DE102017200891B4 - Process for producing a pouch cell - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Pouch-Zelle, umfassend:das Bilden eines äußersten Stapels, einschließlich einer negativen Elektrode und Separatoren, die an gegenüberliegenden Oberflächen der negativen Elektrode positioniert sind;das Bilden eines inneren Stapels, einschließlich:einer positiven Elektrode; undmindestens einem Unterstapel mit einer weiteren negativen Elektrode, einer weiteren positiven Elektrode und weiteren Separatoren, die an gegenüberliegenden Oberflächen der weiteren negativen Elektrode positioniert sind;das Positionieren des inneren Stapels auf dem äußersten Stapel, so dass i) ein Ende des inneren Stapels im Wesentlichen mit einem Ende des äußersten Stapels ausgerichtet ist, ii) ein anderes Ende des äußersten Stapels und ein Abschnitt des äußersten Stapels frei bleiben und iii) sich die positive Elektrode des inneren Stapels neben einem der Separatoren des äußersten Stapels befindet, wodurch ein Kernstapel gebildet wird;das Falten des freiliegenden Abschnitts des äußersten Stapels um ein anderes Ende des inneren Stapels und zum Abdecken eines Abschnitts einer Au-ßenschicht des inneren Stapels, wodurch eine erste Überlagerung gebildet wird; unddas Falten des Kernstapels um mindestens einen Abschnitt der ersten Überlagerung nach einer zuvor festgelegten Anzahl.A method of making a pouch cell comprising:forming an outermost stack including a negative electrode and separators positioned on opposing surfaces of the negative electrode;forming an inner stack including:a positive electrode; andat least one sub-stack having a further negative electrode, a further positive electrode and further separators positioned on opposite surfaces of the further negative electrode;positioning the inner stack on the outermost stack such that i) one end of the inner stack is substantially aligned with one end of the outermost stack, ii) another end of the outermost stack and a portion of the outermost stack remain exposed, and iii) the positive electrode of the inner stack is adjacent to one of the separators of the outermost stack, thereby forming a core stack;the folding the exposed portion of the outermost stack around another end of the inner stack and covering a portion of an outer layer of the inner stack, thereby forming a first overlay; andfolding the core stack by at least a portion of the first overlay after a predetermined number of times.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Pouch-Zelle.The present invention relates to a method for producing a pouch cell.
Gemäß der
Ferner gehen aus den Druckschriften
EINFÜHRUNGINTRODUCTION
Sekundäre oder wiederaufladbare Lithium-Batterien werden häufig in vielen stationären und tragbaren Geräten verwendet, denen man z. B. in der Unterhaltungselektronik, der Automobil- sowie Luftfahrtindustrie begegnet. Die Klasse der Lithium-Batterien erfreut sich aus verschiedenen Gründen immer größerer Beliebtheit, einschließlich einer relativ hohen Energiedichte, eines allgemeinen Ausbleibens jeglichen Memory-Effekts im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batteriearten, eines relativ geringen Innenwiderstands und einer niedrigen Selbstentladungsrate bei Nichtgebrauch und sie kann in einer Vielzahl von Formen (z. B. prismatisch) und Größen hergestellt werden, so dass sie in den dafür vorgesehenen Platz im Elektrofahrzeug, in Mobiltelefonen und anderen elektronischen Vorrichtungen passt. Zusätzlich macht die Fähigkeit von Lithium-Batterien, über ihre verbleibende Lebensdauer wiederholte Neustarts durchführen zu können, sie zu einer attraktiven und zuverlässigen Energiequelle.Secondary or rechargeable lithium batteries are commonly used in many stationary and portable devices such as: B. encountered in consumer electronics, the automotive and aviation industries. The lithium battery class is becoming increasingly popular for a variety of reasons, including a relatively high energy density, a general lack of any memory effect compared to other rechargeable battery types, a relatively low internal resistance, a low self-discharge rate when not in use, and it can be used in a A variety of shapes (e.g. prismatic) and sizes can be manufactured so that it fits into the designated space in electric vehicles, cell phones and other electronic devices. Additionally, lithium batteries' ability to perform repeated restarts over their remaining lifespan makes them an attractive and reliable source of energy.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Pouch-Zelle vorgestellt. Bei dem Verfahren wird ein äußerster Stapel gebildet einschließlich einer negativen Elektrode und Separatoren, die an gegenüberliegenden Oberflächen der negativen Elektrode positioniert sind. Auch ein innerer Stapel wird gebildet, einschließlich einer positiven Elektrode und mindestens einem Unterstapel mit einer weiteren negativen Elektrode, einer weiteren positiven Elektrode und weiteren Separatoren, die an gegenüberliegenden Oberflächen der weiteren negativen Elektrode positioniert sind. Der innere Stapel ist am äußersten Stapel so positioniert, dass i) ein Ende des inneren Stapels im Wesentlichen mit einem Ende des äußersten Stapels ausgerichtet ist, ii) ein anderes Ende des äußersten Stapels und ein Abschnitt des äußersten Stapels freigelegt bleiben und iii) sich die positive Elektrode des inneren Stapels neben einem der Separatoren des äußersten Stapels befindet. Dieses bildet einen Kernstapel. Der freiliegende Abschnitt des äußersten Stapels ist um ein weiteres Ende des inneren Stapels und zum Abdecken eines Abschnitts einer Außenschicht des inneren Stapels gefaltet, um eine erste Überlagerung zu bilden. Der Kernstapel wird um mindestens einen Abschnitt der ersten Überlagerung nach einer zuvor festgelegten Anzahl von Malen gefaltet.According to the invention, a method for producing a pouch cell is presented. In the process, an outermost stack is formed including a negative electrode and separators positioned on opposing surfaces of the negative electrode. An inner stack is also formed, including a positive electrode and at least one sub-stack having another negative electrode, another positive electrode, and further separators positioned on opposing surfaces of the further negative electrode. The inner stack is positioned on the outermost stack such that i) one end of the inner stack is substantially aligned with one end of the outermost stack, ii) another end of the outermost stack and a portion of the outermost stack remain exposed, and iii) the positive electrode of the inner stack is located next to one of the separators of the outermost stack. This forms a core stack. The exposed portion of the outermost stack is folded around another end of the inner stack and to cover a portion of an outer layer of the inner stack to form a first overlay. The core stack is folded around at least a portion of the first overlay after a predetermined number of times.
Ferner wird ein Laschenbefestigungsverfahren beschrieben. Bei dem Laschenbefestigungsverfahren wird eine Sandwich-Struktur mit einem ersten Stück Folie gebildet, das neben einer Elektrode positioniert ist, die sich neben einer Elektrodenlasche befindet, die sich neben einem zweiten Stück Folie befindet. Die Sandwich-Struktur wird verschweißt.A tab fastening method is also described. In the tab attachment method, a sandwich structure is formed with a first piece of foil positioned next to an electrode located next to an electrode tab located next to a second piece of foil. The sandwich structure is welded.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
Merkmale von Beispielen der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen ähnlichen, obwohl vielleicht nicht identischen, Komponenten entsprechen, hervorgehen. Der Kürze halber können Bezugszahlen oder Merkmale mit einer zuvor beschriebenen Funktion in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie erscheinen, beschrieben sein oder auch nicht.
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1A und1B sind schematische und perspektivische Ansichten eines Beispiels des hierin offenbarten Laschenbefestigungsverfahrens; -
2A und2B sind schematische, perspektivische Ansichten eines Teils eines Beispiels des Verfahrens zur Herstellung einer Pouch-Zelle, wodurch eine erste Überlagerung gebildet wird; -
3 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines inneren Stapels, der an einem äußersten Stapel positioniert ist, wobei ein Ende des inneren Stapels im Wesentlichen mit dem äußersten Stapel ausgerichtet ist; -
4 veranschaulicht einen weiteren Teil des Beispiels des Verfahrens zur Herstellung der Pouch-Zelle, wobei die erste Überlagerung und Pouch-Zelle dargestellt als schematische Querschnitte dargestellt sind; und -
5 ist eine schematische und perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Pouch-Zelle.
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1A and1B are schematic and perspective views of an example of the tab attachment method disclosed herein; -
2A and2 B are schematic perspective views of a portion of an example of the method of making a pouch cell thereby forming a first overlay; -
3 is a schematic perspective view of an inner stack positioned at an outermost stack, with one end of the inner stack substantially aligned with the outermost stack; -
4 illustrates another portion of the example of the method of making the pouch cell, with the first overlay and pouch cell shown as schematic cross-sections; and -
5 is a schematic and perspective view of an example of a pouch cell.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Lithium-Batterien arbeiten im Allgemeinen durch reversibles Durchleiten von Lithium-Ionen zwischen einer negativen Elektrode (manchmal als Anode bezeichnet) und einer positiven Elektrode (manchmal als Kathode bezeichnet). Die negativen und positiven Elektroden sind an den gegenüberliegenden Seiten eines porösen Polymerseparators angeordnet, der mit einer für die Leitung der Lithiumionen geeigneten Elektrolytlösung getränkt ist. Während des Ladevorgangs werden Lithiumionen in die negative Elektrode eingeführt/eingefügt und beim Entladen werden Lithiumionen aus der negativen Elektrode extrahiert. Jede der Elektroden ist auch mit den zugehörigen Stromabnehmern verbunden, die an einen unterbrechbaren externen Stromkreis, durch den elektrischer Strom zwischen der negativen und der positiven Elektrode fließen kann, angeschlossen sind. Beispiele für Lithium-Batterien beinhalten die Lithium-Schwefel-Batterie (z. B. eine negative Elektrode mit einer Schwefel-basierten positiven Elektrode), die Silizium-Schwefel-Batterie (z. B. eine Silizium-basierte negative Elektrode mit einer Schwefel-basierten positiven Elektrode), die Lithium-Ionen-Batterie (z. B. eine nicht-Lithium-basierte negative Elektrode mit einer Lithium-basierten positiven Elektrode) und die Lithium-Lithium-Batterie (Lithium-basierte positive und negative Elektroden, die verbunden sind).Lithium batteries generally work by reversibly passing lithium ions between a negative electrode (sometimes called an anode) and a positive electrode (sometimes called a cathode). The negative and positive electrodes are arranged on opposite sides of a porous polymer separator that is soaked with an electrolyte solution suitable for conducting the lithium ions. During charging, lithium ions are introduced/inserted into the negative electrode and during discharging, lithium ions are extracted from the negative electrode. Each of the electrodes is also connected to associated current collectors which are connected to an interruptible external circuit through which electrical current can flow between the negative and positive electrodes. Examples of lithium batteries include the lithium-sulfur battery (e.g. a negative electrode with a sulfur-based positive electrode), the silicon-sulfur battery (e.g. a silicon-based negative electrode with a sulfur-based based positive electrode), the lithium-ion battery (e.g. a non-lithium-based negative electrode with a lithium-based positive electrode) and the lithium-lithium battery (lithium-based positive and negative electrodes connected are).
Lithium-Batterien können eine Vielzahl von Konfigurationen aufweisen, einschließlich einer Pouch-Zelle. Einige Beispiele des hierin offenbarten Verfahrens bilden eine erste Überlagerung und nutzen dann ein Falt- oder Wicklungsverfahren, um eine Pouch-Zelle zu erzeugen. Die Pouch-Zelle hat n-Schichten von positiven und negativen Elektroden und 2n-Schichten der Separatoren. Dies ist gegensätzlich zu einem Beispiel einer herkömmlichen Pouch-Zelle, die n-Schichten der positiven Elektroden, n+1-Schichten der negativen Elektroden und 2n+2-Schichten der Separatoren beinhaltet. Dies ist auch gegensätzlich zu einem weiteren Beispiel einer herkömmlichen Pouch-Zelle, die n-Schichten der positiven Elektroden, n+1-Schichten der negativen Elektroden und einen kontinuierlichen Separator beinhaltet, der zwischen den Elektroden gewickelt ist, da der kontinuierliche Separator oft eine Länge länger als 2n+2-Schichten der Separatoren aufweist. Als solches nutzt das hierin offenbarte Verfahren (die Verfahren) weniger Material, was die volumetrische Energiedichte erhöhen kann.Lithium batteries can have a variety of configurations, including a pouch cell. Some examples of the method disclosed herein form a first overlay and then use a folding or winding process to create a pouch cell. The pouch cell has n-layers of positive and negative electrodes and 2n-layers of separators. This is in contrast to an example of a conventional pouch cell that includes n layers of positive electrodes, n+1 layers of negative electrodes, and 2n+2 layers of separators. This is also in contrast to another example of a conventional pouch cell that includes n layers of positive electrodes, n+1 layers of negative electrodes, and a continuous separator wound between the electrodes, since the continuous separator is often a length longer than 2n+2 layers of the separators. As such, the method(s) disclosed herein utilizes less material, which can increase volumetric energy density.
Mit bestimmten Elektrodenmaterialien (z. B. negativen Lithium-Elektroden, Schwefel-basierte positive Elektroden), kann die Elektrode in der hierin offenbarten Pouch-Zelle ohne einen Stromabnehmer ausgebildet sein. Dies kann die gravimetrische und volumetrische Energiedichte der Pouch-Zelle erhöhen. Für negative Lithium-Elektroden entfällt hierdurch auch die Notwendigkeit beide Seiten des Stromabnehmers zu bedecken.With certain electrode materials (e.g., lithium negative electrodes, sulfur-based positive electrodes), the electrode in the pouch cell disclosed herein may be formed without a current collector. This can increase the gravimetric and volumetric energy density of the pouch cell. For negative lithium electrodes, this also eliminates the need to cover both sides of the current collector.
Die Pouch-Zellen beinhalten auch Laschen, die den Elektroden innerhalb der Pouch adressiert zu werden. Das hierin offenbarte Laschenbefestigungsverfahren stellt ein relativ effizientes Verfahren zur Befestigung auf die einzelnen Elektroden bereit. Dieses Verfahren beseitigt die Notwendigkeit für eine spezielle Matrize, um einen Laschenbefestigungsort auf der Elektrode zu bilden. Dieses Verfahren kann auch die mechanischen Eigenschaften der Befestigung verbessern. Dieses Verfahren kann auch den Kontakt zwischen der Lasche und der Elektrode erhöhen, beispielsweise, wenn verglichen mit dem Kontakt durch ein Pressverfahren.The pouch cells also contain tabs that allow the electrodes within the pouch to be addressed. The tab attachment method disclosed herein provides a relatively efficient method of attachment to the individual electrodes. This method eliminates the need for a special die to form a tab attachment location on the electrode. This process can also improve the mechanical properties of the fastener. This method can also increase the contact between the tab and the electrode, for example when compared to contact by a pressing method.
Ein Beispiel des Laschenbesfestigungsverfahrens ist in
Die Sandwich-Struktur 10 beinhaltet ein erstes Stück Folie 12, eine Elektrode 14, eine Elektrodenlasche 16 und ein zweites Stück Folie 18. Wie dargestellt, ist die Sandwich-Struktur mit einem ersten Stück Folie 12, das neben einer Elektrode 14 positioniert ist, die sich neben einer Elektrodenlasche 16 befindet, die sich neben einem zweiten Stück Folie 18 befindet, dargestellt. In diesem speziellen Beispiel sind die Bauteile 12, 14, 16, 18 der Sandwich-Struktur 10 so angeordnet, dass, wenn sie verschweißt sind (
Die erste Stück Folie 12, die Elektrodenlasche 16 und das zweite Stück Folie 18 kann überall entlang der Länge L und der Breite W (in
Die Elektrode 14 kann eine negative Elektrode 14NE oder eine positive Elektrode 14 PE sein. Je nach Material der Elektrode 14, kann die Elektrode 14 einen Stromabnehmer beinhalten oder nicht, auf dem das aktive Material (und in manchen Fällen Bindemittel und leitfähiger Füllstoff) angeordnet ist.The
Beispiele der negativen Elektrode 14NE beinhalten Lithiummetall (z. B. Lithiumfolie) und Kohlenstoff. Das Lithiummetall und einige Beispiele für negative Kohlenstoff-Elektroden 14NE sind frei vom Stromabnehmer. Andere Beispiele der negativen Elektrode 14NE beinhalten Graphit, Lithium-Bariumtitanat, Silizium, SiOx (0<x≤2), Silizium-Legierungen (e.g., Si-Sn), Silizium-Kohlenstoff-Verbundstoffe, Zinn oder Zinnoxide. Diese Materialien sind aktive Materialien, die mit dem Bindemittel und/oder leitfähigen Füllstoff kombiniert werden können und auf einem Nickel- oder Kupfer-Stromabnehmer zum Bilden der negativen Elektrode 14NE angebracht sind. Des Weiteren ist die negativen Elektrode 14 NE ein Kupfer-Stromabnehmer, der mit Lithium beaufschlagt ist.Examples of the negative electrode 14NE include lithium metal (e.g., lithium foil) and carbon. The lithium metal and some examples of carbon negative electrodes 14NE are free from the current collector. Other examples of the negative electrode 14NE include graphite, lithium barium titanate, silicon, SiO x (0<x≤2), silicon alloys (eg, Si-Sn), silicon-carbon composites, tin or tin oxides. These materials are active materials that can be combined with the binder and/or conductive filler and mounted on a nickel or copper current collector to form the negative electrode 14NE. Furthermore, the
Ein Beispiel der positiven Elektrode 14PE beinhaltet einen Schwefel-Kohlenstoff-Verbundstoff (z. B. das Gewichtsverhältnis von Schwefel zu Kohlenstoff liegt bei 1:9 bis 9:1). Der Schwefel-Kohlenstoff-Verbundstoff der positiven Elektroden 14PE ist frei vom Stromabnehmer. In einigen Fällen kann der Schwefel-Kohlenstoff-Verbundstoff mit einem Bindemittel und/oder leitfähigen Füllstoff kombiniert werden, um die positive Elektrode 14PE zu bilden. Andere Beispiele der aktiven Materialien der positiven Elektrode 14PE, die mit einem Bindemittel und/oder leitfähigen Füllstoff kombiniert werden können und an einem Stromabnehmer zum Bilden der positiven Elektrode 14PE angebracht sind. Beispiele für das aktive Material der positiven Elektrode beinhalten das Spinell-Lithiummanganoxid (LiMn2O4), Lithiumkobaltoxid (LiCoO2), ein Mangannickeloxid-Spinell [Li(Mn1,5Ni0,5)O2 oder ein geschichtetes Nickelmangankobaltoxid (mit einer allgemeinen Formel xLi2MnO3·(1-x)LiMO2, wobei M in einem beliebigen Verhältnis von Ni, Mn und/oder Co zusammengesetzt ist. Ein spezielles Beispiel für das geschichtete Nickelmangankobaltoxid umfasst (xLi2MnO3·(1-x)Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2).An example of the positive electrode 14PE includes a sulfur-carbon composite (e.g., the weight ratio of sulfur to carbon is 1:9 to 9:1). The sulfur-carbon composite of the positive electrodes 14PE is free from the current collector. In some cases, the sulfur-carbon composite may be combined with a binder and/or conductive filler to form the positive electrode 14PE. Other examples of the positive electrode active materials 14PE, which may be combined with a binder and/or conductive filler and attached to a current collector to form the positive electrode 14PE. Examples of the positive electrode active material include the spinel lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), a manganese nickel oxide spinel [Li(Mn 1.5 Ni 0.5 )O 2 or a layered nickel manganese cobalt oxide (with a general formula xLi 2 MnO 3 ·(1-x)LiMO 2 , where M is composed in any ratio of Ni, Mn and/or Co. A specific example of the layered nickel manganese cobalt oxide includes (xLi 2 MnO 3 ·(1- x)Li(Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 )O 2 ).
Weitere geeignete aktive Materialien der positiven Elektrode beinhalten Li (Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2, Lix+yMn2-yO4 (LMO, 0 < x < 1 und 0 < y <0.1), ein Lithium-Eisen-Polyanionoxid (wie etwa Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) oder Lithium-Eisen-Fluorphosphat (Li2FePO4F)), LiNi1-xCo1-yMx+yO2 oder LiMn1,5-xNi0,5-yMx+yO4 (wobei M aus einem beliebigen Verhältnis von Al, Ti, Cr und/oder Mg besteht), stabilisiertes Lithium-Manganoxid-Spinell (LixMn2-yMyO4 (wobei M aus einem beliebigen Verhältnis von Al, Ti, Cr und/oder Mg besteht), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (z. B. LiNi0,8Co0,15Al 0,05O2 oder NCA), Aluminium-stabilisiertes Lithium-Manganoxid-Spinell (z. B. LixAl0,05Mn0,95O2) Lithium-Vanadiumoxid (LiV2O5) Li2MSiO4 (wobei M aus einem beliebigen Verhältnis von Co, Fe und/oder Mn besteht) und anderes Hochenergie-Nickel-Mangan-Kobalt-Material (HE-NMC, NMC oder LiNiMnCoO2). Mit „beliebiges Verhältnis“ ist gemeint, dass jedes beliebige Element in jeder beliebigen Menge vorhanden sein kann. So könnte in einigen Beispielen M Al sein, mit oder ohne Cr Ti und/oder Mg oder jede beliebige andere Kombination der gelisteten Elemente. In einem anderen Beispiel können Anionsubstitutionen im Gitter eines jeden Beispiels des Lithium-Übergangsmetallbasierten aktiven Materials zur Stabilisierung der Kristallstruktur gemacht werden. So kann beispielsweise jedes beliebige O-Atom durch ein F-Atom substituiert sein.Other suitable positive electrode active materials include Li (Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 )O 2 , Li x+y Mn 2-y O 4 (LMO, 0 < x < 1 and 0 < y < 0.1 ), a lithium iron polyanionoxide (such as lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) or lithium iron fluorophosphate (Li 2 FePO 4 F)), LiNi 1-x Co 1-y M x+y O 2 or LiMn 1 .5-x Ni 0.5-y M x+y O 4 (where M consists of any ratio of Al, Ti, Cr and/or Mg), stabilized lithium manganese oxide spinel (Li x Mn 2-y M y O 4 (where M consists of any ratio of Al, Ti, Cr and/or Mg), lithium nickel cobalt aluminum oxide (e.g. LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 or NCA), aluminum-stabilized lithium manganese oxide spinel (e.g. Li x Al 0.05 Mn 0.95 O 2 ) lithium vanadium oxide (LiV 2 O 5 ) Li 2 MSiO 4 (where M is from any ratio of Co, Fe and/or Mn) and other high-energy nickel-manganese-cobalt material (HE-NMC, NMC or LiNiMnCoO 2 ). By “any ratio” it is meant that any element can be present in any amount . So, in some examples, M could be Al, with or without Cr, Ti and/or Mg, or any other combination of the listed elements. In another example, anion substitutions may be made in the lattice of each example of the lithium transition metal based active material to stabilize the crystal structure. For example, any O atom can be substituted by an F atom.
Das Bindemittel kann verwendet werden, um das aktive Material strukturell zusammenzuhalten. Beispielen für Bindemittel umfassen Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyethylenoxid (PEO), ein Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Butadien-Kautschuk-Carboxymethylcellulose (SBR-CMC), Polyacrylsäure (PAA), vernetzte Polyacrylsäure-Polyethylenimin, Polyimid oder jedes beliebige andere geeignete Bindermaterial. Andere geeignete Bindemittel sind unter anderem Polyvinylalkohol (PVA), Natriumalginat oder andere wasserlösliche Bindemittel.The binder can be used to structurally hold the active material together. Examples of binders include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PEO), an ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), styrene butadiene rubber carboxymethyl cellulose ( SBR-CMC), polyacrylic acid (PAA), crosslinked polyacrylic acid-polyethyleneimine, polyimide or any other suitable binder material. Other suitable ones Binders include polyvinyl alcohol (PVA), sodium alginate or other water-soluble binders.
Der leitfähige Füllstoff kann ein leitfähiges Kohlenstoffmaterial sein. Das leitfähige Kohlenstoffmaterial kann ein Kohlenstoff mit großer Oberfläche wie Acetylenruß (z. B. SUPER P® leitendes Kohlenstoffmaterial von TIMCAL) sein. Der leitfähige Füllstoff kann enthalten sein, um eine Elektronenleitung zwischen dem Schwefel-basierten aktiven Material und der Elektrodenlasche 16 zu gewährleisten.The conductive filler may be a conductive carbon material. The conductive carbon material may be a high surface area carbon such as acetylene black (e.g., SUPER P® conductive carbon material from TIMCAL). The conductive filler may be included to ensure electron conduction between the sulfur-based active material and the
Das erste Stück Folie 12 und das zweiten Stück Folie 18 können aus dem gleichen Material gebildet werden. Für die negative Elektrode 14NE können die Folienstücke 12, 18 aus Nickel- oder Kupferfolie gebildet werden. Für die positive Elektrode 14PE können die Folienstücke 12, 18 aus Aluminiumfolie bestehen. Diese Folienstücke 12, 18 können die mechanische Eigenschaft der Laschenbefestigung verbessern.The first piece of
Das Material der Elektrodenlasche 16 kann auch davon abhängen, ob die Elektrode 14 eine positive Elektrode 14PE oder eine negative Elektrode 14NE ist. Ein Beispiel eines geeigneten Materials für die Elektrodenlasche 16 der positiven Elektrode 14PE ist Aluminium und Beispiele für geeignete Materialien für die Elektrodenlasche 16 der negativen Elektrode 14NE beinhalten Kupfer oder Nickel.The material of the
Wie oben erwähnt, werden, sobald die Sandwichstruktur 10 gebildet ist, die Komponenten 12, 14, 16, 18 miteinander verschweißt. Jedes geeignete Schweißverfahren kann verwendet werden, von denen Beispiele Ultraschallschweißen, Punktschweißens, usw. beinhalten.As mentioned above, once the
Das Laschenbefestigungsverfahren, aufgezeigt und beschrieben in
Die Elektrode 14 kann auch im(in) Beispiel(en) des Verfahrens zur Herstellung einer Pouch-Zelle verwendet werden. Ein Beispiel des Verfahrens ist in den
Das Verfahren zur Herstellung einer Pouch-Zelle 30 (
Der äußerste Stapel 28 beinhaltet eine negative Elektrode 14NE (z. B. die unterste negative Elektrode 14NE in
Der innere Stapel 32 beinhaltet eine positive Elektrode 14PE und mindestens einen Unterstapel 36. Der Unterstapel 36 beinhaltet eine weitere negative Elektrode 14NE, eine weitere positive Elektrode 14PE und andere Separatoren 34, die an den gegenüberliegenden Oberflächen der anderen negativen Elektrode 14NE positioniert sind. Obwohl nicht dargestellt, ist es selbstverständlich, dass der innere Stapel 32 eine beliebige Anzahl von Unterstapeln 36 auf der positiven Elektrode 14PE beinhalten kann.The
Jeder der Separator 34 kann z. B. aus einem Polyolefin bestehen. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein und kann entweder linear oder verzweigt sein. Wenn ein Heteropolymer, das von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, verwendet wird, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines Randomcopolymers. Dasselbe gilt, wenn das Polyolefin ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist. Beispielsweise kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP sein oder ein mehrschichtiger strukturierter poröser Film aus PE und/oder PP. Handelsübliche poröse Separatoren 34 enthalten eine Polypropylen-Membran mit einer einzelnen Schicht, wie z. B. CELGARD 2400 und CELGARD 2500 von Celgard, LLC (Charlotte, NC). Es ist selbstverständlich, dass die porösen Separatoren 34 beschichtet oder behandelt, oder unbeschichtet oder unbehandelt sein können. Die porösen Separatoren 34 können beispielsweise beschichtet oder unbeschichtet sein oder eine Oberflächenaktivstoffbehandlung aufweisen.Each of the
In anderen Beispielen können die porösen Separatoren 34 aus einem anderen Polymer bestehen, ausgewählt aus Polyethylen-Terephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamiden (Nylon), Polyurethanen, Polykarbonaten, Polyester, Polyetheretherketonen (PEEK), Polyethersulfonen (PES), Polyimiden (PI), Polyamidimiden, Polyethern, Polyoxymethylen (z. B. Acetal), Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Polyolefincopolymeren, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren (ABS), Polystyrol-Copolymeren, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polysiloxanpolymeren (wie etwa Polydimethylsiloxan (PDMS)), Polybenzimidazol (PBI), Polybenzoxazol (PBO), Polyphenylenen (z. B. PARMAX™ (Mississippi Polymer Technologies, Inc., Bay Saint Louis, Mississippi)) Polyarylen-Eetherketonen, Polyperfluorocyclobutan, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid-Co-Polymeren und Terpolymeren, Polyvinylfluorid, flüssigkristallinen Polymeren (z. B. VECTRAN™ (Hoechst AG, Deutschland) und ZENITE® (DuPont, Wilmington, DE)), Polyaramiden, Polyphenylenoxid, und/oder Kombinationen aus diesen. Es wird angenommen, dass ein anderes Beispiel eines flüssigkristallinen Polymers, das für die porösen Separatoren 34 verwendet werden kann, Poly(p-Hydroxybenzoesäure) ist. In einem weiteren Beispiel können die porösen Separatoren 34 aus einer Kombination aus Polyolefin (wie z. B. PE und/oder PP) und einem oder mehreren der anderen oben aufgelisteten Polymeren ausgewählt werden.In other examples, the
Die porösen Separatoren 34 können eine einzelne Schicht oder ein Mehrschicht-Laminat (z. B. Doppelschicht oder Dreifachschicht usw.) aus entweder einem trockenen oder nassen Verfahren sein.The
Die porösen Separatoren 34 dienen als elektrischer Isolator (der das Auftreten eines Kurzschlusses verhindert), als mechanische Unterstützung und als Barriere, um den physischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden 14NE, 14PE zu verhindern. Die porösen Separatoren 34 stellen auch den Durchtritt von Lithium-Ionen (gekennzeichnet mit Li+) durch eine Elektrolytlösung, die dessen Poren füllt, sicher.The
Das Verfahren beinhaltet ferner die Positionierung des inneren Stapels 32 am äußersten Stapel 28, um den Kernstapel 24 zu bilden, der aus allen Komponenten des inneren Stapels 32 und dem äußersten Stapel 28 besteht. Die Positionierung des inneren Stapels 32 am äußersten Stapel 28 wird so durchgeführt, dass i) ein Ende des inneren Stapels 32 im Wesentlichen mit einem Ende des äußersten Stapels 28 ausgerichtet ist, ii) ein anderes Ende des äußersten Stapels 28 und ein Abschnitt 42 des äußersten Stapels 28 freigelegt bleiben und iii) sich die positive Elektrode 14PE (die nicht Teil des Unterstapels 36 ist) des inneren Stapels 32 neben einem der Separatoren 34 (die nicht der äußerste Separator 34, O sind) der äußersten Stapel 28 befindet. Jede dieser Bedingungen zum Positionieren des inneren Stapels 32 am äußersten Stapel 28 wird weiter beschrieben.The method further includes positioning the
Der innere Stapel 32 ist am äußersten Stapel 28 positioniert, sodass ein Ende des inneren Stapels 32 im Wesentlichen mit einem Ende des äußersten Stapels 28 ausgerichtet ist. Mit „im Wesentlichen ausgerichtet“ ist gemeint, dass ein Ende 22A oder 22B (
Unter Bezugnahme auf
Zusätzlich, wie in
Damit Abschnitt 42 freigelegt bleibt, nachdem der innere Stapel am äußersten Stapel 28 positioniert ist, sind die negative Elektrode 14NE und die Separatoren 34 des äußersten Stapels 28 länger als die negative Elektrode 14NE, die positive Elektrode 14PE und andere Separatoren 34 des inneren Stapels 28. In einem Beispiel sind die Komponenten des äußersten Stapels 28 ungefähr 4 cm länger als die Komponenten des inneren Stapels 32. Die Länge der Komponenten (und insbesondere die Elektroden 14PE, 14NE) in den jeweiligen Stapeln 28, 32 kann zumindest teilweise vom geladenen aktiven Material und dem gewünschten Kapazität der endgültigen Pouch-Zelle 30 (
Gleichung I CKathode ist die Kapazität der positiven Elektrode, CFlächen die Flächenkapazität und die Schichtanzahlen sind die Gesamtzahl der Schichten des Kernstapels 24. In Gleichung II CAnode ist die Kapazität der negativen Elektrode, CFlächen die Flächenkapazität, InnenlängeAnode der Länge der negativen Elektrode 14NE im inneren Stapel 32, die Schichtanzahlen als Gesamtzahl der Schichten des Kernstapels 24, die Länge der ersten Faltung gleich der Länge 42 in
Wie oben erwähnt, ist auch der innere Stapel 32 am äußersten Stapel 28 positioniert, sodass sich die positive Elektrode 14PE des inneren Stapels 32 neben einem der Separatoren 34 des äußersten Stapels 28 befindet. Diese positive Elektrode 14PE ist die unterste Komponente des inneren Stapels 32 und ist nicht als Teil des Unterstapels 36 angesehen. Dieser Separator 34 ist die oberste Komponente des äußersten Stapels 28 (z. B. gegenüber dem Separator 34, O).As mentioned above, the
Der Kernstapel 24, der gebildet wird, beinhaltet eine n-Anzahl von positiven und negativen Elektroden 14PE, 14NE und eine 2n-Anzahl von Separatoren 34, wobei ein einzelner Separator zwischen den benachbarten positiven Elektroden 14PE und den negativen Elektroden 14NE positioniert ist.The
Bei
Unter Bezugnahme auf
Zum Bilden der Pouch-Zelle 30 aus dem Kernstapel 24 und der ersten Überlagerung 26, wird der Kernstapel 24 eine vorgegebene Anzahl von Malen (m) um mindestens einen Abschnitt der ersten Überlagerung 26 gefaltet. In
Mehrere Abmessungen des Kernstapels 24 und der ersten Überlagerung 26 sind in
Mindestens einige der Abmessungen der Pouch-Zelle 30 können durch die Abmessungen des Kernstapels 24 und der ersten Überlagerung 26 bestimmt werden. Unter kurzer Bezugnahme auf
Wie in
Zusätzlich kann am Schluss des Wicklungs-/Faltverfahrens jede Lasche, die an den negative Elektroden 14NE angebracht ist, zusammengeschweißt sein, um eine einzelne negative Elektrodenlasche 52 (
Wenn die Pouch-Zelle 30 fertiggestellt ist, kann diese in einer Pouch 56 abgedichtet werden, wie in
Die Elektrolyten der Lithium-Ionen-Batterie/Pouch-Zelle oder der Lithium-Lithium-Batterie/Pouch-Zelle beinhaltet ein organisches Lösungsmittel und ein Lithiumsalz, die in dem organischen Lösungsmittel gelöst werden. Beispiele der organischen Lösungsmittel beinhalten cyclische Carbonate (Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat, Butylencarbonat, Fluorethylencarbonat), lineare Carbonate (Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturether (1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Gemische derselben. In einem Beispiel ist der Elektrolyt eine Mischung aus Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat und Diethylcarbonat. Beispiele für die Lithiumsalze beinhalten LiClO4, LiAlCl4, Lil, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(FSO2)2 (LlFSI), LiN(CF3SO2) 2 (LITFSI), LiPF6, LiB(C2O4)2 (LiBOB), LiBF2(C2O4) (LiODFB), LiPF3(C2F5)3 (LiFAP), LiPF4(CF3)2, LiPF4(C2O4) (LiFOP), LiNO3, LiPF3(CF3) 3, LiSO3CF3 und Mischungen derselben. In einem Beispiel beträgt die Konzentration des Salzes in dem Elektrolyt etwa 1 mol/L. LiNO3 kann dem Elektrolyt auch als Additiv hinzugefügt werden. In diesen Fällen kann die Konzentration des Lithiumsalzes ca. 0,6 mol/L plus das LiNO3 Additiv sein.The electrolytes of the lithium-ion battery/pouch cell or the lithium-lithium battery/pouch cell include an organic solvent and a lithium salt which are dissolved in the organic solvent. Examples of the organic solvents include cyclic carbonates (ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, butylene carbonate, fluoroethylene carbonate), linear carbonates (dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC)), aliphatic carboxylic acid esters (methyl formate, methyl acetate, methyl propionate), γ -Lactones (γ-butyrolactone, γ-valerolactone), chain structure ethers (1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, ethoxymethoxyethane), cyclic ethers (tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran) and mixtures thereof. In one example, the electrolyte is a mixture of ethylene carbonate, dimethyl carbonate and diethyl carbonate. Examples of the lithium salts include LiClO 4 , LiAlCl 4 , Lil, LiBr, LiSCN, LiBF 4 , LiB(C 6 H 5 ) 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN(FSO 2 ) 2 (LlFSI), LiN(CF 3 SO 2 ) 2 (LITFSI), LiPF 6 , LiB(C 2 O 4 ) 2 (LiBOB), LiBF 2 (C 2 O 4 ) (LiODFB), LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 (LiFAP), LiPF 4 (CF 3 ) 2 , LiPF 4 (C 2 O 4 ) (LiFOP), LiNO 3 , LiPF 3 (CF 3 ) 3 , LiSO 3 CF 3 and mixtures thereof. In one example, the concentration of the salt in the electrolyte is approximately 1 mol/L. LiNO 3 can also be added to the electrolyte as an additive. In these cases the concentration of the lithium salt can be approx. 0.6 mol/L plus the LiNO 3 additive.
Die Elektrolyten der Lithium- oder Silizium-Schwefel-Batterie/Pouch-Zelle oder der Lithium-Lithium-Batterie/Pouch-Zelle beinhaltet ein Ether-basiertes Lösungsmittel und ein Lithiumsalz, die in dem Ether-basierten Lösungsmittel gelöst werden. Beispiele des Ether-basierten Lösungsmittels beinhalten 1,3-Dioxolan (DOL), 1,2-Ethylenglycoldimethylether (DME) Tetrahydrofuran (THF), 2-Methyltetrahydrofuran, 1,2-Diethoxyether, Ethoxymethylether, Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME), Polyethylenglykol-Dimethylether (PEGDME) und Mischungen davon. Ein Beispiel einer Mischung beinhaltet 1,3-Dioxolan und 1,2-Ethylenglycoldimethylether. Jedes der zuvor erwähnten Salze kann in diesem Elektrolyt verwendet werden. In einem Beispiel beträgt die Konzentration des Salzes im Elektrolyt etwa 1 mol/l. Dieses Elektrolyt kann auch ein anderes Additiv beinhalten, wie etwa LiNO3 (neben einem anderen Lithiumsalz) und/oder einen fluorierten Ether. Wenn beinhaltet, kann das fluorierte Ether Bis(2,2,2-Trifluorethylen)-Ether (F3C-CH2-O-CH2-CF3) und/oder Propylen-1,1,2,2-Tetra-Ether (H7C3-O-CF2-CHF2) sein. Die Konzentration des fluorierten Ethers in der Elektrolytlösung reicht von etwa 0,1 M bis etwa 1 M.The electrolytes of the lithium or silicon-sulfur battery/pouch cell or the lithium-lithium battery/pouch cell include an ether-based solvent and a lithium salt contained in the ether based solvents can be dissolved. Examples of the ether-based solvent include 1,3-dioxolane (DOL), 1,2-ethylene glycol dimethyl ether (DME) tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran, 1,2-diethoxyether, ethoxymethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), polyethylene glycol dimethyl ether ( PEGDME) and mixtures thereof. An example of a mixture includes 1,3-dioxolane and 1,2-ethylene glycol dimethyl ether. Any of the previously mentioned salts can be used in this electrolyte. In one example, the concentration of the salt in the electrolyte is approximately 1 mol/l. This electrolyte may also contain another additive, such as LiNO 3 (along with another lithium salt) and/or a fluorinated ether. When included, the fluorinated ether can be bis(2,2,2-trifluoroethylene) ether (F 3 C-CH 2 -O-CH 2 -CF 3 ) and/or propylene-1,1,2,2-tetra- Ether (H 7 C 3 -O-CF 2 -CHF 2 ). The concentration of the fluorinated ether in the electrolyte solution ranges from about 0.1 M to about 1 M.
Zur weiteren Darstellung der vorliegenden Erfindung wird hierin ein Beispiel angeführt. Es ist selbstverständlich, dass dieses Beispiel zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt wird.To further illustrate the present invention, an example is given herein. It is understood that this example is provided for illustrative purposes.
BEISPIELEXAMPLE
Eine 1 Ah Pouch-Zelle wurde mit einer Nickel-Mangan-Kobalt- (NMC)-positiven-Elektrode (auf beiden Seiten eines Aluminiumstromabnehmers) und einer Stromabnehmer-freien-Lithiummetall-negativen-Elektrode hergestellt. Auf diese Weise wurden Laschen auf jeder der Elektroden unter Verwendung des hierin offenbarten Verfahrens angebracht. Eine Aluminium-Lasche wurde er neben der positiven Elektrode und sowohl die Lasche als auch die Elektrode wurden sandwichartig zwischen zwei Stücken Aluminiumfolie befestigt. Das Sandwich wurde ultraschallverschweißt, um die Aluminium-Lasche an die positive Elektrode zu sichern. Eine Nickel-Lasche wurde er neben der negativen Elektrode und sowohl die Lasche als auch die Elektrode wurden sandwichartig zwischen zwei Stücken Nickelfolie befestigt. Das Sandwich wurde ultraschallverschweißt, um die Nickel-Lasche an die negative Elektrode zu sichern. Die beiden Elektroden wurden mit einem Separator dazwischen gestapelt. Der Separator war eine Polypropylenmembran (CELGARD 2400). In diesem Beispiel besteht der äußerste Stapel aus der negativen Elektrode und der Separator und der innere Stapel aus der positiven Elektrode. Dieses Beispiel beinhaltete nicht die zusätzlichen hierin offenbarten Unterstapel. Ein Abschnitt des äußersten Stapels wurde um ein Ende der positiven Elektrode gefaltet, um die erste Überlagerung zu bilden und dann wurde der Kernstapel (einschließlich der negativen Elektrode, dem Separator und der positiven Elektrode) 9-mal um die erste Überlagerung gefaltet, um die Pouch-Zelle zu bilden. In der folgenden Tabelle werden verschiedene Parameter gezeigt.
Bei einem herkömmlichen Aufbau einer Pouch-Zelle, einschließlich Cu-Folien mit Laschenbereichen und gestapelten Elektroden und Separatoren, beträgt die Energiedichte etwa 304 Wh/kg. Der Cu-Stromabnehmer wird etwa 4,37 g im der herkömmlichen Aufbau betragen.With a conventional pouch cell design, including Cu foils with tab regions and stacked electrodes and separators, the energy density is approximately 304 Wh/kg. The Cu current collector will be about 4.37 g in the conventional structure.
Die Eliminierung des Stromabnehmers der Negativseite, bei Verwendung von Lithiummetall als die negative Elektrode, verbessert die Energiedichte der hierin offenbarten Pouch-Zelle.Elimination of the negative side current collector, using lithium metal as the negative electrode, improves the energy density of the pouch cell disclosed herein.
Es ist selbstverständlich, dass die hierin bereitgestellten Bereiche den angegebenen Bereich und einen beliebigen Wert oder Teilbereich innerhalb des angegebenen Bereichs beinhalten. So sollte beispielsweise ein Bereich von etwa 0,1 M bis etwa 1 M dahingehend interpretiert werden, dass er nicht nur die explizit angegebenen Grenzen von etwa 0,1 M bis etwa 1 M, sondern auch Einzelwerte beinhaltet, wie beispielsweise 0,5 M, 0,75 M, usw., und Teilbereiche, wie von etwa 0,3 M bis etwa 0,9 M usw. Weiterhin, wenn „etwa“ verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, soll dieses bedeuten, dass geringfügige Variationen des angegebenen Wertes darin enthalten sind (bis zu +/- 10 %).It is to be understood that the ranges provided herein include the specified range and any value or portion within the specified range. For example, a range from about 0.1 M to about 1 M should be interpreted as including not only the explicitly stated limits of about 0.1 M to about 1 M, but also individual values, such as 0.5 M, 0.75M, etc., and subranges such as from about 0.3M to about 0.9M, etc. Furthermore, when "about" is used to describe a value, it is intended to mean that slight variations of that stated Value is included (up to +/- 10%).
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