DE102004057365B4 - Process for producing a cell composite, cell composite, method for producing a lithium polymer battery and lithium polymer battery - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Herstellung eines Zellverbundes für eine Lithium-Polymer-Baterrie
mit den Schritten:
Herstellen einer Mischung für eine Anode
und einer Mischung für
eine Kathode,
Extrudieren der Mischung für die Anode und der Mischung für die Kathode
zu einer Anodenmasse und einer Kathodenmasse, wobei wenigstens eine
der Anodenmasse und der Kathodenmasse unter Zuführen von einem Gemisch aus
Cyclohexanon und Methylethylketon (CM), das ein Volumenverhältnis von
1:1 aufweist, extrudiert wird,
paralleles Laminieren der Anodenmasse
und der Kathodenmasse auf je einen Ableiter zu einer Anode und einer Kathode,
Entfernen
des Gemisches (CM) aus der Anode und/oder der Kathode,
Zusammenfügen der
Anode und der Kathode mit einem dazwischen angeordneten Separator.Process for the preparation of a cell assembly for a lithium polymer batch with the steps:
Preparing a mixture for an anode and a mixture for a cathode,
Extruding the mixture for the anode and the mixture for the cathode to an anode mass and a cathode mass, wherein at least one of the anode mass and the cathode mass is extruded to supply a mixture of cyclohexanone and methyl ethyl ketone (CM) having a volume ratio of 1: 1 becomes,
parallel laminating the anode mass and the cathode mass to a respective arrester to an anode and a cathode,
Removing the mixture (CM) from the anode and / or the cathode,
Assembly of the anode and the cathode with a separator arranged therebetween.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zellverbund, eine Lithium-Polymer-Batterie mit dem Zellverbund sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.The This invention relates to a cell composite, a lithium polymer battery with the cell composite and process for their preparation.
Lithium-Polymer-Batterien bestehen aus Anode, Kathode und einem Polymerelektrolyten als Separator. Anode, Kathode und Separator werden zusammengeführt, so dass ein Verbund entsteht, bei dem der Separator als Zwischenlage für Anode/Kathoqde dient. Der erhaltene Verbund wird dann zu Mehrfachlagen verarbeitet. Nach dem Einhausen und Polen liegt eine Lithium-Polymer-Batterie vor.Lithium polymer batteries consist of anode, cathode and a polymer electrolyte as a separator. Anode, cathode and separator are merged to form a composite, in which the separator serves as an intermediate layer for anode / cathode. Of the obtained composite is then processed into multiple layers. After this Einhausen and Poland has a lithium-polymer battery.
Einzelheiten
zur Herstellung und zum System sind bekannt und dem „Handbook
of Battery Materials",
Hrsg. J. O. Besenhard, Verlag VCH, Weinheim, 1899, zu entnehmen.
Spezielle Herstellungsverfahren, wie z. B. das sogenannte Bellcore-Verfahren
sind im „Lithium
Ion Batteries",
Hrsg. M. Wakihara und O. Yamamoto, Verlag VCH, Weinheim 1998 S. 235
und
„Popular usage considers the „battery" and not the „cell" to bet the product
that is sold or provided to the „user". In this 3rd Edition,
the term „cell" will be used when
describing the cell component of the battery and its chemistry.
The term „battery" will be used when
presenting performance characteristics, etc. of the product. Most
often, the electrical data is presented an the basis of a single-cell
battery. The performance of a multicell battery will usually be
different than the performance of the individual cells or a single-cell
battery (see Section 3.2.13)."Details of the preparation and the system are known and can be found in the "Handbook of Battery Materials", eds. JO Besenhard, Verlag VCH, Weinheim, 1899. Special production methods, such as the so-called Bellcore method, are described in "Lithium Ion Batteries ", ed. M. Wakihara and O. Yamamoto, Verlag VCH, Weinheim 1998 p. 235 and
In this 3 rd edition, the term "cell" will be used when describing the cell component of the term "cell" or "cell" battery and its chemistry. The term "battery" is often used to describe performance characteristics, etc. of the product of the individual cells or a single-cell battery (see Section 3.2.13). "
Zur Herstellung von Lithium-Polymer-Batterien werden bisher unterschiedliche Verfahren verwendet. Bei einem Beschichtungsverfahren wird der für die Kathoden- bzw. Anodenmasse erforderliche Polymerbinder gelöst (z. B. 5–10%ige Fluorelastomer-Homo- oder Copolymerisate in N-Methyl-pyrrolidon (NMP)) und die dabei entstehende Polymerlösung mit den kathoden- bzw. anodenspezifischen Zusätzen wie Lithium-interkalierbare Metalloxide bzw. Lithium-interkalierbare Kohlenstoffe (Ruß, Graphit o. a.) versetzt und dispergiert. Dann wird diese Dispersion mit der Filmbeschichtungstechnik auf Stromkollektoren (Folien, Bändern, Netzen o. ä.) aufgetragen.to Production of lithium polymer batteries are so far different Method used. In a coating process, that for the cathode or anode material required polymer binder solved (eg 5-10% Fluoroelastomer homo- or copolymers in N-methyl-pyrrolidone (NMP)) and the thereby resulting polymer solution with the cathode or anode specific additives such as lithium intercalatable Metal oxides or lithium intercalatable carbons (carbon black, graphite o. a.) is added and dispersed. Then this dispersion is with the film coating technology on current collectors (foils, tapes, nets o. ä.) applied.
Eine Variante der oben beschriebenen Beschichtungsverfahren besteht darin, wässrige Polymerdispersionen anstelle der Polymerlösungen mit organischen Lösungsmitteln zu verwenden.A Variant of the coating methods described above is aqueous Polymer dispersions instead of the polymer solutions with organic solvents to use.
Das sog. „Bellcore-Verfahren" ist eine weitere Variante der beschriebenen Beschichtungsverfahren. In diesem Verfahren wird in die Anoden- bzw. Kathodenmasse ein Bestandteil (z. B. Dibutylphthalat, DBP) mit eingearbeitet, der vor der Zusammenführung von Anode/Kathode/Separator im Bellcore-Verfahren (s. o.) herausgelöst wird, um eine ausreichende Porosität, d. h. ein ausreichendes Aufnahmevermögen für die Leitsalzlösung (Elektrolyt), zu schaffen und Migrationspfade für die Anionen und Kationen bei Be- und Entladeprozess zu haben.The so-called "Bellcore method" is another Variant of the coating methods described. In this procedure is an ingredient in the anode or cathode compound (eg dibutyl phthalate, DBP) incorporated prior to the assembly of anode / cathode / separator in the Bellcore process (see above) removed is sufficient to ensure adequate porosity, d. H. a sufficient receptivity for the conducting salt (Electrolyte), create and migration paths for the anions and cations to have during the loading and unloading process.
Die durch, diese Verfahren enthaltenen Beschichtungen werden nach dem Trocknen zu prismatischen Zellen oder Wickelzellen verarbeitet (gewickelt), wobei als Zwischenlage ein so genannter Separator z. B. aus Celgard o. a. mit porösen Strukturen verwendet wird. Das so hergestellte System wird eingehaust und vor dem Verschließen mit Leitsalzlösung gefüllt.The by, these processes contained coatings are after the Drying to prismatic cells or wound cells processed (wound), wherein as a separator, a so-called separator z. From Celgard o. a. with porous Structures is used. The system thus produced is enclosed and before closing with conductive salt solution filled.
Ein
anderes Verfahren ist die Extrusion von Separator (Polymer-Gel-Elektrolyt)
und einer Elektrode (
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine verbesserte Lithium-Polymer-Zelle bzw. einen verbesserten Zellverbund, eine verbesserte Lithium-Polymer-Batterie sowie verbesserte Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, einen Zellverbund nach Anspruch 10, ein Verfahren nach Anspruch 11 und eine Lithium-Polymer-Batterie nach Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert.The The object of the present invention is an improved lithium polymer cell or an improved cell composite, an improved lithium-polymer battery and to provide improved processes for their production. This object is achieved by a method according to claim 1, a cell network according to claim 10, a method according to claim 11 and a lithium polymer battery solved according to claim 15. Preferred embodiments are in the dependent dependent claims Are defined.
Gemäß dem Vorstehenden
bezieht sich die vorliegende Erfindung beispielsweise auf ein Verfahren
zur Herstellung eines Zellverbundes mit den Schritten:
Herstellen
einer Mischung für
eine Anode und einer Mischung für
die Kathode sowie eines Gemischs aus Cyclohexanon und Methylethylketon
(CM), das ein Volumenverhältnis
von 1:1 aufweist.
Extrudieren der Mischung für die Anode
und der Mischung für
die Kathode zu einer Anodenmasse und einer Kathodenmasse, wobei
der Anodenmasse und/oder der Kathodenmasse vor der Extrusion das oben
genannte Gemisch (CM) vorzugsweise in einem Verhältnis von 5–30 Masse-% zugeführt wird;
getrenntes
(paralleles) Laminieren der Anodenmasse und der Kathodenmasse auf
je einen Ableiter zu einer Anode und einer Kathode,
Entfernen
des Gemischs (CM) aus der Anode und/oder der Kathode,
Kalandrieren
der Anode und der Kathode, und Zusammenfügen der Anode und der Kathode
mit einem dazwischen angeordneten Separator.For example, in accordance with the foregoing, the present invention relates to a method of manufacturing a cell composite comprising the steps of:
Preparing a mixture for an anode and a mixture for the cathode and a mixture of cyclohexanone and methyl ethyl ketone (CM), which has a volume ratio of 1: 1.
Extruding the mixture for the anode and the mixture for the cathode to an anode mass and a cathode mass, wherein the anode composition and / or the cathode composition before extrusion, the above mixture (CM) is preferably supplied in a ratio of 5-30 mass% ;
Separate (parallel) lamination of the anode material and the cathode material on each one arrester to an anode and a cathode,
Removing the mixture (CM) from the anode and / or the cathode,
Calendering the anode and the cathode; and assembling the anode and the cathode with a separator therebetween.
Die Verwendung des Gemischs (CM) ermöglicht ein verbessertes Fließverhalten beim Extrudieren. In der vorliegenden Erfindung ist es unter anderem deswegen vorteilhaft, das Gemisch (CM) nach dem Extrudieren zu entfernen, da ein Zellverbund, aus dem das Gemisch (CM) entfernt wurde, besser haftet, besser mit Elektrolyt befüllbar ist und bessere Verarbeitungseigenschaften enthält. Durch das anschließende Kalandrieren wird zudem die Qualität der Elektroden durch deutliche Verringerung des Innenwiderstandes verbessert.The Use of the mixture (CM) allows an improved flow behavior when extruding. Among others, it is in the present invention therefore advantageous to remove the mixture (CM) after extrusion, since a cell composite from which the mixture (CM) has been removed adheres better, better fillable with electrolyte is and contains better processing properties. By the subsequent calendering In addition, the quality of the Improved electrodes by significantly reducing the internal resistance.
Es ist zu beachten dass sich der Begriff „Elektrodenmasse" in der vorliegenden Erfindung auf die Anodenmasse und/oder die Kathodenmasse bezieht.It It should be noted that the term "electrode mass" in the present Invention relates to the anode material and / or the cathode material.
Zur besseren Verarbeitbarkeit des mit dem Gemisch (CM) versetzten Materials während des Extrudierens ist es bevorzugt, dass das Extrudieren bei Temparaturen von 80–130°C erfolgt.to better processability of the mixed with the mixture (CM) material while In extruding, it is preferred that extrusion at temperatures of 80-130 ° C takes place.
Um die Fließfähigkeit zu erhöhen und die Elektrodenmasse auf besonders verfahrensökonomische und einfache Weise extrudieren zu können, ist es bevorzugt, dass das Gemisch (CM) zu 5 bis zu 30, mehr bevorzugt 10 bis 25 Masse-%, zu der Anodenmasse zugeführt wird, bezogen auf die Gesamtmasse der Anodenmasse.Around the fluidity to increase and the electrode mass in a particularly procedural economic and simple way to extrude, it is preferred that the mixture (CM) be from 5 up to 30, more preferred 10 to 25 mass%, is supplied to the anode mass, based on the total mass the anode mass.
Aus den gleichen Gründen ist es bevorzugt, dass das Gemisch (CM) zu 5 bis 30 Masse-%, mehr bevorzugt 15 bis 25 Masse-%, zu der Kathodenmasse zugeführt wird, bezogen auf die Gesamtmasse der Kathodenmasse.Out the same reasons For example, it is preferable that the mixture (CM) is 5 to 30% by mass, more preferably 15 to 25 mass%, is supplied to the cathode mass, based on the total mass the cathode mass.
Um die Weiterverarbeitbarkeit der Anoden- und/oder Kathodenmasse und das spätere Befüllen der Zelle mit Elektrolyt zu verbessern, wird das Gemisch (CM) im Schritt des Entfernens vollständig (d. h. < 1 Masse-%) aus den Elektrodenmassen abgezogen.Around the processability of the anode and / or cathode material and the later one Filling the Cell with electrolyte to improve, the mixture (CM) in the step removing completely (i.e. <1% by mass) withdrawn from the electrode masses.
Um den Laminierungsschritt zu vereinfachen und erhöhte Haftung in diesem Schritt zwischen dem Ableiter und der Elektrodenmasse zu erzielen, wird die Anodenmasse und/oder die Kathodenmasse bevorzugt mit einer Schichtdicke von 20–90 μm extrudiert.Around to simplify the lamination step and increased adhesion in this step between the arrester and the electrode mass, the Anode mass and / or the cathode material preferably with a layer thickness extruded from 20-90 microns.
Um eine erhöhte Stabilität und damit eine bessere weitere Verarbeitbarkeit der extrudierten Elektrodenmasse zu erzielen, wenn die Anodenmasse und auch die Kathodenmasse jeweils vorzugsweise auf die Ableiterfolie (-netz, -gitter, -gewebe) extrudiert.Around an increased stability and thus a better further processability of the extruded electrode material to achieve when the anode mass and also the cathode material respectively preferably extruded onto the arrester film (mesh, grid, fabric).
Hinsichtlich der Haftung zwischen dem Ableiter und der Elektrodenmasse ist es weitergehend vorteilhaft, dass das Laminieren z. B. bei Temperaturen von 20°C und 80°C erfolgt.Regarding it is the adhesion between the arrester and the electrode mass further advantageous that the lamination z. At temperatures from 20 ° C and 80 ° C he follows.
Um ein möglichst einfaches und schnelles Entfernen des Gemischs (CM) zu erzielen, dessen Vorteile bereits oben beschrieben wurden, ist es bevorzugt, das Entfernen des Gemischs (CM) durch Erwärmen bei erhöhten Temperaturen bis zu 180°C und im Vakuum bei 1.33 bis 13–3 Pa vorzunehmen.In order to achieve the simplest possible and rapid removal of the mixture (CM), the advantages of which have already been described above, it is preferable to remove the mixture (CM) by heating at elevated temperatures up to 180 ° C and in vacuo at 1.33 to 13 -3 Pa.
Zudem ist es für die Produktionseffizienz vorteilhaft, wenn das Kalandrieren (Laminieren der Anode + Separator + Kathode, zum Trilaminat) z. B. mit einer Geschwindigkeit von 5–10 m/min erfolgt.moreover is it for the production efficiency advantageous when calendering (laminating the anode + separator + cathode, to the trilaminate) z. B. with a Speed of 5-10 m / min.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Zellverbund bereit, die durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhältlich ist.The The present invention provides a cell composite obtained by the method described above is obtainable.
Zudem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Lithium-Polymer-Batterie sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterie. Dabei kann der Zellverbund sowohl zu einer Wickelzelle wie auch zu anderen Batterieformen, beispielsweise Flachzellen, verarbeitet werden.moreover The present invention relates to a lithium-polymer battery and to a method of manufacturing such a battery. In this case, the cell composite can be both to a wound cell as well to other battery forms, such as flat cells processed become.
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren
zur Herstellung einer Lithium-Polymer-Batterie mit den Schritten:
Herstellen
eines Zellverbundes durch das vorstehend beschriebene Verfahren,
Wickeln
des Zellverbundes,
Ausklinken des gewickelten Zellverbundes
mit anschließendem
Kontaktieren, vorzugsweise Metallspritzen.
Einhausen des kontaktierten
Zellverbundes in einem Gehäuse
und Verschweißen
des Zellverbundes mit dem Gehäuse,
Trocknen
des eingehausten und verschweißten
Zellverbundes,
Evakuieren des getrockneten Zellverbundes und
Befüllen
des evakuierten Zellverbundes mit Elektrolyt,
Verschließen des
befüllten
Zellverbundes mit anschließendem
Formieren.The present invention further relates to a method for producing a lithium-polymer battery, comprising the steps of:
Producing a cell composite by the method described above,
Winding the cell composite,
Notching the wound cell composite with subsequent contacting, preferably metal spraying.
Einhausen the contacted cell assembly in a housing and welding the cell assembly to the housing,
Drying of the housed and welded cell composite,
Evacuating the dried cell composite and filling the evacuated cell composite with electrolyte,
Closing the filled cell composite with subsequent forming.
Hinsichtlich einer einfachen Verarbeitung bei ausreichender Sicherheit der Batterie ist es vorteilhaft, dass das Verschließen vorzugsweise durch Vernieten erfolgt.Regarding a simple processing with sufficient safety of the battery it is advantageous that the closure preferably by riveting he follows.
Es ist zudem bevorzugt, dass das Formieren über 10–24 h erfolgt, da auf diese Weise eine Batterie mit ausreichender Kapazität und hoher Zyklenstabilität besonders gut erhalten werden kann. Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, dass vor dem Formieren für 1–24 h ein Lagerungsschritt durchgeführt wird.It is also preferred that the forming takes place over 10-24 hours, since in this way a battery with sufficient capacity and high cycle stability can be obtained particularly well. For the same reason it is beneficial that before the For a storage step is carried out for 1-24 h.
Die vorliegende Erfindung stellt zudem eine Lithium-Polymer-Batteriebereit, die durch das vorstehend beschriebene Verfahren zur Herstellung einer solchen Lithium-Polymer-Batterie erhältlich ist. Diese Lithium-Polymer-Batterie besteht aus Anode, Kathode, Separator, wobei Anodenmasse und Kathodenmasse auf den jeweiligen Stromkollektoren aufgebracht sind und wobei der Separator jeweils zwischen Anode und der Kathode vorhanden ist und mit Elektrolyt getränkt ist, der mindestens ein Lithium-Leitsalz und ein aprotisches Lösungsmittel enthält.The The present invention also provides a lithium polymer battery powered by the above-described method for producing such Lithium polymer battery available is. This lithium-polymer battery consists of anode, cathode, separator, anode mass and cathode mass are applied to the respective current collectors and wherein the Separator between each anode and the cathode is present and soaked in electrolyte is that of at least one lithium conducting salt and an aprotic solvent contains.
Weiter ist es bevorzugt, dass in einer Lithium-Polymer-Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung Li-interkalierbarer Kohlenstoff in der Anode enthalten ist. Zudem ist es bevorzugt, dass die Kathode Li-interkalierbare Schwermetalloxide enthält.Further For example, it is preferred that in a lithium-polymer battery according to the present invention Li-interkalierbarer Carbon is contained in the anode. It is also preferable that the cathode contains Li-intercalatable heavy metal oxides.
Bevorzugt umfasst die Anodenmasse der Lithium-Polymer-Batterie Li-interkalationsfähige synthetische und/oder natürliche Kohlenstoffmaterialien, insbesondere in einem Anteil von 80–95 Masse-%. Zudem ist es bevorzugt, dass die Kathodenmasse Li-interkalationsfähiges Metalloxid umfasst, vorzugsweise in einem Anteil von 85–95 Masse-%.Prefers The anode mass of lithium-polymer battery Li includes intercalatable synthetic and / or natural Carbon materials, in particular in a proportion of 80-95% by mass. moreover For example, it is preferred that the cathode material be Li intercalatable metal oxide comprises, preferably in a proportion of 85-95% by mass.
Es ist bevorzugt, dass in den erfindungsgemäßen Verfahren die extrudierten Elektroden auf metallische Ableiterfolien auflaminiert werden. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die extrudierten Elektroden in einer Lithium-Polymer-Zelle bzw. der Lithium-Polymer-Batterie, die gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, auf metallische Ableiterfolien auflaminiert sind. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass als Ableiter für die Kathode primerbeschichtete Aluminiumfolien verwendet werden, während als Ableiter für die Anode bevorzugt Cu-Folien verwendet werden. Dabei wird als Primer bevorzugt Terfluorprimer THV 220 D o. a. eingesetzt (als Binder kombiniert mit > 25 Masse-% einer elektrisch leitfähigen Kohlenstoffverbindung oder Kohlenstoff Ruß und/oder Graphit).It It is preferred that in the inventive process, the extruded Electrodes are laminated to metallic conductor foils. Corresponding it is preferred that the extruded electrodes be in a lithium polymer cell or the lithium-polymer battery, which according to the methods of the present Invention were laminated to metallic Ableitfolien are. It is particularly preferred that as a drain for the cathode primer-coated aluminum foils are used while as Arrester for the anode is preferably used copper foils. It is called a primer preferably terfluorprimer THV 220 D o. a. used (as a binder combined with> 25 Mass% of an electrically conductive Carbon compound or carbon black and / or graphite).
Die Lithium-Polymer-Batterie der vorliegenden Erfindung ist insbesondere für eine zylindrische Batterie vom so genannten Bobbin-Typ geeignet. Beispielhaft lassen sich doppelte D-Zellen (DD-Zellen) mit einer Länge von 60–75 mm bis hin zu einer Länge von 120–180 mm angeben.The Lithium polymer battery of the present invention is particularly for one cylindrical battery of the so-called bobbin type suitable. exemplary can be duplicated D cells (DD cells) with a length of 60-75 mm to a length from 120-180 specify mm.
Im Folgenden sollen die beigefügten Figuren kurz erläutert werden.in the The following are the attached Figures briefly explained become.
Die
Die
Die
Die
Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung eines Zellverbundes gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte konkreteAusführungsform näher erläutert.in the The following is the method for producing a cell composite under the invention Reference to a preferred specific embodiment.
Solange nichts anderes angegeben ist, bezieht sich in der Erfindung „%" auf „Masse-%".So long Unless otherwise indicated, in the invention "%" refers to "mass%".
1) Herstellung der Mischungen für die Anoden- bzw. Kathodenmassen1) Preparation of the mixtures for the anode or cathode materials
- a. Anodenmasse Die zur Herstellung der Anoden- bzw. Kathodenmasse verwendeten Feststoffe wurden vor ihrem Einsatz im Vakuum 13,3 Pa bei 50–60°C entgast. Es werden z. B. 91% Graphit (MCMB (Osaka Gas, SGB-L (Kropfmühl) Gew.-Verhältnis 1:1 mit 1% Leitruß (Ensaco 250, Super P), 8% Dyneon THV 220 mit einer Mischung von Cyclohexanon + Methylethylketon (Vol 1:1) 10 Teile auf 100 Teile der obigen Mischung intensiv – unter Argon Schutzgas – vermischt.a. anode paste The for the production of Anodes or cathode mass used solids were before their use degassed in vacuum 13.3 Pa at 50-60 ° C. It be z. B. 91% graphite (MCMB (Osaka gas, SGB-L (Kropfmühl) weight ratio 1: 1 with 1% carbon black (Ensaco 250, Super P), 8% Dyneon THV 220 with a mixture of cyclohexanone + Methyl ethyl ketone (1: 1 by volume) 10 parts per 100 parts of the above mixture intense - under Argon inert gas - mixed.
- b. Kathodenmasse z. B. werden 90% Al-dotiertes LiNiCoOx (H .C. Starck, TODA) mit 2% Leitruß (Ensaco 250, Super P), 8% Dyneon THV 220 und dann unter Zusatz von 10 Teilen Cyclohexanon + Methylethylketon (Vol 1:1) auf 100 Teile der obigen Mischung intensiv – unter Argon Schutzgas intensiv gerührt.b. cathode material z. For example, 90% Al-doped LiNiCoOx (C.C. Starck, TODA) with 2% carbon black (Ensaco 250, Super P), 8% Dyneon THV 220 and then with the addition of 10 parts of cyclohexanone + Methyl ethyl ketone (vol 1: 1) to 100 parts of the above mixture intensively - under Argon inert gas stirred vigorously.
2) Extrusion2) extrusion
Als Extruder wird beispielsweise ein Doppelwellenextruder (Collin) verwendet, in dem die jeweilige, vorausgehend erhaltene Materialmischung gemischt und geknetet wird, während das Gemisch (CM) zugeführt wird, indem dieses vorzugsweise über eine Pumpe (z. B. 10–20°C) gefördert wird.When Extruder, for example, a twin-screw extruder (Collin) is used, in which the respective, previously obtained material mixture mixed and kneaded while the mixture (CM) supplied is this by preferably this over a pump (eg 10-20 ° C) is promoted.
Die
Extrusion der vorstehend erhaltenen Trockenmischungen erfolgt in
dieser Ausführungsform bei
etwa 80–120°C. Extrudiert
wird in diesem Fall auf den metallischen bzw. geprimerten Al-Ableiter.
Die Schichtdicke beträgt
30–90 μm.
Leistung:
5 bis 50 kg/hThe extrusion of the dry mixes obtained above takes place in this embodiment at about 80-120 ° C. Extruded in this case on the metallic or primed Al arrester. The layer thickness is 30-90 microns.
Power: 5 to 50 kg / h
Lamination erfolgt praktisch parallel zur Extrusion d. h. Direktbeschichtung.lamination takes place practically parallel to the extrusion d. H. Direct coating.
Die extrudierten Elektrodenmassen werden z. B. bei 80–90°C auf metallische Ableiterfolien beidseitig auflaminiert. Für die Anoden wird beispielsweise eine Kupferfolie (Gould, dicke 10–20 μm) verwendet. Zur Herstellung der Kathoden werden beispielsweise mit Dyneon THV 220 D als Binder im Primer beidseitig primerbeschichtete Aluminiumfolien (Togo, Dicke 20 μm) verwendet. Die Elektroden werden nach dem Laminieren getrocknet. Dabei beträgt die Oberflächentemperatur auf der Folie vorzugsweise 120–180°C. Das Entfernen des Gemischs (CM) ermöglicht es, die gewickelten Zellen besser befüllen zu können.The extruded electrode masses are z. B. at 80-90 ° C on metallic Ableitfolien laminated on both sides. For the anodes, for example a copper foil (Gould, thickness 10-20 μm) used. For the production The cathodes are for example with Dyneon THV 220 D as a binder in the primer primer coated aluminum foil (Togo, thickness 20 μm). The electrodes are dried after lamination. The surface temperature is thereby preferably 120-180 ° C on the film. The removal of the mixture (CM) to be better able to fill the wound cells.
3) Kalandrie
Die Geschwindigkeit des Kalandrierens beträgt z. B. 4–5 m/min, das ergibt 150 m/h Anode bzw. 150 m/h Kathode, entsprechend 50 DD-Zellen/h.The Speed of calendering is z. B. 4-5 m / min, which gives 150 m / h Anode or 150 m / h cathode, corresponding to 50 DD cells / h.
4) Zusammenfügen4) Join
In dieser Ausführungsform werden die beidseitig beschichtete Anode (Cu) und die beidseitig beschichtete Kathode (Al) zusammen mit Separator (z. B. Celgard) durch Wickeln zusammengefügt, so dass sich stets eine Abfolge von Anode-Separator-Kathode-Separator-Anode usw. ergibt.In this embodiment be the both sides coated anode (Cu) and the two sides coated cathode (Al) together with separator (eg Celgard) assembled by winding, so that there is always a sequence of anode-separator-cathode-separator anode etc. results.
Das Folgende bezieht sich auf eine bevorzugte konkrete Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Lithium-Polymer-Batterie mit dem vorstehend erhaltenen Zellverbund.The The following refers to a preferred specific embodiment the method according to the invention for producing a lithium polymer battery with the above obtained cell composite.
5) Kontaktieren5) Contact
In dieser Ausführungsform wird der Zellwickel bzw. Zellverbund an der Stirnseite vorzugsweise durch Metallspritzen mit einem Ableiterpol kontaktiert.In this embodiment the cell coil or cell composite on the front side is preferably through Metal syringes contacted with a Ableiterpol.
6) Einhausen und Verschweißen6) Housing and welding
Das Einhausen und Verschweißen erfolgt gemäß bekannten Verfahren.The Einhausen and welding takes place in accordance with known Method.
7) Trocknen im Vakuum7) Dry in vacuo
Der erhaltene eingehauste und verschweißte Zellverbund wird in diesem Fall im Vakuum getrocknet. (Kapazität 80 DD-Zellen/d)Of the received encased and welded cell composite is in this Case dried in vacuum. (Capacity 80 dd cells / d)
8) Evakuieren und Befüllen mit Elektrolyt im Vakuum sowie Verschließen. (12–20 DD-Zellen/h)8) Evacuate and fill with electrolyte in vacuum as well Closing. (12-20 DD cells / h)
In dieser Ausführungsform wird anschließend der Zellverbund evakuiert, im Vakuum mit Elektrolyt befüllt und dann verschlossen. Das Verschließen erfolgt durch Vernieten.In this embodiment will follow evacuated the cell composite, filled with electrolyte in vacuo and then closed. The closure is done by riveting.
9) Formieren9) Forming
Die Zelle wird z. B. über 10–24 h formiert, wobei vor dem Formieren ein Lagerungsschritt von 1 bis 24 h erfolgen kann.The Cell is z. B. over 10-24 h, wherein prior to forming a storage step from 1 to 24 h can be done.
Für den Ablauf der einzelnen Verfahrensschritte der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der vorstehend beschriebenen konkreten Ausführungsformen ergibt sich:
- 1. Herstellung der Mischungen
- 2. Extrusion + Lamination und Trocknung Die Wickellänge pro Zelle beträgt in diesem Fall 3 m. Mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise V = 30 mm/s ergibt sich für die Anode oder Kathode eine Laminierung von 108 m/h, bzw. 54 m/h für die Anode und 54 m/h Kathode.
- 3. Kalandrieren Mit der oben erwähnten bevorzugten Geschwindigkeit von V 4–5 m/min ergibt sich für einmaliges Kalandrieren eine Leistung von 300 m verarbeitetes Laminat pro Stunde, mit der Aufteilung 150 m/h Anode und 150 m/h Kathode lassen sich so 50 Zellen je h herstellen.
- 4. Wickeln In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können 8–10 Zellen je h gewickelt werden.
- 5. Kontaktieren durch Metallspritzen In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können 10–30 Zellen je Arbeitskraft je Stunde hergestellt werden.
- 6. Einhausen + Verschweißen In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können 8–10 Zellen je Arbeitskraft je h ohne Rüstzeiten und bei genau passenden Teilen eingehaust und verschweißt werden.
- 7. Trocknen im Vakuum Die Trockenzeit beträgt im Fall der vorstehenden Ausführungsform 12 h, wobei die Kapazität der Trocknungsvorrichtung bei 80 Zellen liegt.
- 8. Evakuieren und Befüllen Wenn die Zellen zum Verschließen beispielsweise vernietet werden, ergibt sich eine Produktionsleistung von 12 Zellen je h, wobei Celgard als Separator verwendet werden kann.
- 1. Preparation of the mixtures
- 2. Extrusion + Lamination and Drying The winding length per cell in this case is 3 m. At a speed of, for example, V = 30 mm / s, the anode or cathode results in a lamination of 108 m / h, or 54 m / h for the anode and 54 m / h cathode.
- 3. Calendering With the above-mentioned preferred speed of V 4-5 m / min, a one-time calendering produces an output of 300 m of processed laminate per hour, with the division of 150 m / h anode and 150 m / h cathode 50 Make cells each h.
- 4. Winding In the embodiment described above, 8-10 cells per hour can be wound.
- 5. Contact by metal spraying In the embodiment described above, 10-30 cells per worker per hour can be made.
- 6. Housing + Welding In the embodiment described above, 8-10 cells per worker per hour can be housed and welded without set-up times and with just the right parts.
- 7. Drying in Vacuum The drying time in the case of the above embodiment is 12 hours, with the capacity of the drying apparatus being 80 cells.
- 8. Evacuation and filling For example, when the cells are riveted for sealing, there is a production output of 12 cells per hour, with Celgard being used as a separator.
Beispiele:Examples:
In den nachstehenden Beispielen bezieht sich die Angabe „μm" stets auf die Dicke der jeweiligen Folien bzw. Filme.In In the following examples, the term "μm" always refers to the thickness the respective films or films.
Beispiel 1: Herstellung der MischungenExample 1: Preparation of the mixtures
1.1 Kathode (25 kg Ansatzgröße)1.1 cathode (25 kg batch size)
In einem Vakuum-Mischtrockner wird eine Mischung von 23,75 kg Lithiumcobaltoxid, 1 kg Terpolymer Dyneon THV 220® und 0,25 kg Acetylenruß Ensaco® für 12 Stunden bei 120°C homogenisiert und anschließend im Vakuum bei 1,33 Pa entgast.In a vacuum mixing dryer, a mixture of 23.75 kg of lithium cobalt oxide, 1 kg of terpolymer Dyneon THV ® 220 is homogenized and 0.25 kg of acetylene black Ensaco ® for 12 hours at 120 ° C and then degassed in a vacuum at 1.33 Pa.
1.2 Anode (25 kg Ansatzgröße)1.2 anode (25 kg batch size)
In einem Vakuum-Mischtrockner wird eine Mischung von 23,5 kg MCMB (Meso Carbon Micro Beads) und 1,5 kg Terpolymer Dyneon THV 220 für 12 Stunden bei 120°C homogenisiert und getrocknet und wie bei 1.1 entgast.In In a vacuum mixer, a mixture of 23.5 kg MCMB (Meso Carbon Micro Beads) and 1.5 kg of Dyneon THV 220 terpolymer for 12 hours at 120 ° C homogenized and dried and degassed as in 1.1.
Beispiel 2: ExtrusionExample 2: Extrusion
Die im Beispiel 1 hergestellte Mischung wird durch Zugabe von 15 Gew.-% Gemisch (CM) Cyclohexanon/Methylethylketon, das ein Volumenverhältnis von 1:1 aufweist, (Anode) bei 100°C in einem Doppelschneckenextruder zu einem thermoplastischen Film aufgearbeitet und durch eine Düse gepresst und auf die jeweilige Ableiterfolie laminiert und zwar mit einer Schichtdicke von jeweils 35–45 μm. Als Ableiter für die Anodenmasse dient eine Gould Cu-Folie 12 μm stark und für die Kathodenmasse eine geprimerte Al-Folie, jeweils beidseitig auflaminiert. Vor dem Wickeln der Elektroden wird die Mischung (CM) in einem Trocknungsaggregat thermisch entfernt.The The mixture prepared in Example 1 is prepared by adding 15% by weight. Mixture (CM) cyclohexanone / methyl ethyl ketone, which has a volume ratio of 1: 1, (anode) at 100 ° C in a twin-screw extruder to a thermoplastic film worked up and through a nozzle pressed and laminated to the respective arrester foil and indeed with a layer thickness of 35-45 μm each. As arrester for the anode mass serves a Gould Cu foil 12 microns strong and for the cathode material is a primed Al foil, laminated on both sides. Before the electrodes are wound, the mixture (CM) is placed in a drying unit thermally removed.
Beispiel 3: Zellverbund- und BatterieherstellungExample 3: Cell Composite and Battery Production
Die hergestellten Zellen werden gewickelt, so dass ein Zellverbund erhalten wird. Dieser Zellverbund wird durch Metallspritzen mit den Polen kontaktiert, eingehaust, evakuiert und mit Elektrolyt befüllt, so dass noch zu formierende Lithium-Polymer-Batterien erhalten werden. Als Elektrolyt dient 1 M LiBF6 in Diethylcarbonant, alternativ sind geeignet als Leitsalze z. B. Li-organoborate und als aprotische Lösungsmittel z. B. Dimethylglykol, Propylencarbonat o. ä.The produced cells are wound, so that a cell composite is obtained. This cell composite is contacted by metal spraying with the poles, housed, evacuated and filled with electrolyte, so that still to be formed lithium polymer batteries are obtained. The electrolyte used is 1 M LiBF 6 in diethyl carbonate, alternatively suitable as conductive salts z. B. Li organoborates and as aprotic solvent z. As dimethyl glycol, propylene carbonate o. Ä.
Im Folgenden werden die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der erhaltenen Lithium-Polymer-Batterien aufgeführt. Dabei wurden die entsprechenden Messungen jeweils an wie oben beschriebenen formierten Zellen durchgeführt.in the Following are the physical and electrical properties listed lithium polymer batteries listed. In doing so, the corresponding Measurements were performed on each of the above-described formed cells.
Physikalische Eigenschaften:Physical Properties:
- Durchmesser: 32 mmDiameter: 32 mm
- Höhe (ohne Enden): 150 mmheight (without ends): 150 mm
- Gewicht: 290 gWeight: 290 g
- Volumen (ohne Enden): 115 cm3 Volume (without ends): 115 cm 3
- Gehäusematerial: rostfreier StahlHousing material: stainless steel
Elektrische Eigenschaften:Electrical Properties:
- Spezifische Leistung (30 s Impulsentladung): 1600 W/kgSpecific power (30 s impulse discharge): 1600 W / kg
- Leistungsdichte (30 s Impulsentladung): 3800 W/lPower density (30 s impulse discharge): 3800 W / l
- Nominalspannung: 3,6 VNominal voltage: 3.6V
- Nominalkapazität bei 0,3 C: 6 Ahnominal capacity at 0.3 C: 6 Ah
- Spezifische Energie: 75–80 Wh/kgSpecific energy: 75-80 Wh / kg
- Energiedichte 190–200 Wh/lEnergy density 190-200 Wh / l
Beispiel 4: FormationExample 4: Formation
Die Formation der Batterien erfolgt mit einem konstanten Strom von 0,60 A bis zu einem Potenzial von 4,2 V und anschließend bei konstantem Potenzial von 4,2 V, bis der Strom auf < 0,12 A gefallen ist (CCCV = constant current constant voltage). Die Entladung findet mit 0,60 A bis zur unteren Spannungsgrenze von 3,0 V statt. Im Anschluss werden zur Qualitätssicherung und Kapazitätsbestimmung zwei weitere Zyklen durchgeführt. Die Ladung geschieht mit 1,8 A bis 4,2 V und bei konstantem Potenzial bis der Strom unter 0,18 A gefallen ist. Die Entladung erfolgt mit 1,8 A bis zur Schlussspannung von 3,0 V.The Formation of the batteries takes place with a constant current of 0.60 A up to a potential of 4.2V and then at constant potential from 4.2V until the current reaches <0.12 A has fallen (CCCV = constant current constant voltage). The discharge takes place at 0.60 A up to the lower voltage limit of 3.0V. Following are for quality assurance and capacity determination two more cycles performed. The charge happens with 1.8 A to 4.2 V and at constant potential until the current has fallen below 0.18A. The discharge takes place with 1.8 A to the final voltage of 3.0 V.
Beispiel 5: ZyklendatenExample 5: Cyclic data
Um
die Zyklenstabilität
der in Beispiel 4 formierten Batterie zu messen, wird diese mit
3 A bis 4,2 V geladen, dann wird in einer Konstantpotenzialphase
bei 4,2 V nachgeladen, bis der Strom auf unter 0,3 A gefallen ist.
Die Entladung erfolgt mit 4,8 A. Die untere Abschaltspannung beträgt 3,0 V.
Die
Beispiel 6: Belastungstest bei RaumtemperaturExample 6: Stress test at room temperature
Die Ladung der im Beispiel 5 erhaltenen formierten Batterie erfolgt mit 6 A bis 4,2 V, in einer Konstantpotenzialphase wird bei 4,2 V nachgeladen, bis der Strom auf unter 0,6 A gefallen ist. Die Entladung erfolgt bei unterschiedlichen Strömen zwischen 6 (1C) und 126 A (21C). Die untere Abschaltspannung beträgt 2,7 V.The charge of the formed battery obtained in Example 5 is 6 A to 4.2 V, in a constant potential phase is recharged at 4.2 V until the current has fallen below 0.6 A. Discharge occurs at different currents between 6 (1C) and 126A (21C). The lower cut-off voltage is 2.7V.
Die
Beispiel 7: Entladen bei verschiedenen TemperaturenExample 7: unloading at different temperatures
Dieser
Test wurde analog zu Beispiel 6 durchgeführt, wobei Entladeprofile für unterschiedliche
Betriebstemperaturen bei einer konstanten Entladungsrate von C/2
gemessen wurden. Die Ergebnisse sind in
Beispiel 8: BelastungstestExample 8: Stress test
Für die wie
oben hergestellten Batterien gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde für
verschiedene Temperaturen das Verhältnis zwischen dem Strom einerseits
und der durchschnittlichen Spannung während der Entladung andererseits
bestimmt. Die in
Beispiel 9: Verfügbare Energieinhalte (Ragone-Auftragungen) Verhältnis spezif. Energie/spezif. LeistungExample 9: Available Energy Content (Ragone Plots) relationship specif. Energy / specif. power
Für die Hochenergiezellen,
d. h. für
die wie vorstehend erhaltenen Batterien, der vorliegenden Erfindung
wurden so genannte Ragone-Auftragungen ermittelt. Diese sind in
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DE102004057365A1 DE102004057365A1 (en) | 2006-06-08 |
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-
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