DE102015122963A1

DE102015122963A1 - Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator

Info

Publication number: DE102015122963A1
Application number: DE102015122963.3A
Authority: DE
Inventors: DianBo Ruan; Yi Huang; GuanSheng Fu
Original assignee: Ningbo CSR New Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Ningbo CRRC New Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2016-07-07
Also published as: CN104795249A; DE202015104569U1; CN104795249B; WO2016110134A1

Abstract

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet von Energiespeichern für neue Energieressourcen und insbesondere einen neuartigen auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierenden Batteriekondensator. Der Batteriekondensator umfasst eine Anode, eine Kathode, einen Leitzusatz, ein Bindemittel, eine Membran und eine geätzte Alufolie. Die Anode des Batteriekondensators weist ein Verbundmaterial von Lithium-Mangan-Oxid und Aktivkohle und die Kathode ein Verbundmaterial von Lithium-Titanat und Aktivkohle auf.

Description

Technisches Feld
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet von Energiespeichern für neue Energieressourcen und insbesondere einen neuartigen auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierenden Batteriekondensator.
Stand der Technik
Lithium-Titanat (Li₄Ti₅O₁₂) weist eine Li-reiche Spinell-Struktur auf. Im Vergleich zur Graphit-Kathode ist die spezifische Energie vom Lithium-Titanat zweifellos aufgrund einer niedrigen theoretischen Kapazität (170 mAh/g) und einer hohen Spannung (1.5 V vs Li) verringert. Aber dank vieler Vorteile ist Lithium-Titanat von hohem Interesse. Zum einen ist die Verformung während der Zyklen sehr gering, was zu einer sehr guten Zyklenfestigkeit von Li₄Ti₅O₁₂ führt; zum anderen tritt kein Abbau des Elektrolytes auf und es wird keine SEI-Folie gebildet. Ferner hat es eine gute Entladungsrate, eine Niedertemperatur Lade- und Entladefähigkeit und eine hohe Wärmebeständigkeit.
Im Vergleich zum auf dem Markt erhältlichen Graphit/Lithium-Kobalt-Oxid-System hat das Lithium-Titanat/Lithium-Mangan-Oxid-System folgende Vorteile: eine nahezu perfekte Sicherheit, eine hohe Lebensdauer, eine schnelle Aufladung- und Entladung und einen niedrigen Aufwand für Lithium-Mangan-Oxid, usw.
Jedoch ist die Elektronenleitfähigkeit von Lithium-Titanat und Lithium-Mangan-Oxid verhältnismäßig niedrig und es gibt weitere Nachteile, wie zum Beispiel, eine Aufblähung und ein Lösen des Mangans in die Elektrolytlösung, und damit die Leistung, wodurch die Lebensdauer solches Systems stark beschränkt ist. Deshalb ist der Bedarf im Feld von neuen Energieressourcen wie Elektrofahrzeugen nach einer schnellen Aufladung und einem langzeitigen Einsatz nur schwer erfüllbar.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Probleme zu lösen, das heißt, einen neuartigen auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierenden Batteriekondensator bereitzustellen. Der Kondensator kann die Leistung und die Lebensdauer unter Erhalt einer hohen spezifischen Energie und einer hohen Sicherheit erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die folgende technische Lösung gelöst: ein neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriekondensator eine Anode, eine Kathode, einen Leitzusatz, ein Bindemittel, eine Membran und eine geätzte Alufolie umfasst und dass die Anode des Batteriekondensators ein Verbundmaterial von Lithium-Mangan-Oxid und Aktivkohle und die Kathode ein Verbundmaterial von Lithium-Titanat und Aktivkohle aufweist.
Vorzugsweise ist Lithium-Mangan-Oxid mit Kohle, Metall und/oder Metalloxid umhüllt oder dotiert und Lithium-Titanat mit Kohle oder Graphen dotiert, umhüllt und sphäroidisiert.
Vorzugsweise ist das Lithium-Mangan-Oxid ein Nanocomposite-Lithium-Mangan-Oxid, das durch Mischen eines Nanometalloxides als Vorprodukt und dotierter Elemente hergestellt wird und das Lithium-Titanat ein Nanocomposite-Lithium-Titanat, wobei die Partikeldurchmesser von Nanocomposite-Lithium-Mangan-Oxid und von Nanocomposite-Lithium-Titanat unterhalb von 500 nm liegen.
Vorzugsweise ist die Aktivkohle eine Aktivkohle, deren Vorprodukt Kokosschale oder nadelförmiger Koks ist. Die Aktivkohle kommt nach einer Oberflächenmodifizierung zum Einsatz. Die Oberflächenmodifizierung wird dadurch erzielt, dass eine Lösung aus Silanhaftvermittler in reinem Alkohol mit einer Konzentration von 5–10 und die Aktivkohle für 30–50 Minuten gemischt werden. Daraufhin wird eine Lösung aus Aluminathaftvermittler in reinem Alkohol mit einer Konzentration von 8–15 Gew.-% zugegeben und für 30–50 Minuten gemischt. Anschließend wird gefiltert und die gefilterte Substanz bei 70°C–80°C für 4–5 Stunden getrocknet und dann bei 100–105°C für 1–2 Stunden aktiviert, wobei die Zugabemenge an Silanhaftvermittler 0,5–1 Gew.-% der Zugabemenge an Aktivkohle und die Zugabemenge von Aluminathaftvermittler 1–1,5 Gew.-% der Zugabemenge an Aktivkohle ist.
Die Aktivkohle, deren Vorprodukt Kokosschale oder nadelförmiger Koks ist, ist ausreichend porös und hat eine gute Leistungsfähigkeit bei Verwendung als Aktivmaterial für die Anode und die Kathode.
Durch langfristige Untersuchungen wurde entdeckt, dass die Aktivkohle zunächst zum ersten Mal mit Silanhaftvermittler oberflächenbehandelt wird, wobei der Silanhaftvermittler nach dem Einblenden in die Aktivkohle wirksam in den Zwischenraum zwischen den Partikeln der Aktivkohle eindringen kann, sodass die Partikel der Aktivkohle relativ voneinander getrennt werden und die Dispergierbarkeit der Aktivkohle damit wirksam erhöht wird. Daraufhin wird die behandelte Aktivkohle durch Zugabe von Aluminathaftvermittler zum zweiten Mal oberflächenbehandelt, sodass die Agglomeration der Aktivkohle wirksam beseitigt wird und Aluminathaftvermittler wirksam die Aktivkohle umhüllt, wodurch die Agglomeration der Aktivkohle weiter verhindert wird. Die lipophilen Gruppen der Aktivkohle nehmen aufgrund der Behandlung mit dem Haftvermittler zu und werden gleichmäßiger mit den Bestandteilen, wie Bindemittel, gemischt, wobei die resultierten Anoden- und Kathodenmaterialien gleichmäßig verteilt sind und eine stabile Leistungsfähigkeit haben.
Vorzugsweise ist der Leitzusatz elektrisch leitendes Kohlenschwarz, Kohlenstoffnanoröhrchen oder Monolage-Graphen. Das Bindemittel ist bevorzugt Polyvinylidenfluorid oder Polytetrafluorethylen.
Vorzugsweise ist die gelöste Substanz der elektrolytischen Lösung Lithiumperchlorat, Lithiumhexafluoroarsenat, Lithiumtetrafluorborat, Lithiumhexafluorphosphat, Lithiumtrifluoromethanesulfonate und/oder Tetraethylammoniumtetrafluoroborat. Das Lösungsmittel der elektrolytischen Lösung ist Acetonitril, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylkarbonat und/oder Ethylmethylkarbonat. Der Zusatz der elektrolytischen Lösung ist Tris(pentafluorophenyl)boran, Trimethylphosphat, Triphenylphosphat und/oder Phenylbutazon.
Vorzugsweise ist die Membran eine Polypropylen-Membran, eine Polyethylen-Membran oder eine Verbund-Membran mit einem Polypropylen-Grundkörper.
Vorzugsweise ist die Verbund-Membran mit einem Polypropylen-Grundkörper aus den folgenden Substanzen hergestellt: 80–85 Gew.-% Polypropylen, 10–15 Gew.-% natürlicher Zellulose-Paste, 3–5 Gew.-% Halloysit-Pulver und 0,5–1,5 Gew.-% Silanhaftvermittler. Die oben bezeichneten Substanzen werden gleichmäßig gemischt und die Verbund-Membran mit einem Polypropylen-Grundkörper wird durch ein Trockenverfahren hergestellt.
Die natürliche Zellulose-Paste ist durch folgende Schritte hergestellt:

(1). Bambusfaser wird als Rohstoff in eine Natriumhydroxidlösung eingebracht und die Natriumhydroxidlösung unter Vakuum bei 300°C für 2 Stunden gekocht, wobei das Massenverhältnis von Bambusfaser und Natriumhydroxidlösung bei 1:4 liegt und die Konzentration der Natriumhydroxidläsung 10 Gew.-% beträgt;
(2). die gekochte Bambusfaser wird herausgebracht und mit klarem Wasser gereinigt, wobei die Bambusfaser anschließend in heißes Wasser mit einer Temperatur von 80–90°C eingetaucht und gemahlen wird. Nach dem Mahlen wird gefiltert und ein Feststoff gewonnen;
(3). der Feststoff wird durch eine Zellstoffanlage zerdrückt und nach Kondensieren wird eine natürliche Zellulose-Paste mit einem Feststoffgehalt von 60–70 Gew.-% erhalten.

Die auf der oben genannte Weise hergestellte natürliche Zellulose-Paste enthält viel natürliche Zellulose. Die natürliche Zellulose zeichnet sich durch eine gute Hygroskopizität und eine gute Wärmebeständigkeit aus. Eine weniger natürliche Zellulose kann durch Hinzugabe zu Polypropylen die Hygroskopizität und die Wärmebeständigkeit von Polypropylen verbessern, sodass die Fähigkeit der Adsorption des Elektrolytes durch die Membran erhöht wird, sodass auch die Belastungsfähigkeit und die Zyklusleistung der Produkte verbessert werden. Des Weiteren wird nach Hinzufügen von natürlicher Zellulose zu Polypropylen die natürliche Zellulose mit dem Polypropylen vernetzt, sodass auch die Zerreißfestigkeit und die Stechfestigkeit der Membran erhöht werden. Das Halloysit-Pulver ist ein rohrförmiges Material mit einem hohlen Rohr im Nanobereich, besitzt eine gute Adsorptionsfähigkeit und kann bei Beimengung in der Membran die Hygroskopizität der Membran weiter erhöhen. Das Halloysit-Pulver kann zugleich auch die Wärmebeständigkeit und die mechanische Festigkeit der Membran erhöhen. Der Silanhaftvermittler verbessert die Mischbarkeit des Halloysit-Pulvers und des Polypropylen.
Vorzugsweise wird das Halloysit-Pulver wie folgt vorbehandelt:

(1). Halloysit-Pulver mit einem Partikeldurchmesser von 300–500 nm wird in eine Salzsäurelösung mit einer Konzentration von 10 Gew.-% gegeben und gleichmäßig dispergiert, wobei eine Suspendierungsflüssigkeit erhalten wird. Das Massenverhältnis von Halloysit-Pulver und Salzsäure beträgt 1:10;
(2). die erhaltene Suspendierungsflüssigkeit wird in einem Wasserbad mit einer Temperatur von 60°C für 15 Minuten mit Ultraschall behandelt;
(3). die Suspendierungsflüssigkeit wird herausgebracht und zentrifugiert, wobei ein Festkörperpulver gewonnen wird. Das Festkörperpulver wird mit einem deionisierten Wasser neutralisiert und dann getrocknet;
(4). das getrocknete Festkörperpulver wird kalziniert, wobei die Vorbehandlung des Halloysit-Pulvers nach Kalzinierung beendet ist, wobei die Kalzinierungstemperatur 500–600°C und die Kalzinierungszeit 4 Stunden beträgt.

Aus dem vorbehandelten Halloysit-Pulver wird das Kristallwasser entfernt, wodurch seine Adsorptionsfähigkeit und Wärmebeständigkeit stark erhöht werden.
Vorzugsweise umfasst die Herstellung des Batteriekondensators die folgenden Schritte:

(1). bei einer Gesamtmasse des Anodenmaterials von 100 Gew.-% werden 65–91 Gew.-% Lithium-Mangan-Oxid, 2–15 Gew.-% Aktivkohle, 4–10 Gew.-% Bindemittel und 3–10 Gew.-% Leitzusatz in Methylpyrrolidon oder deionisiertes Wasser gegeben, wodurch eine Anodenpaste durch Rühren mit hoher Geschwindigkeit erzeugt wird. Eine Beschichtung wird durch eine Beschichtungsanlage gleichmäßig auf die beiden Seiten der geätzten Alufolie aufgebracht, wobei mit einer Dichte von 2.9–3.2 g/cm³ gewalzt und zu Anodenplatten gestanzt wird;
(2). bei einer Gesamtmasse des Kathodenmaterials von 100 Gew.-% werden 65–90 Gew.-% Lithium-Titanat, 2–15 Gew.-% Aktivkohle, 5–10 Gew.-% Bindemittel und 3–10 Gew.-% Leitzusatz in Methylpyrrolidon oder deionisiertes Wasser gegeben, wodurch eine Kathodenpaste durch Rühren mit hoher Geschwindigkeit erzeugt wird. Eine Beschichtung wird durch eine Beschichtungsanlage gleichmäßig auf beide Seiten der geätzten Alufolie aufgebracht, wobei mit einer Dichte von 1.8–2.2 g/cm³ gewalzt und zu Kathodenplatten gestanzt wird;
(3). die Elektroden werden bei einem Massenverhältnis der Aktivmaterialien der Anode und der Kathode von 1–2:1 bereitgestellt. Die Anodenplatte, die Kathodenplatte und die Membran werden in Form eines ”Z-förmigen” Stapels zu einer Zelle zusammengebaut, wobei das Produkt durch Trocknen und Verkapslung hergestellt wird.

Im Vergleich zum Stand der Technik hat die Erfindung die folgenden Vorteile:

1. die Vorteile der erfindungsgemäßen Verbund-Elektrode, die das Lithium-Mangan-Oxid und das Lithium-Titanat enthält, liegen darin, dass die Leitfähigkeit der Elektrodenmaterialien und die Energiespeicherung eines Teils der Kondensatoren aufgrund der Einführung der Aktivkohle stark erhöht werden und dass die Belastungsfähigkeit des Produktes im Wesentlichen verbessert wird, wodurch auch eine Aufladung- und Entladung bei großem Strom verwirklicht wird;
2. das Umhüllen und das Dotieren des Lithium-Mangan-Oxides und des Lithium-Titanates können die Gaserzeugung und das Auflösen verhindern, wodurch die Lebensdauer erhöht wird;
3. die Verwendung des Verbund-Leitzusatzes ermöglicht eine bessere Herstellung eines leitenden Netzwerks, wodurch die Leistungsdichte weiter erhöht wird;
4. die Verbund-Membran mit einem Polypropylen-Grundkörper hat eine bessere Adsorptionsfähigkeit, Zerreißfestigkeit, Stechfestigkeit und Wärmebeständigkeit. Auch wird die Belastungsfähigkeit, die Zyklusleistung und die Lebensdauer erhöht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus der erfindungsgemäßen Zelle.
In der Figur bezeichnet 1 die Anodenplatte, 2 die Kathodenplatte, 3 die Membran und 4 die elektrolytische Lösung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Soweit nichts anders angegeben, sind die in den Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendeten Rohstoffe die in diesem technischen Gebiet üblichen Rohstoffe und soweit nichts anders angegeben, sind die in den Ausführungsbeispielen verwendeten Verfahren die in diesem technischen Gebiet üblichen Verfahren.
1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Zelle. Der in 1 gezeigte neuartige Batteriekondensator umfasst eine Anodenplatte 1 und eine Kathodenplatte 2. Die Anoden- und Kathodenplatten werden beiderseitig mit einer Paste umgeben, die durch Mischen von Lithium-Mangan-Oxid (Lithium-Titanat), Aktivkohle, Bindemittel und Leitzusatz hergestellt wird. Die Membran 3 umhüllt und trennt in einer Z-förmigen Form die Anoden- und Kathodenplatten vollständig. Die elektrolytische Lösung 4 befeuchtet die Anoden- und Kathodenplatte sowie die Membran.
Ausführungsbeispiel 1
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator wird durch folgende Schritte hergestellt:

(1). 88 Gew.-% Lithium-Mangan-Oxid, Aktivkohle 5 Gew.-%, 4 Gew.-% Bindemittel (PVDF) und 3 Gew.-% Leitzusatz (SuperP^® + Graphen) werden in Methylpyrrolidon gegeben und mit einem schnellen Mischer für 4 Stunden im Vakuum gerührt, wodurch eine homogene Anodenpaste erzeugt wird. Eine Beschichtung wird durch eine Beschichtungsanlage gleichmäßig auf beide Seiten der geätzten Alufolie aufgebracht und mit einer Dichte von 2.9 g/cm³ gewalzt und zu Anodenplatten gestanzt;
(2). 85 Gew.-% Lithium-Titanat, 5 Gew.-% Aktivkohle, 5 Gew.-% Bindemittel (PVDF) und 5 Gew.-% Leitzusatz (SuperP^® + Graphen + Kohlenstoffnanoröhrchen) werden in Methylpyrrolidon gegeben und mit einem schnellen Mischer für 4 Stunden im Vakuum gerührt, wodurch eine homogene Kathodenpaste erzeugt wird. Eine Beschichtung wird durch eine Beschichtungsanlage gleichmäßig auf die beiden Seiten der geätzten Alufolie aufgebracht und mit einer Dichte von 2.1 g/cm³ gewalzt und zu Kathodenplatten gestanzt;
(3). eine Membran der Firma Celgard (USA) unter der Modell-Nummer C480 wird verwendet. Die elektrolytische Lösung enthält 1M LiPF₆, 0.5M SBP und Lösungsmittel aus der Gruppe EC, DEC, DMC im Volumenverhältnis von 1:1:1. Die Anoden- und Kathodenplatten werden durch die Aktivmaterialien der Anode und der Kathode mit einer bestimmten Dicke im Massenverhältnis von 1,5:1 bereitgestellt, wobei eine Zelle beim Trennen der Anoden- und Kathodenplatten durch die Membran hergestellt und für 24 Stunden im Vakuum getrocknet wird. Nach Einbringen der elektrolytischen Lösung wird diese Lösung in einer Glove Box mit Alu-Kunststofffolie verkapselt, für 12 Stunden stehen gelassen und einer sekundären Verkapslung unterzogen, sodass ein Produkt erhalten wird.

In diesem Ausführungsbeispiel werden das Lithium-Mangan-Oxid und das Lithium-Titanat durch amorphen Kohlenstoff umhüllt, wobei die Umhüllungsmenge des amorphen Kohlenstoffs 3 Gew.-% ist. Die Partikeldurchmesser des Lithium-Mangan-Oxides und des Lithium-Titanates liegen beide unterhalb von 500 nm.
Ausführungsbeispiel 2
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator wird durch folgende Schritte hergestellt:

(1). 91 Gew.-% Lithium-Mangan-Oxid‚ 2 Gew.-% Aktivkohle, 4 Gew.-% Bindemittel (PVDF) und 3 Gew.-% Leitzusatz (SuperP^® + Graphene) werden in Methylpyrrolidon gegeben und mit einem schnellen Mischer für 4 Stunden im Vakuum gerührt, sodass eine homogene Anodenpaste erzeugt wird. Eine Beschichtung wird durch eine Beschichtungsanlage gleichmäßig auf die beiden Seiten der geätzten Alufolie aufgebracht und mit einer Dichte von 3.2 g/cm³ gewalzt und zu einer Anodenplatte gestanzt;
(2). 90 Gew.-% Lithium-Titanat, 2 Gew.-% Aktivkohle, 5 Gew.-% Bindemittel (PVDF) und 3 Gew.-% Leitzusatz (SuperP^® + Graphene + Kohlenstoffnanoröhrchen) werden in Methylpyrrolidon gegeben und mit einem schnellen Mischer für 4 Stunden im Vakuum gerührt, wodurch eine homogene Kathodenpaste erzeugt wird. Eine Beschichtung wird durch eine Beschichtungsanlage gleichmäßig auf die beiden Seiten der geätzten Alufolie aufgebracht und mit einer Dichte von 2.2 g/cm³ gewalzt und zu Kathodenplatten gestanzt;
(3). eine Verbund-Membran mit einem Polypropylen-Grundkörper wird verwendet. Die elektrolytische Lösung enthält 1M LiPF₆ und 0.5M SBP und Lösungsmittel aus der Gruppe EC, DEC, DMC im Volumenverhältnis von 1:1:1. Die Anoden- und Kathodenplatten werden durch die Aktivmaterialien der Anode und der Kathode mit einer bestimmten Dicke im Massenverhältnis von 2:1 bereitgestellt. Bei der Zelle werden die Anodenplatten von den Kathodenplatten durch die Membran getrennt. Es wird für 24 Stunden im Vakuum getrocknet. Nach Einbringen der elektrolytischen Lösung wird diese Lösung in einer Glove Box mit Alu-Kunststofffolie verkapselt, für 12 Stunden stehen gelassen und einer sekundären Verkapslung unterzogen, sodass Produkt erhalten wird.

In diesem Ausführungsbeispiel sind das Lithium-Mangan-Oxid und das Lithium-Titanat beide mit 10 Gew.-% Graphen dotiert. Die Partikeldurchmesser des Lithium-Mangan-Oxides und des Lithium-Titanates liegen beide unterhalb von 500 nm.
Die Verbund-Membran mit einem Polypropylen-Grundkörper wird aus den folgenden Substanzen hergestellt: 83 Gew.-% Polypropylen, 12 Gew.-% natürlicher Zellulose-Paste, 4 Gew.-% Halloysit-Pulver und 1 Gew.-% KH560-Silanhaftvermittler. Die oben Substanzen werden gleichmäßig vermischt, wobei die Verbund-Membran mit dem Polypropylen-Grundkörper durch ein Trockenverfahren hergestellt wird.
Ausführungsbeispiel 3
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator, wird durch folgende Schritte hergestellt:

(1). 65 Gew.-% Lithium-Mangan-Oxid, 15 Gew.-% Aktivkohle, 10 Gew.-% Bindemittel (PVDF) und 10 Gew.-% Leitzusatz (SuperP^® + Graphene) werden in deionisiertes Wasser gegeben und mit einem schnellen Mischer für 4 Stunden im Vakuum gerührt, wobei eine homogene Anodenpaste erzeugt wird. Eine Beschichtung wird durch eine Beschichtungsanlage gleichmäßig auf die beiden Seiten der geätzten Alufolie aufgebracht und mit einer Dichte von 3.1 g/cm³ gewalzt und zu Anodenplatten gestanzt;
(2). 65 Gew.-% Lithium-Titanat, 15 Gew.-% Aktivkohle, 10 Gew.-% Bindemittel (PVDF) und 10 Gew.-% Leitzusatz (SuperP^® + Graphen + Kohlenstoffnanoröhrchen) werden in deionisiertes Wasser gegeben und mit einem schnellen Mischer für 4 Stunden im Vakuum gerührt, wobei eine homogene Kathodenpaste erzeugt wird. Eine Beschichtung wird durch eine Beschichtungsanlage gleichmäßig auf die beiden Seiten der geätzten Alufolie aufgebracht und mit einer Dichte von 1.8 g/cm³ gewalzt und zu Kathodenplatten gestanzt;
(3). eine Verbund-Membran mit einem Polypropylen-Grundkörper wird verwendet. Die elektrolytische Lösung enthält 1M LIPF₆ und 0.5M SBP und Lösungsmittel aus der Gruppe EC, DEC, DMC im Volumenverhältnis von 1:1:1. Die Anoden- und Kathodenplatten werden durch die Aktivmaterialien der Anode und der Kathode mit einer bestimmten Dicke im Massenverhältnis von 1:1 angepasst. Die Zelle wird durch Trennen der Anoden- und Kathodenplatten durch die Membran hergestellt und für 24 Stunden im Vakuum getrocknet. Nach Einbringen der elektrolytischen Lösung wird diese Lösung in einer Glove Box mit Alu-Kunststofffolie verkapselt, für 12 Stunden stehen gelassen und einer sekundären Verkapslung unterzogen, sodass des gewünschte Produkt erhalten wird.

In diesem Ausführungsbeispiel sind das Lithium-Mangan-Oxid und das Lithium-Titanat mit 25 Gew.-% Graphen dotiert. Die Partikeldurchmesser des Lithium-Mangan-Oxides und des Lithium-Titanates liegen beide unterhalb von 500 nm.
Die Verbund-Membran mit einem Polypropylen-Grundkörper ist aus den folgenden Substanzen hergestellt 85 Gew.-% Polypropylen, 10 Gew.-% natürlicher Zellulose-Paste, 3,5 Gew.-% Halloysit-Pulver und 1,5 Gew.-% KH550-Silanhaftvermittler; wobei die oben Substanzen homogen vermischt werden, wobei die Verbund-Membran mit dem Polypropylen-Grundkörper durch ein Trockenverfahren hergestellt wird.
In den Ausführungsbeispielen 2 und 3 ist die natürliche Zellulose-Paste durch die folgenden Schritte hergestellt:

(1). Bambusfaser wird in eine Natriumhydroxidlösung eingebracht. Anschließend wird die obengenannte Natriumhydroxidlösung evakuiert, bei 300°C für 2 Stunden gekocht, wobei das Massenverhältnis von Bambusfaser und Natriumhydroxidlösung bei 1:4 liegt und die Konzentration der Natriumhydroxidlösung 10 Gew.-% beträgt;
(2). die gekochte Bambusfaser wird herausgebracht und mit klarem Wasser gereinigt. Die Bambusfaser wird dann in heißes Wasser mit einer Temperatur von 85°C eingetaucht und gemahlen. Nach dem Mahlen wird gefiltert und so ein Feststoff gewonnen;
(3). der Feststoff wird durch eine Zellstoffanlage zerdrückt, wobei nach Kondensieren eine natürliche Zellulose-Paste mit einem Feststoffgehalt von ca. 65 Gew.-% erhalten wird.

Halloysit-Pulver wird dadurch vorbehandelt, dass

(1). Halloysit-Pulver mit einem Partikeldurchmesser von 300–500 nm wird in eine Salzsäurelösung mit einer Konzentration von 10 Gew.-% gegeben und gleichmäßig dispergiert wird, wobei eine Suspendierungsflüssigkeit erhalten wird. Das Massenverhältnis von Halloysit-Pulver und Salzsäure beträgt 1:10;
(2). die Suspendierungsflüssigkeit wird in einem Wasserbad mit einer Temperatur von 60°C für 15 Minuten mit Ultraschall behandelt;
(3). die Suspendierungsflüssigkeit wird herausgebracht und zentrifugiert, wobei ein Festkörperpulver gewonnen wird. Das Festkörperpulver wird mit deionisierten Wasser neutralisiert und dann getrocknet;
(4). das getrocknete Festkörperpulver wird kalziniert, wobei die Vorbehandlung des Halloysit-Pulvers nach einer Kalzinierung beendet wird. Die Kalzinierungstemperatur beträgt 550°C und die Kalzinierungszeit 4 Stunden.

Im Ausführungsbeispiel 2 ist die Aktivkohle eine Aktivkohle deren Vorprodukt Kokosschale ist. Die Aktivkohle kommt nach einer Oberflächenmodifizierung zum Einsatz. Die Oberflächenmodifizierung wird dadurch erzielt, dass eine Lösung aus Silanhaftvermittler in reinem Alkohol mit einer Konzentration von 7,5 Gew.-% und die Aktivkohle für 40 Minuten gemischt werden. Daraufhin wird eine Lösung aus Aluminathaftvermittler in reinem Alkohol mit einer Konzentration von 12 Gew.-% zugegeben und für 40 Minuten gemischt. Anschließend wird gefiltert und die gefilterte Substanz bei 75°C für 4,5 Stunden getrocknet. Dann wird bei 102°C für 1,5 Stunden aktiviert, wobei die Zugabemenge an Silanhaftvermittler 0,75 Gew.-% der Zugabemenge an Aktivkohle und die Zugabemenge an Aluminathaftvermittler 1,25 Gew.-% der Zugabemenge an Aktivkohle ist.
Im Ausführungsbeispiel 3 ist die Aktivkohle eine Aktivkohle deren Vorprodukt nadelförmiger Koks ist. Die Aktivkohle kommt nach einer Oberflächenmodifizierung zum Einsatz. Die Oberflächenmodifizierung wird dadurch erzielt, dass eine Lösung aus Silanhaftvermittler in reinem Alkohol mit einer Konzentration von 5 Gew.-% und die Aktivkohle für 30 Minuten gemischt werden. Daraufhin eine Lösung aus Aluminathaftvermittler in reinem Alkohol mit einer Konzentration von 8 Gew.-% zugegeben und für 30 Minuten gemischt wird. Dann wird gefiltert und die gefilterte Substanz bei 80°C für 4 Stunden getrocknet. Dann wird bei 105°C für 1 Stunde aktiviert, wobei die Zugabemenge an Silanhaftvermittler 0,5 Gew.-% der Zugabemenge an Aktivkohle und die Zugabemenge an Aluminathaftvermittler 1 Gew.-% der Zugabemenge an Aktivkohle ist.
Die Produkte gemäß der Ausführungsbeispiele 1 bis 3 werden bei 0,5 C und konstantem Strom einem Lade- und Entladetest unterzogen. Die spezifische Kapazität des Batteriekondensators gemäß Ausführungsbeispiel 1 ist 60 mAh/g, wobei nach 2000 Zyklen 80% der Kapazität beibehalten wird. Die spezifische Kapazität des Batteriekondensators gemäß Ausführungsbeispiel 2 ist 55 mAh/g, wobei nach 2000 Zyklen 83% der Kapazität beibehalten wird. Die spezifische Kapazität des Batteriekondensators gemäß Ausführungsbeispiel 3 ist 51 mAh/g, wobei nach 2000 Zyklen 82% der Kapazität beibehalten wird.
Basierend auf den vorstehenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen und gemäß der vorstehenden Beschreibung kann der Fachmann vielfältige Variationen und Modifizierungen vornehmen ohne den Offenbarungsgehalt der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Anodenplatte
2: Kathodenplatte
3: Membran
4: elektrolytische Lösung

Claims

Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriekondensator eine Anode, eine Kathode, einen Leitzusatz, ein Bindemittel, eine Membran und eine geätzte Alufolie umfasst und dass die Anode des Batteriekondensators ein Verbundmaterial von Lithium-Mangan-Oxid und Aktivkohle und die Kathode ein Verbundmaterial von Lithium-Titanat und Aktivkohle enthält.
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lithium-Mangan-Oxid von Kohle, Metall und/oder Metalloxid umhüllt oder dotiert wird und dass das Lithium-Titanat mit Kohle oder Graphene dotiert, umhüllt und sphäroidisiert wird.
Neuartige auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lithium-Mangan-Oxid ein Nanocomposite-Lithium-Mangan-Oxid ist, das durch Mischen eines Nanometalloxides und dotierter Elemente hergestellt wird und dass das Lithium-Titanat ein Nanocomposite-Lithium-Titanat ist und die Partikeldurchmesser von Nanocomposite-Lithium-Mangan-Oxid und von Nanocomposite-Lithium-Titanat unterhalb von 500 nm liegen.
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle eine Aktivkohle ist, deren Vorprodukt Kokosschale oder nadelförmiger Koks ist, wobei die Aktivkohle nach einer Oberflächenmodifizierung zum Einsatz kommt, und die Oberflächenmodifizierung dadurch erzielt wird, dass eine Lösung von Silanhaftvermittler in reinem Alkohol mit einer Konzentration 5–10 Gew.-% und die Aktivkohle für 30–50 Minuten gemischt werden und daraufhin eine Lösung Aluminathaftvermittler in reinem Alkohol mit einer Konzentration 8–15 Gew.-% zugegeben und für 30–50 Minuten gemischt wird, wobei anschließend gefiltert wird, wobei die gefilterte Substanz bei 70°C–80°C für 4–5 Stunden getrocknet wird, anschließend bei 100–105°C für 1–2 Stunden aktiviert wird, wobei die Zugabemenge an Silanhaftvermittler 0,5–1 Gew.-% der Zugabemenge an Aktivkohle und die Zugabemenge an Aluminathaftvermittler 1–1,5 Gew.-% der Zugabemenge an Aktivkohle ist.
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitzusatz elektrisch leitendes Kohlenschwarz, Kohlenstoffnanoröhrchen oder Monolage-Graphene, und das Bindemittel Polyvinylidenfluorid oder Polytetrafluorethylen enthält.
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gelöste Substanz der elektrolytischen Lösung Lithiumperchlorat, Lithiumhexafluoroarsenat, Lithiumtetrafluorborat, Lithiumhexafluorphosphat, Lithiumtrifluoromethanesulfonate und/oder Tetraethylammoniumtetrafluoroborat enthält und dass das Lösungsmittel der elektrolytischen Lösung Acetonitril, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylkarbonat und/oder Ethylmethylkarbonat ist, wobei der Zusatz der elektrolytischen Lösung Tris(pentafluorophenyl)boran, Trimethylphosphat, Triphenylphosphat und/oder Phenylbutazon ist.
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Polypropylen-Membran, eine Polyethylen-Membran oder eine Verbund-Membran mit einem Polypropylen-Grundkörper ist.
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbund-Membran mit dem Polypropylen-Grundkörper aus den folgenden Substanzen hergestellt wird: 80–85 Gew.-% Polypropylen, 10–15 Gew.-% natürlicher Zellulose-Paste, 3–5 Gew.-% Halloysit-Pulver und 0,5–1,5 Gew.-% Silanhaftvermittler, wobei diese Substanzen gleichmäßig vermischt werden, wobei die Verbund-Membran mit dem Polypropylen-Grundkörper durch ein Trockenverfahren hergestellt wird.
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die natürliche Zellulose-Paste durch die folgenden Schritte hergestellt wird: (1). Bambusfaser wird in eine Natriumhydroxidlösung eingebracht, wobei anschließend die Natriumhydroxidlösung evakuiet und bei 300°C für 2 Stunden gekocht wird, wobei das Massenverhältnis von Bambusfaser und Natriumhydroxidlösung bei 1:4 liegt und wobei die Konzentration der Natriumhydroxidlösung 10 Gew.-% beträgt; (2). die gekochte Bambusfaser wird herausgebracht und mit klarem Wasser gereinigt, wobei die Bambusfaser anscheißend in heißes Wasser mit einer Temperatur von 80–90°C eingetaucht und gemahlen wird, wobei nach Mahlen gefiltert wird, wodurch ein Feststoff erhalten wird; (3). der Feststoff wird durch eine Zellstoffanlage zerdrückt, wobei nach Kondensieren eine natürliche Zellulose-Paste mit einem Feststoffgehalt von 60–70 Gew.-% erhalten wird.
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halloysit-Pulver durch folgende Schritte vorbehandelt wird: (1). Halloysit-Pulver mit einem Partikeldurchmesser von 300–500 nm wird bereitgestellt in eine Salzsäurelösung mit einer Konzentration von 10 Gew.-% gegeben und gleichmäßig dispergiert, wobei eine Suspendierungsflüssigkeit erhalten wird und wobei das Massenverhältnis von Halloysit-Pulver und Salzsäure 1:10 ist; (2). die Suspendierungsflüssigkeit wird in einem Wasserbad mit einer Temperatur von 60°C für 15 Minuten mit Ultraschall behandelt; (3). die Suspendierungsflüssigkeit wird herausgebracht und zentrifugiert, wobei ein Festkörperpulver gewonnen wird, wobei das Festkörperpulver mit deionisiertem Wasser neutralisiert und dann getrocknet wird; (4). das getrocknete Festkörperpulver wird kalziniert, wobei die Vorbehandlung des Halloysit-Pulvers nach einer Kalzinierung beendet wird, wobei die Kalzinierungstemperatur beträgt 500–600°C und die Kalzinierungszeit 4 Stunden.
Neuartiger auf Anoden- und Kathodenverbundmaterialien basierender Batteriekondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Batteriekondensators die folgenden Schritte umfasst: (1). bei einer Gesamtmasse des Anodenmaterials von 100 Gew.-% werden 65–91 Gew.-% Lithium-Mangan-Oxid, 2–15 Gew.-% Aktivkohle, 4–10 Gew.-% Bindemittel und 3–10 Gew.-% Leitzusatz in Methylpyrrolidon oder in deionisiertes Wasser gegeben, wobei eine Anodenpaste durch Rühren mit hoher Geschwindigkeit erhalten wird, wobei eine Beschichtung durch eine Beschichtungsanlage gleichmäßig auf beide Seiten einer geätzten Alufolie aufgebracht und mit einer Dichte von 2.9–3.2 g/cm³ gewalzt und zu Anodenplatten gestanzt wird; (2). bei einer Gesamtmasse des Kathodenmaterials von 100 Gew.-% werden 65–90 Gew.-% Lithium-Titanat, 2–15 Gew.-% Aktivkohle, 5–10 Gew.-% Bindemittel und 3–10 Gew.-% Leitzusatz in Methylpyrrolidon oder in deionisiertes Wasser gegeben, wobei eine Kathodenpaste durch Rühren mit hoher Geschwindigkeit erhalten wird, wobei eine Beschichtung durch eine Beschichtungsanlage gleichmäßig auf die beiden Seiten der geätzten Alufolie aufgebracht und mit einer Dichte von 1.8–2.2 g/cm³ gewalzt und zu Kathodenplatten gestanzt wird; (3). die Elektroden bei einem Massenverhältnis der Aktivmaterialien der Anode und der Kathode von 1–2:1 werden bereitgestellt werden, wobei die Anodenplatte und die Kathodenplatte sowie die Membran in Form eines ”Z-förmigen” Stapels zu einer Zelle zusammengebaut werden, wobei die Zelle durch Trocknen und Verkapslung hergestellt wird.