BE1026832B1 - Echte roll to roll in-line fabriceerbare grote oppervlaktebatterij en condensatorcellen, batterij en condensatorstacks - Google Patents

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.

Description

ECHTE ROLL TO ROLL IN-LINE FABRICEERBARE GROTE OPPERVLAKTE

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.

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.

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.

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.

Bovendien moeten de synthese van vaste reactanten (bijv.

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.

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.

De assemblagekosten om pakketten te bekomen zijn gemakkelijk meer dan 15% van de kosten van het batterijpakket.

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.

Gewicht is alleen relevant voor transportdoeleinden waarbij bijvoorbeeld vrachten tot 40 ton op vrachtwagens op snelwegen zijn toegestaan.

Met andere woorden, celdichtheid is niet de primaire bezorgdheid van energieproducenten en netbeheerders.

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.

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.

Historisch gezien werden kleine batterijcellen al in de jaren negentig op smalle magneetbandmachines gemaakt.

Sony stond onder druk om een alternatieve toepassing voor het gereedschap te vinden, omdat magnetische banden door compact discs werden verplaatst.

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.

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.

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.

Met deze polarisatie naar module- en pakketassemblage, neigen innovaties rond klassieke (zoals zgn.

Rocking chair single ion bijv.

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.

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.

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.

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.

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 een verdere bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt het gebruik van een geschuimd polymeer of een geschuimde polymeerverbinding verschaft.

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 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.

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.

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.

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.

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).

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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))

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.

Figuur 10 toont een alternatieve methode voor het vervaardigen van modules op basis van herhaalde uitvoering van de hierboven beschreven processen.

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.

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.

Figuur 15 illustreert een stack voorzien van warmte-uitwisselingselementen.

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.

Ze worden gepresenteerd om de meest bruikbare en gemakkelijkste beschrijving van de principes en conceptuele aspecten van de uitvinding te verschaffen.

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.

De beschrijving, genomen met de tekeningen, maakt de vakman duidelijk hoe de verschillende vormen van de uitvinding in de praktijk kunnen worden gebracht.

De uitvinding heeft betrekking op batterijen en condensatoren.

Terwijl in batterijen een separator en stroomcollector worden gebruikt, worden in condensatoren in plaats daarvan een diëlektricum en condensatorplaat gebruikt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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-

ladingopslag, dan is een apart substraat voor stroomafname vereist.

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.

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,

zoals weergegeven in figuur 5) gecombineerd.

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.

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.

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.

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.

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.

Verder is de voorgestelde gecombineerde stroming hier ook geheel een schematische weergave en geen concreet overzicht van de productiefaciliteit.

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.

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).

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.

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.

(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.

(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.

(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.

(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.

(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.

(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.

(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.

De uitvinding heeft betrekking op het vervaardigen van schuim met open cellen, in het bijzonder door gebruik te maken van extrusie-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.

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.

De bovenstaande uitvoeringsvorm kan gecombineerd worden.

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.

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….

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,

dinitrosopentamethyleentetramine, tolueensulfonylhydrazide, p,p'-oxybis (benzeensulfonylhydrazide), azobisisobutyronitril en bariumazodicarboxylaat. Zoals vermeld richt de uitvinding zich op extrusie-coating van het schuim.

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 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,

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

Tenslotte worden hieronder enkele verdere overwegingen met betrekking tot de uitvinding gegeven.

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.

Evenzo wordt in de hele beschrijving het woord batterij- of condensatorassemblage gebruikt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In Li-ioncellen is de stroomcollector voor de kathode Al en voor de anode Cu.

Al kan niet worden gebruikt als stroomcollector voor de anode omdat deze zou oplossen in de elektrolyt met de toepasselijke sterke redoxpotentialen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Dezelfde voordelen gelden voor condensatorarrangementen.

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.

De uitbreidingen in beide vlakke richtingen rond de uiteindelijke batterijcel zijn effectieve koellichamen die kunnen worden aangevuld met een passief of actief koelsysteem.

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.

De restwarmte kan verder worden gebruikt voor energieopwekking of opslag.

De Al-folies kunnen ook verder worden uitgeschoven buiten de koelmiddelkamer, blootgesteld aan de omgevingstemperatuur van lucht.

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.

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 .

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.

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.

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.

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.

Voor bepaalde elektrolyten is de spanningscurve van de stack naar verwachting erg vlak.

Dit is een wenselijk kenmerk omdat het bijdraagt aan een hoger retourrendement.

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.

Daarom zal programmeerbare logica worden gebruikt die gebaseerd is op fysieke modellen van de batterijstack die real- time, deterministische en snelle controleloops mogelijk maakt.

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.

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.

Daarbij wordt netintegratie eenvoudiger en goedkoper door het vermijden van transformatoren en omvormers en door het gebruik van standaardomvormers.

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.

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.

Tegenwoordig worden batterijcellen gestackt door de twee elektroden te assembleren met een separator daartussen.

De separator wordt tegenwoordig altijd apart vervaardigd en door een aannemer aan de celproducent geleverd.

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.

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.

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.

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.

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.

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 dan

100 cm2 bestaat tegenwoordig ook niet.

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.

Bovendien is een celstack of -pakket met dubbelzijdige elektroden ook een nieuwigheid.

Cellen of stacks die de huidige collectoren of condensatorplaten gebruiken als koellichamen is een nieuwigheid.

Cellen of stacks die gebruik maken van in-line gecoate separatoren is een nieuwigheid.

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.

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.

Hierdoor worden de aluminiumfolies dunner en wordt een homogenere interfacekinetiek en warmtespreiding verkregen.

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.

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.

Een n gestackte condensator zou (n- 1) gemeenschappelijke platen hebben die essentieel zijn om lucht of water tussen twee opeenvolgende gestackte condensatoren te vermijden.

Anders zou de permittiviteit van de lucht of het water daartussen de capaciteit van de hele stack drastisch verlagen.

Bovendien maakt de methode ultrahogespannings- supercondensatoren mogelijk, waardoor de netintegratie wordt vereenvoudigd en vermogenselektronica zoals transformatoren, converters en schakelaars wordt geëlimineerd.

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.

Door de flexibiliteit van de resulterende folie kunnen extreem dunne lagen van de diëlektrische coating en extreem grote oppervlakken worden opgerold.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Binnen die concepten van de batterijcellen kan men ervoor kiezen om een dubbele ionencel te implementeren.

Het is ook vermeldenswaardig dat in de bovenstaande batterijcellen de anode en/of kathode zijn ontworpen om gelijktijdig te dienen als ladingopslag en stroomopname,

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.

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.

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.

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 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 een tweede uitvoeringsvorm is het verdere materiaal geschikt om te werken als actief materiaal binnen een batterij om een ladingopslagfunctie te verschaffen.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

e De uitvinding biedt verder statusmonitoring aan op basis van hetzelfde programmeerbare platform gebaseerd op capaciteitsmonitoring naar het hoogste verzadigingsspanningsniveau.

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:

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.

2. De batterij van 1, waarbij de separator in contact komt met ofwel de anode, de kathode of beide.

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.

4. De batterij van 2, waarbij genoemde separator is bevestigd of vastgemaakt aan ofwel genoemde anode, genoemde kathode of beide.

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.

6. De batterij van één van de voorgaande mogelijkheden, waarbij het geschuimde polymeer een open celstructuur omvat.

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).

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.

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.

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.

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 …

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 …

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

21. Werkwijze volgens 20, waarbij de stap van het snijden deel uitmaakt van op vel- of rolgebaseerde verwerking.

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.

23. De folie of het vel van 22 wordt op rol geleverd.

24. De folie of het vel van 22 of 23, waarbij genoemd geschuimd polymeer is bevestigd met additieven op genoemd (drager) materiaal.

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.

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.

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.

28. De werkwijze van 27, waarbij genoemde stap van snijden een onderdeel is van op vel of rol gebaseerde verwerking.

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.

30. De folie of het vel van 29 wordt op rol geleverd.

31. De folie of het vel van 29 of 30, waarbij het verdere materiaal wordt bevestigd met additieven op het (drager) materiaal.

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.

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.

34. De werkwijze van 33, waarbij stap (ii) een (extrusie) coatingproces of een aerosoltechniek omvat.

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.

36. De werkwijze volgens 35, waarbij de stap van het snijden deel uitmaakt van op vel of folie gebaseerde verwerking.

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.

38. De folie of het vel van 37 wordt op rol geleverd.

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.

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.

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.

42. Het batterijarrangement van 41, waarbij de buitenste batterijonderdelen zijn voorzien van middelen om een externe verbinding van die onderdelen te realiseren.

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.

Claims (31)

Conclusies

1. Werkwijze voor het op een rol of vel gebaseerd vervaardigen van een arrangement van materialen voor gebruik in een batterij (cel), omvattende de volgende stappen: (i) het verschaffen van een (drager) materiaal, geschikt om te dienen als anode of kathode, als vel of folie; (ii) het aanbrengen van één of meer verdere materialen op genoemd materiaal, waarbij het verdere materiaal geschikt is om als separator te werken, waarbij de separator een geschuimd polymeer is, omvattende een (extrusie) coatingproces, voorzien van (i) granulaten, die het polymeer definieert en (ii) één of meer blaas- of schuimmiddelen, bij voorkeur ook kiemvormers zijn gebruikt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het verdere materiaal is aangepast om de aanwezigheid van elektrolyt te verdragen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij het (extrusie) coatingproces verder wordt voorzien van één of meer toevoegingen om het geschuimde polymeer aan de anode of kathode (folie) te bevestigen.

4, Werkwijze volgens conclusie 3, omvattende een stap voor het bevestigen van het geschuimde polymeer aan het (drager) materiaal, meer in het bijzonder is de stap een drukstap.

5. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies2, 3 of 4, 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 daartoe beperkt is genoemde stap een UV-uithardings- en/of verwarmingsstap.

6. Een batterij (cel), 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, waarbij de separator contact maakt met ofwel de anode, de kathode of beide en waarbij ofwel de anode of de kathode ofwel beide van één enkel materiaal is of een complexe (gelaagd, samengesteld, gelegeerd, gaasvormig, geperforeerd, geruwd of gelamineerd met een ruw of geruwd drager) structuur en het materiaal, de structuur en/of coatings geschikt zijn voor gebruik bij de rol-tot-rolproductie van de anode of kathode of beide.

7. Batterij (cel) volgens conclusie 6, waarbij de separator in contact komt met zowel de anode als de kathode en waarbij de elektrolyt in hoofdzaak is aangebracht in een deel van de separator, dat daarom is aangepast.

8. Batterij (cel) volgens conclusie 6 of 7, waarbij de separator is bevestigd of vastgemaakt aan ofwel de anode, de kathode of beide.

9. Batterij (cel) volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij genoemd geschuimd polymeer is aangepast om de aanwezigheid van genoemd elektrolyt te verdragen, in het bijzonder genoemd geschuimd polymeer wordt gecross-linkt.

6. Batterij (cel) volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij het geschuimde polymeer een open celstructuur omvat.

10. De batterij van één van de voorgaande mogelijkheden, waarbij het geschuimde polymeer een open celstructuur omvat.

11. De batterij volgens één van de voorgaande mogelijkheden, waarbij ofwel de anode of de kathode of beide zijn gecoat met één of meer coatings.

12. 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.

13. 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.

14. De batterij van één van de voorgaande items, waarbij de anode AI 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 …

15. 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 …

16. Batterij (cel) volgens één van de voorgaande conclusies, omvattende twee folies of vellen, die elk dienen als onderdeel van de anode respectievelijk de kathode, waarbij de folies of vellen identiek zijn.

17. Batterij (cel) volgens conclusie 13, waarbij ten minste één van de folies of vel, bij voorkeur beide, zijn voorzien van een beschermingslaag (TiN, CrN, Tungsten) om te beschermen (of (corrosiebestendig of oxidatief stabiel) te zijn tegen oplossen) van (een deel van) de folie of het vel in de elektrolyt.

18. De batterij (cel) volgens één van de bovenstaande conclusies, zijnde een dubbele ioncel.

19. Batterij (cel) volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de anode en/of kathode is ontworpen om gelijktijdig te dienen als ladingopslagplaats en stroomopname.

20. Batterij (cel) volgens conclusie 16, waarbij de ladingopslagplaatsfunctie wordt verschaft door gebruik te maken van grafietafzettingsverwerking om daardoor een actieve laag te creëren.

21. Batterij (cel) volgens één van de voorgaande conclusies 13 tot 17, waarbij de kathode en/of de anode, bij voorkeur beide, is gebaseerd op een Al-folie, bij voorkeur voorzien van een beschermingslaag die erop is aangebracht.

22. De batterij (cel) volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de kathode en/of de anode, bij voorkeur beide, worden gebruikt als koellichaam door het oppervlak van de stroomcollectoren zo te ontwerpen dat deze groter zijn dan het actieve gebied van de cel en ontworpen voor blootstelling aan omgevingslucht en/of om te weken in een (elektrisch isolerend) koelmiddel, mogelijk in combinatie met actieve circulatie van het koelmiddel, voorzien van een isolerende maar thermisch geleidende laag aan de randen buiten het actieve gebied op de stroomcollectoren voordat folie wordt gesneden.

23. Een arrangement van materialen voor gebruik in een batterij (cel), omvattende een (drager) materiaal, geschikt om te dienen als anode of kathode, als vel of folie, waarbij ofwel de anode of de kathode van een complexe (gelaagd, samengesteld, gelegeerd, gaasvormig, geperforeerd, geruwd of gelamineerd met een ruw of geruwd drager) structuur en de structuur en/of coatings geschikt zijn voor gebruik bij de rol- tot-rol productie van de anode of kathode of beide; één of meer verdere materialen op genoemd materiaal, waarbij de separator een geschuimd polymeer is.

24. Het arrangement van materialen van claim 23, waarbij het verdere materiaal is aangepast om de aanwezigheid van elektrolyt te verdragen.

25. Het arrangement van materialen van claim 23 of 24, waarbij ofwel de anode ofwel de kathode of beide zijn gecoat met één of meer coatings.

26. Het arrangement van materialen van claim 23, 24 of 25, waarbij het vel of folie is voorzien van een beschermingslaag (TiN, CrN, Tungsten) om te beschermen (of (corrosiebestendig of oxidatief stabiel) te zijn tegen oplossen) van (een deel van) de folie of het vel in de elektrolyt.

27. Het arrangement van materialen volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de anode en/of kathode is ontworpen om gelijktijdig te dienen als ladingopslagplaats en stroomopname.

28. Het arrangement van materialen van claim 10, waarbij de ladingopslagplaatsfunctie wordt verschaft door gebruik te maken van grafietafzettingsverwerking om daardoor een actieve laag te creëren.

29. Het arrangement van materialen volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de kathode en/of de anode, bij voorkeur beide, is gebaseerd op een Al-folie, bij voorkeur voorzien van een beschermingslaag die erop is aangebracht.

30. Het arrangement van materialen volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de kathode en/of de anode worden gebruikt als koellichaam door het oppervlak van de stroomcollectoren zo te ontwerpen dat deze groter zijn dan het actieve gebied van de cel en ontworpen voor blootstelling aan omgevingslucht en/of om te weken in een (elektrisch isolerend) koelmiddel, mogelijk in combinatie met actieve circulatie van het koelmiddel, voorzien van een isolerende maar thermisch geleidende laag aan de randen buiten het actieve gebied op de stroomcollectoren voordat folie wordt gesneden.

31. Het arrangement van materialen volgens één van de voorgaande conclusies die op een rol worden verschaft.