeer op het grafietoppervlak worden gecoat met behulp van de eerder beschreven extrusiecoating via fysische of chemische schuimtechnieken. Dit geassembleerde wordt vervolgens gecombineerd met een afgerolde aluminiumfolie en dit geassembleerde wordt op een bepaalde lengte gesneden, in een verpakkingsomhulsel geplaatst en gevuld met een anolyt.(5) In a fifth embodiment, the in-line polymer foam can be produced on the cathode side. In this case, an aluminum substrate is coated with a protective coating (e.g. TiN coating via physical vapor deposition). This assembled assembly is then mixture coated (= coated with a mixture) with a graphite suspension. After calendering and drying, the foamed polymer can be coated on the graphite surface using the extrusion coating described previously via physical or chemical foaming techniques. This assembled is then combined with a rolled aluminum foil and this assembled is cut to a certain length, placed in a packaging casing and filled with an anolyte.
(6) In een zesde uitvoeringsvorm wordt een aluminiumfolie afgerold en gecoat met een grafietsuspensie. Dit geassembleerde wordt vervolgens aan de grafietzijde gecoat met een extrusie gecoat polymeerfolie met behulp van een fysische of chemische schuimmethode. Daarnaast kan het polymeerschuim ook worden geproduceerd met een chemische reactie zoals beschreven in de 4e uitvoeringsvorm. In een tweede roll-to-roll-proces wordt de kathode voorbereid door een substraat met een beschermende laag (zoals TiN) te coaten via een fysisch opdampproces. Dit geassembleerde wordt vervolgens gecoat met een grafietsuspensie. De twee coatings worden samengevoegd en opnieuw wordt de juiste cellengte afgesneden. Het geassembleerde wordt in een verpakkingsomhulsel geplaatst en een op KFSI-zout gebaseerde (kaliumfluorsulfonylimide) elektrolyt die zowel een anolyt is als katholiet wordt toegevoegd om een dual-ion batterijcel te vormen.(6) In a sixth embodiment, an aluminum foil is unrolled and coated with a graphite suspension. This assembled is then coated on the graphite side with an extrusion coated polymer film using a physical or chemical foaming method. In addition, the polymer foam can also be produced by a chemical reaction as described in the 4th embodiment. In a second roll-to-roll process, the cathode is prepared by coating a substrate with a protective layer (such as TiN) through a physical vapor deposition process. This assembled is then coated with a graphite suspension. The two coatings are joined and the correct cell length is cut again. The assembled is placed in a packaging case and a KFSI salt based (potassium fluorosulfonylimide) electrolyte that is both an anolyte and catholyte is added to form a dual ion battery cell.
(7) In een zevende uitvoeringsvorm kan dezelfde strategie als beschreven in de zesde uitvoering worden toegepast, maar hier wordt de polymeer geschuimde separator gecoat op de grafietsuspensie aan de kathodezijde en wordt een aluminiumfolie aan deze stack toegevoegd om de KFSI dual- ion batterij te vormen.(7) In a seventh embodiment, the same strategy as described in the sixth embodiment can be used, but here the polymer foamed separator is coated on the graphite suspension on the cathode side and an aluminum foil is added to this stack to form the KFSI dual-ion battery .
(8) In een laatste uitvoeringsvorm voorziet de uitvinding in enkelvoudige aluminiumfolies met de verwerking van de twee halve cellen aan elke zijde en vervolgens gestackt om een batterijpakket te vormen.(8) In a final embodiment, the invention provides single aluminum foils with the processing of the two half cells on each side and then stacked to form a battery pack.
De uitvinding heeft betrekking op het vervaardigen van schuim met open cellen, in het bijzonder door gebruik te maken van extrusie-coating.The invention relates to the production of open cell foam, in particular by using extrusion coating.
De uitvinding heeft betrekking op het vervaardigen van de bovengenoemde schuimen, voor gebruik in batterijen of batterijcellen, en daarom worden de gebruikte polymeren gekozen om compatibel te zijn met verwante elektrolytvloeistoffen, in het bijzonder omdat voor deze schuimen wordt beoogd als batterijseparator. Daarom worden geschikte celopeningseigenschappen en/of afstembare poriegroottes bij voorkeur verkregen door het mengen van verschillende polymeermatrices om een structurele inhomogeniteit te verkrijgen die bestaat uit harde en zachte gebieden, door semi-kristallijne polymeren met verschillende kristallisatietemperaturen te combineren.The invention relates to the manufacture of the aforementioned foams, for use in batteries or battery cells, and therefore the polymers used are selected to be compatible with related electrolyte fluids, particularly because these foams are intended as a battery separator. Therefore, suitable cell opening properties and / or tunable pore sizes are preferably obtained by mixing different polymer matrices to obtain structural inhomogeneity consisting of hard and soft regions, by combining semi-crystalline polymers with different crystallization temperatures.
In een alternatieve uitvoeringsvorm om hetzelfde te bereiken, kan een (gedeeltelijke) polymeer cross-linkingstrategie worden gebruikt om harde en zachte gebieden in de initiële polymeermatrix te verkrijgen.In an alternative embodiment to achieve the same, a (partial) polymer cross-linking strategy can be used to obtain hard and soft regions in the initial polymer matrix.
De bovenstaande uitvoeringsvorm kan gecombineerd worden.The above embodiment can be combined.
In een verdere uitvoeringsvorm wordt een combinatie of mengsel van 2 of meer polymeertypes volgens de voorgaande uitvoeringsvormen gebruikt met een juiste selectie van de gewichtsfracties van de polymeren.In a further embodiment, a combination or mixture of 2 or more polymer types according to the foregoing embodiments is used with proper selection of the weight fractions of the polymers.
De uitvinding gebruikt een kiemvormend middel om het openingsproces van de holte te initiëren. Kiemvormers kunnen zijn (maar zijn niet beperkt tot): calciumcarbonaat, calciumsulfaat, magnesiumhydroxide, calciumwolframaat, magnesiumoxide, loodoxide, bariumoxide, titaniumdioxide, zinkoxide, antimoonoxide, boornitride, magnesiumcarbonaat, loodcarbonaat, zinkcarbonaat, bariumcarbonaat, calciumsilicaat, aluminiumsilicaat, roet, grafiet, niet-organische pigmenten, alumina, molybdeendisulfide, zinkstearaat, PTFE-deeltjes, klei, calciummetasilicaat, diatomeeënaarde….The invention uses a nucleating agent to initiate the cavity opening process. Nucleating agents can include (but are not limited to): calcium carbonate, calcium sulfate, magnesium hydroxide, calcium tungstate, magnesium oxide, lead oxide, barium oxide, titanium dioxide, zinc oxide, antimony oxide, boron nitride, magnesium carbonate, lead carbonate, zinc carbonate, barium carbonate, calcium silicate, aluminum silicate, non-carbon black, graphite -organic pigments, alumina, molybdenum disulphide, zinc stearate, PTFE particles, clay, calcium metasilicate, diatomaceous earth….
De uitvinding gebruikt verder (en bij voorkeur in combinatie met het kiemvormingsmiddel) een blaas(schuim)middel. Zowel fysische als chemische schuimvormingsstrategieën kunnen worden gebruikt. Voor de chemische schuimroute is het mogelijk om anorganische en organische schuimmiddelen te gebruiken. Voorbeelden van anorganische chemische schuimmiddelen zijn natriumbicarbonaat, ammoniumcarbonaat, ammoniumbicarbonaat en calciumazide. Voorbeelden van organische schuimmiddelen zijn azodicarbonamide, hydrazocarbonamide, benzeensulfonylhydrazide,The invention further uses (and preferably in combination with the nucleating agent) a blowing (foaming) agent. Both physical and chemical foaming strategies can be used. For the chemical foaming route it is possible to use inorganic and organic foaming agents. Examples of inorganic chemical foaming agents are sodium bicarbonate, ammonium carbonate, ammonium bicarbonate and calcium azide. Examples of organic foaming agents are azodicarbonamide, hydrazocarbonamide, benzenesulfonyl hydrazide,
dinitrosopentamethyleentetramine, tolueensulfonylhydrazide, p,p'-oxybis (benzeensulfonylhydrazide), azobisisobutyronitril en bariumazodicarboxylaat. Zoals vermeld richt de uitvinding zich op extrusie-coating van het schuim.dinitrosopentamethylenetetramine, toluenesulfonyl hydrazide, p, p'-oxybis (benzenesulfonyl hydrazide), azobisisobutyronitrile and barium azodicarboxylate. As mentioned, the invention focuses on extrusion coating of the foam.
In een eerste uitvoeringsvorm daarvan wordt directe coating van een geschuimd polymeer op een Al- en grafietsubstraat gebruikt. Het polymeer wordt geformuleerd met de toevoegingen en het chemische blaasmiddel. Bij het verplaatsen van een omgeving met hoge druk naar een omgeving met lage druk bij de uitgang, wordt een schuim gevormd en gecoat op het substraat waar een geoptimaliseerde kalanderrolspleet zal resulteren in de gewenste schuimseparator op het substraat. Een aparte masterbatch met het schuimmiddel kan in de hoofdtrechter worden gevoerd, of later in het proces worden toegevoegd via een zij-invoer. De output van de polymeersmelt kan worden geregeld met een tandwielpomp.In a first embodiment thereof, direct coating of a foamed polymer on an Al and graphite substrate is used. The polymer is formulated with the additives and the chemical blowing agent. When moving from a high pressure environment to a low pressure environment at the exit, a foam is formed and coated on the substrate where an optimized calender roll gap will result in the desired foam separator on the substrate. A separate masterbatch of the foaming agent can be fed into the main hopper, or added later in the process via a side entry. The output of the polymer melt can be controlled with a gear pump.
In een tweede uitvoeringsvorm daarvan zal het polymeer worden samengesteld met een chemisch blaasmiddel dat reageert bij een temperatuur die hoger is dan de extrusietemperatuur van het polymeer. Er wordt een extrusie-coating van de polymeerverbinding aangebracht. Na extrusie wordt de polymeercoating weer boven de schuimtemperatuur verhit om de gewenste schuimseparator te vormen. Bij gebruik van een fysisch blaasmiddel wordt bij voorkeur CO2 gebruikt maar andere gassen zoals stikstof, argon, water, lucht, helium, koolwaterstoffen (zoals methaan, ethaan, propaan bijvoorbeeld), alcoholen (methanol, ethanol, isopropanol bijvoorbeeld), kunnen ook gechloreerde organische gassen en fluorkoolwaterstoffen geschikt zijn. In een derde uitvoeringsvorm worden de additieven gemengd in een dubbelschroefsextruder met behulp van een smeltpomp en matrijsuitgang. De drukval wordt gerealiseerd bij de uitgang van de matrijs. CO2 wordt bij voorkeur geïnjecteerd in een mengzone aan het einde van de extruder om het gewenste polymeerschuim te genereren dat vervolgens op het substraat wordt gecoat. In een vierde uitvoeringsvorm wordt een tandem extrusie-opstelling gebruikt, waarbij in een eerste extruder CO2 wordt toegevoegd en in een polymeersmelt wordt gemengd. Deze blend wordt geïnjecteerd in een secundaire extruder, voorzien van een tandwielpomp en koelunit, gelegen aan de matrijsuitgang. Hoewel een tandem extrusie-opstelling gecompliceerder is en kan leiden tot hogere investeringskosten,In a second embodiment thereof, the polymer will be formulated with a chemical blowing agent that reacts at a temperature greater than the extrusion temperature of the polymer. An extrusion coating of the polymer compound is applied. After extrusion, the polymer coating is heated again above the foam temperature to form the desired foam separator. When using a physical blowing agent, preferably CO2 is used, but other gases such as nitrogen, argon, water, air, helium, hydrocarbons (such as methane, ethane, propane, for example), alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, for example), can also contain chlorinated organic gases and hydrofluorocarbons are suitable. In a third embodiment, the additives are mixed in a twin screw extruder using a melt pump and die exit. The pressure drop is realized at the exit of the mold. CO2 is preferably injected into a mixing zone at the end of the extruder to generate the desired polymer foam which is then coated onto the substrate. In a fourth embodiment, a tandem extrusion set-up is used, in which CO2 is added in a first extruder and mixed in a polymer melt. This blend is injected into a secondary extruder, equipped with a gear pump and cooling unit, located at the die exit. Although a tandem extrusion setup is more complicated and can result in higher investment costs,
zorgt het voor een betere controle van menging en temperatuurschommelingen. Het gewenste schuim wordt vervolgens op het substraat gegoten na het verlaten van de kleurstof.it provides better control of mixing and temperature fluctuations. The desired foam is then poured onto the substrate after exiting the dye.
Variaties op één of meer van de bovenstaande opties zijn ook mogelijk, waarbij componenten in een eerste stap door een extruder met dubbele schroef worden gemengd. Na afkoeling wordt de verbinding later toegevoegd in een enkele schroef- extruder waar CO2 wordt toegevoegd om de geschuimde polymeerfolies te vormen die op een substraat worden gegoten.Variations on one or more of the above options are also possible, where components are mixed in a first step by a twin screw extruder. After cooling, the compound is later added in a single screw extruder where CO 2 is added to form the foamed polymer films that are cast onto a substrate.
Gevormde polymeerschuimen worden direct bij de uitgang van de matrijs op het substraat gegoten via een kalanderrol om de dikte en koeling van het schuim te regelen. De temperatuur aan de uitgang van de kleurstof en het aluminium substraat worden geregeld om de integriteit van het schuim te regelen.Molded polymer foams are poured onto the substrate directly at the exit of the mold via a calender roll to control foam thickness and cooling. The exit temperature of the dye and the aluminum substrate are controlled to control the integrity of the foam.
Naast een kiemvormer en een geschikt blaasmiddel worden andere toevoegingen gebruikt. Deze additieven zijn kettingverlengers, zuurvangers, antioxidanten, hechtadditieven om de hechting van aluminiumsubstraten te verbeteren en plasticeerders. Om de binnenwanden van de schuimen te versterken, kan een cross- linking benadering worden toegepast, waarbij het polymeersysteem tijdens extrusie of bij de matrijsuitgang kan worden gecross-linkt. Als alternatief kunnen post- schuimende cross-linking strategieën worden gebruikt. Cross-linking additieven zullen afhangen van de aard van de basispolymeren en de extrusie-temperatuur, maar zullen voornamelijk gericht zijn op thermisch geactiveerde systemen, waar voor post- extrusie cross-linking ook door UV geïnitieerde cross-linking additieven geschikt kunnen zijn.In addition to a nucleating agent and a suitable blowing agent, other additives are used. These additives are chain extenders, acid scavengers, antioxidants, bonding additives to improve the adhesion of aluminum substrates and plasticizers. To reinforce the inner walls of the foams, a cross-linking approach can be used, where the polymer system can be cross-linked during extrusion or at the die exit. Alternatively, post-foaming cross-linking strategies can be used. Cross-linking additives will depend on the nature of the base polymers and the extrusion temperature, but will mainly be aimed at thermally activated systems, where for post-extrusion cross-linking also UV-initiated cross-linking additives may be suitable.
Naast de aard van het basispolymeermengsel en de aard en concentratie van het additief, zullen ook de extrusie-temperatuur en drukverlaging bij de kleurstofuitgang (Delta P) worden geoptimaliseerd, omdat deze parameters de dichtheid van het schuim, de poriegrootte en het open-cel gehalte sterk beïnvloeden. De combinatie van polymeersystemen, additieven, schuimmiddelen en verwerkingsparameters wordt zodanig geoptimaliseerd dat het open-cel gehalte van het schuim, diëlektrische eigenschappen en poriegrootte geschikt zijn voor gebruik als batterijseparator met minimale schuimdichtheid, maximale diëlektrische eigenschappen en maximale poriegrootte om ionentransport mogelijk te maken. Naast dit zal extrusie-coatingproces op kalanderrollen worden geoptimaliseerd om de juiste dikte van het schuim, hechting en productiehomogeniteit op het substraat te verkrijgen. Samenvattend voorziet de uitvinding in: e Een batterij, omvattende (i) een anode, (ii) een kathode; (iii) een separator tussen de anode en de kathode; (iv) een elektrolyt, tussen de anode en de kathode, met het kenmerk dat de separator een polymeer of polymeerverbinding is, aangepast voor ionentransport voor het door de anode, kathode en elektrolyt gedefinieerde elektrochemische systeem.In addition to the nature of the base polymer blend and the nature and concentration of the additive, the extrusion temperature and pressure drop at the dye outlet (Delta P) will also be optimized, as these parameters will determine the foam density, pore size and open-cell content strongly influence. The combination of polymer systems, additives, foaming agents and processing parameters is optimized such that the foam's open-cell content, dielectric properties and pore size are suitable for use as a battery separator with minimum foam density, maximum dielectric properties and maximum pore size to allow ion transport. In addition to this, extrusion coating process on calender rolls will be optimized to obtain proper foam thickness, adhesion and production homogeneity on the substrate. In summary, the invention provides: e A battery comprising (i) an anode, (ii) a cathode; (iii) a separator between the anode and the cathode; (iv) an electrolyte, between the anode and the cathode, characterized in that the separator is a polymer or polymer compound adapted for ion transport for the electrochemical system defined by the anode, cathode and electrolyte.
e Een condensator, omvattende (i) een anode, (ii) een kathode; (iii) een diëlektricum, tussen de anode en de kathode, met het kenmerk dat het diëlektricum een polymeer of polymeerverbinding is.e A capacitor, comprising (i) an anode, (ii) a cathode; (iii) a dielectric, between the anode and the cathode, characterized in that the dielectric is a polymer or polymer compound.
e Een methode van op rol of vel gebaseerde fabricage, gebaseerd op extrusie- coating en elk ander in-line continu coatingproces, het coaten van een arrangement van materialen voor gebruik in een dergelijke batterij of condensator en tenslotte combineren voor het snijden van deze en gerelateerde materiaalsamenstelling bestaande uit (i) granulaten, (ii) één of meer (schuim- of diëlektrische) middelen en/of coatingmaterialen.e A method of roll or sheet based manufacturing, based on extrusion coating and any other in-line continuous coating process, coating an arrangement of materials for use in such a battery or capacitor and finally combining them to cut these and related material composition consisting of (i) granulates, (ii) one or more (foaming or dielectric) agents and / or coating materials.
Tenslotte worden hieronder enkele verdere overwegingen met betrekking tot de uitvinding gegeven.Finally, some further considerations with regard to the invention are given below.
In de hele beschrijving wordt het woord batterij of condensator gebruikt, maar de uitvinding heeft ook betrekking op elk deel van een batterij of condensator, zoals elk arrangement van materialen voor gebruik in een batterij of condensator, inclusief dergelijke voorzieningen die worden aangeduid als een batterij of condensatorcel, module en pakket in het veld.Throughout the description, the word battery or capacitor is used, but the invention also relates to any part of a battery or capacitor, such as any arrangement of materials for use in a battery or capacitor, including such features referred to as a battery or capacitor. capacitor cell, module and package in the field.
Evenzo wordt in de hele beschrijving het woord batterij- of condensatorassemblage gebruikt.Likewise, the word battery or capacitor assembly is used throughout the description.
Terwijl assemblage kan gelezen worden op alle noodzakelijke stappen om te resulteren in een functionele batterij of condensator of zelfs een serieschakeling van batterijen of condensatoren, heeft de uitvinding wederom ook betrekking op elk deel van een batterij of condensator, zoals meerlagige folie of vel, die kan worden geleverd als een rol, waarop vervolgens (en mogelijk op een verre plaats) en afhankelijk van de vereiste configuratie verdere andere processen zoals het voorzien van geleiders voor verbindingsdoeleinden of isolatoren voor koellichamen worden uitgevoerd en gevolgd door het snijden van de resulterende folie of vel om daarbij de zogenaamde batterij- of condensatormodule of pakket af te werken, die vervolgens verder in serie of parallel kan worden geconnecteerd voor de modulaire opbouw van een energieopslagoplossing.While assembly can be read on all the necessary steps to result in a functional battery or capacitor or even a series connection of batteries or capacitors, the invention again also relates to any part of a battery or capacitor, such as multilayer foil or sheet, which can are supplied as a roll, on which then (and possibly in a distant place) and depending on the configuration required further other processes such as providing conductors for connection purposes or insulators for heat sinks are carried out and followed by cutting the resulting foil or sheet to thereby finishing the so-called battery or capacitor module or package, which can then be further connected in series or parallel for the modular construction of an energy storage solution.
Merk op dat de energie- of capaciteitsafleveringsparameters in wezen worden bepaald door de lengte van het gesneden vel, terwijl de spanningsafleveringsparameter in wezen wordt bepaald door het aantal in serie geschakelde batterijcellen.Note that the energy or capacity delivery parameters are essentially determined by the length of the cut sheet, while the voltage delivery parameter is essentially determined by the number of battery cells connected in series.
PAKKET UITVOERINGSVORM Gegeven de hierboven voorziene (meerlagige) folies volgens de uitvinding, maakt de uitvinding verder het samenstellen van batterijpakketten mogelijk. De cellen met groot oppervlak zijn in het bijzonder monolithisch gevormde batterij- of condensatormodules in vergelijking met conventioneel gevormde batterij- of condensatormodules door label aanbrenging, bedrading, verbinding en assemblage van meerdere kleinere batterij- of condensatorcellen in parallel.PACKAGE EMBODIMENT Given the above provided (multi-layer) films according to the invention, the invention further enables the assembly of battery packs. The large area cells are typically monolithically shaped battery or capacitor modules as compared to conventionally shaped battery or capacitor modules by labeling, wiring, connecting and assembling multiple smaller battery or capacitor cells in parallel.
Figuur 9 toont een voorbeeld uitvoeringsvorm met een meerlagige structuur, vormbaar met de hierboven uiteengezette methoden. Verschillende van de bovenstaande meerlagige structuren (die modules zouden kunnen worden genoemd) kunnen nu worden gestackt om pakketten te vormen. In wezen wordt, zoals schematisch aangegeven, dezelfde (continue) folie met een groot oppervlak (wel op de juiste lengte gesneden) gebruikt en vervolgens verder gestapeld. Met het voorzien van de juiste contacten op de juiste plaatsen van de respectievelijke buitenlagen, worden de verkregen cellen de facto verbonden (zoals vereist in serie en/of parallel). De verkregen modules kunnen vervolgens indien nodig verder worden verbonden met dezelfde of vergelijkbare modules.Figure 9 shows an exemplary embodiment with a multilayer structure, moldable by the methods outlined above. Several of the above multilayer structures (which could be called modules) can now be stacked to form packages. Basically, as schematically indicated, the same (continuous) film with a large surface (cut to the correct length) is used and then further stacked. Providing the correct contacts in the correct places of the respective outer layers, the resulting cells are de facto connected (as required in series and / or parallel). The modules obtained can then be further connected to the same or comparable modules if necessary.
Gezien de hierboven verstrekte (meerlagige) folies (die als modules kunnen worden beschouwd) in overeenstemming met de uitvinding, maakt de uitvinding verder het samenstellen van batterij- of condensatorpakketten mogelijk, in het bijzonder bipolaire gestackte batterij- of condensatorpakketten.In view of the above provided (multilayer) foils (which can be considered as modules) in accordance with the invention, the invention further permits the assembly of battery or capacitor packs, in particular bipolar stacked battery or capacitor packs.
Figuur 10 toont repetitief (N-maal) gebruik van de hierboven beschreven methoden. Figuur 11 toont een voorbeeld uitvoeringsvorm met een meerlagige structuur verkrijgbaar met de methoden van figuur 9 of 10.Figure 10 shows repetitive (N times) use of the methods described above. Figure 11 shows an exemplary embodiment with a multilayer structure obtainable by the methods of Figure 9 or 10.
Figuur 12 (links) toont een voorbeeld uitvoeringsvorm met een meerlagige structuur, vormbaar met herhaald (N-maal) gebruik van de hierboven geschetste methoden, om daardoor een batterij- of condensatorarrangement te verkrijgen, die na het verschaffen van verbindingsmiddelen (labels en gerelateerde draden) resulteert in (serieel en/of parallel) verbonden cellen in grotere modules of pakketten.Figure 12 (left) shows an exemplary embodiment with a multilayer structure, moldable with repeated (N times) use of the methods outlined above, to thereby obtain a battery or capacitor arrangement, which after providing connection means (labels and related wires) ) results in (serially and / or parallel) connected cells in larger modules or packages.
Figuur 12 (rechts) toont een voorbeeld uitvoeringsvorm met een meerlagige structuur, vormbaar met herhaald (N-maal) gebruik van de hierboven geschetste methoden, om daardoor een batterij- of condensatorarrangement te verkrijgen met (intrinsiek) serieel verbonden cellen in pakketten.Figure 12 (right) shows an exemplary embodiment with a multilayer structure, moldable with repeated (N times) use of the methods outlined above, to thereby obtain a battery or capacitor arrangement with (intrinsically) serially connected cells in packs.
Het bovenstaande gaf aan dat in een uitvoering van de uitvinding kan worden gestreefd naar een batterij of condensatorcel, bestaande uit twee folies of vellen, die elk dienen als respectievelijk deel van de anode of kathode; en een separator en elektrolyt of diëlektricum daar tussenin, waarbij de folies of vellen (bijna) identiek en bij voorkeur identiek zijn.The above indicated that in one embodiment of the invention, a battery or capacitor cell consisting of two foils or sheets, each serving as part of the anode or cathode, respectively; and a separator and electrolyte or dielectric therebetween, wherein the foils or sheets are (nearly) identical and preferably identical.
De nieuwigheid van een celarchitectuur als onderdeel van de uitvinding is de symmetrie ervan met exact hetzelfde substraat voor de stroomcollectoren of condensatorplaten aan beide zijden van de batterij of condensatorcel en waarbij de stroomcollector- of condensatorplaat-substraten tegelijkertijd de substraten zijn die gebruikt worden in en compatibel met goedkope en overvloedig beschikbare productiecapaciteit.The novelty of a cell architecture as part of the invention is its symmetry with the exact same substrate for the current collectors or capacitor plates on both sides of the battery or capacitor cell and where the current collector or capacitor plate substrates are at the same time the substrates used in and compatible. with cheap and abundantly available production capacity.
In Li-ioncellen is de stroomcollector voor de kathode Al en voor de anode Cu.In Li-ion cells, the current collector for the cathode is Al and for the anode is Cu.
Al kan niet worden gebruikt als stroomcollector voor de anode omdat deze zou oplossen in de elektrolyt met de toepasselijke sterke redoxpotentialen.Al cannot be used as a current collector for the anode as it would dissolve in the electrolyte with the appropriate strong redox potentials.
Cu zou kunnen worden gebruikt als stroomcollector voor de kathode, maar Cu is veel minder compatibel en zelfs niet compatibel met de beoogde reguliere productiemethoden en is duurder dan Al.Cu could be used as a current collector for the cathode, but Cu is much less compatible and not even compatible with the intended mainstream production methods and is more expensive than Al.
Huidige batterijcellen met dubbele ionen en non-rocking chair kunnen Al niet gebruiken als stroomcollector aan de kathodezijde, omdat het op een vergelijkbare manier zou oplossen in de elektrolyt met de sterk toepasbare redoxpotentialen.Current dual ion non-rocking chair battery cells cannot use Al as a cathode side current collector, as it would similarly dissolve in the electrolyte with the highly applicable redox potentials.
Daarom omvat de uitgevonden celarchitectuur beschermingslagen aan één of beide zijden van de batterijcel om symmetrische batterijcellen mogelijk te maken met stroomcollectorsubstraten die bij voorkeur goedkoop, overvloedig aanwezig zijn en worden gebruikt in reguliere productieomgevingen met grote volumes uit niet- verwante sectoren.Therefore, the invented cell architecture includes layers of protection on one or both sides of the battery cell to allow symmetrical battery cells with current collector substrates that are preferably inexpensive, abundant and used in regular high volume production environments from unrelated sectors.
Daarom omvat de celarchitectuur twee identieke buitenste folies of vellen die in de celproductie worden gebruikt als substraten om alle resterende celcomponenten zoals de beschermingslagen, grafietlagen en de separator of het diëlektricum in het geval van condensatoren te coaten.Therefore, the cell architecture includes two identical outer foils or sheets used in cell manufacturing as substrates to coat all remaining cell components such as the protective layers, graphite layers and the separator or dielectric in the case of capacitors.
De symmetrie, met Al-folie als stroomcollector voor batterijcellen aan beide zijden mogelijk gemaakt door de opname van goedkope beschermingslagen, heeft drie belangrijke voordelen die het mogelijk maken de kosten van de celeenheid drastisch te verlagen.The symmetry, with Al foil as a current collector for battery cells on both sides made possible by the inclusion of inexpensive protective layers, has three main advantages that allow the cost of the cell unit to be drastically reduced.
Ten eerste kan een enkele Al-folie worden gecoat, gekalanderd, gedroogd en in segmenten worden gesneden in een continu roll-to-roll-proces met behulp van reguliere extrusie-coating, vloeibare coating, aerosol, sputteren, verdamping en andere depositietechnieken die in de plastic en papieren verpakking worden gebruikt zowel als in de halfgeleiderindustrieën. Al heeft goede mechanische eigenschappen zoals treksterkte en flexibiliteit voor goedkope roll-to-roll verwerking. Al-foliegebruik is al gebaseerd op 75% gerecycled Al en het recycling-ecosysteem is een van de meest gevestigde onder alle materialen. Daarom blijven de kosten aan het einde van de levensduur ook concurrerend. Het onderscheidende kenmerk van celproductie dat mogelijk wordt gemaakt door de celarchitectuur versus de huidige praktijken, is dus dat er geen stacking of assemblage plaatsvindt om de volledige batterijcel te voltooien. Het vermijden van stacking of assembleren op celniveau verhoogt de productiedoorvoer aanzienlijk, waardoor de eenheidskosten van de uiteindelijke batterijcel en het pakket lager worden. Een ander onderscheidend kenmerk is dat het snijden van segmenten van de volledige folie de capaciteit en energierating bepaalt van het uiteindelijke batterijsysteem dat de batterijcellen omvat. Met andere woorden, de folie-batterijcel is het monolithische equivalent van parallel verbonden kleine batterijcellen en wordt geassembleerd in wat tegenwoordig bekend staat als batterijmodules. De kosten van labels, bedrading, aansluiting, assemblage en behuizing in een discrete module worden volledig geëlimineerd en dragen in hoge mate bij aan de verlaging van de eenheidskosten van het uiteindelijke batterijsysteem.First, a single Al foil can be coated, calendered, dried and cut into segments in a continuous roll to roll process using regular extrusion coating, liquid coating, aerosol, sputtering, evaporation and other deposition techniques used in the plastic and paper packaging are used as well as in the semiconductor industries. Al has good mechanical properties such as tensile strength and flexibility for low-cost roll-to-roll processing. Al foil usage is already based on 75% recycled Al and the recycling ecosystem is one of the most established among all materials. Hence, end-of-life costs also remain competitive. Thus, the distinguishing feature of cell manufacturing enabled by the cell architecture versus current practices is that there is no stacking or assembly to complete the entire battery cell. Avoiding stacking or assembling at the cell level significantly increases production throughput, lowering the unit cost of the final battery cell and package. Another distinguishing feature is that cutting segments of the entire film determines the capacity and energy rating of the final battery system comprising the battery cells. In other words, the foil battery cell is the monolithic equivalent of small battery cells connected in parallel and is assembled into what are known today as battery modules. The cost of labeling, wiring, connection, assembly and housing in a discrete module is completely eliminated and contributes greatly to lowering the unit cost of the final battery system.
Het gemak van het snijden van segmenten van de batterijfolie geeft celproducenten een bijkomend concurrentievoordeel waar vraag en aanbod in termen van capaciteit en energieratigs direct kunnen worden vervuld in de celfabriek. Lijnconfiguraties zijn niet nodig en het is niet nodig om batterijcellen naar assemblagefabrieken te transporteren. Dezelfde voordelen gelden voor de condensatorarrangementen.The ease of cutting segments of the battery foil gives cell manufacturers an additional competitive advantage where supply and demand in terms of capacity and energy can be met directly in the cell factory. No line configurations are required and no need to transport battery cells to assembly plants. The same advantages apply to the capacitor arrangements.
De symmetrie van de cel en de mogelijkheid om alle celcomponenten op één enkele Al-folie te verwerken met elke halve cel aan beide zijden van de enkele Al-folie, maakt het ook mogelijk om een veelheid van deze cellen op elkaar te stacken, waarbij de stack volumetrische en de gravimetrische energie en vermogensdichtheid precies hetzelfde is als de volumetrische en gravimetrische celdichtheden van elke individuele cel in de stack. Met andere woorden, de celarchitectuur maakt de productie van batterijpakketten mogelijk zonder dat er individuele labels, bedrading, verbinding, assemblage en behuizing van de samenstellende batterijcellen nodig zijn, wat weer een grote bijdrage levert aan de verlaging van de eenheidskosten van het uiteindelijke batterijsysteem.The symmetry of the cell and the ability to process all of the cell components on a single Al foil with each half cell on either side of the single Al foil also allows for a plurality of these cells to be stacked on top of each other, with the stack volumetric and the gravimetric energy and power density is exactly the same as the volumetric and gravimetric cell densities of each individual cell in the stack. In other words, the cell architecture allows for the production of battery packs without the need for individual labeling, wiring, connection, assembly and housing of the constituent battery cells, which in turn greatly contributes to reducing the unit cost of the final battery system.
De inferieure batterijceldichtheid als gevolg van het selecteren van batterijceltechnologieën die zoveel mogelijk eenvoudige en gemakkelijk te vervaardigen coatings gebruiken met goedkope, overvloedige en gemakkelijk recycleerbare materialen, wordt sterk gecompenseerd door de optimale batterijpakketdichtheid die anders nooit zou kunnen worden verkregen wanneer de batterijcelarchitectuur niet wordt toegepast.The inferior battery cell density resulting from selecting battery cell technologies that utilize as many simple and easy-to-manufacture coatings as possible with inexpensive, abundant and easily recyclable materials is greatly offset by the optimum battery pack density that otherwise could never be achieved without the use of battery cell architecture.
De nieuwe batterijcelarchitectuur leidt tot een nieuwe stackarchitectuur voor het batterijpakket waarvan de breedte en lengte de capaciteit en het energierating van het uiteindelijke batterijpakket bepalen, terwijl de hoogte van de stack het voltage en vermogensrating bepaalt.The new battery cell architecture leads to a new battery pack stack architecture whose width and length determine the capacity and energy rating of the final battery pack, while the height of the stack determines the voltage and power rating.
De compacte stack, waar breedte, lengte en hoogte gemakkelijk kunnen worden gekozen in de batterijcelfabriek over een continuüm in termen van afmetingen, kan dienen voor elke beschikbare behuizing zoals standaard transportcontainers, waardoor optimale vulfactoren worden gerealiseerd die alleen worden beperkt door laadvermogen overwegingen voor transport.The compact stack, where width, length and height can be easily chosen in the battery cell factory over a continuum in terms of dimensions, can accommodate any available enclosure such as standard shipping containers, realizing optimal fill factors limited only by payload considerations for transportation.
Dezelfde voordelen gelden voor condensatorarrangementen.The same benefits apply to capacitor arrangements.
De batterijstack kan verder worden verbeterd met een ingebed koelsysteem waarbij de buitenste Al-folies die voor de batterijcellen worden gebruikt groter zijn dan het benodigde verwerkingsgebied.The battery stack can be further improved with an embedded cooling system where the outer Al foils used for the battery cells are larger than the required processing area.
De uitbreidingen in beide vlakke richtingen rond de uiteindelijke batterijcel zijn effectieve koellichamen die kunnen worden aangevuld met een passief of actief koelsysteem.The extensions in both planar directions around the final battery cell are effective heat sinks that can be supplemented with a passive or active cooling system.
De Al-folies van de stack zouden zich kunnen bevinden in een kamer die een isolerend koelmiddel omvat tussen de behuizing rond de batterijstack en een buitenbehuizing en waarbij het koelmiddel stationair kan zijn of actief kan circuleren en koelen via een externe warmtewisselaar.The Al foils of the stack could be located in a chamber that includes an insulating refrigerant between the housing around the battery stack and an outer housing and where the refrigerant may be stationary or actively circulate and cool via an external heat exchanger.
De restwarmte kan verder worden gebruikt voor energieopwekking of opslag.The residual heat can further be used for energy generation or storage.
De Al-folies kunnen ook verder worden uitgeschoven buiten de koelmiddelkamer, blootgesteld aan de omgevingstemperatuur van lucht.The Al foils can also be extended further outside the refrigerant chamber, exposed to the ambient air temperature.
De binnenste en buitenste behuizingen van de koelkamer hebben ook uitstekende thermische eigenschappen om samen met de andere bestanddelen van het koelsysteem de door de stack gegenereerde warmte effectief af te voeren.The inner and outer casings of the cooling chamber also have excellent thermal properties to effectively dissipate the heat generated by the stack together with the other components of the cooling system.
Bovendien kunnen isolerende lagen op de randen van de stroomcollector of condensatorplaatfolies worden gecoat voordat de folie of het vel wordt gesneden, op dezelfde manier als de andere celcomponenten worden verwerkt, maar op andere delen van de folie op mogelijk andere locaties in de productielijn .In addition, insulating layers on the edges of the current collector or capacitor plate foils can be coated before the foil or sheet is cut, in the same way as the other cell components, but on other parts of the foil at possibly different locations in the production line.
Figuur 15 illustreert een stack voorzien van warmtewisselaarselementen. (2000) duidt een warmtewisselend elektrisch niet-geleidend medium of circulerend koelmiddel (vloeistof, gas of lucht) aan. (2010) vertegenwoordigt een kamer (stippellijn) in behuizing met warmtegeleidende wanden die het koelmiddel vasthouden. Indien een dergelijke kamer niet aanwezig is, worden de geïsoleerde AL-folies of stroomcollector of condensatorplaat blootgesteld aan omgevingslucht. Een combinatie van deze technieken kan worden gebruikt. (2020) toont een elektrische isolatielaag maar aangepast voor warmteafvoer.Figure 15 illustrates a stack provided with heat exchanger elements. (2000) designates a heat-exchanging electrically non-conductive medium or circulating refrigerant (liquid, gas or air). (2010) represents a chamber (dotted line) in housing with heat-conducting walls that retain the refrigerant. In the absence of such a chamber, the insulated AL foils or current collector or capacitor plate are exposed to ambient air. A combination of these techniques can be used. (2020) shows an electrical insulation layer but modified for heat dissipation.
Gezien het onderscheidende karakter van de batterijcellen met groot oppervlak zonder dat een groot aantal kleine batterijcellen in modules en modules in pakketten moet worden geassembleerd, zullen het batterijbeheersysteem en de gerelateerde modellen, algoritmen, software- en hardware-implementaties fundamenteel verschillen van bestaande systemen. Het cel-aantal wordt drastisch verlaagd.Given the distinctive nature of the large area battery cells without having to assemble a large number of small battery cells in modules and modules in packages, the battery management system and its related models, algorithms, software and hardware implementations will be fundamentally different from existing systems. The cell number is drastically reduced.
Celbalancering is mogelijk niet vereist wanneer de procesvariabiliteit voor het maken van cellen tot een minimumdrempel wordt beperkt. Het gebruik van één enkele AI- folie en slechts een paar bekende coatingprocessen zal de minimale procesvariabiliteit sterk verbeteren in vergelijking met de huidige praktijken voor celproductie. Wanneer celbalancering niet vereist is, zou een black box-benadering voor het modelleren van de stack met het aantal cellen en hun afmetingen als variabele kunnen leiden tot een vrij eenvoudig en goedkoop batterijbeheersysteem waarvan programmeerbare elektronica sterk kan worden geïntegreerd, dus kleine vormfactor.Cell balancing may not be required when the process variability for making cells is kept to a minimum threshold. Using a single AI foil and only a few known coating processes will greatly improve minimal process variability compared to current cell manufacturing practices. When cell balancing is not required, a black box approach to modeling the stack with the number of cells and their dimensions as a variable could lead to a fairly simple and inexpensive battery management system with highly integrated programmable electronics, thus small form factor.
Aangezien de celarchitectuur afhankelijk is van de elektrolyt als bron voor beide ionen die aan beide zijden van de batterijcel moeten worden opgeslagen, kunnen veranderingen in de massa of de zwaartekracht van de elektrolyt tijdens het opladen of ontladen worden gecontroleerd om de laadtoestand van een batterijcel uit af te leiden. Nogmaals, wanneer de procesvariabiliteit van de celproductie over alle cellen wordt verminderd tot onder een bepaalde drempel, kan de monitoring van één batterijcel in de stack voldoende zijn om de laadtoestand van de volledige stack uit af te leiden, waardoor de kosten van sensoren, bedrading en controle-elektronica aanzienlijk wordt verlaagd. Evenzo is het monitoren van de capaciteit van de stack een goedkope black box-benadering om de gezondheidstoestand van de batterijstack en de samenstellende batterijcellen te bepalen wanneer de procesvariabiliteit bij het maken van cellen onder een bepaald drempelniveau ligt.Since the cell architecture relies on the electrolyte as a source for both ions to be stored on both sides of the battery cell, changes in the mass or gravity of the electrolyte during charging or discharging can be monitored to determine the state of charge of a battery cell. to lead. Again, when the cell production process variability across all cells is reduced below a certain threshold, monitoring one battery cell in the stack can be enough to infer the charge status of the entire stack, reducing the cost of sensors, wiring and control electronics is significantly reduced. Likewise, monitoring the capacity of the stack is an inexpensive black box approach to determine the health of the battery stack and its constituent battery cells when the process variability in cell creation is below a certain threshold level.
Voor bepaalde elektrolyten is de spanningscurve van de stack naar verwachting erg vlak.For certain electrolytes, the voltage curve of the stack is expected to be very flat.
Dit is een wenselijk kenmerk omdat het bijdraagt aan een hoger retourrendement.This is a desirable feature as it contributes to a higher return rate.
Met een vlakke spanningscurve moet de resolutie van de spanningssampling extreem hoog zijn om de laadstatus en de gezondheid van de batterijstack nauwkeurig te kunnen volgen.With a flat voltage curve, the voltage sampling resolution must be extremely high in order to accurately track the state of charge and the health of the battery stack.
Daarom zal programmeerbare logica worden gebruikt die gebaseerd is op fysieke modellen van de batterijstack die real- time, deterministische en snelle controleloops mogelijk maakt.Therefore, programmable logic based on physical models of the battery stack will be used that enables real-time, deterministic and fast control loops.
In het geval dat de procesvariabiliteit bij het maken van cellen niet kan worden verminderd tot onder een bepaald drempelniveau en daarom celbalancering (zowel elektrisch als thermisch) in de stack vereist is tijdens het laden en ontladen, zal programmeerbare logische verwerking van alle cellen de levensduur van elke individuele cel, en dus ook de levensduur van de stack, aanzienlijk verbeteren.In the event that the process variability in cell creation cannot be reduced below a certain threshold level and therefore cell balancing (both electrical and thermal) in the stack is required during charge and discharge, programmable logic processing of all cells will extend the life of significantly improve each individual cell and thus the life of the stack.
Ten slotte kunnen, zoals eerder vermeld, de afmetingen van de batterijstack onmiddellijk worden geselecteerd in de batterijcelfabriek, vandaar dat de hoogte kan worden geselecteerd om optimaal af te stemmen op het vereiste spanningsniveau van het net of de micro-gridkoppeling.Finally, as mentioned before, the dimensions of the battery stack can be selected immediately in the battery cell factory, hence the height can be selected to optimally match the required voltage level from the grid or micro-grid link.
Daarbij wordt netintegratie eenvoudiger en goedkoper door het vermijden van transformatoren en omvormers en door het gebruik van standaardomvormers.In addition, grid integration becomes easier and cheaper by avoiding transformers and inverters and by using standard inverters.
Vandaar dat flexibiliteit bij het maken van cellen, mogelijk gemaakt door de celarchitectuur, niet alleen een brede productvariatie mogelijk maakt voor veel toepassingen op dezelfde celproductielijn, maar het ook mogelijk maakt om de kosten op systeemniveau te minimaliseren.Hence, flexibility in making cells, enabled by the cell architecture, not only allows wide product variation for many applications on the same cell production line, but also allows to minimize costs at the system level.
Naast het gebruik van beschermende lagen die symmetrische batterijcellen mogelijk maken die zijn geproduceerd met Al-folies en reguliere coatingproductie, wordt een echt 100% continu in-line celproductieproces zonder één enkele stacking of assemblagestap tijdens het maken van cellen mogelijk gemaakt via een in-line coatingproces van de separator aan de anodezijde van dezelfde Al-folie.In addition to the use of protective layers that enable symmetrical battery cells produced with Al foils and regular coating production, a truly 100% continuous in-line cell production process without a single stacking or assembly step during cell making is enabled through an in-line coating process of the separator on the anode side of the same Al foil.
Tegenwoordig worden batterijcellen gestackt door de twee elektroden te assembleren met een separator daartussen.Today, battery cells are stacked by assembling the two electrodes with a separator in between.
De separator wordt tegenwoordig altijd apart vervaardigd en door een aannemer aan de celproducent geleverd.Nowadays the separator is always manufactured separately and delivered to the cell manufacturer by a contractor.
In plaats van een separator te leveren, zal een masterbatch die gemakkelijk in bulk kan worden vervoerd, een verbruiksartikel zijn dat wordt gebruikt bij het maken van cellen.Rather than providing a separator, a masterbatch that can be easily shipped in bulk will be a consumable item used in cell making.
Wanneer volgens de stand van de techniek de drie doorlooptijden van de drie — coatingprocessen voor de beschermende, grafiet- en separatorlagen vrij dicht bijeen liggen, zal een continu roll-to-roll-proces resulteren in een maximale doorvoer van het celproductieproces in vergelijking met de huidige cel productie.When, according to the prior art, the three lead times of the three - coating processes for the protective, graphite and separator layers are fairly close together, a continuous roll-to-roll process will result in maximum throughput of the cell manufacturing process compared to the current cell production.
Gezien de eenvoudige groepering van cellen met een groot oppervlak aan het einde van de lijn in stacks, zal de stackdoorvoer zeker de huidige productiedoorvoer van pakketten verslaan.Given the simple grouping of large area cells at the end of the line in stacks, the stack throughput is sure to beat the current packet production throughput.
Met grotere batterijcellen en een kleiner celgetal in een stack, zal het vullen van elektrolyt naar verwachting ook minder tijd kosten dan het huidige vullen van een veel groter aantal kleine cellen die veel complexere robotica vereisen. Ook wordt verwacht dat het afdichten van alle batterijcellen die eenvoudig gegroepeerd en op elkaar gestackt zijn, in batches van een veelvoud van cellen zal plaatsvinden in plaats van het afdichten van elke individuele cel. Evenzo vermijdt het aanbrengen van noodzakelijke isolatiematerialen rond de stroomcollectoren of condensatorplaten voor koeldoeleinden, vervelende en kostelijke assemblage achteraf.With larger battery cells and a smaller cell count in a stack, the electrolyte filling is also expected to take less time than the current filling of a much larger number of small cells that require much more complex robotics. It is also expected that the sealing of all battery cells that are simply grouped and stacked on top of each other will be in batches of a plurality of cells, rather than sealing each individual cell. Likewise, fitting necessary insulating materials around the power collectors or capacitor plates for cooling purposes avoids tedious and costly retrofitting.
Met andere woorden, de beschreven celarchitectuur voor cellen met groot oppervlak leidt tot vele voordelen met betrekking tot het product, de productie en integratie van het product in zijn typische netwerken, en in de eerste plaats tot kosteneffectieve niveaus in termen van vermogen en energie ratings. Soortgelijke voordelen gelden voor condensatorarrangementen.In other words, the described cell architecture for large area cells leads to many advantages with regard to the product, production and integration of the product in its typical networks, and primarily to cost-effective levels in terms of power and energy ratings. Similar benefits apply to capacitor arrangements.
Ten slotte kunnen de grote gebieden van de batterij- of condensatorcellen die kunnen worden gemaakt met behulp van de nieuwe celarchitectuur en het gebruik van alle in-line rol-op-rol coatingprocessen niet worden gemaakt met de huidige stand van de techniek voor het maken van cellen, waarbij in ieder geval stacking of assemblagestappen nodig zijn. De oppervlakteafmeting van de cel wordt beperkt door het grootste substraat dat kan worden gemaakt met de modernste (beschikbare) machines. Vooral de complexiteit van huidige en opkomende coatings voor zowel de kathode als de anode (bijv. Si in plaats van grafietanodes of Li- titanaat) is de beperkende factor en zal een beperkende factor blijven vanwege de aard van de elektrochemische werkingsprincipes. Het is buitengewoon moeilijk om de juiste stoichiometrie van een complexe samengestelde laag (meestal oxiden) op grotere oppervlakken te handhaven vanwege procesbeperkingen. Bovendien zal het handhaven van dezelfde procescondities voor miljoenen kathoden een grotere uitdaging zijn met grotere oppervlakken. Daarom leidt de celarchitectuur die het gebruik van gangbare beproefde grootschalige coatingmethoden mogelijk maakt, tot celgebieden die niet haalbaar zijn met de huidige stand van de techniek celproductiemethoden. Daarom zijn batterij- of condensatorcellen die veel groter zijn dan 100 cm2 een nieuwigheid op zich. Een celstack of -pakket dat veel groter is danFinally, the large areas of the battery or capacitor cells that can be made using the new cell architecture and using all in-line roll-to-roll coating processes cannot be made with the current state of the art for making cells, which in any case require stacking or assembly steps. The surface area of the cell is limited by the largest substrate that can be made with the most modern (available) machines. In particular, the complexity of current and emerging coatings for both the cathode and anode (e.g., Si instead of graphite anodes or Li-titanate) is the limiting factor and will remain a limiting factor due to the nature of the electrochemical operating principles. It is extremely difficult to maintain the correct stoichiometry of a complex composite layer (usually oxides) on larger surfaces due to process limitations. In addition, maintaining the same process conditions for millions of cathodes will be more challenging with larger surfaces. Therefore, the cell architecture that allows the use of commonly proven large-scale coating methods leads to cell regions that are not feasible with the current state of the art cell production methods. Therefore, battery or capacitor cells that are much larger than 100 cm2 are a novelty in themselves. A cell stack or package much larger than
100 cm2 bestaat tegenwoordig ook niet.100 cm2 does not exist nowadays.
Bovendien is de bovengrens op het celoppervlak in principe alleen beperkt tot de langste Al-folierollen die in de industrie verkrijgbaar zijn, evenals de breedste rollen die kunnen worden gebruikt voor het coaten van de lagen die nodig zijn in de batterij- of condensatorcelarchitectuur.In addition, the upper limit on the cell surface is basically limited only to the longest Al foil rolls available in the industry, as well as the widest rolls that can be used to coat the layers needed in the battery or capacitor cell architecture.
Bovendien is een celstack of -pakket met dubbelzijdige elektroden ook een nieuwigheid.In addition, a cell stack or pack with double-sided electrodes is also a novelty.
Cellen of stacks die de huidige collectoren of condensatorplaten gebruiken als koellichamen is een nieuwigheid.Cells or stacks using current collectors or capacitor plates as heat sinks is a novelty.
Cellen of stacks die gebruik maken van in-line gecoate separatoren is een nieuwigheid.Cells or stacks using in-line coated separators is a novelty.
Ten slotte zijn koelsystemen die zijn ingebed in de celstack en het gebruik van programmeerbare controllers die real- time, deterministische en veilige regellussen bieden en die gemakkelijk kunnen worden geschaald met een groter aantal cellen met groot oppervlak in een stack, nieuwigheden op systeemniveau.Finally, cooling systems embedded in the cell stack and using programmable controllers that provide real-time, deterministic and safe control loops and which can be easily scaled with a larger number of large area cells in a stack are novelties at the system level.
De celarchitectuur maakt bipolaire stacking mogelijk, wat leidt tot een transversale elektronische ladingsstroming over het hele Al-folieoppervlak, in tegenstelling tot een laterale stroming in huidige batterijcellen.The cell architecture allows for bipolar stacking, which leads to a transverse electronic charge flow across the entire Al foil surface, as opposed to a lateral flow in current battery cells.
Hierdoor worden de aluminiumfolies dunner en wordt een homogenere interfacekinetiek en warmtespreiding verkregen.This makes the aluminum foils thinner and gives a more homogeneous interface kinetics and heat distribution.
Naast batterijcellen en stacks is de methode van continue in-line verwerking van diëlektrische lagen ook geschikt voor supercondensatoren en stacks met een groot oppervlak, waarbij op één enkele aluminiumfolie een hoge diëlektrische coating wordt geëxtrudeerd of met vloeistof wordt gecoat of aan beide zijden wordt gegoten en gekalanderd met twee andere Al-folies om een dubbel gestackte condensator te vormen met één gemeenschappelijke condensatorplaat.In addition to battery cells and stacks, the method of continuous in-line processing of dielectric layers is also suitable for supercapacitors and large area stacks, where a high dielectric coating is extruded or liquid coated or cast on both sides on a single aluminum foil and calendered with two other Al foils to form a double-stacked capacitor with one common capacitor plate.
Dit proces kan worden herhaald waarbij weer onder en boven de dubbele stack hetzelfde diëlektricum wordt geëxtrudeerd of met vloeistof wordt gecoat of wordt gegoten en gekalanderd met twee andere aluminiumfolies om een quaternair gestackte supercondensator te vormen met drie gemeenschappelijke platen.This process can be repeated, again extruding the same dielectric below and above the double stack, or liquid coating, or casting and calendering with two other aluminum foils to form a quaternary stacked supercapacitor with three common plates.
Een n gestackte condensator zou (n- 1) gemeenschappelijke platen hebben die essentieel zijn om lucht of water tussen twee opeenvolgende gestackte condensatoren te vermijden.An n stacked capacitor would have (n-1) common plates that are essential to avoid air or water between two successive stacked capacitors.
Anders zou de permittiviteit van de lucht of het water daartussen de capaciteit van de hele stack drastisch verlagen.Otherwise, the permittivity of the air or water in between would drastically reduce the capacity of the entire stack.
Bovendien maakt de methode ultrahogespannings- supercondensatoren mogelijk, waardoor de netintegratie wordt vereenvoudigd en vermogenselektronica zoals transformatoren, converters en schakelaars wordt geëlimineerd.In addition, the method enables ultra-high voltage supercapacitors, simplifying grid integration and eliminating power electronics such as transformers, converters and switches.
Het diëlektricum is een composiet van hoog diëlektrische keramische poeders zoals BaTiO3, SrTiO3, BaxSr1-xTio2 en CaCu3Ti4012 in een polymeermatrix die kan worden geëxtrudeerd of met vloeistof kan worden gecoat of kan worden gegoten op Al-folies met groot oppervlak.The dielectric is a composite of high dielectric ceramic powders such as BaTiO3, SrTiO3, BaxSr1-xTio2 and CaCu3Ti4012 in a polymer matrix that can be extruded or liquid coated or cast onto high surface area Al foils.
Door de flexibiliteit van de resulterende folie kunnen extreem dunne lagen van de diëlektrische coating en extreem grote oppervlakken worden opgerold.The flexibility of the resulting film allows extremely thin layers of the dielectric coating and extremely large surfaces to be rolled up.
Aangezien de capaciteit evenredig is met de permittiviteit van de laag en het oppervlak van de aluminiumfolies en omgekeerd evenredig is met de dikte van de diëlektrische laag tussen de aluminiumfolies, leidt deze methode tot extreem hoge capaciteitsdichtheden die nuttig zijn in nettoepassingen, b.v. om Spanning, vermogenskwaliteit, frequentie, tijdelijke opslag, enz. te stabiliseren.Since the capacitance is proportional to the permittivity of the layer and the area of the aluminum foils and inversely proportional to the thickness of the dielectric layer between the aluminum foils, this method leads to extremely high capacitance densities that are useful in net applications, e.g. to stabilize voltage, power quality, frequency, temporary storage, etc.
Bovendien kunnen gestackte condensatoren met extreem hoge spanning worden gerealiseerd en zijn de respons- en schakelsnelheden extreem hoog in vergelijking met conventionele super caps of batterijen die worden gebruikt voor ondersteunende netdiensten.In addition, extremely high voltage stacked capacitors can be realized and the response and switching speeds are extremely high compared to conventional super caps or batteries used for auxiliary grid services.
Er wordt ook verwacht dat het composiet, indien goed geselecteerd, een extreem hoge thermische stabiliteit kan vertonen en mogelijk ook spanningsstabiliteit, wat weer bijdraagt aan hoge Q-factoren, vandaar de vermogenskwaliteit in de netten.It is also expected that the composite, if properly selected, can exhibit extremely high thermal stability and possibly also voltage stability, which in turn contributes to high Q factors, hence the power quality in the grids.
Onnodig te vermelden dat de cel veel eenvoudiger is in vergelijking met de symmetrische celarchitectuur die wordt voorgesteld voor batterijen, vooral gezien de solide aard van de laag tussen de aluminiumfolies en het feit dat er geen lekkage- en corrosiviteitsproblemen zijn, waardoor deze apparaten extreem veilig zijn in vergelijking met conventionele super caps met elektrolyten.Needless to say, the cell is much simpler compared to the symmetrical cell architecture proposed for batteries, especially given the solid nature of the layer between the aluminum foils and the fact that there are no leakage and corrosivity issues, making these devices extremely safe compared to conventional electrolyte super caps.
Bovendien zullen deze super caps, gezien het gebruik van gangbare roll-to-roll, snijden en groepering fabricagemethoden, de snelle schaalvergroting en verdubbeling van de productiecapaciteit in de plastic verpakkingsindustrie, absoluut een grootteorde lagere capaciteit en kosten voor vermogenseenheid hebben dan welke super cap technologie ook die momenteel op de markt verkrijgbaar is.In addition, given the use of common roll-to-roll, cutting and grouping manufacturing methods, the rapid scaling-up and doubling of production capacity in the plastic packaging industry, these super caps will definitely be an order of magnitude lower in capacity and power unit cost than any super cap technology. also currently available on the market.
Gezien het modulaire karakter van de opslageenheid wordt kosteneffectieve massaopslag mogelijk en kunnen opslageenheden indien gewenst gemakkelijk naar een andere locatie in de grid worden getransporteerd.Due to the modular nature of the storage unit, cost-effective mass storage becomes possible and storage units can be easily transported to another location in the grid if desired.
Bovenstaande overwegingen kunnen als volgt worden geherformuleerd: In een verdere uitvoeringsvorm daarvan in deze batterijcel is tenminste één van de folies of vel, bij voorkeur beide, voorzien van een beschermingslaag ter bescherming tegen het oplossen van (een deel van) de folie of vel in de elektrolyt.The above considerations can be reformulated as follows: In a further embodiment thereof in this battery cell, at least one of the foils or sheet, preferably both, is provided with a protective layer to protect against dissolution of (part of) the foil or sheet in the electrolyte.
Binnen die concepten van de batterijcellen kan men ervoor kiezen om een dubbele ionencel te implementeren.Within those concepts of the battery cells, one can choose to implement a double ion cell.
Het is ook vermeldenswaardig dat in de bovenstaande batterijcellen de anode en/of kathode zijn ontworpen om gelijktijdig te dienen als ladingopslag en stroomopname,It is also worth noting that in the above battery cells, the anode and / or cathode are designed to simultaneously serve as charge storage and current draw,
meer in het bijzonder wordt de ladingopslagfunctie verschaft door gebruik te maken van grafietafzettingsverwerking om daardoor een actieve laag te creëren. In een voorbeeld uitvoeringsvorm is de kathode en/of de anode, bij voorkeur beide, gebaseerd op een Al-folie, bij voorkeur voorzien van een beschermingslaag erop aangebracht. In een verdere voordelige uitvoeringsvorm worden de kathode en/of de anode, bij voorkeur beide, gebruikt als koellichaam (door het oppervlak van de stroomcollectoren of condensatorplaten zo te ontwerpen dat deze groter zijn dan het actieve gebied van de cel en ontworpen zijn voor blootstelling aan omgevingslucht en/of om te weken in een (elektrisch isolerend) koelmiddel, mogelijk in combinatie met actieve circulatie van het koelmiddel). Deze stroomcollectoren of condensatorfolies kunnen vòòr het snijden eerst worden voorzien van isolerende lagen aan de randen. Het is ook de moeite waard om te benadrukken dat de hierboven geschetste benaderingen het mogelijk maken om batterij- of condensatorcellen te vervaardigen waarbij het anode- en kathodeoppervlak groter is dan 100 cm2.more specifically, the charge storage function is provided by using graphite deposition processing to thereby create an active layer. In an exemplary embodiment, the cathode and / or the anode, preferably both, is based on an Al foil, preferably provided with a protective layer applied thereon. In a further advantageous embodiment, the cathode and / or the anode, preferably both, are used as a heat sink (by designing the area of the current collectors or capacitor plates to be larger than the active area of the cell and designed for exposure to ambient air and / or to soak in an (electrically insulating) coolant, possibly in combination with active circulation of the coolant). These current collectors or capacitor foils can first be provided with insulating layers at the edges before cutting. It is also worth emphasizing that the approaches outlined above make it possible to fabricate battery or capacitor cells where the anode and cathode area is greater than 100 cm2.
Merk op dat de bovenstaande benaderingen de vervaardiging van folies of vellen mogelijk maken die als halfcellen kunnen worden beschouwd, in die zin dat wanneer ze op de juiste manier worden gecombineerd, cellen worden gedefinieerd. Binnen een dergelijke benadering zullen die batterijcellen een gemeenschappelijke folie of vel delen als stroomcollector of condensatorplaat. Daarom kan men een batterij- of condensatorarrangement beschouwen, tot zelfs een pakket, omvattende een hoeveelheid batterij- of condensatorcellen, waarbij opeenvolgende batterij- of condensatorcellen een folie of vel delen.Note that the above approaches allow for the manufacture of films or sheets that can be considered as half cells in the sense that when properly combined, cells are defined. Within such an approach, those battery cells will share a common foil or sheet as a current collector or capacitor plate. Therefore, one can consider a battery or capacitor arrangement, even a package, comprising a number of battery or capacitor cells, where successive battery or capacitor cells share a foil or sheet.
Onder verwijzing naar de voorbeeld uitvoeringsvorm hierboven openbaart de uitvinding ook een Al-folie of vel, geschikt voor gebruik in een batterij of condensatorcel (of het monolithische equivalent van een module), als anode of kathode, met het kenmerk dat genoemde folie of vel is voorzien van een beschermlaag, vooral aan de kathodezijde.With reference to the exemplary embodiment above, the invention also discloses an Al foil or sheet, suitable for use in a battery or capacitor cell (or the monolithic equivalent of a module), as an anode or cathode, characterized in that said foil or sheet is provided with a protective layer, especially on the cathode side.
In een verdere uitvoering daarvan wordt genoemde folie of vel aangevuld met een grafietafzetting, om daardoor een actieve laag te creëren om een ladingopslagfunctie te verschaffen. De bovengenoemde folie of vel is daarom typisch aan beide zijden voorzien van de één of meer van de lagen en bij voorkeur ook voorzien van de separator. De gerelateerde fabricagemethoden voor de (bijna) identieke foliecellen kunnen als volgt worden beschreven: De uitvinding voorziet inderdaad in een werkwijze voor het op rol of vel gebaseerd vervaardigen van een arrangement van materialen voor gebruik in een batterij of condensatorcel, omvattende de stappen van: (i) het verschaffen van een (drager) materiaal, geschikt om te dienen als anode of kathode, als een vel of folie; (ii) het aanbrengen van één of meer verdere materialen op genoemd materiaal.In a further embodiment thereof, said foil or sheet is supplemented with a graphite deposit, thereby creating an active layer to provide a charge storage function. The aforementioned foil or sheet is therefore typically provided on both sides with the one or more of the layers and preferably also provided with the separator. The related fabrication methods for the (nearly) identical foil cells can be described as follows: Indeed, the invention provides a method for manufacturing an array of materials for use in a battery or capacitor cell based on a roll or sheet, comprising the steps of: i) providing a (carrier) material, suitable to serve as an anode or cathode, as a sheet or foil; (ii) applying one or more further materials to said material.
In een eerste uitvoeringsvorm is het verdere materiaal geschikt om als separator te werken, bij voorkeur is het verdere materiaal aangepast om de aanwezigheid van elektrolyt te verdragen.In a first embodiment, the further material is suitable to act as a separator, preferably the further material is adapted to tolerate the presence of electrolyte.
In een tweede uitvoeringsvorm is het verdere materiaal geschikt om te werken als actief materiaal binnen een batterij om een ladingopslagfunctie te verschaffen.In a second embodiment, the further material is adapted to act as an active material within a battery to provide a charge storage function.
In een derde uitvoeringsvorm is het verdere materiaal geschikt om als beschermlaag op het (drager) materiaal te werken (ter bescherming tegen het oplossen van (een deel van) de folie of het vel in de elektrolyt).In a third embodiment, the further material is suitable for acting as a protective layer on the (carrier) material (to protect against dissolving (part of) the foil or the sheet in the electrolyte).
Gebaseerd op het bovenstaande openbaart de uitvinding ook een werkwijze voor het vervaardigen van een batterij of condensator (cel), omvattende (a) het uitvoeren van één of meer van de hierboven beschreven werkwijzen een eerste keer (in opeenvolgende stappen); (b) een tweede keer uitvoeren van één of meer van die methoden aan de andere kant van het (drager) materiaal dat in stap (a) is gebruikt.Based on the above, the invention also discloses a method of manufacturing a battery or capacitor (cell), comprising (a) performing one or more of the above-described methods for a first time (in successive steps); (b) performing one or more of those methods a second time on the other side of the (support) material used in step (a).
Voor de volledigheid kunnen voor de uitgevonden opslaginrichtingen (batterij (cel), condensator) met hun structurele en/of elektrische kenmerken alternatieve en geschiktere bewakings- en/of controlemethoden worden gebruikt, gebruik makend van die kenmerken.For the sake of completeness, for the invented storage devices (battery (cell), capacitor) with their structural and / or electrical characteristics, alternative and more suitable monitoring and / or control methods can be used using those characteristics.
Daarom heeft de uitvinding verder betrekking op: e Monitoren van de laadstatus/ontladingscapaciteit via indirecte monitoring van het soortelijk gewicht door middel van hydrostatische druk en/of andere vlotterniveau metingen van de elektrolyt. Door (semi-) continu de hoogte van de vloeistof en de hydrostatische druk op één of meerdere punten te meten, wordt de veranderende elektrolytdichtheid verkregen. In wezen worden twee kleine sensoren gebruikt die de vloeistof in één of meerdere of alle cellen in een stack onderzoeken. Aangezien de bron van de dubbele ionen de elektrolyt is, zal er een zinvolle verandering in de elektrolytdichtheid optreden van ontladen naar geladen toestanden en vice versa. Het meten van de curve die de elektrolytdichtheid relateert aan de capaciteit van de cel, levert het model op dat kan worden gebruikt in een BMS (batterijmeetsysteem). Vooral gezien het feit dat de spanningscurve van de KFSI-cel extreem vlak is, is de spanningsmethode nutteloos, tenzij je spanningsveranderingen kunt volgen met extreem hoge resoluties, waarvoor hoge performantie gebaseerde microcontrollers nodig zijn die momenteel niet beschikbaar zijn. Bovendien kan het nodig zijn om celspanningen te monitoren in plaats van stackspanningen en met een groter aantal cellen worden de computerbehoeften van controllers nog uitdagender en dus duurder.Therefore, the invention further relates to: Monitoring of the charge status / discharge capacity via indirect monitoring of the specific gravity by means of hydrostatic pressure and / or other float level measurements of the electrolyte. By (semi) continuously measuring the height of the liquid and the hydrostatic pressure at one or more points, the changing electrolyte density is obtained. Essentially, two small sensors are used that examine the fluid in one or more or all of the cells in a stack. Since the source of the double ions is the electrolyte, there will be a meaningful change in the electrolyte density from discharged to charged states and vice versa. Measuring the curve relating the electrolyte density to the capacity of the cell provides the model that can be used in a BMS (battery measurement system). Especially considering that the voltage curve of the KFSI cell is extremely flat, the voltage method is useless unless you can track voltage changes at extremely high resolutions, requiring high performance based microcontrollers that are not currently available. In addition, it may be necessary to monitor cell voltages rather than stack voltages and with a greater number of cells, the computing needs of controllers become even more challenging and thus more expensive.
e De uitvinding biedt ook monitoring van de laadstatus/ontladingscapaciteit door gebruik te maken van een real-time programmeerbare logica met spanningsregeling met behulp van ultrahoge spanningsresolutie om de capaciteit op de vlakke spanningscurve van KFSI-cellen of -stacks te kunnen volgen (stacks hebben hogere resoluties nodig dan cellen aangezien de absolute waarde hoger is op stackniveau, dus dezelfde afwijkingen zijn veel kleinere percentages dan op celniveau). De programmering van de logica kan gebaseerd zijn op gedetailleerde karakterisering op basis van een eerdere methode (gebruikmakend van hydrostatische druk en ten minste één andere nauwkeurige vlotterniveau meettechniek), zelfs bij veroudering met karakterisering gedurende een versnelde verouderingscyclus. Het opnemen van verouderingsgegevens in de programmering van de logica heeft het voordeel dat het niet hoeft te worden gekalibreerd tijdens de levensduur, waardoor onderhoud ter plaatse wordt vermeden. Ook karakterisering van een veelheid aan cellen en gelijktijdige hoge resolutie monitoring van de stackpanning zou een nauwkeurige black box-monitoringsmethode op stackniveau kunnen onthullen die de H/W- en S/W-kosten aanzienlijk zou verminderen. Merk op dat hoe groter de cellen in het gebied, hoe meer variabelen worden opgeheven, wat leidt tot effectieve black box-controle op stackniveau.The invention also provides charge status / discharge capacity monitoring by utilizing a real-time programmable voltage control logic using ultra-high voltage resolution to track the capacitance on the flat voltage curve of KFSI cells or stacks (stacks have higher resolutions than cells as the absolute value is higher at the stack level, so the same deviations are much smaller percentages than at the cell level). The programming of the logic can be based on detailed characterization based on a previous method (using hydrostatic pressure and at least one other accurate float level measurement technique), even when aging with characterization during an accelerated aging cycle. Incorporating aging data into the logic programming has the advantage of not having to be calibrated during its lifetime, avoiding on-site maintenance. Also, characterization of a multitude of cells and simultaneous high-resolution stack voltage monitoring could reveal an accurate stack-level black box monitoring method that would significantly reduce H / W and S / W costs. Note that the larger the cells in the area, the more variables override, leading to effective stack-level black box control.
e De uitvinding biedt verder een laad-/ontlaadcontroller aan op basis van hetzelfde programmeerbare platform. Naast spanningsmonitoring hierboven tijdens karakterisering, worden ook capaciteit en stromen gemonitord om aanvullende datasets te genereren voor het programmeren van de logica om de levensduur van cellen en dus stacks te optimaliseren.The invention further provides a charge / discharge controller based on the same programmable platform. In addition to voltage monitoring above during characterization, capacitance and currents are also monitored to generate additional datasets for programming the logic to optimize cell life and thus stacks.
e De uitvinding biedt verder statusmonitoring aan op basis van hetzelfde programmeerbare platform gebaseerd op capaciteitsmonitoring naar het hoogste verzadigingsspanningsniveau.The invention further offers status monitoring based on the same programmable platform based on capacity monitoring to the highest saturation voltage level.
De uitvinding biedt een voordelig gebruik van de programmeerbare logische benadering doordat eigen datasets, specifiek gegenereerd met betrekking tot elke elektrolyt die in de voorgestelde cellen wordt gebruikt, worden gebruikt, in het bijzonder voor de dual ion single (dual) grafiet batterij-arrangementen beschreven in de volledige beschrijving. De uitvinding kan als volgt worden geformaliseerd:The invention offers an advantageous use of the programmable logic approach in that proprietary data sets, specifically generated with respect to each electrolyte used in the proposed cells, are used, in particular for the dual ion single (dual) graphite battery arrangements described in the full description. The invention can be formalized as follows:
1. Een batterij, omvattende (i) een anode, (ii) een kathode; (iii) een separator tussen de anode en de kathode; (iv) een elektrolyt, tussen de anode en de kathode, met het kenmerk dat de separator een geschuimd polymeer of een geschuimde polymeerverbinding is, aangepast voor ionentransport voor het door de anode, kathode en elektrolyt gedefinieerde elektrochemische systeem.A battery comprising (i) an anode, (ii) a cathode; (iii) a separator between the anode and the cathode; (iv) an electrolyte, between the anode and the cathode, characterized in that the separator is a foamed polymer or a foamed polymer compound, adapted for ion transport for the electrochemical system defined by the anode, cathode and electrolyte.
2. De batterij van 1, waarbij de separator in contact komt met ofwel de anode, de kathode of beide.2. The battery of 1, with the separator in contact with either the anode, the cathode, or both.
3. De batterij van 2, waarbij genoemde separator in contact komt met zowel genoemde anode als genoemde kathode en waarbij genoemde elektrolyt in hoofdzaak is verschaft binnen een deel van genoemde separator, die daarom is aangepast.3. The battery of 2, wherein said separator contacts both said anode and said cathode and wherein said electrolyte is provided substantially within a portion of said separator, which is therefore adapted.
4. De batterij van 2, waarbij genoemde separator is bevestigd of vastgemaakt aan ofwel genoemde anode, genoemde kathode of beide.4. The battery of 2, wherein said separator is attached or attached to either said anode, said cathode or both.
5. De batterij van een van de voorgaande mogelijkheden, waarbij genoemd geschuimd polymeer is aangepast om de aanwezigheid van genoemd elektrolyt te verdragen, in het bijzonder wordt genoemd geschuimd polymeer gecross-linkt.The battery of one of the foregoing possibilities, wherein said foamed polymer is adapted to tolerate the presence of said electrolyte, in particular said foamed polymer is cross-linked.
6. De batterij van één van de voorgaande mogelijkheden, waarbij het geschuimde polymeer een open celstructuur omvat.The battery of any of the foregoing, wherein the foamed polymer comprises an open cell structure.
7. De batterij van één van de voorgaande mogelijkheden, waarbij ofwel de anode of de kathode of beide van één enkel materiaal of een complexe structuur is (gelaagd, samengesteld, gelegeerd, meshed, geperforeerd, geruwd) (om het contactoppervlak voor actieve laagbelasting te vergroten ) of gelamineerd met een ruwe of geruwde drager).7. The battery of one of the foregoing possibilities, wherein either the anode or the cathode or both is of a single material or complex structure (layered, composite, alloyed, meshed, perforated, roughened) (to provide the contact surface for active layer loading. enlarge) or laminated with a rough or roughened carrier).
8. De batterij volgens één van de voorgaande mogelijkheden, waarbij ofwel de anode of de kathode of beide zijn gecoat met één of meer coatings.8. The battery according to one of the preceding possibilities, wherein either the anode or the cathode or both are coated with one or more coatings.
9. De batterij volgens één van de voorgaande mogelijkheden, waarbij het materiaal, de structuur en/of coatings geschikt zijn voor gebruik bij de rol-tot-rolproductie van ofwel de anode of kathode of beide.The battery according to any one of the preceding possibilities, wherein the material, structure and / or coatings are suitable for use in the roll-to-roll production of either the anode or cathode or both.
10. De batterij volgens één van de voorgaande mogelijkheden, waarbij het materiaal, de structuur en/of coatings geschikt zijn voor gebruik in roll-to-roll continue productie van de in-line beveiligde (geïntegreerde of ingebedde) separatoranode of kathode arrangement.The battery according to one of the preceding possibilities, wherein the material, structure and / or coatings are suitable for use in roll-to-roll continuous production of the in-line secured (integrated or embedded) separator anode or cathode arrangement.
11. De batterij van één van de voorgaande items, waarbij de anode Al is of alle geleidende materialen met of zonder een drager, in het bijzonder alkalimetalen zoals kalium, calcium, natrium, magnesium, lithium, koolstofmaterialen zoals koolstofpoeders, grafieten in elk vorm, nanobuisjes, nanostaafjes, nanobuds, grafeen, supergeleiders met een coating van actieve materialen zoals grafiet, allerlei soorten koolstof, silicium, polypyreen enz …11. The battery of any one of the foregoing items, wherein the anode is Al or any conductive materials with or without a support, especially alkali metals such as potassium, calcium, sodium, magnesium, lithium, carbon materials such as carbon powders, graphites in any form, nanotubes, nanorods, nanobuds, graphene, superconductors with a coating of active materials such as graphite, all kinds of carbon, silicon, polypyrene, etc.
12. De batterij van één van de voorgaande items, waarbij de kathode elk geleidend materiaal is met of zonder een drager zoals … TiN, CrN, Tungsten of één van de bovengenoemde geleidende materialen vanaf de anodezijde met een coating van actieve materialen zoals grafiet, alle soorten koolstof, silicium, enz …12. The battery of any of the foregoing items, wherein the cathode is any conductive material with or without a support such as ... TiN, CrN, Tungsten or any of the above conductive materials from the anode side with a coating of active materials such as graphite, all types of carbon, silicon, etc ...
13. Werkwijze voor het vervaardigen van op een rol of vel gebaseerd productie van een arrangement van materialen voor gebruik in een batterij zoals in 1, omvattende de stappen van: (i) het verschaffen van een (drager) materiaal, geschikt om te dienen als anode of kathode, als een plaat of folie; (ii) het aanbrengen van een geschuimd polymeer op genoemd materiaal, geschikt om als separator te werken.A method of manufacturing a roll or sheet based production of an arrangement of materials for use in a battery as in 1, comprising the steps of: (i) providing a (carrier) material suitable to serve as anode or cathode, as a plate or foil; (ii) applying a foamed polymer to said material, suitable to act as a separator.
14. Werkwijze volgens 13, waarbij stap (ii) een (extrusie) coatingproces omvat, voorzien van (i) granulaten, dat het polymeer definieert en (ii) één of meer schuimmiddelen.The method of 13, wherein step (ii) comprises an (extrusion) coating process comprising (i) granulates defining the polymer and (ii) one or more foaming agents.
15. Werkwijze volgens 14, waarbij het (extrusie) coatingproces verder wordt voorzien van één of meer toevoegingen om het geschuimde polymeer aan de anode of kathodefolie te bevestigen.The method of 14, wherein the (extrusion) coating process is further provided with one or more additives to attach the foamed polymer to the anode or cathode foil.
16. Werkwijze volgens 15, omvattende een stap voor het bevestigen van het geschuimde polymeer aan het (drager) materiaal, meer in het bijzonder is de stap een drukstap.16. Method according to 15, comprising a step of attaching the foamed polymer to the (carrier) material, more in particular the step is a printing step.
17. De werkwijze van elk van de bovenstaande, verder omvattende een stap om ervoor te zorgen dat het geschuimde polymeer is aangepast om de aanwezigheid van de elektrolyt te verdragen, in het bijzonder door te zorgen voor cross-linking in de polymeer, in het bijzonder maar niet beperkt tot de stap is een UV-uitharding en/of verwarmingsstap.17. The method of any of the above, further comprising a step of ensuring that the foamed polymer is adapted to tolerate the presence of the electrolyte, in particular by providing cross-linking in the polymer, in particular but not limited to the step is a UV curing and / or heating step.
18. Samenstelling van materialen, geselecteerd voor gebruik in de werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, omvattende (i) granulaten, die het polymeer of de polymeerverbinding definiëren, (ii) één of meer schuimmiddelen.A composition of materials selected for use in the method of any preceding claim comprising (i) granules defining the polymer or polymer compound, (ii) one or more foaming agents.
19. De samenstelling van materialen van 17, verder omvattende (iii) één of meer toevoegingen zoals, maar niet beperkt tot, hechtingsverbeterende middelen, anti- oxidanten, kleurstoffen zoals kleurstoffen en pigmenten, verwerkingshulpmiddelen, vulstoffen, anti- statische middelen, middelen die de geleidbaarheid van de polymeermatrix beïnvloeden.19. The composition of materials of 17, further comprising (iii) one or more additives such as, but not limited to, adhesion-improving agents, antioxidants, dyes such as dyes and pigments, processing aids, fillers, anti-static agents, agents that increase the influence conductivity of the polymer matrix.
20. Een methode voor het verschaffen van een batterij zoals in 1, aangepast in termen van één of meer parameters, waarbij de methode omvat: (i) het laden van de parameters; (ii) het bepalen van de lengte en/of breedte van de anode en/of kathode, gebaseerd op de parameters; (iii) het voorzien van genoemde anode en/of kathode van genoemde bepaalde lengte en/of breedte door het afsnijden van een arrangement van materiaal omvattende een (drager) materiaal, geschikt om te werken als anode of kathode; en een geschuimd polymeer, geschikt om als separator te werken, op genoemd materiaal, optioneel vervaardigd met de methode van één van de items 13 tot 17; en (iv) daarmee een batterijcel assembleren.A method for providing a battery as in 1 adapted in terms of one or more parameters, the method comprising: (i) loading the parameters; (ii) determining the length and / or width of the anode and / or cathode based on the parameters; (iii) providing said anode and / or cathode of said determined length and / or width by cutting off an arrangement of material comprising a (support) material suitable to act as an anode or cathode; and a foamed polymer, suitable to act as a separator, on said material, optionally prepared by the method of any one of items 13 to 17; and (iv) assemble a battery cell therewith.
21. Werkwijze volgens 20, waarbij de stap van het snijden deel uitmaakt van op vel- of rolgebaseerde verwerking.The method of 20, wherein the cutting step is part of sheet or roll based processing.
22. Een folie of vel voor gebruik bij (fabricage, bij voorkeur in overeenstemming met de methode van 20 of 21) de batterij van 1, waarbij de folie of het vel optioneel is vervaardigd volgens de methoden van 13 tot 17, waarbij de folie of het vel een (drager) materiaal omvat, geschikt om te werken als anode of kathode; en een geschuimd polymeer op het materiaal, geschikt om als separator te werken.22. A foil or sheet for use with (manufacture, preferably in accordance with the method of 20 or 21) the battery of 1, the foil or sheet being optionally made according to the methods of 13 to 17, wherein the foil or sheet is the sheet comprises a (carrier) material suitable for acting as an anode or cathode; and a foamed polymer on the material, suitable for acting as a separator.
23. De folie of het vel van 22 wordt op rol geleverd.23. The foil or sheet of 22 is supplied on a roll.
24. De folie of het vel van 22 of 23, waarbij genoemd geschuimd polymeer is bevestigd met additieven op genoemd (drager) materiaal.24. The film or sheet of 22 or 23, wherein said foamed polymer is attached with additives to said (support) material.
25. De folie of het vel van één van de 22 tot 24, waarin het geschuimde polymeer is aangepast om de aanwezigheid van elektrolyt te verdragen, in het bijzonder door te zorgen voor cross-linking in het polymeer.25. The foil or sheet of any one of 22 to 24, wherein the foamed polymer is adapted to tolerate the presence of electrolyte, in particular by providing cross-linking in the polymer.
26. Een werkwijze voor het vervaardigen op rol of vel gebaseerde productie van een arrangement van materialen voor gebruik in een batterijcel, die de volgende stappen omvat: (i) het verschaffen van een (drager) materiaal, geschikt om te dienen als anode of kathode, als een vel of folie; (ii) het aanbrengen van een ander materiaal op het materiaal, geschikt om als separator te werken, bij voorkeur is het verdere materiaal aangepast om de aanwezigheid van elektrolyt te verdragen.A method of manufacturing a roll or sheet-based production of an arrangement of materials for use in a battery cell, comprising the steps of: (i) providing a (carrier) material suitable for serving as an anode or cathode , as a sheet or foil; (ii) applying another material to the material, suitable to act as a separator, preferably the further material is adapted to tolerate the presence of electrolyte.
27. Een methode voor het verschaffen van een batterijcel, aangepast in termen van één of meer parameters, waarbij de methode omvat: (i) het laden van de parameters; (ii) het bepalen van de lengte en/of breedte van de anode en/of kathode, gebaseerd op de parameters; (iii) het voorzien van genoemde anode en/of kathode van genoemde bepaalde lengte en/of breedte door het afsnijden van een arrangement van materiaal omvattende een (drager) materiaal, geschikt om te werken als anode of kathode; en een ander materiaal, geschikt om als separator te werken, op het materiaal, optioneel vervaardigd met de methode van 26; en (iv) daarmee een batterij assembleren.A method of providing a battery cell, adapted in terms of one or more parameters, the method comprising: (i) loading the parameters; (ii) determining the length and / or width of the anode and / or cathode based on the parameters; (iii) providing said anode and / or cathode of said determined length and / or width by cutting off an arrangement of material comprising a (support) material suitable to act as an anode or cathode; and another material, suitable to act as a separator, on the material, optionally made by the method of 26; and (iv) assemble a battery therewith.
28. De werkwijze van 27, waarbij genoemde stap van snijden een onderdeel is van op vel of rol gebaseerde verwerking.28. The method of 27, wherein said cutting step is part of sheet or roll based processing.
29. Een folie of vel voor gebruik bij (fabricage, bij voorkeur in overeenstemming met de methode van 27 of 28) een batterij, waarbij de folie of het vel optioneel is vervaardigd volgens de methoden van 26, waarbij de folie of het vel een (drager) materiaal omvat, geschikt als anode of kathode; en een verder materiaal op het materiaal, geschikt om als separator te werken.29. A foil or sheet for use in (manufacture, preferably in accordance with the method of 27 or 28) a battery, the foil or sheet being optionally made according to the methods of 26, wherein the foil or sheet has a ( carrier) material suitable as an anode or cathode; and a further material on the material suitable for acting as a separator.
30. De folie of het vel van 29 wordt op rol geleverd.30. The foil or sheet of 29 is supplied on a roll.
31. De folie of het vel van 29 of 30, waarbij het verdere materiaal wordt bevestigd met additieven op het (drager) materiaal.31. The foil or sheet of 29 or 30, wherein the further material is attached with additives to the (carrier) material.
32. De folie of het vel van een van de 29 tot 31, waarin het verdere materiaal is aangepast om de aanwezigheid van elektrolyt te verdragen.32. The foil or sheet of any one of 29 to 31, wherein the further material is adapted to tolerate the presence of electrolyte.
33. Een werkwijze voor het vervaardigen van op rol of vel gebaseerde productie van een arrangement van materialen voor gebruik in een batterij, omvattende de stappen van: (i) het verschaffen van een (drager) materiaal, als een vel of folie; (ii) het voorzien van een ander materiaal op genoemd materiaal, geschikt om te werken als actief materiaal in een batterij.A method of manufacturing a roll or sheet-based production of an arrangement of materials for use in a battery, comprising the steps of: (i) providing a (carrier) material, as a sheet or foil; (ii) providing another material on said material, capable of acting as an active material in a battery.
34. De werkwijze van 33, waarbij stap (ii) een (extrusie) coatingproces of een aerosoltechniek omvat.34. The method of 33, wherein step (ii) comprises an (extrusion) coating process or an aerosol technique.
35. Een methode voor het verschaffen van een batterijcel, aangepast in termen van één of meer parameters, waarbij de methode omvat: (i) het laden van de parameters; (ii) het bepalen van de lengte en/of breedte van de anode en/of kathode, gebaseerd op de parameters; (iii) het voorzien van genoemde anode en/of kathode van genoemde bepaalde lengte en/of breedte door het snijden van een arrangement van materiaal dat een (drager) materiaal omvat; en een verder materiaal, geschikt om te werken als actief materiaal binnen een batterijcel, op genoemd materiaal, optioneel gemaakt door de methode van 33 of 34; en (iv) daarmee een batterij assembleren.A method of providing a battery cell, adapted in terms of one or more parameters, the method comprising: (i) loading the parameters; (ii) determining the length and / or width of the anode and / or cathode based on the parameters; (iii) providing said anode and / or cathode of said determined length and / or width by cutting an arrangement of material comprising a (support) material; and a further material, adapted to act as active material within a battery cell, on said material, made optional by the method of 33 or 34; and (iv) assemble a battery therewith.
36. De werkwijze volgens 35, waarbij de stap van het snijden deel uitmaakt van op vel of folie gebaseerde verwerking.36. The method of 35, wherein the cutting step is part of sheet or film based processing.
37. Een folie of vel voor gebruik bij (fabricage, bij voorkeur in overeenstemming met de methode van 35 of 36) een batterij, waarbij de folie of het vel optioneel wordt vervaardigd volgens de methoden van 33 of 34, waarbij de folie of het vel een (drager) materiaal omvat; en een ander materiaal op het materiaal, geschikt om te werken als actief materiaal in een batterijcel.37. A foil or sheet for use in (manufacture, preferably in accordance with the method of 35 or 36) a battery, the foil or sheet being optionally manufactured by the methods of 33 or 34, wherein the foil or sheet comprises a (carrier) material; and another material on the material, capable of acting as an active material in a battery cell.
38. De folie of het vel van 37 wordt op rol geleverd.38. The foil or sheet of 37 is supplied on a roll.
39. Een werkwijze voor het vervaardigen van een batterij, omvattende het uitvoeren van de methode van 33 een eerste keer om een anode te verschaffen door een Al- vel aan te brengen en grafiet (via mengselcoating, i.e. bekleding met een mengsel) als verder (actief) materiaal daarop (en daarna een separatormateriaal daarop) aan te brengen); het uitvoeren van de methode van 33 een tweede keer om een kathode te verschaffen door een plastic vel aan te brengen en eerst een koolstoflaag (zoals nanobuisjes, nanobuds, grafeen, enz … via een aerosoltechniek) als verder materiaal daarop (en daarna (via mengselcoating) een grafietlaag daarop); en tenslotte het combineren van beide gegenereerde materiaalarrangementen.39. A method of manufacturing a battery comprising performing the method of 33 a first time to provide an anode by applying an Al sheet and graphite (via mixture coating, ie coating with a mixture) as further ( active) to apply material thereon (and thereafter a separator material thereon); performing the method of 33 a second time to provide a cathode by applying a plastic sheet and first a carbon layer (such as nanotubes, nanobuds, graphene, etc ... via an aerosol technique) as further material on top (and then (via mixture coating) ) a graphite layer thereon); and finally combining both generated material arrangements.
40. Een batterijarrangement, omvattende een aantal batterijonderdelen, elk afgeleid van dezelfde folie of vel als in 38, waarbij die onderdelen zijn voorzien van middelen om (serieel en/of parallel) verbinding van die onderdelen te realiseren wanneer ze naast elkaar worden geplaatst in zo'n arrangement.40. A battery arrangement, comprising a number of battery parts, each derived from the same foil or sheet as in 38, said parts being provided with means for realizing (serial and / or parallel) connection of those parts when they are placed side by side in such a manner. an arrangement.
41. Een batterijarrangement, omvattende een aantal batterijonderdelen (die serieel verbonden zijn), elk afgeleid van opeenvolgend toepassen van de methode van 39 op een eerder verkregen folie.41. A battery arrangement, comprising a plurality of battery parts (serially connected), each derived from successively applying the method of 39 to a previously obtained film.
42. Het batterijarrangement van 41, waarbij de buitenste batterijonderdelen zijn voorzien van middelen om een externe verbinding van die onderdelen te realiseren.42. The battery arrangement of 41, wherein the outer battery parts are provided with means for realizing an external connection of those parts.
Zoals gezegd kunnen veel van de bovenstaande overwegingen ook worden gemaakt voor een condensator, in welk geval een diëlektrische laag wordt aangebracht in plaats van een separator.As mentioned, many of the above considerations can also be made for a capacitor, in which case a dielectric layer is provided instead of a separator.
Claims (31)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP18215492 | 2018-12-21 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BE1026832A1 BE1026832A1 (en) | 2020-06-30 |
BE1026832B1 true BE1026832B1 (en) | 2021-03-19 |
Family
ID=64901401
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BE20195949A BE1026832B1 (en) | 2018-12-21 | 2019-12-19 | REAL ROLL TO ROLL IN-LINE MANUFACTURABLE LARGE SURFACE BATTERY AND CAPACITOR CELLS, BATTERY AND CAPACITOR STACKS |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3900074A2 (en) |
BE (1) | BE1026832B1 (en) |
WO (1) | WO2020127802A2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006179279A (en) * | 2004-12-22 | 2006-07-06 | Nitto Denko Corp | Separator for battery and method of manufacturing battery using it |
US20140287321A1 (en) * | 2013-03-14 | 2014-09-25 | University Of Washington Through Its Center For Commercialization | Method to produce nanoporous polymeric membranes |
US20170365854A1 (en) * | 2016-06-21 | 2017-12-21 | Applied Materials, Inc. | Interphase layer for improved lithium metal cycling |
-
2019
- 2019-12-19 WO PCT/EP2019/086411 patent/WO2020127802A2/en active Search and Examination
- 2019-12-19 EP EP19829179.1A patent/EP3900074A2/en not_active Withdrawn
- 2019-12-19 BE BE20195949A patent/BE1026832B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006179279A (en) * | 2004-12-22 | 2006-07-06 | Nitto Denko Corp | Separator for battery and method of manufacturing battery using it |
US20140287321A1 (en) * | 2013-03-14 | 2014-09-25 | University Of Washington Through Its Center For Commercialization | Method to produce nanoporous polymeric membranes |
US20170365854A1 (en) * | 2016-06-21 | 2017-12-21 | Applied Materials, Inc. | Interphase layer for improved lithium metal cycling |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3900074A2 (en) | 2021-10-27 |
WO2020127802A3 (en) | 2020-07-30 |
WO2020127802A2 (en) | 2020-06-25 |
BE1026832A1 (en) | 2020-06-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhao et al. | A review of air-cooling battery thermal management systems for electric and hybrid electric vehicles | |
Gao et al. | Designed high-performance lithium-ion battery electrodes using a novel hybrid model-data driven approach | |
Sanker et al. | Phase change material based thermal management of lithium ion batteries: A review on thermal performance of various thermal conductivity enhancers | |
US9929440B2 (en) | Electric vehicle propulsion system and method utilizing solid-state rechargeable electrochemical cells | |
Sripad et al. | Evaluation of current, future, and beyond Li-ion batteries for the electrification of light commercial vehicles: challenges and opportunities | |
Zhang et al. | An all-solid-state lithium battery using the Li7La3Zr2O12 and Li6. 7La3Zr1. 7Ta0. 3O12 ceramic enhanced polyethylene oxide electrolytes with superior electrochemical performance | |
Samad et al. | Superionic and electronic conductivity in monolayer W 2 C: ab initio predictions | |
Thomas et al. | Mathematical modeling of lithium batteries | |
Pals et al. | Thermal modeling of the lithium/polymer battery: I. Discharge behavior of a single cell | |
Huang et al. | Graphene-based quasi-solid-state lithium–oxygen batteries with high energy efficiency and a long cycling lifetime | |
KR101469332B1 (en) | Production method of electrode and production control system of electrode | |
US20220209277A1 (en) | Systems and methods for electrical energy storage | |
Liu et al. | Enhanced performance of Mo 2 P monolayer as lithium-ion battery anode materials by carbon and nitrogen doping: a first principles study | |
Pan et al. | Designing Solvated Double‐Layer Polymer Electrolytes with Molecular Interactions Mediated Stable Interfaces for Sodium Ion Batteries | |
BE1026832B1 (en) | REAL ROLL TO ROLL IN-LINE MANUFACTURABLE LARGE SURFACE BATTERY AND CAPACITOR CELLS, BATTERY AND CAPACITOR STACKS | |
Danzi et al. | Sodium and potassium ion rich ferroelectric solid electrolytes for traditional and electrode-less structural batteries | |
JP2013093239A (en) | Molten salt battery device and control method for molten salt battery device | |
Kang et al. | Machine Learning-Aided Discovery of Superionic Solid-State Electrolyte for Li-Ion Batteries | |
Shen et al. | In Situ Polymerization Inhibiting Electron Localization in Hybrid Electrolyte for Room‐Temperature Solid‐State Lithium Metal Batteries | |
Liu et al. | Improving battery safety for electric vehicles through the optimization of battery design parameters | |
US20200067142A1 (en) | Lithium Ion Accumulator In Sandwich Design And Method For The Production Thereof | |
Sheelam et al. | Comparison between supercapacitors and other energy storing electrochemical devices | |
WO2021255294A1 (en) | True roll to roll in-line manufacturable large area battery and capacitor cells, battery and capacitor stacks | |
US11605852B2 (en) | Techniques for forming thermally resilient energy storage devices and a battery thermal management system implementing same | |
Ghosh | First-principles study on h-BSi 3 sheet as a promising high-performance anode for sodium-ion batteries |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG | Patent granted |
Effective date: 20210319 |
|
MM | Lapsed because of non-payment of the annual fee |
Effective date: 20221231 |