DE102009034674A1 - Lithium Ion Battery - Google Patents
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Abstract
Lithium-Ionen-Batterie umfassend: (i) eine positive Elektrode umfassend ein Lithiumeisenphosphat mit Olivinstruktur; (ii) eine negative Elektrode; (iii) einen Separator, der die positive und die negative Elektrode voneinander trennt und für Lithium-Ionen durchlässig ist; wobei der Separator ein Vlies aus ungewebten, nicht elektrisch leitfähigen Polymerfasern umfasst, das ein- oder beidseitig mit einem ionenleitenden anorganischen Material beschichtet ist; (iv) einen nicht-wässerigen Elektrolyt. Die Batterie weist eine hohe Schnellladefähigkeit bei hoher Sicherheit auf.A lithium ion battery comprising: (i) a positive electrode comprising a lithium iron phosphate having an olivine structure; (ii) a negative electrode; (iii) a separator which separates the positive and negative electrodes from one another and is permeable to lithium ions; wherein the separator comprises a fleece made of non-woven, non-electrically conductive polymer fibers, which is coated on one or both sides with an ion-conductive inorganic material; (iv) a non-aqueous electrolyte. The battery has a high quick charge capability with high security.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sekundärbatterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, die eine hohe Schnellladefähigkeit bei hoher Sicherheit aufweist.The The present invention relates to a secondary battery, in particular a lithium-ion battery that has a high rapid charge capability with high security.
Es ist bereits bekannt, in positiven Elektroden von Sekundärbatterien, d. h. von wiederaufladbaren Batterien (Akkumulatoren), insbesondere von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien, Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) mit Olivinstruktur zu verwenden. Mit solchen Elektroden kann die Schnellladefähigkeit erhöht werden.It is already known to use in positive electrodes of secondary batteries, ie of rechargeable batteries (accumulators), in particular of lithium ion secondary batteries, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) with olivine structure. With such electrodes, the fast charging ability can be increased.
Sekundärbatterien, insbesondere Lithium-Ionen-Sekundärbatterien, werden wegen ihrer hohen Energiedichte und hohen Kapazität als Antriebskraft für mobile Informationsvorrichtungen eingesetzt. Darüber hinaus kommen derartige Batterien auch für Werkzeuge, elektrisch betriebene Automobile und für Automobile mit Hybridantrieb zum Einsatz. Folglich werden an derartige Batterien nicht nur hohe Anforderungen an die Schnellladefähigkeit, an Kapazität und Energiedichte gestellt, sondern insbesondere an die Sicherheit und Verlässlichkeit.Secondary batteries, In particular, lithium-ion secondary batteries are due to their high energy density and high capacity as a driving force for used mobile information devices. Furthermore Such batteries also come for tools, electric powered automobiles and for cars with hybrid drive for use. Consequently, such batteries are not only high Requirements for fast charging capacity, capacity and Energy density, but in particular safety and security Reliability.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sekundärbatterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, bereitzustellen, die eine Schnellladung ermöglicht und die gleichzeitig eine hohe Sicherheit aufweist.task the present invention is a secondary battery, in particular, a lithium ion secondary battery to provide which allows a quick charge and the same time has a high security.
Diese Aufgabe wird mit einer Lithium-Ionen-Batterie gelöst, welche umfasst:
- (i) eine positive Elektrode umfassend ein Lithiumeisenphosphat mit Olivinstruktur;
- (ii) eine negative Elektrode;
- (iii) einen Separator, der die positive und die negative Elektrode voneinander trennt und für Lithium-Ionen durchlässig ist, wobei der Separator ein Vlies aus ungewebten, nicht elektrisch leitfähigen Polymerfasern umfasst, das ein- oder beidseitig mit einem ionenleitenden anorganischen Material beschichtet ist;
- (iv) einen nicht-wässerigen Elektrolyt.
- (i) a positive electrode comprising a lithium iron phosphate having olivine structure;
- (ii) a negative electrode;
- (iii) a separator which separates the positive and negative electrodes and is permeable to lithium ions, the separator comprising a nonwoven web of nonwoven non-electrically conductive polymer fibers coated on one or both sides with an ionically conductive inorganic material;
- (iv) a nonaqueous electrolyte.
Im Folgenden werden die Begriffe ”Lithium-Ionen-Batterie” und ”Lithium-Ionen-Sekundärbatterie” synonym verwendet. Die Begriffe schließen auch die Begriffe ”Lithium-Batterie”, ”Lithium-Ionen-Akkumulator” und ”Lithium-Ionen-Zelle” ein. Ein Lithium-Ionen-Akkumulator besteht im Allgemeinen aus einer Serien- bzw. Reihenschaltung einzelner Lithium-Ionen-Zellen. Dies bedeutet, dass der Begriff ”Lithium-Ionen-Batterie” als Sammelbegriff für die im Stand der Technik gebräuchlichen vorgenannten Begriffe verwendet wird.in the Hereinafter, the terms "lithium ion battery" and "lithium ion secondary battery" become synonymous used. The terms also include the terms "lithium battery", "lithium ion secondary battery" and "lithium ion cell". A lithium-ion secondary battery generally consists of a series or series connection of individual lithium-ion cells. This means, that the term "lithium-ion battery" as Collective term for the common in the art the above terms is used.
Der Begriff ”positive Elektrode” bedeutet die Elektrode, die bei Anschluss der Batterie an einen Verbraucher, beispielsweise an einen Elektromotor, in der Lage ist, Elektronen aufzunehmen, stellt also die Kathode dar. Der Begriff ”negative Elektrode” bedeutet die Elektrode, die bei Betrieb in der Lage ist, Elektronen abzugeben, stellt also die Anode dar.Of the Term "positive electrode" means the electrode, when connecting the battery to a consumer, for example to an electric motor capable of picking up electrons, thus represents the cathode. The term "negative electrode" means the electrode, which is capable of delivering electrons when in use, thus represents the anode.
Für die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batterie kann ein Lithiumeisenphosphat mit Olivinstruktur der Summenformel LiFePO4 eingesetzt werden. Es ist aber auch möglich, ein Lithiumeisenphosphat, das ein Element M enthält ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, B und Nb zu verwenden. Ferner ist es auch möglich, dass das Lithiumeisenphosphat zur Erhöhung der Leitfähigkeit Kohlenstoff enthält.For the lithium-ion battery according to the invention, a lithium iron phosphate with olivine structure of the empirical formula LiFePO 4 can be used. However, it is also possible to use a lithium iron phosphate containing an element M selected from the group consisting of Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, B and Nb. Furthermore, it is also possible that the lithium iron phosphate contains carbon to increase the conductivity.
In einer weiteren Ausführungsform weist das für die Herstellung der positiven Elektrode verwendete Lithiumeisenphosphat mit Olivinstruktur die Summenformel LixFe1-yMyPO4 auf, wobei M mindestens ein Element darstellt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Bund Nb, mit 0,05 ≤ x ≤ 1,2 und 0 ≤ y ≤ 0,8.In a further embodiment, the lithium iron phosphate used with the olivine structure for the production of the positive electrode has the empirical formula Li x Fe 1-y M y PO 4 , wherein M represents at least one element selected from the group consisting of Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Bund Nb, where 0.05 ≤ x ≤ 1.2 and 0 ≤ y ≤ 0.8.
In einer Ausführungsform ist x = 1 und y = 0.In In one embodiment, x = 1 and y = 0.
Die positive Elektrode enthält das Lithiumeisenphosphat vorzugsweise in Form von Nanopartikeln. Die Nanopartikel können eine beliebige Form annehmen, das heißt, sie können grob-sphärisch oder langgestreckt sein.The positive electrode contains the lithium egg senphosphat preferably in the form of nanoparticles. The nanoparticles can take any shape, that is, they can be coarse-spherical or elongated.
In einer Ausführungsform weist das Lithiumeisenphosphat eine Partikelgröße gemessen als D95-Wert von kleiner als 15 μm auf. Vorzugsweise ist die Partikelgröße kleiner als 10 μm.In one embodiment, the lithium iron phosphate has a particle size measured as D 95 value of less than 15 microns. Preferably, the particle size is less than 10 microns.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Lithiumeisenphosphat eine Partikelgröße gemessen als D95-Wert zwischen 0,005 μm bis 10 μm auf.In a further embodiment, the lithium iron phosphate has a particle size measured as D 95 value between 0.005 .mu.m to 10 .mu.m.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Lithiumeisenphosphat eine Partikelgröße gemessen als D95-Wert von kleiner 10 μm auf, wobei der D50-Wert 4 μm ± 2 μm beträgt und der D10-Wert kleiner als 1,5 μm ist.In a further embodiment, the lithium iron phosphate has a particle size measured as D 95 value of less than 10 μm, the D 50 value being 4 μm ± 2 μm and the D 10 value being less than 1.5 μm.
Die angegebenen Werte wurden durch Messung unter Verwendung der statischen Laserlichtstreuung (Laserbeugung, Laser-Diffraktometrie) bestimmt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.The indicated values were measured by using the static Laser light scattering (laser diffraction, laser diffractometry) determines as known from the prior art.
Die negative Elektrode kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, die für die Verwendung einer Batterie mit Lithium-Ionen-Elektrolyten geeignet sind. Beispielsweise kann die negative Elektrode Lithium-Metall oder Lithium in Form einer Legierung enthalten, entweder in Form einer Folie, eines Gitters oder in Form von Partikeln, die durch ein geeignetes Bindemittel zusammengehalten werden. Die Verwendung von Lithium-Metall-Oxiden wie Lithium-Titan-Oxid ist gleichfalls möglich. Grundsätzlich können alle Materialien verwendet werden, die in der Lage sind, mit Lithium Interkalationsverbindungen zu bilden. Geeignete Materialien für die negative Elektrode umfassen dann beispielsweise Graphit, synthetischen Graphit, Ruß, Mesokohlenstoff, dotierten Kohlenstoff, Fullerene, Niobpentoxid, Zinnlegierungen, Titandioxid, Zinndioxid, und Mischungen dieser Substanzen.The negative electrode can be made of a variety of materials Be eligible for using a battery with lithium-ion electrolyte are suitable. For example, the negative electrode may be lithium metal or lithium in the form of an alloy, either in the form a film, a grid or in the form of particles passing through a suitable binder are held together. The usage of Lithium metal oxides such as lithium titanium oxide is also possible. In principle, all materials can be used which are capable of using lithium intercalation compounds to build. Suitable materials for the negative electrode then include, for example, graphite, synthetic graphite, carbon black, Mesocarbon, doped carbon, fullerenes, niobium pentoxide, Tin alloys, titanium dioxide, tin dioxide, and mixtures of these Substances.
In der positiven Elektrode werden das verwendete Lithiumeisenphosphat sowie die für die negative Elektrode verwendeten Materialien i. A. durch ein Bindemittel, das diese Materialien auf der Elektrode hält, zusammengehalten. Beispielsweise können polymere Bindemittel verwendet werden. Als Bindemittel können beispielsweise Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyacrylat, Ethylen-(Propylen-Dien-Monomer)-Copolymer (EPDM) und Mischungen und Copolymere davon verwendet werden.In The positive electrode will be the lithium iron phosphate used and the materials used for the negative electrode i. A. by a binder, these materials on the electrode holds, held together. For example, polymeric Binders are used. As a binder, for example Polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyethylene, polypropylene, Polytetrafluoroethylene, polyacrylate, ethylene (propylene-diene monomer) copolymer (EPDM) and mixtures and copolymers thereof.
Der für die Batterie verwendete Separator muss, um den Ionentransport für Lithium-Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode zu gewährleisten, für Lithium-Ionen durchlässig sein. Andererseits muss der Separator für Elektronen isolierend sein.Of the For the battery used separator must be to the ion transport for lithium ions between the positive and the negative Ensure electrode for lithium ions be permeable. On the other hand, the separator for Be electrons insulating.
Der Separator umfasst ein Vlies aus ungewebten Polymerfasern, auch als „non woven fabrics” bekannt, die elektrisch nicht leitend sind. Der Begriff ”Vlies” wird synonym mit Begriffen wie ”Gewirke” oder ”Filz” verwendet. Statt des Begriffs „ungewebt” wird auch der Begriff „nicht verwebt” verwendet.Of the Separator comprises a nonwoven web of nonwoven polymer fibers, also called "non woven fabrics known which are electrically non-conductive. The term "fleece" becomes synonymous with terms such as "knitted fabric" or "felt" used. Instead of the term "unwoven" is also the term "not interweaves ".
Vorzugsweise ist das Vlies flexibel und weist eine Dicke von weniger als 30 μm auf. Verfahren zur Herstellung derartiger Vliese sind aus dem Stand der Technik bekannt.Preferably the fleece is flexible and has a thickness of less than 30 microns on. Processes for producing such nonwovens are known from the prior art known to the art.
Vorzugsweise werden die Polymerfasern ausgewählt aus der Gruppe von Polymeren bestehend aus Polyacrylnitril, Polyolefin, Polyester, Polyimid, Polyetherimid, Polysulfon, Polyamid, Polyether.Preferably the polymer fibers are selected from the group of Polymers consisting of polyacrylonitrile, polyolefin, polyester, Polyimide, polyetherimide, polysulfone, polyamide, polyether.
Geeignete Polyolefine sind beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid.suitable Polyolefins are, for example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, Polyvinylidene fluoride.
Bevorzugte Polyester sind beispielsweise Polyethylenterephthalate.preferred Polyesters are, for example, polyethylene terephthalates.
Das im Separator enthaltene Vlies ist ein- oder beidseitig mit einem ionenleitenden anorganischen Material beschichtet. Der Begriff ”Beschichtung” beinhaltet auch, dass sich das ionenleitende anorganische Material nicht nur auf einer Seite oder beiden Seiten des Vlieses befinden kann, sondern auch innerhalb des Vlieses.The The fleece contained in the separator is on one or both sides with a coated with ion-conducting inorganic material. The term "coating" includes Also, that the ion-conducting inorganic material not only can be located on one side or both sides of the fleece, but also inside the fleece.
Das ionenleitende anorganische Material ist in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend, d. h. ionenleitend für die Lithium-Ionen.The Ion-conducting inorganic material is in a temperature range from -40 ° C to 200 ° C ion conducting, d. H. ion-conducting for the lithium ions.
Das für die Beschichtung verwendete Material ist wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zirkon, Aluminium oder Lithium.The material used for the coating is at least a compound from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, Silicates, aluminosilicates at least one of the elements zirconium, aluminum or lithium.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht das ionenleitende Material aus Zirkonoxid.In a preferred embodiment comprises or consists the ion-conducting material of zirconia.
Des Weiteren kann ein Separator verwendet werden, welcher aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist. Dieser Träger ist auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger wird ein organisches Material verwendet, welches als nichtverwebtes Vlies ausgestaltet ist. Das organische Material ist in Form von Polymerfasern ausgestaltet, vorzugsweise Polymerfasern des Polyethylenterephthalats (PET). Das Vlies ist mit einem anorganischen ionenleitenden Material beschichtet, welches vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist. Das anorganische ionenleitende Material umfasst bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zirkon, Aluminium, Lithium, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Bevorzugt weist das anorganische ionenleitende Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf.Furthermore, a separator may be used, which consists of an at least partially permeable carrier, which is not or only poorly electron-conducting. This support is coated on at least one side with an inorganic material. As at least partially permeable carrier an organic material is used, which is designed as a non-woven fleece. The organic material is in the form of polymer fibers, preferably polymer fibers of polyethylene terephthalate (PET). The nonwoven fabric is coated with an inorganic ion conducting material which is preferably ion conducting in a temperature range of -40 ° C to 200 ° C. The inorganic ion-conducting material preferably comprises at least one compound from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates with at least one of the elements zirconium, aluminum, lithium, particularly preferably zirconium oxide. The inorganic ion-conducting material preferably has particles with a maximum diameter of less than 100 nm.
Ein solcher Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen ”Separion®” von der Firma Evonik AG in Deutschland vertrieben.Such a separator is marketed in Germany, for example, under the trade name "Separion ®" by the company Evonik AG.
Verfahren
zur Herstellung derartiger Separatoren sind aus dem Stand der Technik
bekannt, beispielsweise aus der
Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien beinhalten eine Vielzahl von Lithium-Salzen. Bevorzugte Lithium-Salze weisen inerte Anionen auf und sind nicht-toxisch. Geeignete Lithium-Salze sind beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat, Lithiumhexa-fluoroarsenat, Lithium-bis(trifluoromethylsulfonylimid), Lithiumtrifluoromethansulfonat, Lithium-tris(trifluoromethylsulfonyl)-methid, Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumperchlorat, Lithiumtetrachloraluminat, Lithiumchlorid, und Mischungen davon.electrolytes for lithium-ion batteries include a variety of Lithium salts. Preferred lithium salts have inert anions and are non-toxic. Suitable lithium salts are, for example Lithium hexafluorophosphate, lithium hexa-fluoroarsenate, lithium bis (trifluoromethylsulfonylimide), Lithium trifluoromethanesulfonate, lithium tris (trifluoromethylsulfonyl) methide, Lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium tetrachloroaluminate, Lithium chloride, and mixtures thereof.
Vorzugsweise liegt der Elektrolyt als Elektrolytlösung vor. Geeignete Lösungsmittel sind vorzugsweise inert. Geeignete Lösungsmittel umfassen beispielsweise Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, 2-Methyltetrahydrofuran, Dioxolan, Tetrahydrofuran, 1,2-Dimethoxyethan, Ethylencarbonat, γ-Butyrolacton, Dimethylsulfoxid, Acetonitril, Formamid, Dimethylformamid, Nitromethan, und Mischungen davon.Preferably the electrolyte is present as electrolyte solution. suitable Solvents are preferably inert. Suitable solvents include, for example, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, 2-methyltetrahydrofuran, dioxolane, tetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane, Ethylene carbonate, γ-butyrolactone, dimethyl sulfoxide, acetonitrile, formamide, Dimethylformamide, nitromethane, and mixtures thereof.
Die
Herstellung der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batterie
kann nach Methoden erfolgen, wie sie im Stand der Technik bekannt
sind und beispielsweise beschrieben werden im
Beispielsweise kann zur Herstellung der positiven Elektrode das Lithiumeisenphosphat als Pulver auf der Elektrode niedergeschlagen und zu einem dünnen Film verdichtet werden, gegebenenfalls unter Verwendung eines Bindemittels. Die andere Elektrode kann auf die erste Elektrode laminiert werden, wobei der Separator in Form einer Folie vorher auf die negative oder die positive Elektrode laminiert wird. Es ist auch möglich, die positive Elektrode, den Separator und die negative Elektrode gleichzeitig unter gegenseitiger Laminierung zu verarbeiten.For example For example, the lithium iron phosphate may be used to make the positive electrode deposited as a powder on the electrode and a thin Film are compacted, optionally using a binder. The other electrode may be laminated to the first electrode, wherein the separator in the form of a film previously on the negative or the positive electrode is laminated. It is also possible, the positive electrode, the separator and the negative electrode to be processed simultaneously with mutual lamination.
Im Folgenden werden besonders bevorzugte Ausführungsformen des in der erfindungsgemäßen Batterie verwendeten Separators sowie Vorteile der Batterie insbesondere unter Sicherheitsaspekten zusammengefasst.in the The following are particularly preferred embodiments of the battery used in the battery according to the invention Separators and advantages of the battery, especially in terms of safety summarized.
Prinzipiell können zu große Poren und Löcher in Separatoren, die in Sekundärbatterien verwendet werden, zu einem inneren Kurzschluss führen. Die Batterie kann sich dann in einer gefährlichen Reaktion sehr schnell selbst entladen. Hierbei können so große elektrische Ströme auftreten, dass eine geschlossene Batteriezelle im ungünstigsten Fall sogar explodieren kann. Aus diesem Grund kann der Separator entscheidend zur Sicherheit bzw. zur fehlenden Sicherheit einer Lithiumhochleistungs- oder Lithiumhochenergie-Batterie beitragen.in principle can cause too large pores and holes in separators, which are used in secondary batteries, to an inner one Short circuit. The battery can then be in one dangerous reaction very quickly self-discharge. in this connection can such large electrical currents occur that a closed battery cell in the worst case can even explode. Because of this, the separator can be crucial safety or lack of safety of a high-performance lithium battery or lithium high-energy battery.
Polymerseparatoren unterbinden i. A. ab einer bestimmten Temperatur (der sogenannten „Shut-Down-Temperatur”, die bei ca. 120°C liegt) jeglichen Stromtransport durch den Elektrolyten. Dies geschieht dadurch, dass bei dieser Temperatur das Porengefüge des Separators zusammenbricht und alle Poren verschlossen werden. Dadurch, dass keine Ionen mehr transportiert werden können, kommt die gefährliche Reaktion, die zur Explosion führen kann, zum Erliegen. Wird die Zelle aufgrund äußerer Umstände aber weiter erwärmt, so wird bei ca. 150 bis 180°C die sogenannte „Break-Down-Temperatur” überschritten. Ab dieser Temperatur kommt es zum Schmelzen des Separators, wobei dieser sich zusammenzieht. An vielen Stellen in der Batteriezelle kommt es nun zu einem direkten Kontakt zwischen den beiden Elektroden und somit zu einem großflächigem inneren Kurzschluss. Dieser führt zur unkontrollierten Reaktion, die mit einer Explosion der Zelle enden kann, bzw. der entstehende Druck muss durch ein Überdruckventil (eine Berstscheibe) häufig unter Feuererscheinungen abgebaut werden.Polymeric prevent i. A. above a certain temperature (the so-called "shut-down temperature", which is at about 120 ° C) any electricity transport through the electrolyte. This happens because at that temperature the pore structure of the separator collapses and all Pores are closed. Because no ions are transported anymore can be, comes the dangerous reaction, which can lead to the explosion, to a halt. Will the cell but due to external circumstances heated, so at about 150 to 180 ° C, the so-called "break-down temperature" is exceeded. From this temperature, it melts the separator, wherein this is contracting. In many places in the battery cell comes it now leads to a direct contact between the two electrodes and thus to a large internal short circuit. This leads to the uncontrolled reaction, which with a Explosion of the cell may end, or the resulting pressure must through a pressure relief valve (a rupture disk) frequently be decomposed under fire phenomena.
Bei dem in der erfindungsgemäßen Batterie verwendeten Separator umfassend ein Vlies aus ungewebten Polymerfasern und die anorganische Beschichtung kann es nur zum Shut-Down (Abschaltung) kommen, wenn durch die hohe Temperatur das Polymergefüge des Trägermaterials schmilzt und in die Poren des anorganischen Materials eindringt und diese dadurch verschließt. Zum Break-Down (Zusammenbruch) kommt es bei dem Separator dagegen nicht, da die anorganischen Partikel dafür sorgen, dass ein völliges Schmelzen des Separators nicht eintreten kann. Somit ist sichergestellt, dass es keine Betriebszustände gibt, in denen ein großflächiger Kurzschluss entstehen kann.at used in the battery according to the invention Separator comprising a non-woven fabric of non-woven polymer fibers and the inorganic coating can only be shut-down come when, due to the high temperature, the polymer structure of the carrier material melts and into the pores of the inorganic Material penetrates and thereby closes. To the Break-down (collapse) does not happen with the separator, because the inorganic particles ensure that a complete Melting of the separator can not occur. This ensures that that there are no operating states in which a large area Short circuit can occur.
Durch die Art des eingesetzten Vlieses, welches eine besonders gut geeignete Kombination aus Dicke und Porosität aufweist, können Separatoren hergestellt werden, die den Anforderungen an Separatoren in Hochleistungsbatterien, insbesondere Lithium-Hochleistungsbatterien gerecht werden können. Durch die gleichzeitige Verwendung von in ihrer Partikelgrösse genau abgestimmten Oxid-Partikeln zur Herstellung der porösen (keramischen) Beschichtung wird eine besonders hohe Porosität des fertigen Separators erreicht, wobei die Poren immer noch genügend klein sind um ein unerwünschtes Durchwachsen von „Lithium-Whiskern” durch den Separator zu verhindern.Due to the nature of the fleece used, which is a particularly suitable combination of Thickness and porosity, separators can be made that can meet the requirements for separators in high-performance batteries, especially lithium high-performance batteries. By the simultaneous use of exactly matched in their particle size oxide particles for the production of porous (ceramic) coating a particularly high porosity of the final separator is achieved, the pores are still small enough to unwanted growth of "lithium whiskers" through to prevent the separator.
Auf Grund der hohen Porosität in Verbindung mit der geringen Dicke des Separators ist es außerdem möglich, den Separator vollständig oder zumindest nahezu vollständig mit dem Elektrolyten zu tränken, so dass keine Toträume in einzelnen Bereichen des Separators und damit in bestimmten Wicklungen oder Schichtungen der Batteriezellen entstehen können, in denen kein Elektrolyt vorliegt. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass durch die Einhaltung der Partikelgröße der Oxid-Partikel die erhaltenen Separatoren frei bzw. nahezu frei von geschlossenen Poren sind, in welche der Elektrolyt nicht eindringen kann.On Reason of high porosity in connection with the low Thickness of the separator, it is also possible the separator completely or at least almost completely soak with the electrolyte, so no dead spots in individual areas of the separator and thus in certain windings or Stratifications of the battery cells may arise in which no electrolyte is present. This is achieved in particular by that by adhering to the particle size of the Oxide particles, the resulting separators free or almost free of are closed pores, in which the electrolyte can not penetrate.
Die für die Erfindung eingesetzten Separatoren haben außerdem den Vorteil, dass sich an den anorganischen Oberflächen des Separatormaterials die Anionen des Leitsalzes teilweise anlagern, was zu einer Verbesserung der Dissoziation und somit zu einer besseren Ionenleitfähigkeit im Hochstrombereich führt. Ein weiterer, nicht unerheblicher Vorteil des Separators liegt in der sehr guten Benetzbarkeit. Aufgrund der hydrophilen keramischen Beschichtung erfolgt die Benetzung mit Elektrolyten sehr rasch, was ebenfalls zu einer verbesserten Leitfähigkeit führt.The In addition, separators used for the invention have the advantage of being on the inorganic surfaces partially deposit the anions of the conductive salt of the separator material, which leads to an improvement of the dissociation and thus to a better one Ion conductivity in the high current range leads. Another, not insignificant advantage of the separator is in the very good wettability. Due to the hydrophilic ceramic Coating, the wetting with electrolyte takes place very quickly, which also leads to improved conductivity.
Der für die erfindungsgemäße Batterie verwendete Separator, umfassend ein flexibles Vlies mit einer auf und in diesem Vlies befindlichen porösen anorganischen Beschichtung, wobei das Material des Vlieses ausgewählt ist aus ungewebten, nicht elektrisch leitfähigen Polymerfasern, zeichnet sich auch dadurch aus, dass das Vlies eine Dicke von weniger als 30 μm, eine Porosität von mehr als 50%, vorzugsweise von 50 bis 97% und eine Porenradienverteilung aufweist, bei der mindestens 50% der Poren einen Porenradius von 75 bis 150 μm aufweisen.Of the used for the battery according to the invention Separator comprising a flexible nonwoven with one on and in this Nonwoven porous inorganic coating, the material of the fleece being selected from nonwoven, non-electrically conductive polymer fibers, also stands out in that the fleece has a thickness of less than 30 μm, a porosity of more than 50%, preferably from 50 to 97% and a pore radius distribution, wherein at least 50% of the pores have a pore radius of 75 to 150 microns.
Besonders bevorzugt umfasst der Separator ein Vlies, welches eine Dicke von 5 bis 30 μm, vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 20 μm aufweist. Besonders wichtig ist auch eine möglichst homogene Porenradienverteilung im Vlies wie oben angegeben. Eine noch homogenere Porenradienverteilung im Vlies führt in Verbindung mit optimal abgestimmten Oxid-Partikeln bestimmter Größe zu einer optimierten Porosität des Separators.Especially Preferably, the separator comprises a nonwoven which has a thickness of 5 to 30 microns, preferably a thickness of 10 to 20 microns having. Particularly important is also a homogeneous distribution of pore radii in the fleece as indicated above. An even more homogeneous pore radius distribution in fleece leads in conjunction with optimally matched oxide particles certain size to an optimized porosity of the separator.
Die Dicke des Substrates hat einen grossen Einfluss auf die Eigenschaften des Separators, da zum einen die Flexibilität aber auch der Flächenwiderstand des mit Elektrolyt getränkten Separators von der Dicke des Substrates abhängig ist. Durch die geringe Dicke wird ein besonders geringer elektrischer Widerstand des Separators in der Anwendung mit einem Elektrolyten erzielt. Der Separator selbst weist einen sehr hohen elektrischen Widerstand auf, da er selbst isolierende Eigenschaften aufweisen muss. Zudem erlauben dünnere Separatoren eine erhöhte Packungsdichte in einem Batteriestapel, so dass man im gleichen Volumen eine grössere Energiemenge speichern kann.The Thickness of the substrate has a big influence on the properties the separator, because on the one hand the flexibility but also the sheet resistance of the soaked with electrolyte Separators depends on the thickness of the substrate. By the small thickness becomes a particularly low electrical resistance achieved the separator in the application with an electrolyte. The separator itself has a very high electrical resistance because it itself must have insulating properties. moreover Thinner separators allow increased packing density in a stack of batteries, so that in the same volume a larger Can save energy.
Vorzugsweise weist das Vlies eine Porosität von 60 bis 90%, besonders bevorzugt von 70 bis 90% auf. Die Porosität ist dabei definiert als das Volumen des Vlieses (100%) minus dem Volumen der Fasern des Vlieses, also dem Anteil am Volumen des Vlieses, der nicht von Material ausgefüllt wird. Das Volumen des Vlieses kann dabei aus den Abmessungen des Vlieses berechnet werden. Das Volumen der Fasern ergibt sich aus dem gemessen Gewicht des betrachteten Vlieses und der Dichte der Polymerfasern. Die große Porosität des Substrates ermöglicht auch eine höhere Porosität des Separators, weshalb eine höhere Aufnahme an Elektrolyten mit dem Separator erzielt werden kann.Preferably the nonwoven has a porosity of 60 to 90%, especially preferably from 70 to 90%. The porosity is defined as the volume of the fleece (100%) minus the volume of the fibers of the Fleece, so the proportion of the volume of the fleece that is not of material is completed. The volume of the fleece can be off the dimensions of the fleece are calculated. The volume of the fibers results from the measured weight of the considered fleece and the density of polymer fibers. The big porosity The substrate also allows a higher porosity of the separator, which is why a higher uptake of electrolytes can be achieved with the separator.
Damit ein Separator mit isolierenden Eigenschaften erhalten werden kann, weist dieser als Polymerfasern für das Vlies vorzugsweise nicht elektrisch leitfähige Fasern von Polymeren auf wie oben definiert, die vorzugsweise ausgewählt sind aus Polyacrylnitril (PAN), Polyester, wie z. B. Polyethylenterephthalat (PET) und/oder Polyolefin (PO), wie z. B. Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE), oder Mischungen solcher Polyolefine.In order to a separator with insulating properties can be obtained has this as polymer fibers for the nonwoven preferably non-electrically conductive fibers of polymers such as defined above, which are preferably selected from polyacrylonitrile (PAN), polyester, such. As polyethylene terephthalate (PET) and / or Polyolefin (PO), such as. Polypropylene (PP) or polyethylene (PE), or mixtures of such polyolefins.
Die Polymerfasern der Vliese weisen vorzugsweise einen Durchmesser von 0,1 bis 10 μm, besonders bevorzugt von 1 bis 4 μm auf.The Polymer fibers of the nonwovens preferably have a diameter of 0.1 to 10 microns, more preferably from 1 to 4 microns on.
Besonders bevorzugte flexible Vliese weisen ein Flächengewicht von kleiner 20 g/m2, vorzugsweise von 5 bis 10 g/m2 auf.Particularly preferred flexible nonwovens have a basis weight of less than 20 g / m 2 , preferably from 5 to 10 g / m 2 .
Der Separator weist auf und im Vlies eine poröse, elektrisch isolierende, keramische Beschichtung auf. Vorzugsweise weist die auf und in dem Vlies befindliche poröse anorganische Beschichtung Oxid-Partikel der Elemente Li, Al, Si und/oder Zr mit einer mittleren Partikelgrösse von 0,5 bis 7 μm, bevorzugt von 1 bis 5 μm und ganz besonders bevorzugt von 1,5 bis 3 μm auf. Besonders bevorzugt weist der Separator eine auf und in dem Vlies befindliche poröse anorganische Beschichtung auf, die Aluminiumoxid-Partikel mit einer mittleren Partikelgrösse von 0,5 bis 7 μm, bevorzugt von 1 bis 5 μm und ganz besonders bevorzugt von 1,5 bis 3 μm aufweist, die mit einem Oxid der Elemente Zr oder Si verklebt sind. Um eine möglichst hohe Porosität zu erzielen, liegen bevorzugt mehr als 50 Gew.-% und besonders bevorzugt mehr als 80 Gew.-% aller Partikel in den oben genannten Grenzen der mittleren Partikelgrösse. Wie bereits oben beschrieben beträgt die maximale Partikelgrösse vorzugsweise 1/3 bis 1/5 und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1/10 der Dicke des eingesetzten Vlieses.The separator has a porous, electrically insulating, ceramic coating on and in the fleece. The porous inorganic coating on and in the nonwoven preferably has oxide particles of the elements Li, Al, Si and / or Zr with an average particle size of 0.5 to 7 μm, preferably of 1 to 5 μm and very particularly preferably of 1 , 5 to 3 microns on. Particularly preferably, the separator has a porous inorganic coating on and in the nonwoven, the aluminum has umoxid particles having an average particle size of 0.5 to 7 microns, preferably from 1 to 5 microns and most preferably from 1.5 to 3 microns, which are bonded with an oxide of the elements Zr or Si. In order to achieve the highest possible porosity, preferably more than 50% by weight and more preferably more than 80% by weight of all particles are within the abovementioned limits of average particle size. As already described above, the maximum particle size is preferably 1/3 to 1/5 and particularly preferably less than or equal to 1/10 of the thickness of the nonwoven used.
Vorzugsweise weist der Separator eine Porosität von 30 bis 80%, bevorzugt von 40 bis 75% und besonders bevorzugt von 45 bis 70% auf. Die Porosität bezieht sich dabei auf die erreichbaren, also offenen Poren. Die Porosität kann dabei mittels der bekannten Methode der Quecksilber-Porosimetrie bestimmt werden oder kann aus dem Volumen und der Dichte der verwendeten Einsatzstoffe errechnet werden, wenn davon ausgegangen wird, dass nur offene Poren vorliegen.Preferably the separator has a porosity of 30 to 80%, preferably from 40 to 75%, and more preferably from 45 to 70%. The porosity refers to the achievable, so open pores. The Porosity can by means of the known method of Mercury porosimetry can be determined or may be from the volume and the density of the starting materials used, if it is assumed that only open pores are present.
Die für die erfindungsgemäße Batterie verwendeten Separatoren zeichnen sich auch dadurch aus, dass sie eine Reissfestigkeit von mindestens 1 N/cm, vorzugsweise von mindestens 3 N/cm und ganz besonders bevorzugt von 3 bis 10 N/cm aufweisen können. Die Separatoren lassen sich vorzugsweise ohne Beschädigung bis auf jeden Radius bis herab zu 100 mm, vorzugsweise bis herab zu 50 mm und ganz besonders bevorzugt bis herab zu 1 mm biegen. Die hohe Reissfestigkeit und die gute Biegbarkeit des Separators haben den Vorteil, dass beim Laden und Entladen einer Batterie auftretende Veränderungen der Geometrien der Elektroden durch den Separator mitgemacht werden können, ohne dass dieser beschädigt wird. Die Biegbarkeit hat zudem den Vorteil, dass mit diesem Separator kommerziell standardisierte Wickelzellen produziert werden können. Bei diesen Zellen werden die Elektroden/Separator-Lagen in standardisierter Grösse miteinander spiralförmig aufgewickelt und kontaktiert.The used for the battery according to the invention Separators are also characterized by the fact that they have a tensile strength of at least 1 N / cm, preferably of at least 3 N / cm and whole particularly preferably from 3 to 10 N / cm. The separators can be preferably without damage down to any radius down to 100 mm, preferably down to to 50 mm and most preferably bend down to 1 mm. The high tear strength and the good bendability of the separator have the advantage that when charging and discharging a battery occurring Changes in the geometries of the electrodes through the separator can be mitged without this damaged becomes. The bendability also has the advantage that with this separator commercially standardized wound cells can be produced. In these cells, the electrode / separator layers are standardized Size spirally wound together and contacted.
Die Kombination der positiven Elektrode enthaltend ein Lithiumeisenphosphat mit dem Separator umfassend ein Vlies aus ungewebten Polymerfasern, das ein- oder beidseitig mit einem ionenleitenden anorganischen Material beschichtet ist, in der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batterie resultiert in einer Lithium-Ionen-Batterie, die neben der hohen Schnellladefähigkeit eine außerordentlich hohe Sicherheit bei hoher Kapazität aufweist. Diese Kombination ist für die Verwendung als Antriebskraft für mobile Informationsvorrichtungen, für Werkzeuge, elektrisch betriebene Automobile und für Automobile mit Hybridantrieb außerordentlich günstig.The Combination of the positive electrode containing a lithium iron phosphate with the separator comprising a nonwoven web of nonwoven polymeric fibers, the one or both sides with an ion-conducting inorganic material is coated in the lithium-ion battery according to the invention results in a lithium-ion battery, in addition to the high fast charge capability an extremely high level of security with high capacity having. This combination is for use as Driving force for mobile information devices, for Tools, electrically powered automobiles and for automobiles with hybrid drive extraordinarily cheap.
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