DE102019126576A1

DE102019126576A1 - Lithiumbatterie

Info

Publication number: DE102019126576A1
Application number: DE102019126576.2A
Authority: DE
Inventors: Sang Mok Park; Yeolmae YEO; Dongjun Kim; Yoon Sung LEE; Jieun Lee; Sa Heum Kim; Seung-Min Oh
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2020-06-18
Also published as: US11616274B2; CN111312968A; US20200185678A1; KR20200071932A

Abstract

Eine Lithiumbatterie kann beispielsweise aufweisen: Eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Elektrolyten und einen Separator (100), welcher zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode positioniert ist, wobei der Separator aufweisen kann: ein Separatorsubstrat (110) und eine faserhaltige Klebeschicht (120), welche auf einer oder beiden Flächen des Separatorsubstrats geformt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithiumbatterie (bspw. einen Lithiumakkumulator).
Hintergrund
Im Allgemeinen hat eine Lithiumbatterie eine höhere Betriebsspannung und eine höhere Energiedichte als eine Blei- oder Nickel/Cadmium-Batterie durch Enthalten eines aktiven Elektrodenmaterials. Dementsprechend wurden und werden Lithiumbatterien als Energiespeichervorrichtungen für Elektrofahrzeuge (EV) und Hybridelektrofahrzeuge (HEV) verwendet.
Das Sicherstellen der Sicherheit von Elektrofahrzeugen ist ein wichtiger Aspekt. Der Zweck des Verwendens eines Separators in einer Lithiumbatterie ist es, den physischen Kontakt zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode zu blockieren, um die Gefahr einer Entzündung und einer Explosion aufgrund von Hitze zu verhindern, welche erzeugt wird, wenn die positive Elektrode und die negative Elektrode miteinander in Kontakt gelangen.
Der bei einer herkömmlichen Lithiumbatterie verwendete Separator verwendet ein Polyolefin-basiertes, poröses Substrat, und, wenn eine Batterie überladen wird, schmilzt das Polyolefin in einer Hochtemperaturatmosphäre, wodurch die Poren des Separators geschlossen werden und den Strom blockieren, sodass das Fortschreiten des Überladens gehindert wird, wodurch der Separator als eine Sicherheit fungiert.
Das Polyolefin-basierte, poröses Substrat hat ein extremes Wärmeschrumpfungsverhalten bei einer Temperatur von 100°C oder mehr aufgrund der Materialeigenschaften und Charakteristiken eines Herstellungsvorgangs, welcher ein gerichtetes Weiten aufweist, wodurch ein Kurzschluss zwischen der negativen und der positiven Elektrode verursacht wird.
Dementsprechend ist es erforderlich, eine Lithiumbatterie zu entwickeln, welche in der Lage ist, die oben beschriebenen Probleme zu lösen.
Kurzerläuterung der Erfindung
In bevorzugten Aspekten ist eine Lithiumbatterie bereitgestellt, welche eine verbesserte Gestaltstabilität und verbesserte Ausgabecharakteristiken hat durch Einführen bzw. Vorsehen einer faserhaltigen Schicht bzw. einer Faserschicht (im Weiteren kurz: faserhaltige Schicht) in einem Separator oder einer Elektrode.
In einem Aspekt ist eine Lithiumbatterie bereitgestellt, welche aufweist: Eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Elektrolyten und einen Separator, welcher zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode positioniert ist, wobei der Separator ein Separatorsubstrat und eine faserhaltige Klebeschicht bzw. Adhäsionsschicht bzw. Haftschicht (im Weiteren kurz: faserhaltige Klebeschicht) aufweist, welche auf einer oder beiden Flächen des Separatorsubstrats geformt ist.
Die faserhaltige Klebeschicht kann z.B. einen Faserdurchmesser von in etwa 100 bis 900 nm haben (bspw. eine Schicht aus einer Mehrzahl von Fasern, wobei die einzelnen Fasern einen entsprechenden Durchmesser haben), obwohl Materialien mit einer Vielzahl von Konfigurationen und Dimensionen hierfür angemessen sein können.
Die faserhaltige Schicht kann beispielsweise eine Dicke von 0,5 bis 3 µm haben, obwohl faserhaltige Klebeschichten einer anderen Dicke geeignet sein können.
In einem Aspekt können bevorzugte Materialien einer faserhaltigen Klebeschicht z.B. an Keramikpartikel beim Mischen mit Keramikpartikeln anhaften, welche hierin offenbart sind, inklusive einem Formen einer Oberfläche oder einer Beschichtungsschicht der faserhaltigen Schicht über den Keramikpartikeln, welche hierin offenbart sind. Dieses Anhaften kann ein Ausbilden einer kovalenten Bindung zwischen dem faserhaltigen, anhaftenden Material und den Keramikpartikeln beinhalten, oder auch nicht. In besonderen Aspekten kann das Anhaften zwischen der faserhaltigen Klebeschicht und der Keramikschicht geringe oder effektiv betrachtet keine Verbindung von kovalenten Bindung aufweisen.
Bevorzugte faserhaltige Materialien können z.B. organische Materialien sein, inklusive organischer Polymere, welche verschiedenste Funktionalitäten (bspw. funktionelle Gruppen) oder Substitutionen haben, wie beispielsweise Halogen (z.B. Fluor-), Hydroxyl oder Alkohol, Ester oder Carboxyl (z.B. -COOH).
Insbesondere kann gemäß bestimmten Aspekten die faserhaltige Klebeschicht angemessen z.B. ein Polymermaterial aufweisen, das eines oder mehrere aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyacrylsäure-(PAA)-basiertem Polymermaterial, Styrol-Butadien-Kautschuk-(SBR)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylalkohol-(PVA)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylacetat-basiertem Polymermaterial und einem Copolymer davon.
Der Separator kann beispielsweise weiter eine keramische Beschichtungsschicht aufweisen (bspw. angeordnet zwischen dem Separatorsubstrat und der faserhaltigen Klebeschicht).
Die durch Mischen geformte, faserhaltige Klebeschicht kann beispielsweise angemessen aufweisen: Keramikpartikel und ein Polymermaterial, welches eines oder mehrere aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyacrylsäure-(PAA)-basiertem Polymermaterial, Styrol-Butadien-Kautschuk-(SBR)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylalkohol-(PVA)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylacetat-basiertem Polymermaterial und einem Copolymer davon.
Die Keramikpartikel können beispielsweise angemessen eines oder mehrere Keramikmaterialien aufweisen, welche von der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, Al(OH)₃ und Mg(OH)₂.
Die Keramikpartikel können beispielsweise einen Durchmesser von etwa 20 bis 100 nm haben.
Ein Gehalt der Keramikpartikel kann basierend auf dem Gesamtgewicht der faserhaltigen Klebeschicht beispielsweise in etwa 10 bis 30 Gew.-% sein.
In einem weiteren Aspekt ist eine Lithiumbatterie bereitgestellt, welche beispielsweise aufweisen kann: eine Elektrode, die eine positive Elektrode und eine negative Elektrode aufweist, einen Separator, welcher zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode positioniert ist, und einen Elektrolyten. Die Elektrode kann einen Elektrodenstromsammler, eine aktive Materialschicht bzw. eine Schicht aus aktivem Material bzw. eine Aktiv-Material-Schicht (bspw. eine Materialschicht, die als Elektrode wirkt; im Weiteren auch kurz: aktive Materialschicht) und eine faserhaltige Klebeschicht aufweisen, welche auf der aktiven Materialschicht geformt ist.
Die faserhaltige Klebeschicht kann angemessen z.B. einen Faserdurchmesser von etwa 100 bis 900 nm haben, obwohl, wie es oben beschrieben ist, andere Durchmesser ebenfalls geeignet sein können.
Die faserhaltige Klebeschicht kann angemessen beispielsweise eine Dicke von etwa 0,5 bis 3 µm haben, obwohl, wie es oben beschrieben ist, andere Dicken ebenfalls geeignet sein können.
Die faserhaltige Klebeschicht kann angemessen beispielsweise aus einem Polymermaterial geformt sein, welches eines oder mehrere sind, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyacrylsäure-(PAA)-basiertem Polymermaterial, Styrol-Butadien-Kautschuk-(SBR)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylalkohol-(PVA)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylacetat-basiertem Polymermaterial und einem Copolymer davon.
Die durch Mischen geformte, faserhaltige Klebeschicht kann beispielsweise angemessen Keramikpartikel und ein Polymermaterial aufweisen, das eines oder mehrere aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyacrylsäure-(PAA)-basiertem Polymermaterial, Styrol-Butadien-Kautschuk-(SBR)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylalkohol-(PVA)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylacetat-basiertem Polymermaterial und einem Copolymer davon.
Die Keramikpartikel können beispielsweise angemessen eines oder mehrere Keramikmaterialien aufweisen, welche von der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, Al(OH)₃ und Mg(OH)₂.
Die Keramikpartikel können beispielsweise einen Durchmesser von etwa 20 bis 100 nm haben.
Ein Gehalt der Keramikpartikel kann basierend auf dem Gesamtgewicht der faserhaltigen Klebeschicht beispielsweise in etwa 10 bis 30 Gew.-% sein.
Weiter ist ein Fahrzeug bereitgestellt, welches die hierin beschriebene Lithiumbatterie(n) aufweist.
Die Lithiumbatterie gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine verbesserte Adhäsion zwischen der Elektrode und dem Separator haben durch Einlegen bzw. Vorsehen einer faserhaltigen Klebeschicht, um die Gestaltstabilität einer Zelle sicherzustellen und um Ausgabecharakteristiken der Batterie durch Reduzieren eines Zellwiderstands zu verbessern.
Andere Aspekte der Erfindung sind nachfolgend erörtert.
Figurenliste

1 zeigt eine Querschnittansicht eines herkömmlichen Keramikseparators vom Adhäsions- bzw. Klebetyp.
2 zeigt eine Querschnittansicht eines beispielhaften Separators, bei welchen eine beispielhafte, faserhaltige Klebeschicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
3 zeigt eine Querschnittansicht eines beispielhaften Separators, bei welchem eine beispielhafte, faserhaltige Klebeschicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
4 zeigt eine Querschnittansicht einer beispielhaften Elektrode, bei welcher eine beispielhafte, faserhaltige Klebeschicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
5 zeigt eine Querschnittansicht einer beispielhaften Elektrode, bei welcher eine faserhaltige Klebeschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
6 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Elektrospinnvorrichtung, welche in einem beispielhaften Verfahren zum Herstellen einer beispielhaften, faserhaltigen Klebeschicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Detaillierte Beschreibung
Durchgehend durch diese Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Diese Beschreibung beschreibt nicht alle Komponenten der Ausführungsformen, und gewöhnliche Informationen im technischen Gebiet, zu welchen die vorliegende Erfindung gehört, oder überlappende Informationen zwischen den Ausführungsformen werden ausgelassen.
Durchgehend durch die Beschreibung, wenn ein Abschnitt als ein Element „enthaltend“ beschrieben ist, bedeutet dies nicht, andere Komponenten auszuschließen, außer es ist explizit das Gegenteil angegeben, sondern kann andere Komponenten einschließen.
Die wie hierin verwendete Singularformen „ein“, „eine“, „einer“, „eines“, „der“, „die“ und „das“ sind dazu gedacht, ebenfalls die Pluralformen aufzuweisen, außer der Kontext gibt klar etwas anderes an.
Wenn es nicht anderweitig angegeben ist oder aus dem Kontext anderweitig klar ist, ist der hier verwendete Begriff „etwa / in etwa“ als „bei dieser Technik im Bereich der üblichen Toleranzen liegend“ zu verstehen, zum Beispiel als innerhalb der zweifachen Standardabweichung vom Mittelwert liegend. „Etwa / in etwa“ kann verstanden werden als innerhalb von 10 %, 9 %, 8 %, 7 %, 6 %, 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 %, 0,5 %, 0,1 %, 0,05 % oder 0,01 % des angegebenen Werts zu liegen. Außer es ist aus dem Kontext anderweitig klar, werden alle Zahlenwerte, welche hier bereitgestellt sind, mittels des Begriffs „etwa / in etwa“ modifiziert.
Es ist zu verstehen, dass die Begriffe „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-...“ oder irgendein ähnlicher Begriff, welcher hier verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen einschließen wie z.B. Personenkraftfahrzeuge, einschließlich sogenannter Sportnutzfahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, zahlreiche kommerzielle Fahrzeuge, sowie z.B. Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl an Booten und Schiffen, sowie auch z.B. Flugzeuge und dergleichen, und ferner auch Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-in Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge für alternative Treibstoffe (z.B. Treibstoffe, welche aus anderen Ressourcen als Erdöl hergestellt werden). Ein sogenanntes Hybridfahrzeug, auf welches hier Bezug genommen wird, ist ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Energiequellen hat, z.B. Fahrzeuge, welche sowie mit Benzin als auch elektrisch betrieben werden.
Nachfolgend sind beispielhafte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Eine Lithiumbatterie ist beschrieben, und dann werden ein Separator und eine Elektrode, bei welchen eine faserhaltige Klebeschicht gemäß der offenbarten Ausführungsform eingefügt bzw. vorgesehen sind, im Detail beschrieben.
Eine Lithiumbatterie weist gewöhnlich eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Separator und einen Elektrolyten auf. Die positive Elektrode, die negative Elektrode und der Elektrolyt können die sein, welche bei der Herstellung von Lithiumbatterien gewöhnlich verwendet werden.
Die Elektrode kann geformt werden durch Aufbringen einer Elektrodenschlämme, welche hergestellt wird durch Mischen eines aktiven Elektrodenmaterials, eines leitfähigen Materials, eines Lösungsmittels und eines Bindemittels auf einem Elektrodenstromsammler mit einer vorbestimmten Dicke, gefolgt von Trocknen und Walzen.
Der Elektrodenstromsammler ist nicht besonders beschränkt, solange dieser eine große Leitfähigkeit hat, ohne eine Änderung der chemischen Verbindung der Lithiumbatterie zu verursachen. Beispielsweise können rostfreier Stahl, Aluminium, Nickel, Titan, gesinterter Kohlenstoff oder Aluminium oder rostfreier Stahl, welcher mit Kohlenstoff, Nickel, Titan, Silber oder dergleichen oberflächenbeschichtet ist, als Elektrodenstromsammler verwendet werden. Es ist möglich, feine Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Stromsammlers zu formen, um die Adhäsionskraft des aktiven Materials der positiven Elektrode zu steigern oder zahlreiche Formen zu formen, wie beispielsweise einen Film, eine Platte, eine Folie, ein Netz, eine poröse Struktur, einen Schaum und ein nicht-gewebtes Textil.
Das aktive Material der negativen Elektrode, welches zur Herstellung der negativen Elektrode verwendet wird, kann ein aktives Material sein, welches in der Lage ist, Lithiumionen einzulagern oder auszulagern (z.B. Intercalationsverbindung). Das aktive Material der negativen Elektrode kann aus irgendeinem von einer oder mehreren Kombinationen aus zwei oder mehreren Materialien geformt sein, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus Materialien, die in der Lage sind, reversibel Lithium einzulagern und auszulagern, einem Metallmaterial, welches mit Lithium legierbar ist, und einer Mischung daraus.
Das Material, welches in der Lage ist, Lithium reversibel einzulagern oder auszulagern, kann zumindest eines aufweisen, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus künstlichem Graphit, natürlichem Graphit, graphitisierten Kohlenstofffasern, graphitisierten Meso-Kohlenstoff-Microperlen, Fulleren und amorphen Kohlenstoff besteht.
Amorpher Kohlenstoff kann Hartkohlenstoff, Koks, MCMB und MPCF aufweisen, welche bei einer Temperatur von in etwa 1500°C oder weniger kalziniert wird/sind. Ebenfalls kann das Metallmaterial, welches mit Lithium legierbar ist, zumindest ein Metall aufweisen, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Al, Si, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Ni, Ti, Mn und Ge besteht. Diese Metallmaterialien können alleine oder als Mischung oder als eine Legierung verwendet werden. Darüber hinaus kann das Metallmaterial als ein Kompositmaterial verwendet werden, welches mit einem Kohlenstoff-basierten Material gemischt ist.
Das aktive Material der negativen Elektrode kann Silizium enthalten. Es kann ebenfalls einen Graphit-Silizium-Komplex enthalten. Das aktive Material der negativen Elektrode, welches Silizium enthält, bezeichnet ein aktives Negativ-Material, das Siliziumoxid, Siliziumpartikel, Siliziumlegierungspartikel oder dergleichen enthält. Repräsentative Beispiele der Legierungen weisen Mischkristalle bzw. Festlösungen von Aluminium (AI), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Titan (Ti) oder dergleichen in Silizium, intermetallische Verbindungen, eutektische Legierungen und dergleichen auf.
Das aktive Material der positiven Elektrode weist eine Verbindung auf, welche in der Lage ist, Lithium reversibel einzulagern oder auszulagern (z.B. Intercalationsverbindung). Insbesondere kann zumindest eines von einem komplexen Oxid von Lithium und einem Metall als das aktive Material der positiven Elektrode verwendet werden, welches aus Cobalt, Mangan, Nickel und irgendwelchen Kombinationen daraus ausgewählt ist.
Das leitfähige Material, wie es sie darin verwendet wird, kann die elektrische Leitfähigkeit verbessern. Das leitfähige Material ist nicht besonders beschränkt, solange es ein elektronenleitfähiges Material ist, welches in der Lithiumbatterie keine chemische Änderung verursacht. Beispielsweise können Graphit wie natürliches Graphit oder künstliches Graphit, Ruß, wie beispielsweise Acetylenruß, Ketjen-Ruß (engl. „ketjen black“), Gasflammenruß (engl. „channel black“), Ofenruß (engl. „furnance black“), Flammruß (engl. „lamp black“) und Industrieruß (engl. „thermal black“), leitfähige Fasern, wie beispielsweise Kohlenstofffasern und Metallfasern, Metallpulver wie beispielsweise Kohlenstofffluorid-, Aluminium- und Nickelpulver, leitfähige Nadelkristalle (engl. „whisker“) wie beispielsweise Zinkoxid und Kaliumtitanat, leitfähige Metalloxide wie beispielsweise Titanoxid, leitfähige Materialien wie beispielsweise Polyphenyl-Derivate und dergleichen verwendet werden.
Als ein Bindemittel kann ein wässriges Bindemittel wie beispielsweise Carboxymethylcellulose (CMC) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) für die negative Elektrode verwendet werden und kann beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF) für die positive Elektrode verwendet werden.
Wenn die negative Elektrode Graphit und eine Siliziumverbindung aufweist, kann das Bindemittel als ein gemischtes Bindemittel hergestellt sein, in welchem ein wässriges Bindemittel, welches für die graphitbasierte, negative Elektrode verwendet wird, wie beispielsweise CMC/SBR mit einem Polymerbindemittel gemischt werden, wie beispielsweise Heparin, Dopamin-polymerisiertes Heparin und Lithium-Polyacrylat (LiPAA), welches zur Verbesserung der Adhäsionsstärke und zum Unterdrücken einer Volumenexpansion einer Silizium-basierten negativen Elektrode verwendet wird, um die Adhäsionsfestigkeit zu verbessern.
Die Elektroden gemäß beispielhaften Ausführungsformen können weiter andere Komponenten als Additive zusätzlich zu den oben beschriebenen aktiven Elektrodenmaterialien, leitfähigen Materialien und Bindemitteln aufweisen, wie beispielsweise ein Dispersionsmedium, ein Viskositätsmodifikationsmittel und ein Füllmittel.
Der Elektrolyt weist ein Lithiumsalz und ein nicht-wässriges, organisches Lösungsmittel auf und kann weiter Additive zum Verbessern der Lade-/Entladecharakteristiken, zum Verhindern des Überladens und dergleichen aufweisen. Beispiele des Lithiumsalzes weisen eines oder irgendwelche Kombinationen von zwei oder mehreren Materialien auf, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄, LiCl, LiBr, LiI, LiB₁₀Cl₁₀, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, LiN(SO₂C₂F₅)₂, Li(CF₃SO₂)₂N, LiC₄F₉SO₃, LiB(C₆H₅)₄, Li(SO₂F)₂N (LiFSI) und (CF₃SO₂)₂NLi.
Als das nicht-wässrige, organische Lösungsmittel können Carbonate, Ester, Ether oder Ketone alleine oder in Kombination verwendet werden. Beispiele der Carbonate weisen Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Dipropylcarbonat (DPC), Methyl-Propyl-Carbonat (MPC), Ethyl-Propyl-Carbonat (EPC), Ethyl-Methyl-Carbonat (EMC), Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylcarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC) und dergleichen auf. Als der Ester können γ-Butyrolacton (GBL), n-Methylacetat, n-Ethylacetat, n-Propylacetat und der gleichen verwendet werden, und als der Ether können Dibutylether und dergleichen verwendet werden, wobei diese darauf nicht beschränkt sind.
Das nicht-wässrige, organische Lösungsmittel kann weiter ein aromatisches, Kohlenwasserstoff-organisches Lösungsmittel sein. Beispiele des aromatischen, Kohlenwasserstoff-organischen Lösungsmittels weisen Benzol, Fluorbenzol, Brombenzol, Chlorbenzol, Cyclohexylbenzol, Isopropylbenzol, n-Butylbenzol, Octylbenzol, Toluol, Xylol, Mesitylen, und dergleichen auf, welche alleine oder in Kombination verwendet werden können.
Ein Separator ist bereitgestellt zum Bereitstellen eines Pfads für eine Lithiumionenmigration in der Lithiumbatterie und separiert die zwei Elektroden physisch voneinander, und der Separator ist nicht besonders beschränkt, solange dieser als ein Separatormaterial in der Lithiumbatterie verwendbar ist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Separator einen geringen Widerstand gegenüber einer Ionenmigration des Elektrolyten und eine exzellente Elektrolytrückhaltefähigkeit hat.
Beispielsweise kann das Separatorsubstrat ein herkömmlicher, poröser Polymerfilm sein, beispielsweise ein poröser Polymerfilm, welcher aus einem Polyolefinbasierten Polymer geformt ist, wie beispielsweise Ethylen-Homopolymer, Polypropylen-Homopolymer und einem Ethylen-/Buten-Copolymer, Ethylen-/Hexen-Copolymer und einem Ethylen-/Methacrylat-Copolymer, welche alleine oder in einer Stapelstruktur verwendet werden können.
Zahlreiche Methoden des Befestigens eines Separators an einer Elektrode wurden verwendet, um eine Separation zwischen der Elektrode und dem Separator zu verhindern und um eine Leckage bzw. ein Austreten des Elektrolyten zu verhindern. Wenn jedoch der Bindemittelgehalt gesteigert wird, um die Adhäsionsfestigkeit zu steigern, werden die Poren verstopft, was in einer Steigerung des Zellenwiderstands und einer Verschlechterung einer Imprägnierungs- bzw. Benetzungseigenschaft und einer Hochzahleigenschaft des Elektrolyten resultiert.
Die 1 ist eine Querschnittansicht eines herkömmlichen Keramikseparators vom Klebe- bzw. Adhäsionstyp.
Wie es in der 1 gezeigt ist, wenn eine Keramikbeschichtung, welche ein Bindemittel enthält, auf ein Separatorsubstrat aufgebracht wird, kann bestätigt werden, dass die Porosität zwischen den Keramikpartikel durch das Bindemittel reduziert wird, wenn der Bindemittelgehalt gesteigert wird. Obwohl ein separater Beschichtungsvorgang nach der Keramikbeschichtung auf dem Substrat ausgeführt wird, wird ein Bindemittelfilm auf der Oberfläche der Keramikschicht geformt oder tritt die Bindemittellösung in die Keramikschicht ein, wodurch die Porosität reduziert wird.
Gemäß zahlreichen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist eine Lithiumbatterie bereitgestellt, bei welcher eine faserhaltige Klebeschicht auf ein Separatorsubstrat oder ein Elektrodenstromsammler eingebracht bzw. eingefügt wird, um die Poren sicherzustellen, wodurch der Zellwiderstand verringert wird und die Adhäsion verbessert wird.
Eine Lithiumbatterie kann eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Elektrolyten und einen Separator aufweisen, welcher zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode positioniert ist, wobei der Separator ein Separatorsubstrat und eine faserhaltige Klebeschicht aufweist, welche auf einer oder beiden Flächen des Separatorsubstrats geformt ist.
Nachfolgend ist die faserhaltige Klebeschicht der Lithiumbatterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform im Detail beschrieben.
Die 2 zeigt eine Querschnittansicht eines beispielhaften Separators, bei welchem eine beispielhafte, faserhaltige Schicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingefügt bzw. vorgesehen ist.
Ein Separator 100 kann ein Separatorsubstrat 110 und die faserhaltige Klebeschicht 120 aufweisen, welche auf einer oder beiden Seiten des Separatorsubstrats 110 geformt ist.
Bevorzugt kann ein Keramik-beschichteter Separator (CCS) verwendet werden, bei welchem eine Keramikschicht 130 auf das Separatorsubstrat 110 aufgebracht sein kann. Die Keramikschicht 130 kann aufweisen oder geformt werden unter Verwendung von einem oder mehreren Keramikmaterialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Böhmit, Magnesiumhydroxid, Titanoxid und Aluminiumnitrid.
Die faserhaltige Klebeschicht 120 kann in der Form eines porösen Gitters vorliegen und kann an einer oder beiden Seiten des Separatorsubstrats 110 geformt sein.
Ebenfalls hat die faserhaltige Klebeschicht eine Dicke von in etwa 0,5 bis 3 µm. Wenn die Dicke der faserhaltigen Schicht geringer als 0,5 µm ist, kann die Adhäsionskraft reduziert sein und kann ein Zellzusammenbau nicht ausreichend ausgeführt werden. Wenn die Dicke größer als 3 µm ist, kann eine Zellgesamtdicke gesteigert sein, wodurch eine Ausgabeleistung pro Einheitsvolumen reduziert ist.
Die faserhaltige Klebeschicht kann einen Faserdurchmesser von etwa 100 bis 900 nm haben. Wenn der Durchmesser der Faser geringer als 100 nm ist, liegt im Hinblick auf einen Zellzusammenbau aufgrund der geringen mechanischen Eigenschaften ein Problem vor, und, wenn der Durchmesser 900 nm überschreitet, ist es schwierig, Kurzschlüsse zwischen den Elektroden zu verhindern.
Die faserhaltige Klebeschicht kann durch Bindemittelpolymerfasern geformt werden, wobei die Bindemittelpolymerfasern geformt werden können durch (Ein-)Spritzen einer Bindemittelpolymerlösung, in welcher ein Bindemittelpolymer in einem Lösungsmittel gelöst sein kann, durch eine Spinndüse in einer Elektrospinnvorrichtung, an welcher eine Hochspannung angelegt sein kann.
Zu diesem Zeitpunkt kann das Bindemittelpolymer angemessen ein Material aufweisen, das in der Lage ist, eine Elektrode und einen Separator zu verbinden, und das Bindemittelpolymer kann eines oder mehrere aufweisen, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyacrylsäure-(PAA)-basiertem Polymermaterial, Styrol-Butadien-Kautschuk-(SBR)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylalkohol-(PVA)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylacetat-basiertem Polymermaterial und einem Copolymer davon. Bevorzugt kann das Bindemittelpolymer ein PVDF-basiertes Polymermaterial sein.
Ein PVDF-basiertes Polymermaterial kann angemessen ein Copolymer enthalten, welches zusätzlich zur Vinylidenfluorid-Monomereinheit eine Co-Monomereinheit aufweist, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Hexafluorpropylen, Chlorotrifluorethylen, Tetrafluorethylen, Trifluorethylen, Trichlorethylen, Ethylen, Hexafluorisobutyl, Perfluorbutyl-Ethylen, Perfluorpropyl-Vinylether, Perfluormethylvinylether, Perfluor-2,3-dimethyl-1,2-dioxol und Perfluor-2-methylen-4-methyl-1,2-dioxolan.
Das PAA-basierte Polymermaterial weist zusätzlich zur Polyacrylsäure-Einheit angemessen Poly(natriumacrylat), Poly(kaliumacrylat) und Poly(lithiumacrylat) auf.
Das Lösungsmittel kann irgendein organisches Lösungsmittel sein, welches mit dem Bindemittelpolymer gemischt ist, um mikrofeine Fasern durch eine Elektrospinnvorrichtung ohne Beschränkung herzustellen, und Beispiele des Lösungsmittels können Aceton, Methanol, Propanol, Dimethylformamid (DMF) oder Methylpyrrolidon (NMP) sein.
Die hergestellte, faserhaltige Klebeschicht kann eine Adhäsionskraft ausüben, wenn während eines Herstellungsvorgangs der Batteriezelle Druck oder Druck und Wärme gleichzeitig darauf ausgeübt werden. Beispielsweise durch Formen der Bindemittelschicht in faserhaltiger Form nur auf der Oberfläche des Separatorsubstrats oder der Keramikschicht kann die Klebekraft realisiert werden während der Gehalt des Bindemittels minimiert wird. Weiter, da die meisten Fasern auf der Oberfläche des Separatorsubstrats oder der Keramikschicht vorliegen und nicht in die Poren eindringen, kann ein Hindurchtreten der Lithiumionen sichergestellt sein, wodurch die Ausgabe- bzw. Leistungscharakteristiken verbessert sind und die Elektrolytimprägnierung bzw. -benetzung ermöglicht wird.
Die 3 zeigt eine Querschnittansicht eines Separators, bei welchem eine faserhaltige Klebeschicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingefügt bzw. vorgesehen ist.
Die faserhaltige Klebeschicht kann angemessen aufweisen oder geformt werden durch Mischen von Keramikpartikel mit einem Polymermaterial, welches eines oder mehrere aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyacrylsäure-(PAA)-basiertem Polymermaterial, Styrol-Butadien-Kautschuk-(SBR)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylalkohol-(PVA)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylacetat-basiertem Polymermaterial, und einem Copolymer davon.
Durch Mischen der Keramikmaterialien, welche elektrochemisch-stabile, anorganische Substanzen sind, ist es möglich, eine Adhäsionskraft zwischen der Elektrode und dem Separator bereitzustellen und ein Schrumpfen des Separators bei einer hohen Temperatur von in etwa 100°C oder mehr zu verhindern.
Die Keramikpartikel können angemessen aufweisen oder geformt sein aus Oxiden, wie beispielsweise Al₂O₃, SiO₂, und TiO₂ und Hydroxiden wie z.B. Al(OH)₃ und Mg(OH)₂.
Die Keramikpartikel haben einen Durchmesser von etwa 20 bis 100 nm. Wenn der Durchmesser der Keramikpartikel kleiner ist als in etwa 20 nm, ist es schwierig, die Keramikpartikel zu verteilen, und, wenn der Durchmesser der Keramikpartikel größer ist als in etwa 100 nm, kann die Klebeschicht schwer in einer faserhaltigen Form gehalten werden und kann dahingehend ein Problem entstehen, dass der Durchmesser der Fasern gesteigert ist.
Der Gehalt der Keramikpartikel ist in etwa 10 bis 30 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der faserhaltigen Klebeschicht. Wenn der Gehalt der Keramikpartikel geringer ist als in etwa 10 Gew.-%, ist es schwierig, den Wärmewiderstand des Separators sicherzustellen. Wenn der Gehalt der Keramikpartikel größer ist als in etwa 30 Gew.-%, kann die Klebeschicht schwer in der Faserform beibehalten werden.
Die somit hergestellte, faserhaltige Klebeschicht kann eine Adhäsions- bzw. Klebekraft ausüben, wenn während eines Herstellungsvorgangs der Batteriezelle darauf Druck oder Druck und Wärme gleichzeitig ausgeübt werden. Beispielsweise durch Formen der Binderschicht in einer faserhaltigen Form nur auf der Oberfläche des Separatorsubstrats oder der Keramikschicht kann die Klebekraft realisiert werden, während der Gehalt des Bindemittels minimiert wird. Darüber hinaus können eine Wärmewiderstandsfähigkeit und eine Energiedichte der Lithiumbatterie ohne das Erfordernis einer separaten Keramikschicht erhalten werden.
Ebenfalls, da die meisten Fasern an der Oberfläche des Separatorsubstrats oder der Keramikschicht vorliegen und nicht in die Poren des Separatorsubstrats eindringen, kann das Hindurchtreten von Lithiumionen sichergestellt sein, wodurch die Ausgabecharakteristiken verbessert sind und die Imprägnierung bzw. die Benetzung mit dem Elektrolyten verbessert sein können.
Die oben beschriebene faserhaltige Klebeschicht kann an einer Elektrode verwendet werden.
Eine Lithiumbatterie gemäß einem weiteren Aspekt weist eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen zwischen der positiven und der negativen Elektrode positionierten Separator und einen Elektrolyten auf. Die Elektrode weist einen Elektrodenstromsammler, eine aktive Materialschicht bzw. Aktiv-Material-Schicht und eine faserhaltige Klebeschicht auf, welche auf der aktiven Materialschicht geformt ist.
Die 4 ist eine Querschnittansicht einer Elektrode, bei welcher eine faserhaltige Klebeschicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingefügt bzw. vorgesehen ist.
Eine Elektrode 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist einen Elektrodenstromsammler 210, eine Aktiv-Material-Schicht 230 und eine faserhaltige Klebeschicht 220 auf, welche auf der Aktiv-Material-Schicht 230 geformt ist.
Der Elektrodenstromsammler 210 kann ein Material aufweisen oder daraus geformt sein, welches leitfähig ist.
Die Aktiv-Material-Schicht 230 kann angemessen geformt werden durch Aufbringen einer Elektrodenschlämme, welche hergestellt wird durch Mischen eines aktiven Elektrodenmaterials, eines leitfähigen Materials und eines Lösungsmittels, auf den Elektrodenstromsammler 210 mit einer vorbestimmten Dicke, gefolgt von Trocknen und Walzen.
Die faserhaltige Klebeschicht 220 kann in der Form eines porösen Gitters vorliegen und kann auf der Aktiv-Material-Schicht 230 geformt sein. Eine Dicke eines Faserdurchmessers der faserhaltigen Klebeschicht kann die gleiche wie die in den Fällen sein, in welchen sie auf den oben beschriebenen Separator aufgebracht werden.
Auf gleiche Art kann die faserhaltige Klebeschicht 230 hergestellt werden durch Mischen einer Bindemittelpolymerfaser und eines keramischen Materials.
Die 5 zeigt eine Querschnittansicht einer Elektrode, bei welcher eine faserhaltige Klebeschicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingefügt bzw. vorgesehen ist.
Die hergestellte, faserhaltige Klebeschicht kann eine Klebekraft ausüben, wenn während des Herstellungsvorgangs der Batteriezelle Druck oder gleichzeitig Druck und Wärme darauf ausgeübt werden. Beispielsweise kann durch Formen der Bindemittelschicht in einer faserhaltigen Form nur auf der Oberfläche der Aktiv-Material-Schicht die Klebeschicht realisiert werden, während der Gehalt des Bindemittels minimiert ist.
Ebenfalls, da die meisten Fasern an der Oberfläche der Aktiv-Material-Schicht vorliegen und nicht in die Poren des Elektrodenstromsammlers eintreten, kann das Hindurchtreten der Lithiumionen sichergestellt sein, wodurch die Ausgabe- bzw. Leistungscharakteristiken verbessert sind und die Imprägnierung bzw. Benetzung mit dem Elektrolyten ermöglicht wird.
Darüber hinaus, wenn eine faserhaltige Klebeschicht 240 eingefügt ist, welche die Keramikmaterialien aufweist, können ein Wärmewiderstand und eine Energiedichte der Lithiumbatterie ohne den Bedarf zum separaten Formen einer Keramikschicht sichergestellt sein. Ebenfalls, durch Formen einer Widerstandsschicht auf der Elektrodenfläche ist es möglich, eine relativ sichere Zelle zu realisieren, wenn ein interner Kurzschluss aufgrund eines Bruchs des Separators und dergleichen auftritt.
Nachfolgend ist ein Verfahren des Aufbringens der oben beschriebenen, faserhaltigen Klebeschicht auf einen Separator oder eine Elektrode beschrieben.
Die 6 zeigt eine schematische Ansicht einer Elektrospinnvorrichtung, welche in einem Verfahren zur Herstellung einer faserhaltigen Klebeschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Wie es in der 6 gezeigt ist, kann die Elektrospinnvorrichtung eine Pumpe 10, welche in der Lage ist, eine Bindemittelpolymerlösung herauszudrücken bzw. zu fördern, die eine Viskosität einer Flüssigphase hat, eine DC-Hochspannungsenergiequelle 20, eine Düse 30, eine Nadel 40 zum Produzieren von Bindemittelpolymerfasern und eine Rolle oder ein Förderband 50 aufweisen.
In der Elektrospinnvorrichtung werden Fasern geformt, wenn eine elektrostatische Kraft auf die Bindemittelpolymerlösung oder Schmelze aufgebracht wird, welche eine ausreichende Viskosität haben. Die Bindemittelpolymerlösung, welche auf der Spitze der vertikal-positionierten Nadel 40 (bzw. Düse) aufgebracht ist, wird in der Form eines halbkugelförmigen Tropfens im Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft, der elektrostatischen Abstoßung und der Oberflächenspannung suspensiert bzw. ausgegeben. Wenn ein elektrisches Feld darauf aufgebracht wird, wird eine Ladung oder eine Dipolorientierung auf die halbkugelförmige Tropfenfläche an der Schnittstelle zwischen der Luft und der Lösung induziert und erzeugt eine Ladung oder eine Dipolabstoßung eine Kraft entgegengesetzt zur Oberflächenspannung.
Somit wird die halbkugelförmige Oberfläche der Lösung, die von der Spitze der Nadel 40 aus- bzw. abgegeben wird, in eine konische Gestalt gezogen, welche als „Taylor-Kegel“ bekannt ist, wenn die elektrostatische Abstoßung die Oberflächenspannung bei einer konstanten, kritischen elektrischen Feldstärke überwindet, wobei ein Strahl bzw. Flüssigkeitsfaden der geladenen Bindemittellösung von der Taylor-Kegel-Spitze freigegeben wird.
Der Strahl zerfällt in feine Tröpfchen aufgrund der Oberflächenspannung, wenn die Viskosität der Lösung gering ist. Wenn jedoch die Viskosität der Lösung hoch ist, kollabiert der Strahl nicht, sondern verdampft die Lösung, während sie in der Luft in Richtung zu einer Sammelplatte strömt, und eine kontinuierliche Phase von geladenen Polymerfasern wird auf der Sammelplatte akkumuliert. Wenn der Strahl in Richtung zur Sammelplatte strömt, verdampft das Lösungsmittel, während es in der Luft strömt, und die kontinuierliche Phase der Polymerfasern wird auf dem Separator oder der Elektrode (der Sammelplatte) akkumuliert.
Um solch eine kontinuierliche Phase von Polymerfasern zu erzeugen und um die Fasern auf dem Separator oder der Elektrode zu akkumulieren ist es wichtig, dass die faserhaltige Phase ein bestimmtes Adhäsionsniveau hat, wenn es den Separator oder die Elektrode erreicht, welches in Korrelation mit einer verbleibenden Menge des Lösungsmittels steht, das in der faserhaltigen Phase enthalten ist. Wenn die verbleibende Menge größer als ist eine vorbestimmte Menge, kann die Adhäsionskraft ausreichend sein aber kann die faserhaltige Phase nicht angemessen gehalten werden bzw. anhaften. Im Gegensatz dazu, wenn die verbleibende Menge nicht ausreichend ist, kann die faserhaltige Phase gut gehalten werden bzw. anhaften, aber ist die Möglichkeit einer Separation zwischen der faserhaltigen Phase und dem Separator oder der Elektrode aufgrund der mangelhaften Adhäsion der Fasern selbst gesteigert.
Lösungsmittelseitig ist es erforderlich, einen angemessenen Festkörpergehalt (z.B. eine Summe von Bindemittel und Keramikmaterial) in der Lösung beizubehalten. Wenn der Festkörpergehalt größer ist als eine vorbestimmte Menge, ist es schwierig, einen Strahl an der Spitze des Taylor-Kegels zu formen, was es schwierig macht, eine faserhaltige Phase zu erhalten. Im Gegensatz dazu, wenn der Festkörpergehalt geringer ist als eine vorbestimmte Menge, werden das Bindemittel und das Keramikmaterial in Partikel separieren, was es schwierig macht, die Fasern zu erhalten. Der optimale Festkörpergehalt kann angemessen abhängig von dem Molekulargewicht des verwendeten Bindemittels, der Partikelgröße des Keramikmaterials und dergleichen eingestellt werden.
Eine Spannung zwischen der Nadel und der Sammelplatte beeinflusst ebenfalls die Charakteristiken der Fasern. Im Allgemeinen, wenn die Spannung hoch ist, tendieren die Fasern dazu, eine geringe Dicke zu haben. Wenn jedoch die Spannung exzessiv hoch ist, wird die Spannung in die Luft ausgegeben und kann deshalb eine uneinheitliche und irreguläre Faserphase geformt werden. Deshalb ist es wichtig, eine angemessene Spannung beizubehalten, welche gemäß einer Luftfeuchtigkeit, einer Distanz zwischen der Nadel und der Sammelplatte (z.B. dem Elektrodenstromsammler), einem Typ des Lösungsmittels und dergleichen variiert.
Die Distanz zwischen der Nadel und der Sammelplatte kann zahlreiche Eigenschaften beeinflussen, inklusive des Siedepunkts des Lösungsmittels, welches in der Lösung verwendet wird, einer Menge des Lösungsmittels der faserhaltigen Phase, welches enthalten ist, wenn es an der Sammelplatte anhaftet, des Durchmessers der Fasern und des Spinnbereichs bzw. der Spinnfläche. Der Faserdurchmesser tendiert zum Abnehmen und der Spinnbereich tendiert dazu, zu steigen, sowie die Distanz auf ein bestimmtes Niveau steigt. Andererseits, wenn die Distanz ansteigt, tendiert das in der faserhaltigen Phase enthaltene Lösungsmittel dazu, abzunehmen. Wenn die Menge des Lösungsmittels geringer ist als eine vorbestimmte Menge, erreichen die Fasern die Sammelplatte (Separator oder Elektrode) nicht, wodurch eine Abnahme in der Ausbeute und eine Steigerung der Möglichkeit des Separierens vom Separator oder der Elektrode in einem nachfolgenden Vorgang resultiert, sogar obwohl die Fasern die Sammelplatte erreicht haben.
Die Lufttemperatur, Feuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit (bspw. einer Trocknungsluftströmung) und dergleichen sind ebenfalls wichtige Faktoren beim Einstellen des Vorgangs. Wenn es schwierig ist, die gewünschten Eigenschaften durch Einstellen des Festkörpergehalts der Lösung, der Distanz zwischen der Nadel und der Sammelplatte und der Spannung zu erreichen, kann eine faserhaltige Phase, welche die gewünschten physikalischen Eigenschaften hat, erhalten werden durch Einstellen der Lufttemperatur, der Feuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit. Wenn jedoch eine Luftgeschwindigkeit größer ist als ein vorbestimmter Bereich, kann die Ausbeute abnehmen, sodass es erforderlich ist, die maximale Luftgeschwindigkeit zu beschränken. Insbesondere im Hinblick auf die Sicherheit, wenn ein organisches Lösungsmittel verwendet wird, ist es erforderlich, eine Temperatur und eine Maximalkonzentration des Lösungsmittels zu beschränken, welches in der Luft vorliegen kann.
Darüber hinaus können der Durchmesser und die Gestalt der Nadel und die Menge der zugeführten Lösung ebenfalls die physikalischen Eigenschaften beeinflussen. In dem Fall, in welchem die gewünschten physikalischen Eigenschaften nicht durch das Steuern der Faktoren (Festkörpergehalt der Lösung, Spannung, Distanz zwischen der Nadel und der Sammelplatte, Lufttemperatur, Luftgeschwindigkeit usw.) erhalten werden kann, wenn die Zuführrate der Lösung gesteigert wird, ist es üblich, den Durchmesser der Nadel zu senken, um die Änderungen in den physikalischen Eigenschaften zu minimieren.
Gemäß zahlreichen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Lithiumbatterie, welche eine exzellente Gestaltstabilität der Zellen hat durch Steigern der Adhäsion zwischen der Elektrode und dem Separator durch Einführen bzw. Vorsehen der faserhaltigen Klebeschicht am Separator oder der Elektrode und exzellente Ausgabe- bzw. Leistungscharakteristiken der Lithiumbatterie durch Reduzieren des Zellenwiderstands erzielt werden. Dementsprechend kann die Lithiumbatterie bei einer gestapelten, großflächigen Zelle verwendet werden.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind oben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben worden. Dem Fachmann ist es klar, dass diese erfindungsgemäßen Konzepte in verschiedenen Arten umgesetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, sowie sie in den Ansprüchen definiert ist. Die offenbarten Ausführungsformen wurden lediglich für darstellende Zwecke beschrieben und beschränken den Umfang der Erfindung nicht.

Claims

Eine Lithiumbatterie, aufweisend: eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Elektrolyten und einen Separator (100), welcher zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode positioniert ist, wobei der Separator ein Separatorsubstrat (110) und eine faserhaltige Klebeschicht (120) aufweist, welche auf einer oder beiden Flächen des Separatorsubstrats geformt ist.
Die Lithiumbatterie gemäß Anspruch 1, wobei die faserhaltige Klebeschicht (120) einen Faserdurchmesser von in etwa 100 bis 900 nm hat.
Die Lithiumbatterie gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die faserhaltige Klebeschicht (120) eine Dicke von etwa 0,5 bis 3 µm hat.
Die Lithiumbatterie gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die faserhaltige Klebeschicht (120) ein Polymermaterial aufweist, welches eines oder mehrere aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyacrylsäure-(PAA)-basiertem Polymermaterial, Styrol-Butadien-Kautschuk-(SBR)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylalkohol-(PVA)-basiertem Polymermaterial, und Polyvinylacetat-basiertem Polymermaterial.
Die Lithiumbatterie gemäß Anspruch 4, wobei der Separator (100) weiter eine keramische Beschichtungsschicht (130) aufweist.
Die Lithiumbatterie gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die faserhaltige Klebeschicht (120) aufweist: Keramikpartikel und ein Polymermaterial, welches eines oder mehrere aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyacrylsäure-(PAA)-basiertem Polymermaterial, Styrol-Butadien-Kautschuk-(SBR)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylalkohol-(PVA)-basiertem Polymermaterial, und Polyvinylacetat-basiertem Polymermaterial und einem Copolymer davon.
Die Lithiumbatterie gemäß Anspruch 6, wobei die Keramikpartikel eines oder mehrere Keramikmaterialien aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, Al(OH)₃ und Mg(OH)₂.
Die Lithiumbatterie gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Keramikpartikel einen Durchmesser von in etwa 20 bis 100 nm haben.
Die Lithiumbatterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein Gehalt der Keramikpartikel in etwa 10 bis 30 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der faserhaltigen Klebeschicht (120) ist.
Eine Lithiumbatterie, aufweisend: eine Elektrode (200), welche eine positive Elektrode und eine negative Elektrode aufweist, einen Separator, welcher zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode positioniert ist, und einen Elektrolyten, wobei die Elektrode (200) einen Elektrodenstromsammler (210), eine aktive Materialschicht (230) und eine faserhaltige Klebeschicht (220; 240) aufweist, welche auf der aktiven Materialschicht geformt ist.
Die Lithiumbatterie gemäß Anspruch 10, wobei die faserhaltige Klebeschicht (220; 240) einen Faserdurchmesser von in etwa 100 bis 900 nm hat.
Die Lithiumbatterie gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die faserhaltige Klebeschicht (220; 240) eine Dicke von etwa 0,5 bis 3 µm hat.
Die Lithiumbatterie gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, wobei die faserhaltige Klebeschicht (220; 240) ein Polymermaterial aufweist, welches eines oder mehrere aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyacrylsäure-(PAA)-basiertem Polymermaterial, Styrol-Butadien-Kautschuk-(SBR)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylalkohol-(PVA)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylacetat-basiertem Polymermaterial und einem Copolymer davon.
Die Lithiumbatterie gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, wobei die faserhaltige Klebeschicht (220; 240) aufweist: Keramikpartikel und ein Polymermaterial, welches eines oder mehrere aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyacrylsäure-(PAA)-basiertem Polymermaterial, Styrol-Butadien-Kautschuk-(SBR)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylalkohol-(PVA)-basiertem Polymermaterial, Polyvinylacetat-basiertem Polymermaterial und einem Copolymer davon.
Die Lithiumbatterie gemäß Anspruch 14, wobei die Keramikpartikel eines oder mehrere Keramikmaterialien aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, Al(OH)₃ und Mg(OH)₂.
Die Lithiumbatterie gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die Keramikpartikel einen Durchmesser von in etwa 20 bis 100 nm haben.
Die Lithiumbatterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 14 bis 16, wobei ein Gehalt der Keramikpartikel in etwa 10 bis 30 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der faserhaltigen Klebeschicht ist.
Ein Fahrzeug, welches eine Lithiumionenbatterie gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.