DE102015112067A1 - Durch spinnen hergestellte batterien - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Ausbilden einer Lithium-Ionen-Batterie durch Spinnen und eine dadurch ausgebildete Batterie werden offenbart. Das Spinnen kann Elektrospinnen beinhalten. Eine erste Anodenschicht kann gesponnen werden, gefolgt von einer ersten Separatorschicht, einer ersten Kathodenschicht und einer zweiten Separatorschicht. Jede Schicht kann direkt auf die zuvor gesponnene Schicht gesponnen werden, um eine Batterie bereitzustellen, die keine metallischen Stromkollektoren enthält. Die Anoden- und/oder Kathodenschichten können Polyacrylnitrilfasern (PAN-Fasern) enthalten. Um die Anoden- und Kathodenschichten leitend zu machen, können sie unter Verwendung einer Wärmequelle (z.B. einem Laser) karbonisiert werden. Das offenbarte Verfahren kann das Einarbeiten von Materialien mit hoher Kapazität wie etwa Schwefel und/oder Silizium in die elektrodenaktiven Materialien gestatten.

Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft gesponnene Batterien und Verfahren zu deren Herstellung.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die Verbesserung der Batterieleistung ist ein wichtiges Thema beim Fortschritt der tragbaren Elektronik, der Stromnetzregelung und elektrifizierter Fahrzeuge. Wiederaufladbare oder Sekundärbatterien enthalten im Allgemeinen positive und negative Elektroden, einen Separator und einen Elektrolyten. Herkömmliche Stromkollektoren sind an jeder Elektrode angebracht, um Strom aus der Batterie zu extrahieren. Wiederaufladbare Batterien wie etwa Lithium-Ionen-Batterien haben noch nicht die erforderlichen Spezifikationen bezüglich Energiedichte und Ratenfähigkeit erreicht, die benötigt werden, um Elektrofahrzeuge (EVs) mit großer Reichweite für viele Verbraucher zu einer realistischen Option zu machen. Die relativ begrenzte Porosität der Elektroden, niedrige spezifische Kapazitäten von Kathodenmaterialien und zusätzliches Gewicht von Batteriekomponenten sind bei diesen Mängeln signifikante Faktoren.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Bei mindestens einer Ausführungsform wird eine Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellt. Die Batterie kann Folgendes enthalten: eine erste Anodenschicht mit einer leitenden losen Faser und einem anodenaktiven Material, eine erste nichtleitende poröse Schicht, die die erste Anodenschicht kontaktiert, eine erste Kathodenschicht mit einer leitenden losen Faser und einem kathodenaktiven Material, das die erste Separatorschicht kontaktiert und eine zweite nichtleitende poröse Schicht, die die erste Kathodenschicht kontaktiert.
  • Mindestens ein Abschnitt des anodenaktiven Materials kann in die leitende lose Faser der Anodenschicht eingebettet sein und mindestens ein Abschnitt des kathodenaktiven Materials kann in die leitende lose Faser der Kathodenschicht eingebettet sein. Das anodenaktive Material kann Siliziumnanopartikel enthalten, und das kathodenaktive Material kann Schwefel enthalten, wie etwa Nanopartikel aus elementarem Schwefel oder Li2S. Jede der ersten Anoden- und Kathodenschicht kann einen Körper und eine sich von dem Körper erstreckende Kollektorfahne enthalten, wobei die Kollektorfahne eine leitende lose Faser enthält. Die leitende lose Faser der ersten Anoden- und Kathodenschicht kann ein karbonisiertes Polymer sein. Die erste und zweite nichtleitende poröse Schicht können eine erste und zweite Separatorschicht sein.
  • Die Batterie kann weiterhin eine zweite Anodenschicht mit einer leitenden losen Faser und ein anodenaktives Material, das die zweite Separatorschicht kontaktiert, eine dritte Separatorschicht, die die zweite Anodenschicht kontaktiert, und eine zweite Kathodenschicht mit einer leitenden losen Faser und einem kathodenaktiven Material, das die dritte Separatorschicht kontaktiert, umfassen.
  • Bei mindestens einer Ausführungsform wird eine Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellt, die Folgendes umfasst: mehrere Anodenschichten, wobei jede eine leitende lose Faser und ein anodenaktives Material enthält, mehrere Kathodenschichten, wobei jede eine leitende lose Faser und ein kathodenaktives Material enthält und mehrere nichtleitende Separatorschichten, wobei jede eine der mehreren Anodenschichten von einer der mehreren Kathodenschichten trennt.
  • Das anodenaktive Material kann Silizium enthalten und mindestens ein Abschnitt des anodenaktiven Materials kann in die leitende lose Faser jeder Anodenschicht eingebettet sein. Das kathodenaktive Material kann Schwefel enthalten und mindestens ein Abschnitt des anodenaktiven Materials kann in die leitende lose Faser jeder Kathodenschicht eingebettet sein. Bei einer Ausführungsform stehen keine metallischen Stromkollektoren mit den mehreren Anodenschichten oder den mehreren Kathodenschichten in Kontakt. Die mehreren Anodenschichten und die mehreren Kathodenschichten können eine Porosität von 40% bis 80% besitzen. Die mehreren Separatorschichten können jeweils eine Dicke von 1 bis 12 µm haben.
  • Bei mindestens einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Batterie bereitgestellt, das Folgendes umfasst: (a) Spinnen einer ersten Anodenschicht, (b) Spinnen einer ersten Separatorschicht auf die erste Anodenschicht, (c) Spinnen einer ersten Kathodenschicht auf die erste Separatorschicht und (d) Spinnen einer zweiten Separatorschicht auf die erste Kathodenschicht.
  • Das Verfahren kann weiterhin die Schritte des Karbonisierens der ersten Anodenschicht vor Schritt (b) und des Karbonisierens der ersten Kathodenschicht vor Schritt (d) beinhalten. Bei einer Ausführungsform werden die Karbonisierungsschritte unter Verwendung eines Lasers durchgeführt. Das Spinnen in den Schritten (a)–(d) kann unter Verwendung von Elektrospinnen durchgeführt werden. Schritt (a) kann das Spinnen einer Polyacrylnitrilfaser (PAN-Faser) und eines anodenaktiven Materials beinhalten, und Schritt (c) kann das Spinnen einer PAN-Faser und eines kathodenaktiven Materials beinhalten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die den Elektrospinnprozess darstellt;
  • 2A2C sind Maskenmuster für eine Kathode, einen Separator bzw. eine Anode gemäß einer Ausführungsform;
  • 3 ist eine schematische Ansicht eines Elektrospinnprozesses zum Herstellen einer elektrogesponnenen Batterie gemäß einer Ausführungsform;
  • 4 ist ein Verfahren zum Ausbilden einer wiederaufladbaren Batterie durch Elektrospinnen gemäß einer Ausführungsform und
  • 5 ist eine schematische Ansicht einer elektrogesponnenen Batterie gemäß einer Ausführungsform.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen für die Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann, lediglich beispielhaft sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als beschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um dem Fachmann zu lehren, wie er die vorliegende Erfindung unterschiedlich einsetzen kann.
  • Eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie (LIB) enthält im Allgemeinen eine negative Elektrode (Anode), eine positive Elektrode (Kathode), einen Separator, einen innerhalb der Elektroden und des Separators angeordneten Elektrolyten und einen Stromkollektor, der jede der Anode und Kathode kontaktiert. Der Stromkollektor wird im Allgemeinen aus einem Kupfer- oder Aluminiumblech geformt. Ein übliches Verfahren zum Ausbilden von LIBs besteht darin, das Anoden- und Kathodenmaterial auf ihre jeweiligen Stromkolktoren zu gießen und sie dann mit einem Separator zwischen dem Anoden- und Kathodenmaterial zu stapeln. Die Anode und Kathode enthalten im Allgemeinen ein aktives Material und ein Bindemittel. Das aktive Material für die Anode ist oftmals eine Form von Kohlenstoff, beispielsweise Graphit, während das aktive Material für die Kathode oftmals ein Lithiummetalloxid ist. Das Bindemittel kann wässrig oder nichtwässrig sein, wie etwa Carboxymethylcellulose (CMC) bzw. Polyvinylidenfluorid (PVDF). Separatoren bestehen üblicherweise aus einem Polyolefin wie etwa Polyethylen oder Polypropylen. Der Elektrolyt enthält im Allgemeinen ein Lithiumsalz wie etwa LiPF6 und ein organisches Lösungsmittel wie etwa Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC) oder Mischungen davon.
  • Eine Anzahl von Materialien mit hoher Kapazität, wie etwa Silizium (Si) und Schwefel (S), können potentiell die Fähigkeiten von LIBs erhöhen, falls sie in die Anode und/oder Kathode eingebaut werden. Diese Materialien können jedoch unter Verschlechterungs- und Auflösungsproblemen leiden, die ihren Einsatz in Batterien mit der Standardarchitektur verbieten. Wenn beispielsweise Schwefel in herkömmlichen LIBs verwendet wird, kann sich der Schwefel in dem flüssigen Elektrolyten lösen und/oder mit ihm reagieren und Polysulfide (z.B. Li2S8) bilden. Die Auflösung und/oder Reaktion des Schwefels kann deshalb die Aktivität der Elektrode reduzieren. Außerdem kann der Schwefel, nachdem er zum Beispiel von der Kathode freigesetzt ist, zwischen den Elektroden hin und her wandern. Dieser Shuttleeffekt kann die Aktivität der Elektroden reduzieren und kann zu einem Ionenkurzschluss in der Batterie führen. Auch Silizium kann zu Schwierigkeiten führen, wenn es in herkömmlichen LIBs verwendet wird. Wenn beispielsweise Si mit Lithium legiert, quillt seine Struktur von einer dichten Kristallstruktur zu einer größeren, weniger dichten Struktur. Diese große Volumenänderung kann im Laufe der Zeit zum Reißen in den Elektroden führen, da das aktive Material in Zyklen quillt und schrumpft. Die wiederholten Volumenänderungen und die Rissbildung können zur vergrößerten Ausbildung der Feststoff-Elektrolyt-Zwischenphase (SEI – Solid-Electrolyte Interface) führen, insbesondere an der Anode. Außerdem kann die pulverförmige Struktur bewirken, dass das aktive Material den Kontakt mit dem metallischen Stromkollektor verliert, wodurch seine Aktivität reduziert wird.
  • Es wurde entdeckt, dass das Spinnen (z.B. Elektrospinnen) von Elektrodenmaterialien die Fähigkeit bereitstellen kann, diese Materialien mit hoher Kapazität zu kapseln (z.B. S und Si) und dadurch einige dieser Probleme zu eliminieren oder zu lindern. Wenn das aktive Material in der Kathode beispielsweise Partikel aus elementarem Schwefel oder Lithiumsulfid (z.B. Li2S) enthält und/oder das aktive Material in der Anode Siliziumpartikel enthält, können mindestens einige der Partikel in die elektrogesponnenen Fasern eingebettet werden. Die eingebetteten Partikel besitzen deshalb möglicherweise weniger direkte Wechselwirkung mit dem Elektrolyten. Infolgedessen kann die Auflösung und/oder Ausbildung von Polysulfiden für schwefelhaltige aktive Materialien gelindert oder eliminiert werden. Anstatt dass der Schwefel mit dem Lithium reagiert und potentiell im Elektrolyten aufgelöst wird, bleibt der Schwefel innerhalb der Faser und die Lithiumionen können durch die Faser diffundieren. Eingebettete Siliziumpartikel werden ebenfalls innerhalb der Fasern zurückgehalten, die leitend sein können (unten ausführlicher erörtert). Dementsprechend können die eingebetteten Partikel mit den leitenden Fasern im gequollenen Zustand in Kontakt bleiben, wodurch ihre Aktivität beibehalten wird. Außerdem verschiebt die Kapselung der Siliziumpartikel die Grenzfläche mit dem Elektrolyten zu den Fasern anstelle dem Silizium, was die SEI-Ausbildung reduzieren kann.
  • Es hat sich auch herausgestellt, dass das Spinnen von Elektrodenmaterialien ein massiv vermaschtes poröses Netzwerk in den Elektroden bereitstellen kann. Das Spinnen der Elektroden erfordert jedoch möglicherweise immer noch die Verwendung eines herkömmlichen Separators, weil der Hochtemperaturkarbonisierungsschritt, der benötigt wird, um die Elektroden leitend zu machen, dies auch mit dem Separator tun würde, falls der Karbonisierungsprozess an einem vollständigen Stapel durchgeführt würde (z.B. Anode-Separator-Kathode).
  • Dementsprechend werden bezüglich der 1 bis 5 ein Verfahren zum Herstellen einer vollständig elektrogesponnenen Lithium-Ionen-Batterie (LIB) und eine daraus hergestellte LIB offenbart. Der allgemeine Prozess des Elektrospinnens ist in der Technik bekannt und wird nicht ausführlich beschrieben. Kurz gesagt beinhaltet das Elektrospinnen das Anlegen einer Hochspannung an ein Tröpfchen aus Polymerlösung oder -schmelze, wodurch ein starker Ladeeffekt auf das Fluid ausgeübt wird. Bei einem gewissen Ladungspegel überwindet die elektrostatische Abstoßung die Oberflächenspannung der Flüssigkeit und das Tröpfchen wird gedehnt, bis ein Flüssigkeitsstrom aus dem Tröpfchen ausgestoßen wird. Der Ausstoßungspunkt ist als ein Taylor-Kegel bekannt. Molekularer Zusammenhalt bewirkt, dass der Strom zusammenbleibt, so dass ein geladener Flüssigkeitsstrahl gebildet wird. Der Flüssigkeitsstrahl beginnt sich in der Luft zu verfestigen, wobei dann die Ladung in der Flüssigkeit zur Oberfläche der entstehenden Faser wandert. Kleine Biegungen in der Faser führen zu einem durch elektrostatische Abstoßung verursachten Schlagprozess. Der Schlagprozess verlängert und schmälert die Fasern, was im Allgemeinen zu einem gleichförmigen Faserdurchmesser von 0,05 bis hunderten Mikrometern (µm) führt.
  • 1 ist ein Schemadiagramm, das allgemein den Elektrospinnprozess und das Gerät beschreibt. Das Elektrospinnsystem 10 enthält allgemein eine Stromversorgung 12, die eine Hochspannungs-Gleichstrom-Stromversorgung sein kann (z.B. 5 bis 50 kV), eine Spinndüse 14, eine Spritze 16 und einen Kollektor 18. Die Spinndüse 14 kann eine Injektionsspritzennadel oder eine andere enge, hohle Rohrstruktur sein. Die Spinndüse 14 kann direkt an der Spritze 16 angebracht oder durch ein Rohr oder einen Schlauch 20 verbunden sein. Die Spinndüse kann durch einen Ständer 22 gestützt sein, der konfiguriert sein kann, die Spinndüse 14 relativ zum Kollektor 18 an einer gewissen Position zu halten (z.B. Höhe, horizontaler Abstand, Winkel). Die Spinndüse 14 oder der Ständer 22 können durch einen Draht 26 elektrisch mit einem positiven Anschluss 24 der Stromversorgung 12 verbunden sein, und der Kollektor 18 kann durch einen Draht 30 elektrisch mit einem negativen Anschluss 28 der Stromversorgung 12 verbunden sein. Alternativ kann der Kollektor 18 geerdet sein.
  • Während des Elektrospinnprozesses kann eine Polymerlösung, ein Sol-Gel, eine Partikelsuspension oder eine Schmelze in die Spritze 16 geladen werden, die dann durch eine Pumpe 32 betätigt werden kann, um die Polymerflüssigkeit 34 in und durch die Spinndüse 14 zu zwingen, im Allgemeinen mit einer konstanten Rate. Alternativ kann die Polymerflüssigkeit 34 unter konstantem Druck von einem Tank der Spinndüse zugeführt werden. Die Flüssigkeit wird an der Spinndüse 14 geladen und bildet einen Strahl 36, wie oben beschrieben. Während sich der Strahl 36 verfestigt, schlägt er zu einer Faser 38 und wird am Kollektor 18 gesammelt. Eine Vielzahl von Faktoren oder Parametern kann die Größe und Eigenschaften der resultierenden Fasern 38 beeinflussen, einschließlich der relativen Molekülmasse und dem Typ des Polymers, Lösungskonzentration, den Flüssigkeitseigenschaften (z.B. Viskosität, Leitfähigkeit und Oberflächenspannung), dem elektrischen Potential und der Strömungsrate, dem Abstand zwischen der Spinndüse 14 und dem Kollektor 18, Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur und Feuchtigkeit), der Bewegung und/oder Größe des Kollektors 18 und der Stärke der Nadel oder des Rohrs in der Spinndüse 14.
  • Unter Bezugnahme auf die 25 werden eine elektrogesponnene Batterie und ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrogesponnenen Batterie offenbart. Unter Bezugnahme auf die 2A2C werden Masken für das Strukturieren der Komponenten einer Batterie dargestellt. 2A zeigt eine Ausführungsform einer Kathodenmaske 50, die einen Körperabschnitt 52 zum Ausbilden des Elektrodenfelds und einen Fahnenabschnitt 54 zum Ausbilden einer Kollektorfahne, was eine Verbindung zu einer externen Schaltung gestattet, besitzen kann. 2B zeigt eine Ausführungsform einer Separatormaske 60, die einen Körperabschnitt 62 besitzen kann. Die Separatormaske 60 erfordert keinen Fahnenabschnitt, da es vom Separator keine Verbindung zu einer externen Schaltung gibt. 2C zeigt eine Ausführungsform einer Anodenmaske 70, die einen Körperabschnitt 72 zum Ausbilden des Elektrodenfelds und einen Fahnenabschnitt 74 zum Ausbilden einer Kollektorfahne, die eine Verbindung zu einer externen Schaltung gestattet, besitzt. Während die Elektrodenmasken so gezeigt sind, dass sie einen einzelnen Kollektorfahnenabschnitt besitzen, können zwei oder mehr Fahnenabschnitte durch die Masken gebildet werden. Die Masken 50, 60, 70 können konfiguriert sein zum Ausbilden von Komponenten mit im Allgemeinen rechteckigen Körperabschnitten, jedoch können die Masken so konfiguriert sein, dass sie eine beliebige geeignete Gestalt bilden.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird ein Schemadiagramm eines Elektrospinnsystems 80 gezeigt, das ein vereinfachtes Diagramm von 1 ist. Wie gezeigt, kann das System 80 eine Spinndüse 82 enthalten, die ein flüssiges Material von einer Quelle empfangen kann, wie etwa ein Kathodenmaterial 84, ein Separatormaterial 86 oder ein Anodenmaterial 88. Die Quellmaterialien können einer gemeinsamen Spritze oder Pumpe 90 zugeführt werden, die wählen kann, welches Quellmaterial an die Spinndüse 82 geliefert werden soll. Die Spinndüse 82 kann dann einen Strahl 92 von Material zu einem Kollektor 96 richten, wodurch eine Faser 94 entsteht, während sich die Flüssigkeit auf ihrem Weg zum Kollektor 96 verfestigt. Infolgedessen entsteht eine elektrogesponnene Komponente 98 auf dem Kollektor 96. Der Faserdurchmesser kann je nach den Elektrospinnparametern variieren. Beispielsweise können die Fasern einen Durchmesser von 50 nm bis 50 µm besitzen.
  • Es wird eine Heizquelle 100 bereitgestellt, die ein Laser sein kann. Der Laser kann ein gepulster Laser sein, beispielsweise ein gepulster Nd:YAG-Laser. Dieser Laser kann konfiguriert sein zum Abrastern einer Oberfläche der elektrogesponnenen Komponente 98, um die Oberfläche zu erhitzen. Bei einer Ausführungsform wird die durch den Laser generierte Hitze verwendet, um die elektrogesponnene Komponente 98 (z.B. Kathoden- oder Anodenmaterial) zu karbonisieren, damit sie elektrisch leitend (oder stärker elektrisch leitend) wird. Anstelle eines Lasers oder zusätzlich zu einem Laser können andere Heizquellen verwendet werden. Die Heizquelle kann eine beliebige Einrichtung sein, die lokalisierte Gebiete der elektrogesponnenen Komponente 98, die auf dem Kollektor 96 gesammelt wird, zu erhitzen. Um lokalisierte Bereiche der Komponente zu erhitzen, kann die Heizquelle auch konfiguriert sein zum Erhitzen einer vorbestimmten Dicke der Komponente. Falls beispielsweise eine Komponente 98 eine Dicke von 10 µm besitzt, kann die Heizquelle 100 konfiguriert sein, nur ein Gebiet bis zu einer Tiefe von 10 µm zu erhitzen, so dass etwaiges, hinter der Komponente 98 gestapeltes Material nicht signifikant erhitzt wird oder auf eine signifikant niedrigere Temperatur erhitzt wird.
  • Wieder unter Bezugnahme auf 3 können das Kathodenmaterial 84, das Separatormaterial 86 und das Anodenmaterial 88 beliebige geeignete Materialien zum Ausbilden einer wiederaufladbaren Batterie wie etwa einer LIB sein. Bei mindestens einer Ausführungsform können das Kathodenmaterial 84 und/oder das Anodenmaterial 88 Materialien mit hoher Kapazität enthalten, wie etwa Silizium, Schwefel oder NMC mit hoher Kapazität. Beispielsweise kann Silizium eine spezifische Kapazität von bis zu 3579 mAh/g besitzen, und Schwefel kann eine spezifische Kapazität von bis zu 1166 mAh/g besitzen. Diese Materialien können LIBs erhöhte Kapazität verleihen, leiden aber unter Verschlechterungs- und Auflösungsproblemen, wenn sie in herkömmlichen Batteriearchitekturen verwendet werden, wie oben beschrieben. Bei mindestens einer Ausführungsform enthält das Kathodenmaterial 84 ein Basispolymer und ein Lösungsmittel, das das Basispolymer auflösen kann. Bei einer Ausführungsform ist das Basispolymer Polyacrylnitril (PAN), ein PAN-Copolymer oder ein PAN-Derivat. Ein geeignetes Lösungsmittel für PAN kann Dimethylformamid (DMF) beinhalten.
  • Zusätzlich zu PAN können andere Basismaterialien, die wärmebehandelt werden können, um ohne Schmelzen stabile karbonisierte Fasern zu bilden, verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Kathodenmaterial 84 ein mit einem aktiven Material gemischtes Basispolymer enthalten. Das aktive Material kann elementaren Schwefel und/oder schwefelhaltige Zusammensetzungen wie etwa Lithiumsulfid (Li2S) enthalten. Jedoch können andere kathodenaktive Materialien verwendet werden, wie etwa Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid (NCA), Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (NMC), Lithium-Manganspinelloxid (Mn-Spinell oder LMO) und Lithium-Eisenphosphat (LFP) und seine Derivate Lithium-Mischmetallphosphat (LFMP). Außerdem können Mischungen aus beliebigen von zwei oder mehr dieser Materialien verwendet werden, beispielsweise eine Mischung aus NMC und LMO. Das kathodenaktive Material kann eine spezifische Kapazität von bis zu oder über 1166 mAh/g besitzen. Beispielsweise kann das aktive Material eine spezifische Kapazität von 500 bis 1166 mAh/g, 700 bis 1166 mAh/g oder 900 bis 1166 mAh/g besitzen.
  • Bei mindestens einer Ausführungsform liegt das aktive Material in der Form von Nanopartikeln vor. Beim Elektrospinnen des Kathodenmaterials 84 können mindestens einige der Nanopartikel in die Basispolymerfasern eingebettet werden. Beispielsweise kann eine Kathodenkomponente aus PAN-Fasern mit darin eingebetteten S- oder Li2S-Nanopartikeln gebildet werden. Falls nicht-lithiumhaltige Materialien wie etwa elementarer Schwefel in dem Kathodenmaterial 84 verwendet werden, kann das Anodenmaterial 88 (weiter unten erörtert) vor dem Elektrospinnen lithiiert werden, so dass die Batterie in einem geladenen Zustand hergestellt werden kann.
  • Bei mindestens einer Ausführungsform enthält das Separatormaterial 86 ein Basispolymer und ein Lösungsmittel, das das Basispolymer auflösen kann. Zu geeigneten Basispolymeren für den Separator können Polyolefine wie etwa Polyethylen oder Polypropylen oder andere Polymere einschließlich Polyvinylidenfluorid (PVDF) zählen. Das Separatormaterial 86 kann auch Additive enthalten, um seine Eigenschaften und Leistung zu verbessern. Zu Beispielen von Additiven können Bariumtitanat (BaTiO3) und/oder Aluminiumoxid (Al2O3) zählen, um thermische und mechanische Eigenschaften zu verbessern.
  • Bei mindestens einer Ausführungsform enthält das Anodenmaterial 88 ein Basispolymer und ein Lösungsmittel, das das Basispolymer auflösen kann. Bei einer Ausführungsform ist das Basispolymer Polyacrylnitril (PAN), ein PAN-Copolymer oder ein PAN-Derivat. Jedoch können andere Basismaterialien, die wärmebehandelt werden können, um stabile karbonisierte Fasern ohne Schmelzen zu bilden, verwendet werden. Geeignete Lösungsmittel für PAN werden oben unter Bezugnahme auf das Kathodenmaterial 84 erörtert. Bei einigen Ausführungsformen kann das Anodenmaterial 88 ein mit einem aktiven Material gemischtes Basispolymer beinhalten. Das aktive Material kann beispielsweise Silizium oder siliziumhaltige Verbindungen beinhalten. Jedoch können andere anodenaktive Materialien verwendet werden, wie etwa Graphit (natürlicher, künstlicher oder oberflächenmodifizierter natürlicher), harter Kohlenstoff, weicher Kohlenstoff und Lithium-Titanatoxid (LTO). Das anodenaktive Material kann eine spezifische Kapazität von bis zu oder über 3579 mAh/g besitzen. Beispielsweise kann das aktive Material eine spezifische Kapazität von 1500 bis 3579 mAh/g, 2000 bis 3579 mAh/g, 2500 bis 3579 mAh/g oder 3000 bis 3579 mAh/g enthalten. Bei mindestens einer Ausführungsform liegt das aktive Material in Form von Nanopartikeln vor. Beim Elektrospinnen des Anodenmaterials 88 können mindestens einige der Nanopartikel in die Basispolymerfasern eingebettet werden. Beispielsweise kann eine Anodenkomponente aus PAN-Fasern mit darin eingebetteten Siliziumnanopartikeln gebildet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird ein Verfahren 200 zum Ausbilden einer elektrogesponnenen Batterie gemäß einer Ausführungsform bereitgestellt. Die in 2 beschriebenen Masken und das in 3 beschriebene System können zum Ausführen des Verfahrens 200 verwendet werden. In Schritt 202 wird ein Anodenmaterial auf einen leitenden Kollektor elektrogesponnen, um eine erste Anodenschicht auszubilden. Eine Maske kann verwendet werden, um das Anodenmaterial zu einem Körperabschnitt und einer Kollektorfahne zu strukturieren, wie unter Bezugnahme auf 2C beschrieben. Wenngleich eine einzelne Kollektorfahne gezeigt ist, können mehrere Kollektorfahnen ausgebildet werden. Zusätzlich zu Masken können zum Ausbilden der Anodengestalt auch andere Verfahren verwendet werden. Ein Beispiel kann das Bewegen der Elektrospinn-Spinndüse/Düse in einem vorbestimmten Muster beinhalten, ähnlich zum CNC-Fräsen oder 3D-Drucken. Ein weiteres Beispiel kann die Verwendung eines externen elektrischen Felds beinhalten, um die Strukturierung der Faser zu lenken, ähnlich dem Lenken eines Elektronenstrahls in Fernsehgeräten mit Kathodenstrahlröhren. Weiterhin kann es möglich sein, einen Bereich elektrozuspinnen, der größer ist als benötigt, und dann die Schicht in die gewünschte Anodengestalt zuzuschneiden oder zu trimmen.
  • In Schritt 204 wird das Polymer in der Anodenschicht unter Verwendung einer Wärmequelle karbonisiert (z.B. in im Wesentlichen nur Kohlenstoff umgewandelt). Die Wärmequelle kann ein Laser oder ein gepulster Laser sein, und er kann die Anodenschichtoberfläche abrastern, um die Anodenschicht zu erhitzen und zu karbonisieren. Der Karbonisierungsschritt 204 kann ein einzelner Schritt sein oder er kann in zwei oder mehr Schritte aufgeteilt sein. Die Struktur von PAN-Fasern kann durch eine Wärmebehandlung von etwa 250–300°C, beispielsweise 280°C, stabilisiert werden. PAN-Fasern werden durch eine Wärmebehandlung von etwa 700–1200°C, beispielsweise 900°C, karbonisiert. Der Karbonisierungsprozess kann die Polymerfasern im Wesentlichen in Kohlenstoff umwandeln. Einige restliche Elemente können jedoch nach dem Karbonisierungsprozess zurückbleiben, wie etwa Stickstoff, doch werden die Fasern im Allgemeinen in amorphen Kohlenstoff mit einer den ursprünglichen Basispolymerfasern ähnlichen Struktur umgewandelt. Weil die anderen Elemente entfernt werden, wie etwa Wasserstoff, können die Fasern geringfügig schrumpfen. PAN-Fasern können weiterhin durch eine Wärmebehandlung von mindestens etwa 1400°C graphitisiert werden, wobei die Kohlenstofffasern in graphitischen Kohlenstoff umgewandelt werden.
  • Dementsprechend kann ein einstufiger Karbonisierungsprozess durchgeführt werden, indem (z.B. durch Laser) die Fasern direkt auf eine Karbonisierungs- oder Graphitisierungstemperatur erhitzt werden (z.B. etwa 900°C oder 1400° für PAN-Fasern). Alternativ kann ein zweistufiger Karbonisierungsprozess durchgeführt werden, indem zuerst die Fasern auf eine stabilisierende Temperatur (z.B. 280°C für PAN-Fasern) erhitzt werden und dann die Fasern separat auf eine Karbonisierungs- oder Graphitisierungstemperatur erhitzt werden. Wenngleich der einstufige Prozess möglicherweise schneller und effizienter ist, kann der zweistufige Prozess zu einer stabileren Struktur für die Fasern führen. Der einstufige Prozess und mindestens die zweite Stufe des zweistufigen Prozesses können in einer inerten Umgebung (z.B. Argon oder Stickstoff) durchgeführt werden, um Oxidation/Verbrennung zu verhindern. Die stabilisierende Behandlung des zweistufigen Prozesses kann ebenfalls in einer inerten Umgebung erfolgen, doch kann sie auch in Luft erfolgen. Anstelle einer inerten Umgebung kann es auch geeignet sein, ein schweres Gas zu verwenden, das die Umgebungsluft verdrängt, um Oxidation zu vermeiden.
  • In Schritt 206 wird ein Separatormaterial auf die erste Anodenschicht elektrogesponnen, um eine erste Separatorschicht auszubilden. Bei mindestens einer Ausführungsform wird das Separatormaterial direkt auf die erste Anodenschicht ohne irgendwelches Zwischenmaterial elektrogesponnen. Eine Maske kann verwendet werden, um das Separatormaterial zu einem Körperabschnitt zu strukturieren, wie unter Bezugnahme auf 2B beschrieben. Wie jedoch oben beschrieben, können andere Verfahren zum Formen der Separatorschicht verwendet werden. Im Gegensatz zur Anodenschicht wird der Separator nicht mit einer Wärmequelle behandelt, um ihn zu karbonisieren; deshalb behält er seine elektrisch isolierenden Eigenschaften bei.
  • In Schritt 208 wird ein Kathodenmaterial auf die erste Separatorschicht elektrogesponnen, um eine erste Kathodenschicht auszubilden. Bei mindestens einer Ausführungsform wird das Kathodenmaterial direkt ohne Zwischenmaterial auf die erste Separatorschicht gesponnen. Eine Maske kann verwendet werden, um das Kathodenmaterial zu einem Körperabschnitt und einer Kollektorfahne zu strukturieren, wie unter Bezugnahme auf 2A beschrieben. Wenngleich eine einzelne Kollektorfahne gezeigt ist, können mehrere Kollektorfahnen ausgebildet werden. Wie oben beschrieben, können auch andere Verfahren zum Formen der Kathodenschicht verwendet werden. In Schritt 210 wird das Polymer in der Kathodenschicht karbonisiert, wie oben unter Bezugnahme auf die Anodenschicht beschrieben. Um ein Karbonisieren der unter der Kathodenschicht liegenden Separatorschicht zu vermeiden, kann der Laser oder eine andere Wärmequelle konfiguriert sein, nur die Kathodenschicht und nicht die darunterliegende Separatorschicht zu erhitzen. Bei Ausführungsformen, wo ein Laser als die Wärmequelle verwendet wird, kann das Tiefenprofil des Lasers durch Steuern zahlreicher Parameter wie etwa der Gesamtenergie des Lasers, der Wattleistung, der Wellenlänge, der Fleckgröße, der Rastergeschwindigkeit, der Impulslänge usw. definiert werden. Es kann akzeptabel sein, dass eine gewisse Wärme die darunterliegende Schicht erreicht, solange sie im Wesentlichen unkarbonisiert bleibt und ausreichend Porosität beibehält, um eine Lithiumionenbewegung im Elektrolyten zu gestatten.
  • Nach Schritt 210 wird ein Separatormaterial (z.B. das Separatormaterial von Schritt 206) auf die erste Kathodenschicht elektrogesponnen, um in Schritt 212 eine zweite Separatorschicht auszubilden. Bei wenigstens einer Ausführungsform wird das Separatormaterial ohne Zwischenmaterial (z.B. ohne Stromkollektor) direkt auf die erste Kathodenschicht elektrogesponnen. Das Elektrospinnen von Schritt 212 kann dem Elektrospinnen von Schritt 206 im Wesentlichen ähnlich sein, mit Ausnahme des darunterliegenden Materials (z.B. der ersten Kathodenschicht anstelle der ersten Anodenschicht). Falls jedoch eine andere Dicke, ein anderes Separatormaterial oder eine andere unterschiedliche Eigenschaft für die zweite Separatorschicht gewünscht ist, können die Elektrospinnparameter dann für Schritt 212 verstellt werden. Ähnlich Schritt 206 wird keine Karbonisierungsbehandlung auf die zweite Separatorschicht angewendet.
  • In Schritt 214 wird ein Anodenmaterial (z.B. das Anodenmaterial von Schritt 202) auf die zweite Separatorschicht elektrogesponnen, um eine zweite Anodenschicht auszubilden. Bei mindestens einer Ausführungsform wird das Anodenmaterial direkt auf die zweite Separatorschicht elektrogesponnen. Das Elektrospinnen von Schritt 214 kann im Wesentlichen ähnlich dem Elektrospinnen von Schritt 202 sein, mit Ausnahme des darunterliegenden Materials (z.B. zweite Separatorschicht anstelle des Kollektors). Falls jedoch eine andere Dicke, ein anderes Anodenmaterial oder eine andere unterschiedliche Eigenschaft für die zweite Anodenschicht gewünscht ist, können die Elektrospinnparameter dann für Schritt 214 verstellt werden (das Gleiche gilt für beliebige zusätzliche Kathodenschichten). Ähnlich Schritt 204 kann das Polymer in der zweiten Anodenschicht unter Verwendung einer Wärmequelle in Schritt 216 karbonisiert werden. Das Elektrospinnnen der Anoden-, Separator- und Kathodenschicht in den obigen Schritten kann durch Abändern von Elektrospinnparametern wie etwa Potential, Abstand, Nadelgröße, Temperatur, Lösungskonzentration, Polymertyp, relative Molekülmasse des Polymers, Zieltyp (z.B. flache Platte, sich drehender Zylinder usw.) oder anderen verstellt werden.
  • Das Stapeln von Separator-, Kathoden- und Anodenschicht kann nach Schritt 216 für mehrere Zyklen fortgesetzt werden, um mehrere Stapel von Schichten auszubilden. Jede Schicht kann ohne Zwischenschichten (z.B. Stromkollektoren) direkt auf die vorausgegangene Schicht gesponnen werden. Jede Anoden- und Kathodenschicht kann durch eine Wärmequelle wie etwa einen Laser karbonisiert werden, während die Separatorschichten unkarbonisiert bleiben können, so dass sie ihre elektrisch-isolierenden Eigenschaften beibehalten. Wenngleich 4 und Verfahren 200 offenbaren, dass der erste Schritt das Elektrospinnen der ersten Anodenschicht ist, kann das Verfahren alternativ mit einer ersten Separatorschicht oder einer ersten Kathodenschicht beginnen und dann das Stapeln der anderen Schichten in der beschriebenen (oder ähnlichen) Reihenfolge fortsetzen. Die sich wiederholende gestapelte Struktur kann unter Verwendung einer sich wiederholenden Einheit beschrieben werden, wie etwa einer Gruppe mit einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und zwei Separatorschichten, wobei eine Separatorschicht jede Anoden- und Kathodenschicht trennt. Beispielsweise kann die Gruppe als eine Anoden-Separator-Kathoden-Separator-Gruppe (A-S-C-S-Gruppe) oder eine C-S-A-S-Gruppe oder eine S-A-S-C-Gruppe usw. beschrieben werden. Mit dem Verfahren 200 kann eine beliebige Anzahl von gestapelten Gruppen hergestellt werden. Bei mindestens einer Ausführungsform kann eine elektrogesponnene Batterie mit 1 bis 50 Gruppen oder ein beliebiger Unterbereich darin hergestellt werden. Beispielsweise können 1 bis 30, 2 bis 50, 5 bis 20 oder 10 bis 20 Gruppen vorliegen. Für Batterien mit nur einer einzigen Anode und Kathode kann der zweite Separator eliminiert werden.
  • Dementsprechend wird gemäß Schritt 210 von Verfahren 200 ein vollständiger Stapel aus Anode-Separator-Kathode ausgebildet. Bei einer herkömmlichen Batteriearchitektur würde ein metallischer Stromkollektor auf jeder Seite des Stapels platziert werden müssen, um den in der Batterie generierten elektrischen Strom zu sammeln. Diese Stromkollektoren vergrößern das Gewicht und die Dicke der Batterie und begrenzen die Richtung der Lithium-Ionen-Diffusion auf eine Richtung. Das offenbarte Verfahren 200 gestattet die Eliminierung separater Stromkollektoren, wodurch das Gewicht und die Dicke der Batterie reduziert werden und die Lithiumionen in einer beliebigen Richtung über eine beliebige Elektrode diffundieren können.
  • Nachdem die gewünschte Anzahl von Anoden-, Separator- und Kathodenschicht zu einem Stapel elektrogesponnen worden ist, kann der Stapel gekapselt werden, um eine fertiggestellte Batterie auszubilden. Die Batterie kann beispielsweise in der Form einer Knopfzelle, einer Pouchzelle oder einer prismatischen Zelle vorliegen. Die Batterie kann mit einem flüssigen Elektrolyten gefüllt werden, der die kleinen Poren in jeder Schicht, die aus dem Elektrospinnprozess resultieren, füllt. Der flüssige Elektrolyt aktiviert die Zelle, was einen Lithium-Ionen-Transfer zwischen den Elektroden gestattet, wenn eine externe Schaltung an die Kollektorfahnen angeschlossen wird, wie etwa jene, die unter Verwendung der Masken von 2 hergestellt wurden. Der Elektrolyt kann ein beliebiger geeigneter Elektrolyt sein und kann ein Lithiumsalz (z.B. LiPF6, LiBF4 oder LiClO4) und ein organisches Lösungsmittel (z.B. Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC) oder Mischungen davon) enthalten.
  • Wenngleich das Verfahren 200 von 4 oben so beschrieben wird, dass das Elektrospinnen zum Ausbilden der Anoden-, Kathoden- und Separatorschicht in den Schritten 202, 206, 208, 212 und 214 verwendet wird, können zum Ausbilden dieser Batteriekomponenten andere Spinnverfahren verwendet werden. Beispielsweise könnten die Komponenten unter Verwendung von Nassspinnen, Trockenspinnen, Schmelzspinnen, Extrusionsspinnen, Direktspinnen, Gel-Spinnen oder Ziehen ausgebildet werden. Außerdem können Nicht-Spinnverfahren verwendet werden, um die Komponenten auszubilden, solange die Anoden- und Kathodenschichten karbonisiert werden können, um eine leitende Schicht auszubilden. Wenngleich das Verfahren 200 so beschrieben ist, dass es ein allgemein kontinuierlicher Prozess ist, wobei jede Schicht direkt auf die vorausgegangene Schicht gesponnen wird, kann es zudem möglich sein, die Schichten separat auszubilden und sie später zu einem Stapel zu kombinieren oder zusammenzubauen. Beispielsweise könnten Chargen von Anoden-, Kathoden- und Separatorschichten separat unter Verwendung von Spinn- (z.B. Elektrospinnen) oder anderen Techniken separat hergestellt werden. Die Anoden- und Kathodenschichten könnten dann karbonisiert werden und die Schichten könnten zusammengebaut werden, um einen Stapel auszubilden. Der bezüglich 4 beschriebene kontinuierliche Prozess stellt jedoch möglicherweise eine Batterie mit besserer Haftung zwischen den Schichten bereit, da sie während der Herstellung eher als einen im Wesentlichen einheitlichen oder kontinuierlichen Stapel denn benachbarte individuelle Komponenten bilden.
  • Zusätzlich zu dem Ausbilden einer elektrogesponnenen Batterie auf einem Standardkollektor wie etwa einer flachen leitenden Platte, wie in 1 und 3 gezeigt, kann das Verfahren 200 zum Ausbilden von Batterien auf anderen Oberflächen wie etwa Fahrzeugkomponenten verwendet werden, um leere oder unbenutzte Räume (z.B. in einem Fahrzeug) für zusätzliche Batteriekapazität zu nutzen. Beispielsweise kann es sich bei dem Kollektor um eine beliebige Metallkomponente innerhalb eines Fahrzeugs handeln, wie etwa die Innenseite eines Karosserieblechs, einer Kofferraumoberfläche oder anderer Bereiche. Nichtleitende Fahrzeugkomponenten können mit einem leitenden Material beschichtet werden, ein daran angebrachtes leitendes Material besitzen oder anderweitig leitend gemacht werden. Die Fahrzeugkomponente kann dann geerdet und als der Kollektor verwendet werden (z.B. Kollektoren 18 und 96 in 1 und 3). Masken, wie etwa jene bezüglich 2 beschriebenen, können so hergestellt werden, dass sie der Größe und Gestalt der Komponente entsprechen, die als der Kollektor verwendet werden soll. Nachdem die gewünschte Anzahl von Schichten aus Anode, Separator und Kathode auf die Komponente gesponnen worden ist, könnte ein Film oder irgendeine andere Form von Schutzbarriere aufgebracht werden, um die Batterie einzuschließen und eine vollständige Zelle auszubilden. Dementsprechend können die offenbarten Verfahren verwendet werden, um eine kundenspezifische Batterie auf einer Fahrzeugkomponente auszubilden, um die Batteriekapazität eines Hybrid-, Plug-in-Hybrid- oder eines Elektrofahrzeugs zu vergrößern. Zusätzlich zu Fahrzeugkomponenten kann der offenbarte Elektrospinnprozess auf einer beliebigen Oberfläche verwendet werden, um darauf eine Batterie auszubilden.
  • Unter Bezugnahme auf 5 wird eine gemäß dem Verfahren 200 hergestellte, elektrogesponnene Batterie 300 gezeigt. Die Batterie 300 enthält, wie gezeigt, vier Separatorschichten 310, zwei Kathodenschichten 320 und zwei Anodenschichten 330. Eine Separatorschicht 310 kontaktiert und trennt jede Kathodenschicht 320 und Anodenschicht 330. Die Separatorschichten sind nichtleitend und können porös sein. Keine separaten metallischen Stromkollektoren liegen in der Batterie 300 zwischen Gruppen von Anode-Separator-Kathode-Schichten vor. Stattdessen kann jede Kathodenschicht 320 und Anodenschicht 330 derart karbonisiert sein, dass sie eine elektrisch leitende lose Faser enthält. Jede Kathodenschicht 320 kann einen Körper 322 und eine Kollektorfahne 324 enthalten, und jede Anodenschicht 330 kann einen Körper 332 und eine Kollektorfahne 334 enthalten. Die Körper 322 und 332 können das Elektrodenfeld bilden, und die Kollektorfahnen 324 und 334 können sich vom Körperabschnitt erstrecken und eine Verbindung zu einer externen Schaltung gestatten. Die Kollektorfahnen 324 und 334 können zur gleichen Zeit und unter Verwendung des gleichen Prozesses wie die Körper 322 und 332 ausgebildet werden. Dementsprechend können auch die Fahnen 324 und 334 aus elektrisch leitender loser Faser gebildet werden und können die aktiven Materialien enthalten. Bei mindestens einer Ausführungsform können sich die Kollektorfahnen 324 von den Körpern 322 der Kathodenschichten an einem anderen Ort erstrecken, als sich die Kollektorfahnen 334 von den Körpern 332 der Anodenschichten 330 erstrecken. Falls beispielsweise die Körper 322 und 332 allgemein rechteckig sind, können die Kollektorfahnen 324 und 334 an entgegengesetzten Enden einer Seite der Körper positioniert sein, wie in 5 gezeigt. Wenngleich jede Kathodenschicht 320 und Anodenschicht 330 mit einer einzigen Kollektorfahne gezeigt ist, kann jede Schicht mehrere Kollektorfahnen enthalten.
  • Die Separatorschichten 310 können einen Körper 312 enthalten, der so bemessen und konfiguriert ist, dass er die Körper 322 und 332 der Kathoden- bzw. Anodenschicht kontaktiert und trennt. Die Separatorschichten 310 können die gleichen oder größere Abmessungen wie/als die Kathoden- und Anodenschichten besitzen. Falls beispielsweise die Separator-, Kathoden- und Anodenschichtkörper alle allgemein rechteckig sind, können die Separatorkörper 312 die gleiche Höhe und Breite wie die Kathodenschicht- oder Anodenschichtkörper 322, 332 besitzen, oder eine oder beide der Höhe und Breite der Separatorschichtkörper 312 können größer sein als die Höhe oder Breite der Kathoden- und Anodenkörper 322, 332. Die Abmessungen der Separatorkörper 312 können deshalb sicherstellen, dass es keinen Kontakt (z.B. elektrischen Kontakt) zwischen den Körpern der Kathoden- und Anodenschichten gibt. Jedoch können sich die Kollektorfahnen 324 und 334 der Kathoden- und Anodenschichten über die Separatorkörper 312 hinaus erstrecken, was einen Anschluss an eine externe Schaltung gestattet.
  • Die Anodenschichten 320 und Kathodenschichten 330 können ähnliche Abmessungen besitzen wie Standardarchitektur-LIBs. Die Anodenschichten 320 können jeweils eine Dicke von 10 bis 100 µm oder einen beliebigen Teilbereich darin besitzen, wie etwa 10 bis 75 µm, 20 bis 75 µm oder 30 bis 50 µm. Die Kathodenschichten 330 können jeweils eine Dicke von 10 bis 100 µm oder einen beliebigen Teilbereich darin besitzen, wie etwa 10 bis 75 µm, 20 bis 50 µm oder 20 bis 40 µm. Bei einer Ausführungsform können die Kathodenschichten 330 dünner sein als die Anodenschichten 320. Die Anoden- und Kathodenschichten können je nach den Designanforderungen Dicken jenseits der offenbarten Bereiche besitzen. Allgemein nimmt mit abnehmender Elektrodendicke die Batterieleistung zu und mit zunehmender Elektrodendicke die Batteriekapazität zu.
  • Die Separatorschichten 310 können auch ähnliche Abmessungen wie Standardarchitektur-LIBs besitzen, zum Beispiel etwa 16 bis 20 µm. Der Elektrospinnprozess kann jedoch gestatten, dass die Separatorschichten dünner sind als herkömmliche Separatoren. Standardarchitektur-LIBs werden konstruiert, indem die individuellen Elektroden und der oder die Separatoren zu einem Stapel zusammengebaut werden, was erfordert, dass jede Komponente mechanische Eigenschaften besitzt, die robust genug sind, um gehandhabt zu werden. Infolgedessen müssen Separatorschichten in herkömmlichen LIBs mindestens etwa 16 µm oder derart dick sein, um ein Zerreißen oder eine andere Beschädigung während der Handhabung zu vermeiden. Da die Batterie 300 durch Elektrospinnen aufeinanderfolgender Schichten aufeinander zusammengebaut werden kann, ist keine Handhabung individueller Separatorschichten erforderlich. Außerdem werden herkömmliche Separatorschichten im Allgemeinen während ihrer Herstellung in der Ebene (d.h. senkrecht zu ihrer Dicke) gedehnt. Dieses Dehnen kann bewirken, dass ihre mechanischen Eigenschaften anisotrop sind, wobei ihre Festigkeit in der Dickenrichtung reduziert ist. Der Elektrospinnprozess führt allgemein zu isotropen Separatorschichten, was zu einer vergrößerten Festigkeit in der Dickenrichtung für eine gegebene Dicke im Vergleich zu anisotropen Separatoren führt. Dementsprechend kann in der elektrogesponnenen Batterie 300 die Separatorschichtdicke auf eine Größe primär auf der Basis ihrer erforderlichen Isoliereigenschaften als ihrer mechanischen Eigenschaften reduziert werden. Bei einer Ausführungsform können die Separatorschichten 310 jeweils eine Dicke von 1 bis 20 µm oder einen beliebigen Teilbereich darin besitzen. Beispielsweise können die Separatorschichten jeweils eine Dicke von 1 bis 16 µm, 1 bis 15 µm, 1 bis 12 µm, 1 bis 10 µm, 1 bis 8 µm oder 1 bis 5 µm besitzen.
  • Die Elektroden der elektrogesponnenen Batterie 300 können eine höhere Porosität als in herkömmlichen LIBs besitzen, und zwar aufgrund der durch den Elektrospinnprozess hergestellten hochporösen Struktur. Herkömmliche Elektroden können eine Porosität von etwa 30 bis 40% besitzen. Die Elektroden der Batterie 300 können eine Porosität von mindestens 40% besitzen, beispielsweise 40 bis 80% oder einen beliebigen Teilbereich darin, wie etwa 45 bis 75%, 50 bis 75%, 50 bis 70% oder 60 bis 70%. Die vergrößerte Porosität der Elektroden kann die Zellleistung aufgrund vergrößerter Lithium-Ionen-Diffusion innerhalb des Elektrolyten und verbesserter Nutzung des aktiven Materials in den Elektroden vergößern.
  • Die Batterie 300 kann auf eine beliebige geeignete Weise gekapselt werden, um eine fertiggestellte Batteriezelle auszubilden. Beispielsweise kann die Batterie 300 als eine Knopfzelle, eine Pouchzelle oder eine prismatische Zelle gekapselt werden. Die Batterie 300 kann mit einem Elektrolyten gefüllt sein, der ein Lithiumsalz (z.B. LiPF6) und ein organisches Lösungsmittel (z.B. Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC) oder Mischungen davon) enthält.
  • Die elektrogesponnene Batterie 300 kann substantielle Gewichts- und Kosteneinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen LIBs mit metallischen Stromkollektoren bereitstellen. Beispielsweise kann die elektrogesponnene Batterie 300 die Batteriezellkosten um bis zu 10% oder mehr senken und das Gewicht der Zelle um bis zu 15% oder mehr reduzieren. Zusätzlich zu den Kosten- und Gewichtseinsparungen können die spezifische Energie und die Energiedichte der elektrogesponnenen Batterie 300 im Vergleich zu herkömmlichen LIBs verbessert werden. Zudem können die offenporige Struktur der elektrogesponnenen Elektroden 320 und 330 und die miteinander verbundenen, elektrisch leitenden Fasern die Zellleistung der elektrogesponnenen Batterie 300 verbessern. Das Einarbeiten des aktiven Materials (z.B. Nanopartikel von S, Li2S oder Si) in die Fasern kann auch die Nutzung des aktiven Materials verbessern, wodurch die Zellleistung weiter verbessert und/oder die Kosten des aktiven Materials gesenkt werden. Der elektrische Widerstand der leitenden Fasern in den Elektroden kann höher sein als der Widerstand herkömmlicher metallischer Stromkollektoren (z.B. Kupfer oder Aluminium), doch kompensieren die obigen Vorzüge die reduzierte Leitfähigkeit. Außerdem ist der erhöhte Widerstand möglicherweise kein signifikanter Faktor für Batteriedesigns mit kurzen leitenden Wegen.
  • Wenngleich oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentschrift verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden. Wenngleich die Verfahren zum Ausbilden einer Batterie und die daraus ausgebildeten Batterien bezüglich Lithium-Ionen-Batterien beschrieben worden sind, können die Verfahren und die offenbarte Batteriearchitektur auch für andere Energiespeichereinrichtungen verwendet werden. Beispielsweise können die Verfahren und die Architektur auf andere wiederaufladbare Batterietypen und Superkondensatoren anwendbar sein.

Claims (20)

  1. Lithium-lonen-Batterie, die Folgendes umfasst: eine erste Anodenschicht mit einer leitenden losen Faser und einem anodenaktiven Material; eine erste nichtleitende poröse Schicht, die die erste Anodenschicht kontaktiert; eine erste Kathodenschicht mit einer leitenden losen Faser und einem kathodenaktiven Material, das die erste nichtleitende poröse Schicht kontaktiert; und eine zweite nichtleitende poröse Schicht, die die erste Kathodenschicht kontaktiert.
  2. Batterie nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Abschnitt des anodenaktiven Materials in die leitende lose Faser der Anodenschicht eingebettet ist und mindestens ein Abschnitt des kathodenaktiven Materials in die leitende lose Faser der Kathodenschicht eingebettet ist.
  3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Anoden- und die erste Kathodenschicht jeweils einen Körper und eine sich von dem Körper erstreckende Kollektorfahne enthält, wobei die Kollektorfahne eine leitende lose Faser enthält.
  4. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitende lose Faser der ersten Anoden- und Kathodenschicht ein karbonisiertes Polymer ist.
  5. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite nichtleitende poröse Schicht eine erste bzw. zweite Separatorschicht sind.
  6. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das anodenaktive Material Siliziumnanopartikel enthält.
  7. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kathodenaktive Material Schwefel enthält.
  8. Batterie nach Anspruch 7, wobei das kathodenaktive Material Nanopartikel aus elementarem Schwefel oder Li2S enthält.
  9. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin Folgendes umfasst: eine zweite Anodenschicht mit einer leitenden losen Faser und einem anodenaktiven Material, das die zweite nichtleitende poröse Schicht kontaktiert; eine dritte nichtleitende poröse Schicht, die die zweite Anodenschicht kontaktiert; und eine zweite Kathodenschicht mit einer leitenden losen Faser und einem kathodenaktiven Material, das die dritte nichtleitende poröse Schicht kontaktiert.
  10. Lithium-Ionen-Batterie, die Folgendes umfasst: mehrere Anodenschichten, wobei jede eine leitende lose Faser und ein anodenaktives Material enthält; mehrere Kathodenschichten, wobei jede eine leitende lose Faser und ein kathodenaktives Material enthält; und mehrere nichtleitende Separatorschichten, wobei jede eine der mehreren Anodenschichten von einer der mehreren Kathodenschichten trennt.
  11. Batterie nach Anspruch 10, wobei das anodenaktive Material Silizium enthält und mindestens ein Abschnitt des anodenaktiven Materials in die leitende lose Faser jeder Anodenschicht eingebettet ist.
  12. Batterie nach Anspruch 10 oder 11, wobei das kathodenaktive Material Schwefel enthält und mindestens ein Abschnitt des anodenaktiven Materials in die leitende lose Faser jeder Kathodenschicht eingebettet ist.
  13. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei keine metallischen Stromkollektoren mit den mehreren Anodenschichten oder den mehreren Kathodenschichten in Kontakt stehen.
  14. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Anodenschichten und die mehreren Kathodenschichten eine Porosität von 40% bis 80% besitzen.
  15. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren nichtleitenden Separatorschichten jeweils eine Dicke von 1 bis 12 µm besitzen.
  16. Verfahren zum Ausbilden einer Batterie, das Folgendes umfasst: (a) Spinnen einer ersten Anodenschicht; (b) Spinnen einer ersten Separatorschicht auf die erste Anodenschicht; (c) Spinnen einer ersten Kathodenschicht auf die erste Separatorschicht und (d) Spinnen einer zweiten Separatorschicht auf die erste Kathodenschicht.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend die Schritte des Karbonisierens der ersten Anodenschicht vor Schritt (b) und des Karbonisierens der ersten Kathodenschicht vor Schritt (d).
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Karbonisierungsschritte unter Verwendung eines Lasers durchgeführt werden.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16–18, wobei das Spinnen in den Schritten (a)–(d) unter Verwendung von Elektrospinnen durchgeführt wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16–19, wobei Schritt (a) das Spinnen einer Polyacrylnitrilfaser (PAN-Faser) und eines anodenaktiven Materials beinhaltet und Schritt (c) das Spinnen einer PAN-Faser und eines kathodenaktiven Materials beinhaltet.
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