DE102009054016A1

DE102009054016A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verjüngung schwächer gewordener Lithiumionenbatteriezellen vom Pouch-Typ

Info

Publication number: DE102009054016A1
Application number: DE102009054016A
Authority: DE
Inventors: Stephen J. Bloomfield Harris
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Eine Ausführungsform umfasst ein Verfahren, das den Gebrauch eines Verteilers aufweist, der mit einem oder mehreren Beuteln verbunden ist, um ausgefallene oder schwächer gewordene Lithiumionenbatterien vom Beuteltyp zu verjüngen.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 61/116,076, die am 19. November 2008 eingereicht wurde.
TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, das die Offenbarung betrifft, umfasst eine Verjüngung sowie eine Wiederverwendung schwächer gewordener bzw. nachlassender Lithiumionenbatterien vom Pouch- bzw. Beutel-Typ.
HINTERGRUND
Lithiumionenbatterien stellen einen Typ von wiederaufladbarer Batterie dar, bei dem sich ein Lithiumion zwischen einer negativen Elektrode und einer positiven Elektrode bewegt. Lithiumionenbatterien werden gewöhnlich in Verbraucherelektronik verwendet. Zusätzlich zu Verwendungen in der Verbraucherelektronik wächst die Popularität von Lithiumionenbatterien bei Verteidigungs-, Kraftfahrzeug- wie auch Luft- und Raumfahrtanwendungen aufgrund ihrer hohen Energiedichte.
1 zeigt eine Draufsicht einer herkömmlichen Lithiumionenbatterie 10, die in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden kann und eine Elektrodenanordnung 12 sowie einen Pouch bzw. Beutel 14 aufweist, der mit einem Innengebiet 16 zur Aufnahme der Elektrodenanordnung 12 geformt sein kann. Die Komponenten der Elektrodenanordnung 12 und des Beutels 14 sind illustrativ für die Basiskomponenten und nicht dazu bestimmt, in richtiger Orientierung oder richtigem Maßstab dargestellt zu sein.
Die Elektrodenanordnung 12 kann eine erste Elektrodenplatte 20, eine zweite Elektrodenplatte 30 wie auch einen Separator 40 aufweisen, der zwischen der ersten und zweiten Elektrodenplatte 20 und 30 angeordnet ist, um einen Kurzschluss zwischen der ersten und zweiten Elektrodenplatte 20 und 30 zu verhindern und zu ermöglichen, dass nur Lithiumionen hindurchgelangen können. Die Elektrodenanordnung 12 kann durch Wickeln der ersten Elektrodenplatte 20, der Separatorplatte 40 wie auch der zweiten Elektrodenplatte 30 in einen biskuitrollenartigen Aufbau geformt werden. Alternativ dazu können, wie in 1 gezeigt ist, die erste Elektrodenplatte 20, der Separator 40 wie auch die zweite Elektrodenplatte 30 nacheinander in einen Stapelaufbau geschichtet bzw. laminiert werden. Die erste Elektrodenplatte 20 kann eine negative Elektrode sein, während die zweite Elektrodenplatte 30 eine positive Elektrode sein kann, obwohl auch die umgekehrte Anordnung erwogen wird. Es wird auch ein flüssiger Elektrolyt 45 in das Innengebiet 16 des Beutels 14 vor einem Abdichten des Beutels 14 eingebracht.
Eine positive Lasche 50 wie auch eine negative Lasche 52, die mit den jeweiligen Elektrodenplatten 20, 30 der Elektrodenanordnung 10 elektrisch verbunden sind, können derart angebracht sein, dass eine vorbestimmte Länge derselben außerhalb des Gehäusebeutels 14 freiliegen kann. Abschnitte der Elektrodenlaschen 50 und 52, die mit dem Gehäusebeutel 14 in Kontakt kommen, können mit einem Isolierband (nicht gezeigt) umwickelt sein.
Die positive Elektrode 20 kann durch Beschichten einer streifenförmigen Metallplatte, wie einem positiven Kollektor, mit einem positiven aktiven Material geformt werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Metallplatte aus einem Aluminiumfilm bestehen, während das positive aktive Material aus einem lithiumbasierten Oxid als einer Hauptkomponente, einem Binder und einem leitenden Material geformt sein kann. Die positive Elektrode 20 kann elektrisch mit einer positiven Lasche 50 verbunden und mit Isolierband (nicht gezeigt) umwickelt sein.
Die negative Elektrode 30 kann durch Beschichten einer streifenförmigen Metallplatte, wie einem negativen Kollektor, mit einem negativen aktiven Material geformt werden. Die Metallplatte kann aus einem Kupferfilm bestehen, während das negative aktive Material aus einem Kohlenstoffmaterial als einer Hauptkomponente, einem Binder und einem leitenden Material geformt sein kann. Die negative Elektrode 30 kann mit der negativen Lasche 52 elektrisch verbunden und mit Isolierband (nicht gezeigt) umwickelt sein.
Der Separator 40 kann aus einem Polyethylenfilm, einem Polypropylenfilm oder einer Kombination daraus hergestellt sein. Der Separator 40 kann so geformt sein, dass er breiter als die positive und negative Platte 20 und 30 ist, um einen Kurzschluss zwischen der positiven und negativen Platte 20 und 30 zu verhindern.
Der flüssige Elektrolyt 45 kann feste Lithiumsalzelektrolyte aufweisen, wie LIPF₆, LIBF₄ oder LICIO₄, sowie organische Lösemittel, wie Carbonate. Der flüssige Elektrolyt 45 leitet Lithiumionen, die als ein Träger zwischen der negativen Elektrode 30 und der positiven Elektrode 20 wirken, wenn die Batterie 10 einen elektrischen Strom durch eine äußere Schaltung leitet.
Der Beutel 14 kann aus einer breiten Mehrzahl von Materialien geformt sein, die sowohl flexibel als auch heißversiegelbar bzw. -abdichtbar sind, so dass weder Luft noch Wasserdampf eintreten kann. Der Beutel 14 kann ein Schicht- bzw. Laminatmaterial sein, das aus Aluminium und Kunststoff besteht.
Sowohl die positive Elektrode 20 als auch die negative Elektrode 30 sind Materialien, in die und aus denen Lithium wandern kann. Wenn eine Zelle entladen wird, wird das Lithium von der negativen Elektrode 20 abgezogen und in die positive Elektrode 30 eingebracht. Wenn die Zelle lädt, findet der umgekehrte Prozess statt: Lithium wird von der positiven Elektrode 30 abgezogen und in die negative Elektrode 20 eingebracht.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Verjüngen einer Lithiumionenbatterie vom Beutel-Typ, wobei das Verfahren umfasst, dass zumindest ein Beutel vorgesehen wird, der über eine erste Verrohrung mit einem ersten Verteiler abdichtbar bzw. abdichtend verbunden ist, wobei der zumindest eine Beutel einen ersten Elektrolyt und eine Elektrodenanordnung aufweist, wobei der zumindest eine Beutel abdichtbar gegenüber einer äußeren Atmosphäre verbunden ist; ein Lösemittel in den ersten Verteiler und in den zumindest einen Beutel eingeführt wird, um eine jeweilige Elektrodenanordnung, die in dem zumindest einen Beutel enthalten ist, zu behandeln; ein wesentlicher Anteil des Lösemittels von dem zumindest einen Beutel entfernt wird; ein zweiter Elektrolyt in den ersten Verteiler und in den zumindest einen Beutel eingeführt wird; und der Beutel gegenüber der äußeren Atmosphäre abgedichtet wird.
Andere beispielhafte Ausführungsformen werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter (illustrativer) Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Lithiumionenbatterie gemäß dem Stand der Technik.
2A ist eine Draufsicht von Elektrolytverteilern, die bei der Verjüngung einer oder mehrerer Lithiumionenbatterien gemäß einer beispielhaften Ausführungsform verwendet werden können.
2B ist eine Frontansicht von Elektrolytverteilern, die bei der Verjüngung einer oder mehrerer Lithiumionenbatterien gemäß einer beispielhaften Ausführungsform verwendet werden können.
3 zeigt ein logisches Flussdiagramm zur Verjüngung einer Lithiumionenbatterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter (illustrativer) Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Die beispielhaften Ausführungsformen hier können Verfahren zum Verjüngen einer Lithiumionenbatterie vom Beutel-Typ offenbaren, einschließlich der herkömmlichen Lithiumionenbatterie 10, die oben in 1 beschrieben ist. Somit sind die Verfahren hier in Verbindung mit einer Verjüngung einer oder mehrerer herkömmlicher Lithiumionenbatterien vom Beutel-Typ beschrieben, die die in 1 gezeigte Lithiumionenbatterie 10 vom Beutel-Typ aufweisen können. Zusätzlich können die hier beschriebenen Verfahren auch bei der Verjüngung anderer prismatischer Lithiumionenbatteriezellen verwendet werden, von denen die Lithiumionenbatteriezellen vom Beutel-Typ eine Untermenge darstellen.
Im Betrieb der Lithiumionenbatterie 10, wie in 1 beschrieben ist, kann ein Anteil des flüssigen Elektrolyten 45 zersetzt werden, um Lithiumsalze und andere polymere Materialien zu bilden, die eine Festelektrolyt-Zwischenphasen-(SEI)-Schicht, beispielsweise 55, die die Festelektrolytsalze aufweist, an den Oberflächen der negativen Elektrode 30 und/oder der positiven Elektrode 20 ausbilden. Es wird angenommen, dass die SEI-Schicht 55, einschließlich des Niederschlags von Lithiumfluorid (LiF) aus dem flüssigen Elektrolyt 45 an den Elektroden die Leitung von Lithiumionen beeinträchtigt, was zu einem Leistungs- und Kapazitätsverlust einer Batterie führen kann.
Eine andere Schädigungsart ist die Abscheidung von Mn (anstelle von SEI) an der negativen Kohlenstoffelektrode in dem Fall Mn-basierter positiver Elektroden. Das Mn oder ein anderer Kontaminant kann für die Zelle unter Verwendung eines geeigneten Lösemittels auf eine ähnliche Weise entfernt werden, wie SEI entfernt wird, um die Zellen zu verjüngen, wie aus der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen zu erkennen ist.
Es wird angenommen, dass der mit der SEI-Schicht in Verbindung stehende Leistungs- und Kapazitätsverlust wie auch die Zersetzung des flüssigen Elektrolyten zumindest teilweise reversibel sind, und es ist herausgefunden wurden, dass eine Batterie mit geringer Leistung und Kapazität in der Lage ist, zumindest einen Anteil ihrer Leistung und Kapazität zur weiteren Verwendung durch Umkehren der Effekte in Verbindung mit der SEI-Schicht und/oder durch die Zersetzung des flüssigen Elektrolyten rückzugewinnen.
Somit können die beispielhaften Verfahren und Vorrichtung, wie hier beschrieben ist, dazu verwendet werden, eine oder mehrere Lithiumionenbatterien vom Beutel-Typ zu verjüngen, wie die, die in 1 gezeigt sind.
Bei gewählten beispielhaften Verfahren kann ein Lösemittel zur Einführung in den inneren Bereich eines Beutels gewählt werden, wo das Lösemittel in Kontakt mit Batterieelektroden für eine ausreichende Zeitdauer bleibt, um einen Anteil einer SEI-Schicht, einschließlich Lithiumfluorid (LiF) und anderen schädlichen Materialien, im Wesentlichen zu entfernen. Das Lösemittel kann zunächst auf eine erhöhte Temperatur erwärmt werden, die ausreichend ist, um eine Entfernung der SEI-Schicht zu steigern, ohne die Komponenten einer Batterie anderweitig zu schädigen.
Bei gewählten beispielhaften Verfahren, wie nachfolgend beschrieben ist, können die gewählten Lösemittel Carbonatlösemittel aufweisen, die erwärmt und in einen Verteiler und jeweilige Beutel eingeführt werden können, um mit Batterieelektroden in Kontakt zu treten. Beispielsweise können die Lösemittel auf eine Temperatur von etwa 50°C bis etwa 100°C oder von etwa 80°C bis etwa 100°C erwärmt werden und können in den Beuteln für eine Zeitdauer von etwa 1 Minute bis etwa 60 Minuten oder von etwa 10 Minuten bis etwa 30 Minuten verbleiben. Beispielhafte Carbonatlösemittel, die verwendet werden können, umfassen Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, Ethylcarbonat, Methylcarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat und Mischungen daraus.
Bezugnehmend auf die 2A sind bei einer beispielhaften Ausführungsform ein oder mehrere Beutel, beispielsweise 14A, 14B, 14C, gezeigt, wobei jeder Beutel eine Elektrodenanordnung enthält, wie eine Elektrodenanordnung 12, die in 1 gezeigt ist. Der eine oder die mehreren Beutel sind mit zumindest zwei Rohren, beispielsweise eingeformten Rohren 16A und 16B versehen, wobei jedes der Rohre zur Einführung und/oder zur Entnahme von Elektrolyt zu und/oder von einem zugeordneten Verteiler, beispielsweise 30A und 30B angepasst ist, während der Elektrolyt von der äußeren Atmosphäre isoliert beibehalten wird. Die Beutel, beispielsweise 14A, 14B, 14C, können herkömmliche Beutel sein, die für herkömmliche Lithiumionenbatterien vom Beutel-Typ verwendet werden, und können aus einer breiten Mehrzahl von Materialien geformt sein, die bevorzugt sowohl flexibel als auch wärmeabdichtbar sind und undurchlässig zu der äußeren Atmosphäre, einschließlich Wasserdampf, sind.
Beispielsweise kann ein Beutel aus einem formbaren (formgebenden) Verbundstoff- bzw. Laminatmaterial geformt sein, einschließlich Metallfolie, beispielsweise Aluminium und Kunststoff, wie es in der Technik bekannt ist, wobei die Rohre in den Aufbau des Beutels während der Herstellung eingeformt werden und Teil des Aufbaus des Beutels werden. Es sei angemerkt, dass die Rohre, beispielsweise 16A und 16B, auch in die Beutel in einem von einem Einform-Herstellprozess separaten Prozess, beispielsweise durch thermisches Verschmelzen, Verschweißen oder Verkleben der Rohre mit einem jeweiligen Beutel nach der Beutel-Herstellung abgedichtet werden können.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Beutel, beispielsweise 14A, eine oder mehrere äußere Kunststoffschichten (außerhalb des Beutels) und innere Schichten (innerhalb des Beutels) und eine dazwischenliegende Metallfolienschicht, wie Aluminium, aufweisen. Es sei angemerkt, dass ein einzelner Beutel, beispielsweise 14A, in einem separaten individuellen Gehäuse (nicht gezeigt) enthalten sein kann oder dass eine Mehrzahl von Beuteln, beispielsweise 14A, 14B, 14C, aneinander laminiert (beispielsweise thermisch verschmolzen oder verschweißt) und in ein separates Gehäuse (nicht gezeigt) eingesetzt werden können, um eine mehrzellige Batterie zu erzeugen, wobei die Zellen in Reihe verbunden sind.
Die Beutel, beispielsweise 14A, 14B, 14C, können durch herkömmliche Formungs-Herstellprozesse ausgebildet werden, von denen in der Technik bekannt ist, dass sie eine Formung der zumindest zwei Rohre, beispielsweise 16A und 16B, die von dem Äußeren des Beutels wegführen und mit einem inneren Abschnitt des Beutels in Verbindung stehen, umfassen. Die zumindest zwei Rohre, beispielsweise 16A und 16B, können an einem beliebigen Abschnitt des Äußeren des Beutels angeordnet sein, und sind bei einer beispielhaften Ausführungsform (2A) an entgegengesetzten Seiten des Beutels angeordnet gezeigt, um mit einem jeweiligen Verteiler, beispielsweise 30A und 30B in Verbindung zu stehen. Es sei auch angemerkt, dass die zumindest zwei Rohre, beispielsweise 16A und 16B, auf derselben Seite eines Beutels, beispielsweise 14A (2B), angeordnet sein können, um mit gestapelten Verteilerabschnitten 30A und 30B in Verbindung zu stehen.
Die Rohre, beispielsweise 16A und 16B, können eine Mehrzahl von Durchmessern aufweisen, die zur Einführung und/oder zur Entnahme von Elektrolyt zu und/oder von einem jeweiligen Verteiler innerhalb einer vernünftigen Zeitdauer, beispielsweise in der Größenordnung von Minuten, geeignet sind. Bei einer beispielhaften Ausführungsform können die Rohre einen Durchmesser von weniger als oder gleich etwa 1/4 Zoll, bevorzugter weniger als oder gleich etwa 1/8 Zoll aufweisen. Es sei angemerkt, dass die Rohre nicht unbedingt eine runde Form besitzen müssen.
Die Rohre, beispielsweise 16A und 16B, können eine beliebige geeignete Länge aufweisen, um mit einem nahe angeordneten Elektrolytverteiler, beispielsweise 30A und 30B, an einem jeweiligen Nebeneingang/-ausgang des Verteilers geeignet abdichtbar verbunden zu werden, wie nachfolgend beschrieben ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Rohrlänge im Bereich von etwa 2 Zoll bis etwa 12 Zoll liegen.
Weiter Bezug nehmend auf 2A sind bei einer beispielhaften Ausführungsform ein oder mehrere Beutel, beispielsweise 14A, 14B, 14C, nahe einem jeweiligen Verteiler, beispielsweise einem Elektrolyteinlassverteiler 30A und einem Elektrolytauslassverteiler 30B, angeordnet, und jedes der zumindest zwei Rohre, beispielsweise 16A und 16B, die einem jeweiligen Beutel zugeordnet sind, sind mit einem jeweiligen Eingang, beispielsweise 18A, 18B, der jeweiligen Verteiler 30A und 30B abdichtbar (beispielsweise im Wesentlichen luftdicht) verbunden, um eine abdichtbare Verbindung (beispielsweise undurchlässig gegenüber äußerer Luft) mit den Verteilern vorzusehen, um eine Strömung eines Elektrolyten von einem jeweiligen Verteiler in und/oder aus einem Inneren eines jeweiligen Beutels, beispielsweise 14A, 14B, 14C, bereitzustellen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform können die jeweiligen Verteiler 30A und 30B zusammen mit den jeweiligen Beuteln, beispielsweise 14A, und Rohren 16A, 16B als ein einteiliger Aufbau vorgesehen sein, wodurch beispielsweise die jeweiligen Rohre während des Beutel – und/oder Verteilerherstellprozesses in einen jeweiligen Verteiler eingeformt (abdichtbar verbunden) sind. Es sei angemerkt, dass die jeweiligen Verteiler hinsichtlich der Größe abhängig von der Anzahl von Beuteln, die auf einmal gewartet werden sollen, variieren können. Beispielsweise können die jeweiligen Verteiler derart bemessen sein, dass die Anzahl von Beuteln, die auf einmal gewartet werden kann, wie in einem Batterteverjüngungsprozess, der nachfolgend beschrieben ist, zwischen etwa 10 bis etwa 400, bevorzugter zwischen etwa 100 bis etwa 300 liegen kann.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform können die jeweiligen Verteiler 30A und 30B als abdichtbar miteinander verbundene kleinere Verteilermodule mit der Fähigkeit vorgesehen sein, eine gewählte Anzahl jeweiliger Beutel (beispielsweise mit zugeordneten Beutel-Verrohrungseingängen versehen) zu warten, oder optional mit vorgeformten abdichtbar verbundenen Rohren versehen sein. Jedes der Verteilermodule kann dann ferner abdichtbar mit einem anderen Verteilermodul, beispielsweise an einem Hauptverteilermoduleingang/-ausgang verbunden sein, wie nachfolgend beschrieben ist, um einen Beutel-Verjüngungsprozess auszuführen. Beispielsweise kann ein bestimmtes Verteilermodul mit jeweiligen Beutel-Rohreingängen/-ausgängen bemessen werden, wobei die Anzahl von Beuteln, die durch die jeweiligen Verteilermodule auf einmal geeignet gewartet werden kann, zwischen etwa 5 bis etwa 100 oder zwischen etwa 10 bis etwa 50 liegen kann.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform können die jeweiligen Verteiler 30A und 30B an den jeweiligen Beutel-Rohren, beispielsweise 16A und 16B, in einem separaten Prozess befestigt und/oder von diesen abgelöst werden, beispielsweise als Teil eines Beutel-Verjüngungsprozesses, wie nachfolgend weiter beschrieben ist.
Bezug nehmend auf 2B, die eine Frontansicht einer Mehrzahl von Beuteln zeigt, wobei nur ein einzelner Beutel, beispielsweise 14A, sichtbar ist, können bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform die jeweiligen Verteiler, beispielsweise ein Elektrolyteinlassverteiler 30A und ein Elektrolytauslassverteiler 30B aufeinander gestapelt oder als ein einzelner Aufbau geformt sein, wobei Verteilerabschnitte 30A und 30B abdichtbar voneinander isoliert sind, und wobei jeder Verteiler mit einem jeweiligen Rohr, beispielsweise 16A und 16B, in Verbindung steht.
Bezug nehmend auf die 2A und 2B werden bei einer beispielhaften Ausführungsform die Rohre 16A und 16B an jeweiligen abdichtbaren Verteilereingängen 18A und 18B befestigt, die aus einem Material hergestellt sein können, das leicht abdichtbar an den Rohren befestigt werden kann, beispielsweise undurchlässig gegenüber äußerer Luft. Beispielsweise können bei einer beispielhaften Ausführungsform die jeweiligen Verteiler 30A und 30B oder zumindest die Abschnitte der jeweiligen abdichtbaren Eingänge 18A und 18B aus demselben Material wie die Rohre 16A und 16B bestehen, wobei die Rohre abdichtbar durch Verschweißen oder Verschmelzen (thermisches Verschmelzen) eines jeweiligen Rohres 16A und 16B mit einem jeweiligen abdichtbaren Eingang 18A und 18B befestigt werden. Beispielsweise kann eine äußerste Schicht der jeweiligen Rohre und der jeweiligen Verteilereingänge ein thermisch verschmelzbares Kunststoffmaterial aufweisen und die abdichtbare Verbindung durch Auf bringen einer Wärmequelle auf ein jeweiliges Rohr 16A und 16B hergestellt werden, das in einen jeweiligen Eingang 18A und 18B eingesetzt ist.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann jeder der Verteiler 30A und 30B zumindest einen Haupt-Eingangs/Ausgangsanschluss, beispielsweise 30AA und 30BB, zum abdichtbaren Befestigen einer Kunststoffverrohrung aufweisen, der aus demselben oder einem ähnlichen Material wie die Beutelverrohrung hergestellt sein kann, um eine Herstellung einer thermisch verschweißten Verbindung mit einem anderen Verteilermodul und/oder die Einführung und/oder Entnahme von Elektrolyt zu und/oder von einem jeweiligen Verteiler 30A und 30B zu ermöglichen.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann ein Zweiwege-Strömungsventil, beispielsweise 20A, zwischen einem jeweiligen Verteiler und einem Beutel, beispielsweise zumindest zwischen einem jeweiligen Beutel und einem Elektrolyteinlassverteiler (wo Elektrolyt/Lösemittel an die jeweiligen Beutel geliefert wird) enthalten sein. Es kann eine Mehrzahl von Ventilen verwendet werden, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Einwegventile, Klappenventile oder Zweiwegeventile. Es sei angemerkt, dass die Zweiwegeventile, beispielsweise 20A, zwischen einem jeweiligen Beutel und jedem der Verteiler 30A, 30B enthalten sein können. Die Zweiwegeventile können in ein oder mehrere der Rohre, die einem einzelnen Beutel zugeordnet sind, geformt sein oder können in einen oder beide der jeweiligen Verteiler 30A, 30B geformt sein. Die Ventile können während der Herstellung der Beutel und/oder der zugeordneten Verteilerabschnitte 30A und 30B abdichtbar eingeformt werden oder können in einem separaten Prozess nach der Herstellung abdichtbar thermisch verschmolzen oder verschweißt werden. Die Strömungsventile, beispielsweise 20A, ermöglichen vorteilhafterweise, dass verschiedene Elektrolyte selektiv in einen mit einem jeweiligen Verteiler verbundenen Beutel eingeführt und/oder von diesem getrennt werden können.
Bei einem beispielhaften Verfahren zur Verjüngung von Lithiumionenbatterien sind eine oder mehrere Quellen, beispielsweise 34, für frischen Elektrolyt oder eine oder mehrere Lösemittelquellen, beispielsweise 36 (einschließlich einer optionalen Heizvorrichtung 36B) abdichtbar (über eine Verrohrung 36B und optionale Ventile 34A, 36A) mit dem Elektrolyteinlassverteiler 30A beispielsweise über einen Hauptverteilereingang 30AA verbunden. Ein oder mehrere Behälter 38 für gebrauchten Elektrolyt (mit einem optionalen Ventil 38A) können (über eine Verrohrung 38B) abdichtbar mit dem Elektrolytauslassverteiler 30B beispielsweise über einen Hauptverteilerausgang 30BB verbunden sein. Der Elektrolytauslassverteiler 30B und/oder der Behälter 38 für gebrauchten Elektrolyt können ferner mit einem Vakuum (beispielsweise einer Quelle 40 für negativen Druck und mit optionalem Ventil 40A) verbunden sein, um eine Strömung des Elektrolyten in und/oder aus den jeweiligen Beuteln und Verteilern zu treiben. Der Elektrolyteinlassverteiler 30A und/oder die Lösemittelquelle 36 und/oder die Quelle 34 für frischen Elektrolyt können optional mit einer Quelle für positiven Druck (beispielsweise Quelle 42 für positiven Druck und optionalen Ventilen, beispielsweise 42A) verbunden sein, um ein Treiben der Strömung von frischem Elektrolyt und/oder Lösemittel in und/oder aus den jeweiligen Beuteln, beispielsweise 14A, 14B, 14C, und Verteilern 30A und 30B, zu unterstützen.
Wie in 2B gezeigt ist, sei angemerkt, dass nur eine einzelne einer Quelle 40 für negativen Druck (oder eine Quelle für positiven Druck) enthalten sein kann, um die Strömung von Elektrolyten in und/oder aus den jeweiligen Verteilern, beispielsweise 30A, 30B, und Beuteln, beispielsweise 14A, 14B, 14C, zu treiben.
Bezug nehmend auf 3 werden bei einem beispielhaften Prozessfluss eines beispielhaften Batterieverjüngungsverfahrens unter Verwendung der Beutel und Verteiler, wie oben dargestellt ist, bei Schritt 301 ein oder mehrere Beutel, beispielsweise 14A, 14B, 14C, abdichtbar (beispielsweise im Wesentlichen luftdicht, um eine wasserdampffreie und luftfreie Umgebung sicherzustellen) mit einem jeweiligen Elektrolyteinlass-(Fluideinlass-)Verteiler, beispielsweise 30A, und einem jeweiligen Elektrolytauslass-(Fluidauslass-)Verteiler, beispielsweise 30B verbunden, wie in den 2A und 2B gezeigt ist.
Bei Schritt 303 können die Leistung und die Kapazität (der elektrische Ladungszustand) jeweiliger Lithiumionenbatterien, die eine Mehrzahl einzelner Batterien (Batteriepaket) ausbilden, wie beispielsweise 10, die in jeweiligen Beuteln, beispielsweise 14A, 14B, 14C, enthalten sind, durch herkömmliche Mittel entweder individuell oder in Reihe geschaltet gemessen werden, um eine Grundlinie für Leistung und Kapazität herzustellen. Es sei angemerkt, dass die Leistungs- und Kapazitätsmessung vor Verbindung jeweiliger Verteiler durchgeführt werden kann.
Anschließend kann bei Schritt 305 eine Bestimmung bezüglich des Prozesses zur Verjüngung einer oder mehrerer Batterien auf Grundlage der gemessenen Leistung und Kapazität von Schritt 303 ausgeführt werden. Die Parameter können die Typen wie auch die Menge an einzuführendem Lösemittel, um eine SEI-Schicht zu entfernen, die Zeitdauer, die das Lösemittel in einem Beutel in Kontakt mit einer Batterie bleiben sollte, um zugeordnete SEI-Schichten vollständig zu lösen, wie auch die Notwendigkeit zum Erwärmen des Lösemittels vor Einführung in einen jeweiligen Beutel umfassen.
Anschließend können bei Schritt 307 ein oder mehrere Lösemittel, optional auf eine vorbestimmte Temperatur vorerwärmt, in den Verteiler 30A und anschließend im Wesentlichen gleichzeitig in einen oder mehrere Beutel, beispielsweise 14A, 14B und 14C, eingeführt und für eine vorbestimmte Zeitdauer darin belassen werden. Es sei angemerkt, dass der alte Elektrolyt bei Einführung eines Lösemittels zumindest teilweise aus den jeweiligen Beuteln verdrängt wird.
Anschließend können nach der vorbestimmten Zeitdauer, die beispielsweise ausreichend ist, um eine Lösung der SEI-Schicht nach Einführung des Lösemittels in den einen oder die mehrere Beutel über den Verteiler 30A zu ermöglichen, die gelösten Komponenten der SEI-Schicht und der flüssige Elektrolyt dann von einem oder mehreren der Beutel im Wesentlichen gleichzeitig entfernt werden. Das entfernte Lösemittel und der entfernte flüssige Elektrolyt können bevorzugt in einem geeigneten Behälter, beispielsweise 38, zur nachfolgenden Entsorgung, Rückführung oder zum Wiederverkauf abgefangen werden.
Anschließend können bei Schritt 311 nach der Entfernung der Komponenten der gelösten SEI-Schicht und des flüssigen Elektrolyten ein oder mehrere frische flüssige Elektrolyten jeweils in einen oder mehrere Beutel, beispielsweise 14A, 14B und 14C, von einer oder mehreren Elektrolytquellen, beispielsweise 34, durch den Verteiler 30A und anschließend im Wesentlichen gleichzeitig in einen oder mehrere Beutel eingeführt werden. Es sei angemerkt, dass jeder der Beutel, die einem Batteriepaket (beispielsweise eine Mehrzahl von Batterien vom Beutel-Typ, die in Reihe angeordnet sind) zugeordnet sind, mit demselben oder mit verschiedenen Elektrolyten wieder aufgefüllt werden kann.
Es sei auch angemerkt, dass eine Entfernung des Lösemittels bei Schritt 307 in einem separaten Schritt vor einer Einführung von frischem Lösemittel und/oder gleichzeitig mit einer Einführung von frischem Lösemittel bei Schritt 309 stattfinden kann, wobei beispielsweise ein gebrauchtes Lösemittel zumindest teilweise aus den jeweiligen Beuteln bei Einführung eines Lösemittels herausgedrängt wird. Es sei ferner angemerkt, dass eine Einführung oder Strömung von frischem Lösemittel optional einen Zwischen-Spül-Schritt aufweisen kann, oder dass eine Einführung oder Strömung von frischem Lösemittel bevorzugt für eine Zeitdauer stattfindet, um das gebrauchte Lösemittel im Wesentlichen zu entfernen.
Anschließend können bei einem optionalen Schritt 313 die Batterien in dem jeweiligen Beutel (diesem zugeordnet) vor Ort (einzeln oder gemeinsam) vor einer Trennung von Lösemittel- und Elektrolytquellen getestet werden, um eine Leistung und Kapazität zu bestimmen, beispielsweise einschließlich einem Vergleich mit einer bei Schritt 303 bestimmten Grundlinie, um zu bestimmen, ob eine einzelne Batterie und/oder eine Mehrzahl der Batterien ausreichend verjüngt sind, beispielsweise dass die Leistung und/oder Kapazität größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
Bei Schritt 315 kann der Prozess, wenn bestimmt wird, dass eine Batterie und/oder die Mehrzahl von Batterien nicht ausreichend verjüngt sind, wieder bei Schritt 307 beginnen, um zusätzliches Lösemittel einzuführen, beispielsweise, wenn der Grad der Verjüngung kleiner als ein Schwellenwert ist (nicht ausreichend angenähert ist), oder bei Schritt 311 beginnen, um zusätzlichen frischen Elektrolyt einzuführen, wenn der Grad an Verjüngung größer als ein Schwellenwert ist (angenähert, jedoch nicht akzeptabel). Es sei angemerkt, dass der Batterietest auch nach Schritt 315 unten stattfinden kann.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann zusätzlich oder alternativ zu dem Test der Batteriekapazität und -leistung die Zusammensetzung des von den Beuteln entfernten Materials durch herkömmliche chemische Analyseverfahren, wie Kapillarelektrophorese, periodisch chemisch getestet werden, um seine Zusammensetzung zu bestimmen. Wenn beispielsweise die Zusammensetzung des von den Beuteln entfernten Materials eine Abnahme der Menge an LiF oder anderem schädlichem Material, das einer gelösten SEI-Schicht zugeordnet ist, unter ein vorbestimmtes Schwellenniveau zeigt, kann eine Batterie und/oder eine Mehrzahl von Batterien (beispielsweise eine Bank von Batterien in Reihe) als ausreichend verjüngt betrachtet werden.
Als Nächstes können bei Schritt 317, wenn bestimmt wird, dass die Batterie und/oder die Mehrzahl von Batterien ausreichend verjüngt sind, die jeweiligen Verteiler, beispielsweise 30A und 30B, von Elektrolyt-/Lösemittel-Behältern und/oder anderen Verteilermodulen getrennt und abdichtbar geschlossen und an der Stelle belassen werden. Alternativ dazu können die jeweiligen Verteiler von den jeweiligen Beuteln entfernt und die jeweiligen Rohre, die jedem Beutel zugeordnet sind, beispielsweise 16A und 16B, abdichtbar geschlossen werden, um den Verjüngungsprozess zu beenden.
Es sei angemerkt, dass ein Verbinden (beispielsweise Schritt 301) und/oder Trennen (beispielsweise Schritt 317) jeweiliger Verteiler und/oder Beutel-Rohre in einer vollständig oder teilweise inerten Gasatmosphäre stattfinden kann, beispielsweise Argon und/oder Stickstoff, wobei ein Inertgas auf (außerhalb) und/oder durch jeweilige Verbindungseingänge/-ausgänge während des Verbindens/Trennens geblasen werden kann. Alternativ dazu kann anstatt eines unter Überdruck stehenden Ar gons ein Vakuum verwendet werden. Beispielsweise kann ein äußerer Schlauch mit dem Beutel verbunden und die Luft in dem Schlauch evakuiert und dann der Schlauch mit dem Fluid gefüllt werden. Beispielsweise kann Inertgas durch einen separaten Eingang/Ausgang in einem jeweiligen Verteiler während des Trennens von verbundenen Rohren von Verteilereingängen, beispielsweise 18A, 18B oder 30AA und 30BB, geblasen werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann Inertgas durch den Elektrolyt in den Beuteln geperlt werden, um einen Überdruck-Ausfluss an jeweiligen Eingängen/Ausgängen bereitzustellen, wenn die verbundene Verrohrung getrennt wird, um eine Einführung von äußerer Luft und Wasserdampf in die Beutel zu verhindern oder zu minimieren.
Es sei angemerkt, dass der obige Verjüngungsprozess mit den jeweiligen Verteilern 30A, 30B und/oder Rohren 16A, 16B als Teil des Aufbaus einer arbeitenden Lithiumionenbatteriebank vom Beutel-Typ vorteilhafterweise ermöglicht, dass ein Batterieverjüngungsprozess vor Ort ausgeführt werden kann, beispielsweise ohne Entfernung oder mit nur teilweiser Entfernung der jeweiligen Batterien und Beutel aus einer Betriebskonfiguration.
Die hier beschriebenen Techniken zur Verjüngung von Lithiumionenbatterien können wesentliche Kosteneinsparungen vorsehen, wobei die Basismaterialkosten zur ursprünglichen Ausbildung der Lithiumionenbatterien 10 sehr teuer sind. Es wird in Betracht gezogen, dass Lithiumionenbatterien zur Verwendung in Fahrzeugen bei einem beispielhaften Gebrauch in einer Vor-Ort-Einrichtung verjüngt und wiederverwendet werden können, während der Fahrzeugeigner wartet. Bei einem anderen beispielhaften Gebrauch kann die Lithiumionenbatterie von dem Fahrzeug entfernt und gegen eine neue oder verjüngte Lithiumionenbatterie ausgetauscht werden, während die entfernte Lithiumionenbatterie zur nachfolgenden Verwendung wiederhergestellt wird, wodurch wesentliche Kosten für Fahr zeugeigner und Hersteller eingespart werden, die normalerweise mit einem Austausch und/oder mit Garantien auftreten. Überdies können die Verjüngungstechniken der beispielhaften Ausführungsformen an anderen prismatischen Lithiumionenbatterien verwendet werden, einschließlich anderen Lithiumionenbatterien vom Beutel-Typ mit unterschiedlichen Konfigurationen, und in den Schutzumfang der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen fallen.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen derselben nicht als eine Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Verfahren zum Verjüngen einer Lithiumionenbatterie vom Beutel-Typ, umfassend, dass: zumindest ein Beutel bereitgestellt wird, der über eine erste Verrohrung mit einem ersten Verteiler abdichtbar verbunden wird, wobei der zumindest eine Beutel einen ersten Elektrolyt und eine Elektrodenanordnung enthält, wobei der zumindest eine Beutel gegenüber einer äußeren Atmosphäre abdichtbar verbunden wird; ein Lösemittel in den ersten Verteiler und in den zumindest einen Beutel eingeführt wird, um eine jeweilige Elektrodenanordnung, die in dem zumindest einen Beutel enthalten ist, zu behandeln; ein wesentlicher Anteil des Lösemittels von dem zumindest einen Beutel entfernt wird; ein zweiter Elektrolyt in den ersten Verteiler und in den zumindest einen Beutel eingeführt wird; und der Beutel gegenüber der äußeren Atmosphäre abgedichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass der zumindest eine Beutel so vorgesehen wird, dass er gegenüber einer äußeren Atmosphäre über eine zweite Verrohrung mit einem zweiten Verteiler abdichtbar verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Verrohrung in den zumindest einen Beutel vorgeformt vorgesehen wird, und/oder wobei die erste Verrohrung in den ersten Verteiler abdichtbar vorgeformt vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zweite Verrohrung in den zumindest einen Beutel abdichtbar vorgeformt vorgesehen wird, und/oder wobei die erste Verrohrung in den zweiten Verteiler abdichtbar vorgeformt vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Verteiler derart angepasst ist, um mit zumindest einem anderen Verteiler abdichtbar verbunden zu werden, um einen Verteiler mit größerer Abmessung zu umfassen, und/oder wobei der erste Verteiler mit einer ersten Fluidquelle, die das Lösemittel umfasst, und einer zweiten Fluidquelle, die den zweiten Elektrolyt umfasst, abdichtbar verbunden wird, und/oder wobei der erste Verteiler mit dem zumindest einen Beutel derart abdichtbar verbunden wird, dass Fluid in den zumindest einen Beutel und den ersten Verteiler unter Zuhilfenahme eines positiven Druckes und/oder eines negativen Druckes eintritt und oder diesen verlässt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zweite Verteiler mit einem Fluidbehälter abdichtbar verbunden wird, der derart angepasst ist, um Fluid aufzunehmen, das den zumindest einen Beutel und den Fluidauslassverteiler verlässt (engl.: ”exciting”).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zweite Verteiler mit dem zumindest einen Beutel derart verbunden wird, dass Fluid in den zumindest einen Beutel und den zweiten Verteiler unter Zuhilfenahme eines positiven Druckes und/oder eines negativen Druckes eintritt und oder diesen verlässt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt, um zumindest einen Beutel abdichtbar verbunden bereitzustellen, umfasst, dass der zumindest eine Beutel und/oder der erste Verteiler in der Anwesenheit eines Inertgases verbunden werden, und/oder wobei das Lösemittel ein Carbonatlösemittel umfasst, und/oder ferner umfassend, dass eine Leistung und Kapazität einer Batterie, die dem zumindest einen Beutel zugeordnet ist, vor dem Schritt zum Einführen eines Lösemittels bestimmt werden, und/oder ferner umfassend, dass eine Leistung und Kapazität einer Batterie, die dem zumindest einen Beutel zugeordnet ist, nach dem Schritt zum Einführen eines zweiten Elektrolyten bestimmt werden, und/oder ferner umfassend, dass die Zusammensetzung von Fluid, das den zumindest einen Beutel verlässt, chemisch analysiert wird und ein Niveau von Leistung und Kapazität einer Batterie, die dem zumindest einen Beutel zugeordnet ist, vorhergesagt wird, und/oder wobei der zumindest eine Beutel eine Mehrzahl von Beuteln umfasst, wobei jeder Beutel eine Elektrodenanordnung enthält.
Verfahren zum Verjüngen einer Lithiumionenbatterie vom Beutel-Typ, umfassend, dass: eine Mehrzahl von Beuteln vorgesehen wird, wobei jeder Beutel einen ersten Elektrolyt und eine Elektrodenanordnung enthält; die Mehrzahl von Beuteln jeweils gegenüber einer äußeren Atmosphäre mit einem Fluideinlassverteiler durch eine erste Verrohrung und mit einem Fluidauslassverteiler durch eine zweite Verrohrung abdichtbar verbunden wird; ein Lösemittel in den Fluideinlassverteiler und in einen oder mehrere der Mehrzahl von Beuteln eingeführt wird, um eine jeweilige Elektrodenanordnung, die in dem einen oder den mehreren der Mehrzahl von Beuteln enthalten ist, zu behandeln; ein wesentlicher Anteil des Lösemittels von einem oder mehreren der Mehrzahl von Beuteln zu dem Fluidauslassverteiler entfernt wird; zumindest ein zweiter Elektrolyt in den Fluideinlassverteiler und in einen oder mehrere der Mehrzahl von Beuteln eingeführt wird; und die Mehrzahl von Beuteln gegenüber der äußeren Atmosphäre abgedichtet wird, wobei die erste und zweite Verrohrung insbesondere in einen oder mehrere der Mehrzahl von Beuteln abdichtbar vorgeformt vorgesehen werden.
System zum Verjüngen einer Lithiumionenbatterie vom Beutel-Typ, wobei die Batterie eine Elektrodenanordnung aufweist, die im Wesentlichen in einem Beutel enthalten ist, umfassend: eine Mehrzahl von Beuteln, wobei jeder Beutel einen Elektrolyt und eine Elektrodenanordnung enthält; wobei die Mehrzahl von Beuteln jeweils gegenüber einer äußeren Atmosphäre mit einem Fluideinlassverteiler durch eine jeweilige erste Verrohrung abdichtbar verbunden ist; und eine Lösemittelquelle und eine Elektrolytquelle, die abdichtbar mit dem Fluideinlassverteiler verbunden sind, wobei das System derart angepasst ist, um das Lösemittel und den Elektrolyt durch den Fluideinlassverteiler und in einen oder mehrere der Mehrzahl von Beuteln nacheinander einzuführen, um eine jeweilige Elektrodenanordnung zu behandeln.