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Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung enthaltend unterschiedliche fluorhaltige Polymere. Die Zusammensetzung ist als Bindemittel für Komposit-Elektroden zur Beschichtung von metallischen Kollektoren bei der Herstellung einer galvanischen Zelle geeignet. Die Erfindung betrifft auch die mit Hilfe der Zusammensetzung hergestellten Elektrode sowie eine galvanische Zelle enthaltend die Elektrode.
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In der folgenden Beschreibung werden die Begriffe „Lithiumionen-Batterie“, „wiederaufladbare Lithiumionen-Batterie“ und „Lithiumionen-Sekundärbatterie“ synonym verwendet. Die Begriffe schließen auch die Begriffe „Lithium-Batterie“, „Lithium-Ionen-Akkumulator“ und „Lithium-Ionen-Zelle“ sowie alle Lithium- bzw. Legierungs-Batterien ein. Somit wird der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ als Sammelbegriff für die im Stand der Technik gebräuchlichen vorgenannten Begriffe verwendet. Insbesondere umfasst eine „Batterie“ im Sinne der vorliegenden Erfindung auch eine einzelne oder einzige „elektrochemische Zelle“.
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Der Begriff „Komposit-Elektrode“ bedeutet eine zusammengesetzte Elektrode, die mindestens ein Aktivmaterial und gegebenenfalls Additive umfasst, wobei diese Materialien auf einen Träger in Form eines metallischen Kollektors aufgebracht werden. Der im Folgenden verwendete Begriff „Elektrode“ schließt den Begriff „Komposit-Elektrode“ ein.
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Bei der Elektrodenherstellung für Lithiumionen-Zellen werden zumeist Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Homopolymere als Bindemittel für das Elektrodenaktivmaterial eingesetzt, welches auf den metallischen Kollektor einer Elektrode aufgebracht werden soll. Es ist auch bekannt, im Falle von 3V-Knopfzellen Bindemittel auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) beispielsweise für die Beschichtung der Kathode mit Braunstein zu verwenden.
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Die Verwendung von PVDF-Homopolymeren als Bindemittel für das Elektrodenaktivmaterial zur Beschichtung eines metallischen Kollektors genügt häufig nicht den an die Elektrode gestellten Anforderungen, da bei Erzielung höherer Schichtdicken des Aktivmaterials auf dem metallischen Kollektor (> 100 µm) es beispielsweise bei gewickelten Zellen an den Biegeradien zum Abplatzen der Beschichtung kommen kann. Dies bedingt Nachteile in der Qualität und der Lebensdauer der Elektrode und damit auch eines galvanischen Elements aufweisend die Elektrode.
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PTFE wird als Bindemittel im Allgemeinen nach Verfahren, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, im trockenen Zustand oder aus einer Dispersion heraus verarbeitet. Die mit diesem Bindemittel hergestellten Elektroden sind zwar mechanisch recht stabil, können jedoch wegen der nichtoptimalen Dispergierung bzw. Vermengung von beispielsweise Leitruß innerhalb der zusammengesetzten Elektrode Mängel in der Hochstrom-Belastbarkeit aufweisen. Auch die Zyklenstabilität und Hochstromfähigkeit können dann unbefriedigend sein. Außerdem ist auch bekannt, dass bei Verwendung von PTFE als Elektroden-Bindemittel Probleme mit der Haftfähigkeit des Aktivmaterials am metallischen Kollektor auftreten können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Bindemittels, mit welchem eine zusammengesetzte Elektrode, welche Aktivmaterial und beispielsweise Leitruß enthält, auf metallische Kollektoren aufgebracht werden kann, derart, dass eine hohe mechanische Stabilität der Elektrode selbst und Haftung der Beschichtung auf dem metallischen Kollektor der Elektrode gewährleistet ist, wobei gleichzeitig auch eine hohe Belastbarkeit mit elektrischen Strom und Zyklenfestigkeit gewährleistet sein soll.
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Diese Aufgabe wird gelöst mittels einer Zusammensetzung, die mindestens ein Träger-Lösungsmittel und zwei unterschiedliche fluorhaltige Polymere aufweist, wobei ein Polymer im Lösungsmittel gelöst und das andere Polymer im Lösungsmittel dispergiert (suspendiert) ist, wie in Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den davon abhängigen Ansprüchen definiert. In den nebengeordneten Ansprüchen sind Elektroden und galvanische Zellen definiert, welche mit Hilfe der erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellt werden können.
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Die erfindungsgemäße Zusammensetzung nach Anspruch 1 ist als Elektroden-Bindemittel zur Herstellung von Komposit-Elektroden geeignet. Mit einem derartigen System werden überproportional günstige Eigenschaften hinsichtlich Haftung der Beschichtung am metallischen Kollektor und einer mechanischen Elektrodenstabilität erreicht. Diese erlauben eine hohe Beladung und Verdichtung, wobei das Auftreten mechanischer Defekte wie Versprödung oder Abblättern der Beschichtung in den Folgeprozessen bei der Herstellung der Elektrode, d.h. Schneiden, Stanzen und Wickeln der Elektrode, reduziert wenn nicht gar vermieden werden kann. Die mit Hilfe der Zusammensetzung hergestellten Elektroden sind auch ausreichend hochstromfähig und zyklenstabil. Vorteilhaft ist auch, dass die Zusammensetzung mit relativ niedrigen Mengen an Träger-Lösungsmittel auskommen kann, da zumindest ein fluorhaltiges Polymer suspendiert vorliegt und nicht durch entsprechende erhöhte Zugabe von Lösungsmittel in den gelösten Zustand überführt werden muss. Daher verhält sich die Beschichtungsmasse stabiler bzgl. Entmischung bzw. Sedimentation während des Verarbeitungsprozesses. Auch die notwendige Energiemenge zum Entfernen des Träger-Lösemittels kann so reduziert werden.
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Im Folgenden werden alle Begriffe in Anführungs- und Schlusszeichen im Sinne der Erfindung verwendet.
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Erster Aspekt der Erfindung: Zusammensetzung (Bindemittel)
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In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Zusammensetzung, die als Bindemittel für eine Komposit-Elektrode verwendet werden kann, zumindest aufweisend:
- (a) ein organisches Lösungsmittel,
- (b) ein erstes fluorhaltiges Polymer und
- (c) ein zweites fluorhaltiges Polymer,
- wobei das (b) erste fluorhaltige Polymer vom (c) zweiten fluorhaltigen Polymer verschieden ist, und das erste fluorhaltige Polymer im Lösungsmittel zumindest teilweise gelöst und das zweite fluorhaltige Polymer im Lösungsmittel zumindest teilweise suspendiert ist.
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Vorzugsweise ist das erste fluorhaltige Polymer im organischen Lösungsmittel gelöst und das zweite fluorhaltige Polymer im organischen Lösungsmittel suspendiert.
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Der Begriff „gelöst“ bedeutet ein homogenes Gemisch aus (a) Lösungsmittel und (b) erstem fluorhaltigen Polymer.
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Der Begriff „suspendiert“ wird synonym zum Begriff „dispergiert“ verwendet. Damit ist das Gemisch aus (a) Lösungsmittel und (c) zweitem fluorhaltigen Polymer heterogen. Vorzugsweise ist das (c) zweite fluorhaltige Polymer im (a) Lösungsmittel fein verteilt.
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Der Begriff „Lösungsmittel“ wird synonym zum Begriff „Träger-Lösungsmittel“ verwendet.
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Vorzugsweise ist (a) das Lösungsmittel ein aprotisches polares Lösungsmittel.
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Das (a) Lösungsmittel kann vorzugsweise ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: einem Keton wie beispielsweise Aceton, einem Lacton wie beispielsweise Butyrolacton, einem Nitril wie beispielweise Acetonitril oder Benzonitril, einer Nitroverbindung wie beispielsweise Nitromethan, einem tertiären Carbonsäureamid wie beispielsweise Dimethylformamid, Dimethylacetamid oder N-Methylpyrrolidon (NMP) oder N-Ethylpyrrolidon (NEP), einem Harnstoff wie beispielsweise Tetramethylharnsoff, einem Sulfoxid wie beispielsweise Dimethylsulfoxid, einem Sulfon wie beispielsweise Sulfolan, und einem Kohlensäureester wie beispielsweise Dimethylcarbonat oder Diethylcarbonat, oder zwei oder mehr davon. Ebenso sind aromatische Lösungsmittel wie z. B. Chlorbenzol oder Toluol einsetzbar.
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Der Fachmann kann aus den angegebenen Lösungsmitteln durch einfache Versuche ermitteln, welches Lösungsmittel für die beabsichtigte Anwendung die Erfordernisse für Lösungs- bzw. Suspensionseigenschaften erfüllt, derart, dass das erste fluorhaltige Polymer im Lösungsmittel zumindest teilweise gelöst, vorzugsweise vollständig gelöst, und das zweite fluorhaltige Polymer im Lösungsmittel zumindest teilweise suspendiert ist, vorzugsweise zu mehr als 50 % dispergiert ist.
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Vorzugsweise wird als (a) Lösungsmittel ein tertiäres Carbonsäureamid verwendet, vorzugsweise Dimethylformamid, Dimethylacetamid oder N-Methylpyrrolidon bzw. N-Ethylpyrrolidon.
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Vorzugsweise ist (b) das erste fluorhaltige Polymer ein Polyvinylidenfluorid (PVDF) und (c) das zweite fluorhaltige Polymer ein Polytetrafluorethylen (PTFE).
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Es können sowohl Homopolyere des PVDF und des PTFE wie auch Copolymere (z.B. PVDF-HFP) davon eingesetzt werden.
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In einer Ausführungsform ist das (b) erste fluorhaltige Polymer ein Homopolymer des Vinylidenfluorids (synonym verwendet zum Begriff „Vinylidendifluorid“).
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PVDF-Homopolymere sind bekannt und kommerziell erhältlich, beispielsweise unter den Markenbezeichnungen Kynar® PVDF, Dyneon® PVDF, Solef® PVDF und Sygef® PVDF.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das (b) erste fluorhaltige Polymer ein Copolymer des Vinylidenfluorids.
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In einer Ausführungsform ist das erste fluorhaltige Polymer ein Copolymer des Vinylidenfluorids mit Monofluorethylen, mit Trifluorethylen, mit Tetrafluorethylen oder mit Hexafluorpropylen (HFP).
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In einer weiteren Ausführungsform ist das erste fluorhaltige Polymer ein Copolymer des Vinylidenfluorids mit Trifluorethylen und Tetrafluorethylen, mit Trifluorethylen und Chlortrifluorethylen, mit Trifluorethylen und Hexafluorpropylen oder mit Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen.
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Derartige Copoymere sind beispielsweise aus der
EP 1 568 719 bekannt.
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Es können auch mehrere der genannten PDVF-Copolymere in Kombination oder ein PVDF-Homopolymer in Kombination mit einem oder mehreren der genannten Copolymere eingesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird als (b) erstes fluorhaltiges Polymer ein PVDF-Homopolymer eingesetzt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als (b) erstes fluorhaltiges Polymer ein Copolymer des Vinylidenfluorids mit Hexafluorpropylen eingesetzt (PVDF-HFP-Copolymer).
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als (b) erstes fluorhaltiges Polymer ein PVDF-Homopolymer in Kombination mit einem Copolymer des Vinylidenfluorids mit Hexafluorpropylen eingesetzt.
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In einer Ausführungsform ist (c) das zweite fluorhaltige Polymer ein Homopolymer des Tetrafluorethylens.
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PTFE-Homopolymere sind bekannt und kommerziell erhältlich, beispielsweise unter den Markenbezeichnungen Teflon® PTFE (Fa. DuPont) oder Polyfol® PTFE.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das (c) zweite fluorhaltige Polymer ein Copolymer des Tetrafluorethylens.
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In einer Ausführungsform weist die Zusammensetzung weiter auf:
- (d) mindestens ein Aktivmaterial für eine Elektrode.
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Der Begriff „Aktivmaterial für eine Elektrode“ umfasst alle Materialien, welche als Bestandteile in Elektroden geeignet sind, reversibel an Redoxprozessen teilzunehmen, und so Ladungsträger (z.B. Li+) u.a. durch Interkalation oder Deinterkalation aufzunehmen oder abzugeben.
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In einer Ausführungsform ist das (d) Elektrodenmaterial ein aktives negatives Elektrodenmaterial.
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Der Begriff „aktives negatives Elektrodenmaterial (negatives Elektrodenaktivmaterial)“ bedeutet ein Lithium-Ionen leitfähiges Elektrodenmaterial, welches zur Herstellung einer Anode, vorzugsweise einer Anode in einer Lithiumionenbatterie, verwendet wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das (d) aktive negative Elektrodenaktivmaterial ein Kohlenstoff.
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Der Begriff „Kohlenstoff“ umfasst hier auch Graphit (natürlicher oder synthetischer Graphit) wie auch andere Kohlenstoffmodifikationen wie Graphen oder Soft Carbon und Hard Carbon. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist nicht auf Kohlenstoff beschränkt und auch verwendbar für Titanat-basierte bzw. Titan-haltige oder auch legierungsbildende Komponenten wie Silizium-basierte bzw. Silizium-haltige Aktivmaterialien.
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Auch eine metallische Li-Anode, zum Bsp. als Folie, kann mit einer geeigneten erfindungsgemäßen Kathode eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das (d) Elektrodenmaterial ein aktives positives Elektrodenmaterial.
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Der Begriff „aktives positives Elektrodenmaterial (positives Elektrodenaktivmaterial)“ bedeutet ein für Lithiumionen leitfähiges Elektrodenmaterial, welches zur Herstellung einer Kathode, vorzugsweise einer Kathode in einer Lithiumionenbatterie, verwendet wird.
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Das aktive positive Elektrodenmaterial ist ein Kathodenmaterial, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithium-Übergangsmetalloxid wie z.B. Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2), oder NMC-Oxid mit der allg. Formel LiaNixCoyMnyMzO2 (M steht bspw. für Fe, Mg, Al) geschichteten Oxiden, Spinellen, Olivin-Verbindungen, Silikatverbindungen, Hochenergie-NCM und Mischungen hiervon besteht.
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In einer Ausführungsform sind in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung (b), (c) und (d) in folgenden Gewichtsmengen enthalten:
- (b) 0,1 bis 10 Gew.- % eines Polyvinylidenfluorids, vorzugsweise eines PVDF-Homopolymers oder eines PVDF-HFP-Copolymers oder eines PVDF-Homopolymers und eines PVDF-HFP-Copolymers;
- (c) 0,1 bis 10 Gew.-% eines Polytetrafluorethylens;
- (d) 80 bis 99.8 Gew.-% eines negativen Elektrodenaktivmaterials;
- wobei die Summe 100 Gew.-% ergibt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung (b), (c) und (d) in folgenden Gewichtsmengen enthalten:
- (b) 1 bis 10 Gew.- % eines Polyvinylidenfluorids, vorzugsweise eines PVDF-Homopolymers oder eines PVDF-HFP-Copolymers oder eines PVDF-Homopolymers und eines PVDF-HFP-Copolymers;
- (c) 1 bis 10 Gew.-% eines Polytetrafluorethylens;
- (d) 85 bis 98 Gew.-% eines negativen Elektrodenaktivmaterials;
- wobei die Summe 100 Gew.-% ergibt.
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In einer weiteren Ausführungsform sind in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung (b), (c) und (d) in folgenden Gewichtsmengen enthalten:
- (b) 0,1 bis 10 Gew.- % eines Polyvinylidenfluorids, vorzugsweise eines PVDF-Homopolymers oder eines PVDF-HFP-Copolymers oder eines PVDF-Homopolymers und eines PVDF-HFP-Copolymers;
- (c) 0,1 bis 10 Gew.-% eines Polytetrafluorethylens;
- (d1) 2 bis 8 Gew.-% eines elektrisch-leitfähigen Additivs;
- (d2) 72 bis 97.8 Gew.-% eines positiven Elektrodenaktivmaterials;
- wobei die Summe 100 Gew.-% ergibt.
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In einer weiteren Ausführungsform sind in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung (b), (c) und (d) in folgenden Gewichtsmengen enthalten:
- (b) 1 bis 5 Gew.- % eines Polyvinylidenfluorids, vorzugsweise eines PVDF-Homopolymers oder eines PVDF-HFP-Copolymers oder eines PVDF-Homopolymers und eines PVDF-HFP-Copolymers;
- (c) 1 bis 5 Gew.-% eines Polytetrafluorethylens;
- (d1) 2 bis 6 Gew.-% eines elektrisch-leitfähigen Additivs;
- (d2) 84 bis 96 Gew.-% eines positiven Elektrodenaktivmaterials;
- wobei die Summe 100 Gew.-% ergibt.
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Ein elektrisch-leitfähiges Additiv ist vorzugsweise Ruß (Leitruß).
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Die Summe der Komponenten (b), (c) und (d) in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung liegt im Allgemeinen in einem Bereich von 20 bis 80 Gew.-% und die Menge an (a) Lösungsmittel in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung in einem Bereich von 20 bis 80 Gew.-%, bevorzugt zwischen 30 und 40 Gew.-%, wobei die Summe von (a) und (b) bis (d) 100 Gew.-% beträgt.
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Die erfindungsgemäße Zusammensetzung wird durch Vermischen der Bestandteile (a), (b) und (c) und gegebenenfalls (d) hergestellt, zweckmäßigerweise durch Verrühren bzw. Dispergieren mit einem Rührwerk wie z.B. einer Dissolver-Scheibe und mit Hilfe von Ultraschall.
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Selbstverständlich können der Zusammensetzung auch weitere Verbindungen zugesetzt werden, wie beispielsweise Suspergierhilfen, Benetzungsmittel, Entschäumungsmittel, wie sie üblicherweise bei Beschichtungsverfahren zur Herstellung von Elektroden verwendet werden. Dies können beispielsweise ionische oder nicht-ionische Tenside sein, aber auch anorganische Salze auf Basis Phosphat. Auch Polyvinylpyrrolidon (PVP) kann bspw. eingesetzt werden.
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Zweiter Aspekt der Erfindung: Verfahren zur Herstellung einer Elektrode
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In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode unter Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung wie im ersten Aspekt definiert.
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Demzufolge betrifft die Erfindung auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung wie im ersten Aspekt definiert für die Herstellung einer Elektrode, vorzugsweise für die Elektrode einer galvanischen Zelle, vorzugsweise einer Lithiumionen-Batterie.
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Erfindungsgemäß weist das Verfahren mindestens die Stufen (A) und (B) auf:
- (A) Aufbringen einer Zusammensetzung wie im ersten Aspekt definiert auf ein Metall;
- (B) Entfernen des (a) organischen Lösungsmittels aus der auf das Metall aufgebrachten Zusammensetzung.
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Der Begriff „Aufbringen“ wird synonym zum Begriff „Beschichten“ verwendet.
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Geeignete Verfahren zum Beschichten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Vorzugsweise wird zum Beschichten das Schlitzgussverfahren verwendet.
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Das Aufbringen der Stufe (A) kann diskontinuierlich wie auch kontinuierlich erfolgen.
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Der Begriff „Metall“ der Stufe (A) bedeutet das in der Elektrode verwendete Ableitermetall. Vorzugsweise liegt dieses Metall in Form einer Folie vor. Möglich sind zudem Streckgitter bzw. Streckmetall; Schäume oder in beliebiger Geometrie gelochte Folien.
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Der Begriff „Ableiter“ wird synonym zum Begriff „Kollektor“ verwendet, also auch der Begriff „Ableitermetall“ synonynm zum Begriff „Kollektormetall“ oder „metallischer Kollektor“.
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In einer Ausführungsform wird als Metall Aluminium oder eine Aluminiumfolie verwendet.
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In einer weiteren Ausführungsform wird als Metall Kupfer oder eine Kupferfolie verwendet.
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In Stufe (B) wird das Lösungsmittel vorzugsweise durch Verdampfen entfernt, dies vorzugsweise bei erhöhter Temperatur und/oder im Vakuum. Demzufolge schließt Stufe (B) das Trocknen des beschichteten Ableitermetalls ein.
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Den Stufen (A) und (B) können sich dann noch Stufen (C) wie Kalandrieren zur Erhöhung der volumetrischen Energiedichte und das Zurechtschneiden der beschichteten, getrockneten und kalandrierten Ableiter anschließen. Alternativ kann man auch die beschichteten Rollen schneiden (engl. slitter) und anschließend kalandrieren.
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Bedingungen für die Durchführung der Stufen (A) bis (C) sind im Stand der Technik zur Herstellung von Elektroden für galvanische Zellen bekannt und brauchen daher an dieser Stelle nicht näher erläutert werden (siehe beispielsweise bezüglich der Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen: Handbuch Lithium-Ionen-Batterien, Kapitel 9, Verlag Springer, 2013, Herausgeber Reiner Korthauer).
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Dritter Aspekt der Erfindung: Elektroden
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In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Elektrode mindestens aufweisend ein (b) erstes und ein (c) zweites fluorhaltiges Polymer wie im ersten Aspekt definiert, wobei das erste fluorhaltige Polymer vom zweiten fluorhaltigen Polymer verschieden ist.
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Die erfindungsgemäße Elektrode ist mit (b) dem ersten Polymer, (c) dem zweiten Polymer und (d) dem Elektrodenaktivmaterial beschichtet.
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In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Elektrode mindestens aufweisend ein (b) erstes und ein (c) zweites fluorhaltiges Polymer herstellbar nach einem Verfahren wie im zweiten Aspekt definiert.
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Vierter Aspekt der Erfindung: Galvanische Zelle
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In einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein galvanisches Element, mindestens aufweisend eine Elektrode wie im dritten Aspekt definiert.
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Der Begriff „galvanische Zelle“, „galvanisches Element“ oder „galvanische Kette“ bedeutet eine Vorrichtung zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie.
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In einer Ausführungsform ist das galvanische Element eine Lithiumionen-Batterie.
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Bedingungen für den Einbau einer Elektrode in eine galvanische Zelle sind im Stand der Technik zur Herstellung von galvanischen Zellen bekannt und brauchen daher an dieser Stelle nicht näher erläutert werden.
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Beispiele
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Ein PVDF-Homopolymer (Kynar® HSV 900 der Fa. Arkema) als (b) erstes fluorhaltiges Polymer und ein PTFE-Homopolymer der Fa. Solvay als (c) zweites fluorhaltiges Polymer wurden in N-Methylpyrrolidon gelöst (ca. 3 Gew.-% PVDF) bzw. suspendiert (ca. 3 Gew.-% PTFE). Danach wurden in das gebildete Bindemittel Leitruß (4 Gew.-%) und Aktivmaterial (ca. 90 Gew.-%) eingetragen. Die entstandene Suspension wurde auf eine Ableiterfolie aufgerakelt und danach das Lösungsmittel entfernt. Es resultierten Elektroden mit guten Filmeigenschaften und guter Haftung der Beschichtung auf den Ableiterfolien.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Lithium-Ionen-Batterien, Kapitel 9, Verlag Springer, 2013, Herausgeber Reiner Korthauer [0065]