DE102020125133A1

DE102020125133A1 - Ultrahochleistungs-hybridzellenkonstruktion mit gleichmässiger wärmeverteilung

Info

Publication number: DE102020125133A1
Application number: DE102020125133.5A
Authority: DE
Inventors: Xiaochao Que; Dave G. Rich; Haijing Liu; Dewen Kong
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-03-31

Abstract

Eine kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung enthält zwei positive Elektroden mit einer ersten Polarität, die jeweils mindestens zwei elektrisch leitende Laschen aufweisen, die an mindestens einer ersten Kante und mindestens einer zweiten Kante angeordnet sind. Weiterhin zwei negative Elektroden mit einer zweiten Polarität, von denen jede mindestens zwei elektrisch leitende Laschen aufweist, die an mindestens einer ersten Kante und mindestens einer zweiten Kante angeordnet sind. Mindestens eine der beiden positiven Elektroden oder negativen Elektroden sind voneinander verschieden. Die elektrisch leitenden Laschen sind im Wesentlichen in der elektrochemischen Zelle ausgerichtet, um jeweils eine Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren und eine Mehrzahl von negativen elektrischen Konnektoren zu bilden, um während des Aufladens und Entladens mit hoher Leistung die Stromdichte zu reduzieren.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellen mit hoher Energiekapazität und hoher Leistungskapazität bzw. hohem Leistungsvermögen. Solche kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellen umfassen eine Anordnung von Elektroden, die jeweils eine Mehrzahl von leitenden Laschen an verschiedenen Kanten aufweisen, die positive und negative elektrische Konnektoren an mehreren Kanten der kondensatorgestützten elektrochemischen Lithiumionen-Zelle bilden, um die Stromdichte zu verringern und das Wärmemanagement zu verbessern.
Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie z.B. Lithiumionen-Batterien, können in einer Mehrzahl von Konsumgütern und Fahrzeugen, wie z.B. Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, eingesetzt werden. Typische Lithiumionen-Batterien umfassen mindestens eine positive Elektrode oder Kathode, mindestens eine negative Elektrode oder eine Anode, ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Ein Stapel von Lithiumionen-Batteriezellen kann in einer elektrochemischen Vorrichtung elektrisch verbunden sein, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithiumionen-Batterien arbeiten, indem sie Lithiumionen reversibel zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode transportieren. Ein Separator und ein Elektrolyt sind zwischen der negativen und der positiven Elektrode angeordnet. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen geeignet und kann in fester oder flüssiger Form vorliegen. Lithiumionen bewegen sich beim Laden der Batterie von einer Kathode (positive Elektrode) zu einer Anode (negative Elektrode) und beim Entladen der Batterie in umgekehrter Richtung. Jede der negativen und positiven Elektroden innerhalb eines Stapels ist mit einem Stromkollektor verbunden (typischerweise ein Metall, wie z.B. Kupferfolie für die Anode und Aluminiumfolie für die Kathode). Während des Batteriebetriebs sind die den beiden Elektroden zugeordneten Stromkollektoren durch einen externen Stromkreis verbunden, der den von Elektronen erzeugten Strom zwischen den Elektroden fließen lässt, um den Transport von Lithiumionen zu kompensieren.
Die Potentialdifferenz oder Spannung einer Batteriezelle wird durch Unterschiede in den chemischen Potentialen (z.B. Fermi-Energieniveaus) zwischen den Elektroden bestimmt. Unter normalen Betriebsbedingungen erreicht die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden einen maximal erreichbaren Wert, wenn die Batteriezelle vollständig geladen ist, und einen minimal erreichbaren Wert, wenn die Batteriezelle vollständig entladen ist. Die Batteriezelle entlädt sich, und der minimal erreichbare Wert wird erreicht, wenn die Elektroden über einen externen Stromkreis an eine Last angeschlossen werden, die die gewünschte Funktion erfüllt (z.B. Elektromotor). Jede der negativen und positiven Elektroden in der Batteriezelle ist mit einem Stromkollektor verbunden (typischerweise ein Metall, wie Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode). Die den beiden Elektroden zugeordneten Stromkollektoren sind durch einen externen Stromkreis verbunden, der den durch Elektronen erzeugten Strom zwischen den Elektroden fließen lässt, um den Transport von Lithiumionen durch die Batteriezelle zu kompensieren. Zum Beispiel kann während der Zellenentladung der interne Li⁺-lonenstrom von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode durch den elektronischen Strom kompensiert werden, der durch den externen Stromkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode der Batteriezelle fließt.
Viele verschiedene Materialien können verwendet werden, um Komponenten für eine Lithiumionen-Batterie herzustellen. Zum Beispiel enthalten positive Elektrodenmaterialien für Lithium-Batterien typischerweise ein elektroaktives Material, in das Lithiumionen eingelagert oder mit ihnen reagiert werden kann, wie z.B. Lithium-Übergangsmetalloxide oder Mischoxide, z.B. u.a. LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn_1,5Ni_0,5O₄, LiNi(_1-x-y)Co_xM_yO₂ (wobei 0 < x < 1, y < 1 und M Al, Mn oder ähnliches sein kann) oder eine oder mehrere Phosphatverbindungen, z.B. Lithiumeisenphosphat oder Lithium-Mangan-Eisen-Mischphosphat. Die negative Elektrode enthält typischerweise ein Lithium-Einsetzmaterial oder ein Legierungs-Wirtsmaterial. Zu den typischen elektroaktiven Materialien zur Bildung einer Anode gehören zum Beispiel Graphit und andere Formen von Kohlenstoff, Silicium und Siliciumoxid, Lithiumtitanat (Li₄Ti₅O₁₂), Zinn und Zinnlegierungen.
Ein Ansatz zur Erhöhung der Leistung von elektrochemischen Lithiumionen-Zellen besteht darin, Systeme zu schaffen, die Elektroden sowohl mit einem elektroaktiven Material mit hoher Energiekapazität als auch mit einem elektroaktiven Material mit hoher Leistungskapazität umfassen (z.B. eine erste positive Elektrode, die ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität umfasst, und eine zweite positive Elektrode, die ein elektroaktives Material mit hoher Leistungskapazität umfasst). Die Energiekapazität oder -dichte ist eine Energiemenge, die die Batterie in Bezug auf ihre Masse speichern kann (Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg)). Die Leistungskapazität oder -dichte ist ein Maß an Leistung, die von der Batterie in Bezug auf ihre Masse erzeugt werden kann (Watt pro Kilogramm (W/kg)). Diese Hybridzellen können als kondensatorgestützte Lithiumionen-Batterien bezeichnet werden. Die Einbeziehung von Materialien mit hoher Leistungskapazität kann jedoch zu höheren Ladungen führen und potenzielle Probleme beim Wärmemanagement während des Ladens und Entladens der elektrochemischen Vorrichtung aufwerfen. Es wäre vorteilhaft, hybride Lithiumionen-Hochleistungszellen zu entwickeln, die neben hoher Leistungskapazität und hoher Energiekapazität auch eine gleichmäßige Stromdichte und eine gute thermische Verteilung aufweisen.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
In bestimmten Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die eine erste positive Elektrode mit einer ersten Polarität und mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen aufweist, die an mindestens einer ersten Kante der ersten positiven Elektrode und mindestens einer zweiten, von der ersten Kante verschiedenen, Kante angeordnet sind. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung enthält auch eine zweite positive Elektrode mit der ersten Polarität und mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante der zweiten positiven Elektrode und mindestens einer zweiten, von der ersten Kante verschiedenen, Kante angeordnet sind. Eine dritte negative Elektrode mit einer zweiten Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, ist ebenfalls enthalten, mit mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante der dritten negativen Elektrode und mindestens einer zweiten Kante, die sich von der ersten Kante unterscheidet, angeordnet sind. Eine vierte negative Elektrode mit der zweiten Polarität und mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen ist an mindestens einer ersten Kante der vierten negativen Elektrode und mindestens einer zweiten Kante, die sich von der ersten Kante unterscheidet, angeordnet. In bestimmten Variationen enthält die zweite positive Elektrode ein anderes aktives Material als die erste positive Elektrode. In anderen Variationen enthält die vierte negative Elektrode ein von der dritten negativen Elektrode verschiedenes aktives Material. Die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen und die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen sind im Wesentlichen in der elektrochemischen Zellenanordnung ausgerichtet, um jeweils eine Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren zu bilden. In ähnlicher Weise sind die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen und die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen im Wesentlichen in der elektrochemischen Zellenanordnung ausgerichtet, um eine Mehrzahl negativer elektrischer Konnektoren zu bilden, die von der Mehrzahl positiver elektrischer Konnektoren beabstandet sind, um die Stromdichte während des Aufladens und Entladens mit hoher Leistung zu reduzieren.
In einem Aspekt hat die mindestens eine erste Kante der ersten positiven Elektrode eine erste Länge und die mindestens eine zweite Kante eine zweite Länge, die größer ist als die erste Länge. Ferner hat die mindestens eine erste Kante der zweiten positiven Elektrode die erste Länge und die mindestens eine zweite Kante die zweite Länge. Die mindestens eine erste Kante der dritten negativen Elektrode hat die erste Länge, und die mindestens eine zweite Kante hat die zweite Länge. Die mindestens eine erste Kante der vierten negativen Elektrode hat die erste Länge, und die mindestens eine zweite Kante hat die zweite Länge. Die erste positive Elektrode, die zweite positive Elektrode, die dritte negative Elektrode und die vierte negative Elektrode werden zusammengesetzt, um die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung zu bilden, die eine erste Zellenkante mit der ersten Länge und eine zweite Zellenkante mit der zweiten Länge definiert. Mindestens einer der mehreren positiven elektrischen Konnektoren und mindestens einer der negativen elektrischen Konnektoren ist an der ersten Zellkante angeordnet. Ferner ist mindestens einer der mehreren positiven elektrischen Konnektoren und mindestens einer der negativen elektrischen Konnektoren an der zweiten Zellenkante der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung angeordnet.
In einem Aspekt enthält entweder die erste positive Elektrode oder die dritte negative Elektrode ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität. Darüber hinaus enthält die zweite positive Elektrode oder die vierte negative Elektrode ein elektroaktives Material mit hoher Leistungskapazität. Die erste positive Elektrode und die dritte negative Elektrode bilden eine Lithiumionen-Batterie. Die zweite positive Elektrode und/oder die vierte negative Elektrode bilden einen Kondensator.
In einem Aspekt umfassen die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen vier erste elektrisch leitende Laschen, die an jeder der vier Kanten der ersten positiven Elektrode angeordnet sind. Die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen umfassen vier zweite elektrisch leitende Laschen, die an jeder der vier Kanten der zweiten positiven Elektrode angeordnet sind. Die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen umfassen vier dritte elektrisch leitende Laschen, die an jeder der vier Kanten der dritten negativen Elektrode angeordnet sind. Die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen umfassen vier vierte elektrisch leitende Laschen, die an jeder der vier Kanten der vierten negativen Elektrode angeordnet sind. Die elektrochemische Zellenanordnung definiert vier Zellenkanten, die jeweils einen positiven elektrischen Konnektor und einen negativen elektrischen Konnektor umfassen.
In einem Aspekt umfassen die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen drei erste elektrisch leitende Laschen, die an jeder von drei Kanten der ersten positiven Elektrode angeordnet sind. Die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen umfassen drei zweite elektrisch leitende Laschen, die an jeder von drei Kanten der zweiten positiven Elektrode angeordnet sind. Die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen umfassen drei dritte elektrisch leitende Laschen, die an jeder von drei Kanten der dritten negativen Elektrode angeordnet sind. Die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen umfassen drei vierte elektrisch leitende Laschen, die an jeder von drei Kanten der vierten negativen Elektrode angeordnet sind. Die elektrochemische Zellenanordnung definiert: (i) drei Zellenkanten, die sowohl einen positiven elektrischen Konnektor als auch einen negativen elektrischen Konnektor umfassen, oder (ii) eine erste Zellenkante mit einem positiven elektrischen Konnektor und einem negativen elektrischen Konnektor, eine zweite Zellenkante mit einem positiven elektrischen Konnektor und einem negativen elektrischen Konnektor, eine dritte Zellenkante mit einem positiven elektrischen Konnektor und eine vierte Zellenkante mit einem negativen elektrischen Konnektor.
In einem Aspekt umfassen die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen drei elektrisch leitende Laschen, die an drei Kanten der ersten positiven Elektrode angeordnet sind, und die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen umfassen drei elektrisch leitende Laschen, die an drei Kanten der zweiten positiven Elektrode angeordnet sind.
In einem Aspekt umfassen die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen drei elektrisch leitende Laschen, die an drei Kanten der dritten negativen Elektrode angeordnet sind. Die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen umfassen drei elektrisch leitende Laschen, die an drei Kanten der dritten negativen Elektrode angeordnet sind.
In einem Aspekt ist eine maximale Stromdichte kleiner oder gleich etwa 300 mA/cm² für mindestens eine der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode, der dritten Elektrode oder der vierten Elektrode.
In einem Aspekt enthält die erste positive Elektrode ein erstes elektroaktives Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: LiNiMnCoO₂, Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂), wobei 0≤ x≤ 1, 0≤ y ≤ 1, 0≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1, LiNiCoAlO₂, LiNi_1-x-yCo_xAl_yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), LiMn₂O₄, Li_1+xMO₂ (wobei M eines von Mn, Ni, Co, Al und 0 ≤ x ≤ 1 ist), LiMn₂O₄ (LMO), LiNi_xMn_1,5O₄, LiV₂(PO₄)₃, LiFeSiO₄, LiMPO₄ (wobei M mindestens eines von Fe, Ni, Co und Mn ist), Aktivkohle und Kombinationen davon.
In einem Aspekt enthält die zweite positive Elektrode ein zweites elektroaktives Material und die vierte negative Elektrode ein viertes elektroaktives Material. Mindestens eines des zweiten elektroaktiven Materials und/oder des vierten elektroaktiven Materials ist aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: Siliciumoxid, Aktivkohle, Hartkohle, Weichkohle, porösen Kohlenstoffmaterialien, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Xerogelen, mesoporösen Kohlenstoffen, Templat-Kohlenstoffen, von Karbid abgeleiteten Kohlenstoffen (CDCs), Graphen, porösen Kohlenstoffkugeln, Heteroatom-dotierten Kohlenstoffmaterialien, Metalloxiden von Edelmetallen, RuO₂, Übergangsmetallen, Hydroxiden von Übergangsmetallen, MnO₂, NiO, Co₃O₄, Co(OH)₂, Ni(OH)₂, Polyanilin (PANI), Polypyrrol (PPy), Polythiophen (PTh) und Kombinationen davon.
In einem Aspekt enthält die dritte negative Elektrode ein drittes negatives Elektrodenmaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiummetall, Lithiumlegierung, Silicium (Si), Siliciumlegierung, Siliciumoxid, Hartkohle, Weichkohle, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Lithium-Titanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), Zinn (Sn), Vanadiumoxid (V₂O₅), Titandioxid (TiO₂), Titan-Nioboxid (Ti_xNb_yO_z, wobei 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 24 und 0 ≤ z ≤ 64), Eisen(II)-sulfid (FeS) und Kombinationen davon.
In einem Aspekt enthält jede der ersten positiven Elektrode, der zweiten positiven Elektrode, der dritten negativen Elektrode und der vierten negativen Elektrode jeweils einen Stromkollektor mit einer darauf angeordneten elektroaktiven Schicht. Ein Teil des Stromkollektors bildet die Mehrzahl der elektrisch leitenden Laschen.
In einem Aspekt umfasst die elektrochemische Zellenanordnung mindestens drei positive elektrische Konnektoren und mindestens drei negative elektrische Konnektoren.
In bestimmten anderen Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die eine erste positive Elektrode mit einer ersten Polarität und mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen aufweist, die an mindestens einer ersten Kante und mindestens einer angrenzenden zweiten Kante angeordnet sind. Eine zweite positive Elektrode mit der ersten Polarität ist ebenfalls enthalten, die ein von der ersten positiven Elektrode verschiedenes aktives Material und mindestens zwei zweite elektrisch leitende Laschen aufweist, die an mindestens einer ersten Kante und mindestens einer zweiten angrenzenden Kante angeordnet sind. Eine dritte negative Elektrode mit einer zweiten, der ersten entgegengesetzten, Polarität und mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante und mindestens einer angrenzenden zweiten Kante angeordnet sind, ist ebenfalls enthalten. Eine vierte negative Elektrode mit der zweiten Polarität und mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante und mindestens einer angrenzenden zweiten Kante angeordnet sind, ist ebenfalls vorgesehen. Die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen und die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen sind im Wesentlichen in der elektrochemischen Zellenanordnung ausgerichtet, um jeweils eine Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren zu bilden. Ferner sind die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen und die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen im Wesentlichen in der elektrochemischen Zellenanordnung ausgerichtet, um eine Mehrzahl negativer elektrischer Konnektoren zu bilden, die von der Mehrzahl positiver elektrischer Konnektoren beabstandet sind, um die Stromdichte während des Aufladens und Entladens mit hoher Leistung zu reduzieren.
In einem Aspekt enthält entweder die erste positive Elektrode oder die dritte negative Elektrode ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität. Die zweite positive Elektrode oder die vierte negative Elektrode enthält ein elektroaktives Material mit hoher Leistungskapazität. Die erste positive Elektrode oder und die dritte negative Elektrode bilden eine Lithiumionen-Batterie, und die zweite positive Elektrode und/oder die vierte negative Elektrode bilden einen Kondensator.
In einem Aspekt umfassen die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen drei elektrisch leitende Laschen, die an drei Kanten der ersten positiven Elektrode angeordnet sind. Die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen umfassen drei elektrisch leitende Laschen, die an drei Kanten der zweiten positiven Elektrode angeordnet sind.
In einem Aspekt umfassen die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen drei elektrisch leitende Laschen, die an drei Kanten der dritten negativen Elektrode angeordnet sind. Die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen umfassen drei elektrisch leitende Laschen, die an drei Kanten der dritten negativen Elektrode angeordnet sind.
In einem Aspekt enthält die erste positive Elektrode ein erstes elektroaktives Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: LiNiMnCo0₂, Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂), wobei 0≤ x≤ 1, 0≤ y ≤ 1, 0≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1, LiNiCoAlO₂, LiNi_1-x-yCo_xAl_yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), LiMn₂O₄, Li_1+xMO₂ (wobei M eines von Mn, Ni, Co, Al und 0 ≤ x ≤ 1 ist), LiMn₂O₄ (LMO), LiNi_xMn_1,5O₄, LiV₂(PO₄)₃, LiFeSiO₄, LiMPO₄ (wobei M mindestens eines von Fe, Ni, Co und Mn ist), Aktivkohle und Kombinationen davon. Die dritte negative Elektrode enthält ein drittes negatives Elektrodenmaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiummetall, Lithiumlegierung, Silicium (Si), Siliciumlegierung, Siliciumoxid, Hartkohle, Weichkohle, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Lithium-Titanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), Zinn (Sn), Vanadiumoxid (V₂O₅), Titandioxid (TiO₂), Titan-Nioboxid (Ti_xNb_yO_z, wobei 0 ≤ x≤ 2, 0≤ y ≤ 24 und 0 ≤ z ≤ 64), Eisen(II)-sulfid (FeS) und Kombinationen davon. Die zweite positive Elektrode enthält ein zweites elektroaktives Material, und die vierte negative Elektrode enthält ein viertes elektroaktives Material, wobei mindestens eines des zweiten elektroaktiven Materials und/oder des vierten elektroaktiven Materials aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Siliciumoxid, Aktivkohle, Hartkohle, Weichkohle, porösen Kohlenstoffmaterialien, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Xerogelen, mesoporösen Kohlenstoffen, Templat-Kohlenstoffen, von Karbid abgeleiteten Kohlenstoffen (CDCs), Graphen, porösen Kohlenstoffkugeln, Heteroatom-dotierten Kohlenstoffmaterialien, Metalloxiden von Edelmetallen, RuO₂, Übergangsmetallen, Hydroxiden von Übergangsmetallen, MnO₂, NiO, Co₃O₄, Co(OH)₂, Ni(OH)₂, Polyanilin (PANI), Polypyrrol (PPy), Polythiophen (PTh) und Kombinationen davon.
Was noch andere Aspekte betrifft, so bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung. Die Anordnung umfasst eine erste positive Elektrode mit einer ersten Polarität und mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante der ersten positiven Elektrode und mindestens einer zweiten, von der ersten Kante verschiedenen, Kante angeordnet sind. Eine zweite positive Elektrode mit der ersten Polarität ist mit mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen versehen, die an mindestens einer ersten Kante der zweiten positiven Elektrode und mindestens einer zweiten, von der ersten Kante verschiedenen, Kante angeordnet sind. Ebenfalls enthalten ist eine dritte negative Elektrode mit einer zweiten Polarität, die der ersten entgegengesetzt ist, und mindestens zwei dritte elektrisch leitende Laschen, die an mindestens einer ersten Kante der dritten negativen Elektrode und mindestens einer zweiten Kante, die sich von der ersten Kante unterscheidet, angeordnet sind. Eine vierte negative Elektrode hat die zweite Polarität und mindestens zwei vierte elektrisch leitende Laschen, die an mindestens einer ersten Kante der vierten negativen Elektrode und mindestens einer zweiten Kante, die sich von der ersten Kante unterscheidet, angeordnet sind. Entweder die erste positive Elektrode oder die dritte negative Elektrode enthält ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität, und die zweite positive Elektrode oder die vierte negative Elektrode enthält ein elektroaktives Material mit hoher Leistungskapazität. Die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen und die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen sind im Wesentlichen in der elektrochemischen Zellenanordnung ausgerichtet, um jeweils mindestens einen positiven elektrischen Konnektor zu bilden. Die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen und die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen sind im Wesentlichen in der elektrochemischen Zellenanordnung ausgerichtet, um mindestens einen negativen elektrischen Konnektor zu bilden, um die Stromdichte während des Aufladens und Entladens mit hoher Leistung zu reduzieren.
In einem Aspekt hat die elektrochemische Zellenanordnung mindestens eine Zellenkante, die sowohl einen positiven elektrischen Konnektor als auch einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor umfasst.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1A-1B. 1A zeigt die Stromverteilung in einer einzelnen Hochleistungs-Lithiumionen-Beutelzelle. 1B zeigt eine detailliertere Explosionsdarstellung verschiedener Komponenten in einer elektrochemischen Lithiumionen-Zelle, die den Stromfluss von einer negativen Elektrode zu einer positiven Elektrode während der Entladung zeigt.
2 zeigt ein Wärmebild einer Lithiumionen-Beutelzelle, die sich mit einer 5-C-Rate in Umgebungsluft entlädt, reproduziert auf der Grundlage von Daten aus dem Journal of the Electrochemical Society, 161 (14) Seiten A2168-A2174 (2014) mit hoher Wärmeentwicklung in der Nähe der positiven Elektrode.
3 ist eine schematische Darstellung eines vereinfachten Beispiels einer kondensatorgestützten Lithiumionen-Batterie in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
4A-4B. 4A zeigt Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten mit Laschen an vier verschiedenen Kanten aufweist. 4B zeigt ein Schema einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit einer Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren und einer Mehrzahl von negativen elektrischen Konnektoren, wobei jede Kante der elektrochemischen Zellenanordnung einen positiven elektrischen Konnektor und einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor aufweist.
5 zeigt eine Explosionsdarstellung verschiedener Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung wie die in 4A-4B hergestellt wurde und die Stromverteilung zeigt.
6A-6B. 6A zeigt Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten mit Laschen an drei verschiedenen Kanten aufweist. 6B zeigt ein Schema einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit einer Mehrzahl positiver elektrischer Konnektoren und einer Mehrzahl negativer elektrischer Konnektoren, wobei drei Kanten der elektrochemischen Zellenanordnung einen positiven elektrischen Konnektor und einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor aufweisen.
7A-7B. 7A zeigt Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten mit Laschen an drei verschiedenen Kanten aufweist. 7B zeigt ein Schema einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit einer Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren und einer Mehrzahl von negativen elektrischen Konnektoren, wobei zwei Kanten der elektrochemischen Zellenanordnung einen positiven elektrischen Konnektor und einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor aufweisen, eine Kante einen positiven elektrischen Konnektor aufweist und eine Kante einen negativen elektrischen Konnektor aufweist.
8A-8B. 8A zeigt Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen Kanten aufweist. 8B zeigt ein Schema einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit mehreren positiven elektrischen Konnektoren und mehreren negativen elektrischen Konnektoren, wobei zwei entgegengesetzte Kanten der elektrochemischen Zellenanordnung einen positiven elektrischen Konnektor und einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor aufweisen.
9A-9B. 9A zeigt Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen, aber aneinander angrenzenden Kanten aufweist. 9B zeigt ein Schema einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit einer Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren und einer Mehrzahl von negativen elektrischen Konnektoren, wobei eine Kante einen positiven elektrischen Konnektor und einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor aufweist, eine erste angrenzende Kante einen positiven elektrischen Konnektor und eine zweite angrenzende Kante einen negativen elektrischen Konnektor aufweist, so dass die erste angrenzende Kante und die zweite angrenzende Kante einander entgegengesetzt sind.
10A-10B. 10A zeigt Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten mit durchgehenden L-förmigen Laschen an zwei angrenzenden Kanten aufweist. 10B zeigt ein Schema einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit einer Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren und einer Mehrzahl von negativen elektrischen Konnektoren, wobei eine erste Kante einen positiven elektrischen Konnektor, eine angrenzende zweite Kante einen negativen elektrischen Konnektor, eine dritte Kante einen negativen elektrischen Konnektor und eine vierte Kante einen positiven elektrischen Konnektor aufweist; so dass ein erstes Paar entgegengesetzter Kanten einen positiven elektrischen Konnektor und einen entgegengesetzten negativen elektrischen Konnektor und ein zweites Paar entgegengesetzter Kanten ebenfalls einen positiven elektrischen Konnektor und einen entgegengesetzten negativen elektrischen Konnektor aufweist.
11A-11 B. 11A zeigt Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und positive Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen gegenüberliegenden Kanten und negative Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen gegenüberliegenden Kanten aufweist. 11B zeigt ein Schema einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit einer Mehrzahl positiver elektrischer Konnektoren und einer Mehrzahl negativer elektrischer Konnektoren, wobei eine erste Kante einen positiven elektrischen Konnektor, eine angrenzende zweite Kante einen negativen elektrischen Konnektor, eine dritte Kante einen positiven elektrischen Konnektor und eine vierte Kante einen negativen elektrischen Konnektor aufweist; so dass ein erstes Paar entgegengesetzter Kanten einen positiven elektrischen Konnektor und einen entgegengesetzten positiven elektrischen Konnektor aufweist und ein zweites Paar entgegengesetzter Kanten ebenfalls einen negativen elektrischen Konnektor und einen entgegengesetzten negativen elektrischen Konnektor aufweist.
12A-12B. 12A zeigt Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und positive Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen gegenüberliegenden Kanten und negative Elektrodenkomponenten mit einzelnen Laschen an einer Kante aufweist. 12B zeigt ein Schema einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit einer Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren und einem negativen elektrischen Konnektor, wobei eine erste Kante einen positiven elektrischen Konnektor, eine angrenzende zweite Kante einen negativen elektrischen Konnektor und eine dritte Kante einen positiven elektrischen Konnektor aufweist.
13A-13B. 13A zeigt Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und positive Elektrodenkomponenten mit einer Lasche an einer einzelnen Kante und negative Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen gegenüberliegenden Kanten aufweist. 13B zeigt ein Schema einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit einer Mehrzahl negativer elektrischer Konnektoren und einem positiven elektrischen Konnektor, wobei eine erste Kante einen negativen elektrischen Konnektor, eine angrenzende zweite Kante einen positiven elektrischen Konnektor und eine dritte Kante einen negativen elektrischen Konnektor aufweist.
14A-14B. 14A zeigt Komponenten einer kondensatorgestützten prismatischen elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und mit durchgehenden L-förmigen Laschen an zwei aneinander angrenzenden Kanten der positiven Elektrodenkomponenten und mit durchgehenden L-förmigen Laschen an zwei aneinander angrenzenden Kanten der negativen Elektrodenkomponenten versehen ist. 14B zeigt den Aufbau des Komponentenstapels in 14B zur Bildung eines Batteriekerns mit einem Paar entgegengesetzter Kanten mit einem positiven elektrischen Konnektor und einem entgegengesetzten negativen elektrischen Konnektor, zusammen mit Kühlfolien an Kanten, die nicht den positiven oder negativen elektrischen Konnektor aufweisen.

Entsprechende Bezugszahlen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff unter bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.
Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf, „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „benachbart“ versus „direkt benachbart“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Abbildungen dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Abbildungen dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „ungefähr“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Unterbereiche.
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Ein Ansatz zur Erhöhung der Leistung von elektrochemischen Lithiumionen-Zellen besteht darin, Systeme zu schaffen, die Elektroden sowohl mit einem elektroaktiven Material mit hoher Energiekapazität als auch mit einem elektroaktiven Material mit hoher Leistungskapazität umfassen (z.B. eine erste positive Elektrode, die ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität umfasst, und eine zweite positive Elektrode, die ein elektroaktives Material mit hoher Leistungskapazität umfasst). Die Energiekapazität oder -dichte ist eine Energiemenge, die die Batterie in Bezug auf ihre Masse speichern kann (Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg)). Die Leistungskapazität oder -dichte ist ein Maß an Leistung, die von der Batterie in Bezug auf ihre Masse erzeugt werden kann (Watt pro Kilogramm (W/kg)). Solche aktiven Hochleistungsmaterialien sind in der elektrochemischen Lithiumionen-Zelle integriert und können daher zur Herstellung eines Kondensators innerhalb der Zelle verwendet werden.
So bezieht sich die gegenwärtige Technologie auf elektrochemische Zellen mit Kondensatoren oder auf hybride Superkondensator-Batteriesysteme (z.B. kondensatorgestützte Batterien („CAB“)), die die hohe Leistungsdichte von Kondensatoren mit der hohen Energiedichte von Lithiumionen-Batterien integrieren, die z.B. als nicht-beschränkende Beispiele in Kraftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen (z.B. Motorrädern, Booten), aber auch in einer Mehrzahl anderer Industrien und Anwendungen, wie z.B. in Geräten der Unterhaltungselektronik, eingesetzt werden können.
Die Einbeziehung von Materialien mit hoher Leistungskapazität kann jedoch zu höheren Ladungen führen und potenzielle Probleme beim Wärmemanagement während des Auf- und Entladens der elektrochemischen Vorrichtung aufwerfen. Die hohe Leistung von Lithiumionen-Zellen kann durch den Stromfluss innerhalb der Elektroden begrenzt werden, insbesondere bei hybriden, kondensatorgestützten Batteriekonstruktionen, die eine momentane hohe Leistungsverstärkung/Regeneration aufweisen. Während einer Hochstromladung oder -entladung können große Temperatur-/Thermogradienten beobachtet werden. Zunehmende Thermogradienten können zu einem uneinheitlichen Alterungszustand der einzelnen Elektroden führen, was die Lebensdauer der Zellen beeinträchtigen kann.
Eine typische Lithiumionen-Batterie umfasst eine erste Elektrode (wie eine positive Elektrode oder Kathode) gegenüber einer zweiten Elektrode (wie eine negative Elektrode oder Anode) und einen dazwischen angeordneten Separator und/oder Elektrolyt. In einem Lithiumionen-Batteriepack können Batterien oder Zellen oft elektrisch verbunden sein (z.B. in einem Stapel), um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithiumionen-Batterien funktionieren, indem Lithiumionen reversibel zwischen der ersten und der zweiten Elektrode transportiert werden. Beispielsweise können sich Lithiumionen beim Laden der Batterie von einer positiven Elektrode zu einer negativen Elektrode bewegen und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung. Der Elektrolyt eignet sich zum Leiten von Lithiumionen und kann in flüssiger, gelförmiger oder fester Form vorliegen.
In hybriden Kondensator-Batterie-Systemen (z.B. kondensatorgestützten Batterien) kann ein Kondensator in die Lithiumionen-Batterie oder den Zellenstapel integriert sein. Ein Kondensator kann eine oder mehrere Kondensatorkomponenten oder -schichten enthalten, wie z.B. eine positive Elektrode oder Kathode, die in Verbindung mit einer entsprechenden negativen Elektrode oder Anode als Kondensator fungieren kann, die parallel oder gestapelt mit der einen oder mehreren Elektroden, die die Lithiumionen-Batterie bilden, angeordnet sind. Die eine oder mehreren Kondensatorkomponenten oder -schichten können in ein Gehäuse integriert sein, das die Lithiumionen-Batterie oder den Stapel bildet, so dass eine Kondensatorkomponente auch mit dem Elektrolyten der Lithiumionen-Batterie in Verbindung steht. Jede der negativen und positiven Elektroden und Kondensatorkomponenten innerhalb eines Hybridbatterie-Packs oder Zellenstapels kann mit einem Stromkollektor verbunden sein (typischerweise ein Metall, wie z.B. Kupfer für die Anode und/oder kondensatorgestützte Anode und Aluminium für die Kathode und/oder kondensatorgestützte Kathode). Während des Batteriebetriebs sind die den (gestapelten) Elektroden zugeordneten Stromkollektoren durch einen externen Stromkreis verbunden, der den durch Elektronen erzeugten Strom zwischen den Elektroden fließen lässt, um den Transport von Lithiumionen zu kompensieren.
Als Hintergrund zeigen 1A-1B die Stromverteilung in einer einzelnen Hochleistungs-Lithiumionen-Beutelzelle 10, wie sie in Electrochimica Acta, 133, Seiten 197-208 (2014) beschrieben ist, auf deren relevante Teile hiermit Bezug genommen wird. Wie man sehen kann, fließt der Strom zwischen einer negativen Elektrodenlasche 12 und einer positiven Elektrodenlasche 14. Wie in 1B gezeigt, ist eine vereinfachte Lithiumionen-Batterie mit planaren Elektroden dargestellt, die zusammengesetzt sein können. Die negative Elektrodenlasche 12 ist elektrisch mit einem internen negativen Stromkollektor 16 und der aktiven Schicht 18 der negativen Elektrode verbunden, die zusammen eine negative Elektrode bilden. In ähnlicher Weise ist die positive Elektrodenlasche 14 elektrisch mit einem internen negativen Stromkollektor 20 und der aktiven Schicht 22 der positiven Elektrode verbunden, die zusammen eine positive Elektrode bilden. Die positive und negative Elektrode sind durch einen porösen Separator 24 elektrisch voneinander isoliert. Wie man sehen kann, konzentriert sich der Stromfluss im Allgemeinen auf Bereiche in der Nähe der positiven Elektrodenlasche 14 und der negativen Elektrodenlasche 12. Die Pfeile in z-Richtung entsprechen im Allgemeinen dem Reaktionsstrom und dem Transport von Lithiumionen (Li⁺) von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode während eines Entladungsvorgangs. Die Pfeile in den x-y-Ebenen entsprechen dem Stromflussweg auf den Elektroden als Strom, der während der Entladung von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode fließt.
2 zeigt die Wärmebildaufnahme einer Lithiumionen-Beutelzelle, die sich mit einer 5-C-Rate in Umgebungsluft entlädt, reproduziert auf der Grundlage von Daten aus dem Journal of the Electrochemical Society, 161 (14) Seiten A2168-A2174 (2014), auf deren relevante Teile hiermit Bezug genommen wird und die eine hohe Wärmeentwicklung in der Nähe der positiven Elektrodenlasche 14 zeigen. Die y-Achse ist ein Temperaturbereich von 33 °C bis 41 °C. Die C-Rate ist eine Rate, mit der sich eine Lithiumionen-Batterie im Verhältnis zu ihrer maximalen Kapazität entlädt, wobei eine Rate von 1 C auch als eine einstündige Entladung bekannt ist und eine Entladung von 5 C eine vollständige Entladung in etwa 12 Minuten darstellt. Wie zu sehen ist, wird eine ungleichmäßige thermische Verteilung während des Hochleistungsbetriebs der elektrochemischen Lithiumionen-Zelle beobachtet, wobei unter bestimmten Bedingungen der elektrische Konnektor der positiven Elektrodenlasche 14 der heißeste Bereich sein kann. Während des Hochstromladens oder -entladens können unerwünschte Temperatur-/Thermogradienten beobachtet werden. Wenn Thermogradienten innerhalb der elektrochemischen Zelle zunehmen, kann dies zu einer uneinheitlichen Alterung der einzelnen Elektroden führen, was die Lebensdauer der Zelle beeinträchtigen könnte. Daher ist die Hochleistungsfähigkeit von elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellen durch die thermische Regulierung und den Stromfluss innerhalb der Elektroden begrenzt, insbesondere bei kondensatorgestützten Hybridbatteriekonstruktionen, die eine momentane hohe Leistungssteigerung und Regeneration oder Wiederaufladung ermöglichen. Wie hier verwendet, kann unter Hochleistungsladen und -entladen eine Lade- oder Entladerate von mehr als oder gleich 5 C bis weniger als oder gleich etwa 50 C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 0,05 Sekunden bis weniger als oder gleich etwa 30 Sekunden verstanden werden.
3 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung einer kondensatorgestützten elektrochemischen Lithiumionen-Zelle (z.B. Batterie) 30. Die kondensatorgestützte Batterie 30 enthält mindestens zwei positive Elektroden 40, 50 und mindestens zwei negative Elektroden 60, 70. Die kondensatorgestützte Batterie 30 kann außerdem einen Elektrolyten 100 enthalten. Eine erste positive Elektrode 40 kann parallel zu einer zweiten positiven Elektrode 50 liegen, und eine negative Elektrode 60 kann dazwischen angeordnet sein. Eine zweite negative Elektrode 70 kann parallel zu einer Seite oder Oberfläche der zweiten positiven Elektrode 50 sein, die der negativen Elektrode 60 gegenüberliegt. Die einzelnen Elektroden 40, 50, 60, 70 können einen dazwischen angeordneten porösen Separator 80 aufweisen, um eine elektrische Trennung zwischen Elektroden entgegengesetzter Polarität zu gewährleisten. Bei Konstruktionen mit flüssigem Elektrolyten enthält die elektrochemische Zelle 30 eine Separatorstruktur. Bei bestimmten Konstruktionen mit Festelektrolyt kann jedoch in der elektrochemischen Zelle kein Separator 80 erforderlich sein, da der Festelektrolyt sowohl die Rolle des elektrischen Isolators als auch die des Ionenleiters übernehmen kann.
In bestimmten Aspekten können, wie gezeigt, die Elektroden 40, 50, 60, 70 innerhalb eines einzigen Batteriegehäuses 110, das einen Elektrolyten 100 enthält, angeordnet sein. Dem Fachmann wird jedoch klar sein, dass in verschiedenen anderen Aspekten andere Gehäusesysteme oder Konstruktionen vorhanden sein können. Zum Beispiel können in bestimmten Variationen die erste positive Elektrode 40 und die negative Elektrode 60 in einem ersten Gehäuse (z.B. einem Batteriegehäuse) mit einem ersten Elektrolyten und die zweite positive Elektrode 50 und die zweite negative Elektrode 70 in einem zweiten Gehäuse (z.B. einem Kondensatorgehäuse) mit einem zweiten Elektrolyten angeordnet sein. In solchen Fällen kann der erste Elektrolyt der gleiche oder ein anderer als der zweite Elektrolyt sein.
In verschiedenen Aspekten kann die kondensatorgestützte Batterie 30 mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 25 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des Elektrolyten 100 enthalten. Jeder geeignete Elektrolyt 100, ob in fester, flüssiger oder Gelform, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen den Elektroden 40, 50, 60, 70 zu leiten, kann in der kondensatorgestützten Batterie 30 verwendet werden. Zum Beispiel kann der Elektrolyt 100 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz enthält, das in einem organischen Lösungsmittel oder einer Mischung organischer Lösungsmittel gelöst ist. In der kondensatorgestützten Batterie 30 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Elektrolytlösungen verwendet werden.
Zu den geeigneten Lithiumsalzen gehören im Allgemeinen inerte Anionen. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöst werden können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆); Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF₂(C₂O₄)) (LiODFB), Lithium-Tetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄), Lithium-Bis (oxalat)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB), Lithium-Tetrafluoroxalatophosphat (LiPF₄(C₂O₄)) (LiFOP), Lithiumnitrat (LiNO₃), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithium-bis(trifluormethansulfonimid) (LiTFSI) (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI) und Kombinationen davon. In bestimmten Variationen ist das Lithiumsalz aus Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiTFSI) (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI) und Kombinationen davon ausgewählt.
Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Mehrzahl von organischen Lösungsmitteln gelöst werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf verschiedene Alkylcarbonate, wie z.B. zyklische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (e.g. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (z.B. y-Butyrolacton, y-Valerolacton), Kettenstruktur-Ether (z.B. 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran), 1,3-Dioxolan (DOL)), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon. In verschiedenen Aspekten kann der Elektrolyt 100 eine Konzentration von mehr als oder gleich 1 M bis weniger als oder gleich etwa 2 M des einen oder mehrerer Lithiumsalze enthalten. In bestimmten Variationen, z.B. wenn der Elektrolyt eine Lithium-Konzentration von mehr als etwa 2 M oder ionische Flüssigkeiten hat, kann der Elektrolyt 100 einen oder mehrere Verdünner enthalten, wie z.B. Fluorethylencarbonat (FEC) und/oder Hydrofluorether (HFE).
In verschiedenen Aspekten kann der Elektrolyt 100 ein Festkörperelektrolyt sein, der ein oder mehrere Festkörperelektrolytteilchen enthält, die ein oder mehrere polymerbasierte Teilchen, oxidbasierte Teilchen, sulfidbasierte Teilchen, halidbasierte Teilchen, boratbasierte Teilchen, nitridbasierte Teilchen und hydridbasierte Teilchen umfassen können. Ein solcher Festkörperelektrolyt kann in einer Mehrzahl von Schichten angeordnet werden, um eine dreidimensionale Struktur zu bilden. In verschiedenen Aspekten können die polymerbasierten Teilchen mit einem Lithiumsalz vermischt sein, so dass sie als festes Lösungsmittel wirken.
In bestimmten Variationen können die polymerbasierten Teilchen ein oder mehrere Polymermaterialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyethylenglykol, Poly(p-phenylenoxid) (PPO), Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Poly(vinylidenfluorideco-hexafluorpropylen (PVDFHFP), Polyvinylchlorid (PVC) und Kombinationen davon. In einer Variation können das eine oder die mehreren Polymermaterialien eine Ionenleitfähigkeit von etwa 10^-4 S/cm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten können die oxidbasierten Teilchen eine oder mehrere Granatkeramiken, Oxide vom Typ LISICON, Oxide vom Typ NASICON und Keramiken vom Typ Perowskit umfassen. Beispielsweise können die eine oder mehreren Granatkeramiken aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li_6,5La₃Zr_1,75Te_0,25O₁₂, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li_6,2Ga_0,3La_2,95Rb_0,05Zr₂O₁₂, Li_6,85La_2,9Ca_0,1Zr_1,75Nb_0,25O₁₂, Li_6,25Al_0,25La₃Zr₂O₁₂, Li_6,75La₃Zr_1,75Nb_0,25O₁₂, Li_6,75La₃Zr_1,75Nb_0,25O₁₂ und Kombinationen davon. Das eine oder die mehreren Oxide vom LISICON-Typ können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li₁₄Zn(GeO₄)₄, Li_3+x(P_1-xSi_x)O₄ (wobei 0 < x < 1), Li_3+xGe_xV_1-xO₄ (wobei 0 < x < 1) und Kombinationen davon. Das eine oder die mehreren Oxide vom Typ NASICON können durch LiMM'(PO₄)₃ gebildet sein, wobei M und M' unabhängig voneinander aus Al, Ge, Ti, Sn, Hf, Zr und La ausgewählt sind. Zum Beispiel können in bestimmten Variationen das eine oder die mehreren Oxide des NASICON-Typs aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃ (LAGP) (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃ (LATP) (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Li_1+xY_xZr_2-x(PO₄)₃ (LYZP) (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Li_1,3Al_0,3Ti_1,7(PO₄)₃, LiTi₂(PO₄)₃, LiGeTi(PO₄)₃, LiGe₂(PO₄)₃, LiHf₂(PO₄)₃ und Kombinationen davon. Die eine oder mehrere Keramiken des Perowskit-Typs können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li_3,3La_0,53TiO₃, LiSr_1,65Zr_1,3Ta_1,7O₉, Li_2x-ySr_1-xTa_yZr_1-yO₃ (wobei x = 0,75y und 0,60 < y < 0,75), Li_3/8Sr_7/16Nb_3/4Zr_1/4O₃, Li_3xLa(_2/3-x)TiO₃ (wobei 0 < x < 0,25) und Kombinationen davon. In einer Variation können das eine oder die mehreren oxidbasierten Materialien eine Ionenleitfähigkeit von mehr als oder gleich etwa 10^-5 S/cm bis weniger als oder gleich etwa 10^-3 S/cm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten können die Teilchen auf Sulfidbasis ein oder mehrere Materialien auf Sulfidbasis enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₂S-P₂S₅, Li₂S-P₂S₅MS_x (wobei M für Si, Ge und Sn steht und 0 ≤ x ≤ 2), Li_3,4Si_0,4P_0,6S₄, L1₁₀GeP₂S_11,7O₀,₃, Li_9,6P₃S₁₂, Li₇P₃S₁₁, Li₉P₃S₉O₃, L1_10,35Si_1,35P_1,65S₁₂, Li_9,8,Sn_0,8,P_2,19S₁₂, Li₁₀(Si_0,5Ge_0,5)P₂S₁₂, Li(Ge_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂, Li(Si_0,5Sn_0,5)P_sS₁₂, Li₁₀GeP₂S₁₂ (LGPS), Li₆PS₅X (wobei X für Cl, Br oder I steht), Li₇P₂S₈I, Li_10,35Ge_1,35P_1,65S₁₂, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄, Li₁₀SnP₂S₁₂, Li₁₀SiP₂S₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, (1-X)P₂S₅-xLi₂S (wobei 0,5≤x≤0,7) und Kombinationen davon. In einer Variation können das eine oder die mehreren Materialien auf Sulfidbasis eine Ionenleitfähigkeit von mehr als oder gleich etwa 10^-7 S/cm bis weniger als oder gleich etwa 10^-2 S/cm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten können die halidbasierten Teilchen ein oder mehrere halidbasierte Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₂CdCl₄, Li₂MgC₁₄, Li₂Cdl₄, Li₂Znl₄, Li₃OCl, Lil, Li₅Zn1₄, Li₃0Cl_1-xBr_x (wobei 0 < x < 1) und Kombinationen davon. In einer Variation können das eine oder die mehreren halidbasierten Materialien eine Ionenleitfähigkeit von mehr als oder gleich etwa 10^-8 S/cm bis weniger als oder gleich etwa 10^-5 S/cm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten können die boratbasierten Teilchen ein oder mehrere boratbasierte Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₂B₄O₇, Li₂O-(B₂O₃)-(P₂O₅) und Kombinationen davon. In einer Variation können das eine oder die mehreren Materialien auf Boratbasis eine lonenleitfähigkeit von mehr als oder gleich etwa 10^-7 S/cm bis weniger als oder gleich etwa 10^-6 S/cm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten können die nitridbasierten Teilchen ein oder mehrere nitridbasierte Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₃N, Li₇PN₄, LiSi₂N₃, LiPON und Kombinationen davon. In einer Variation können das eine oder die mehreren nitridbasierten Materialien eine Ionenleitfähigkeit von mehr als oder gleich etwa 10^-9 S/cm bis weniger als oder gleich etwa 10^-3 S/cm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten können die hydridbasierten Teilchen ein oder mehrere hydridbasierte Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₃AlH₆, LiBH₄, LiBH₄-LiX (wobei X eines von Cl, Br und I ist), LiNH₂, Li₂NH, LiBH₄-LiNH₂ und Kombinationen davon. In einer Variation können das eine oder die mehreren Materialien auf Hydridbasis eine Ionenleitfähigkeit von größer oder gleich etwa 10^-7 S/cm bis kleiner oder gleich etwa 10^-4 S/cm aufweisen.
In noch weiteren Variationen kann der Elektrolyt 100 ein Quasifest-Elektrolyt sein, der ein Hybrid aus der oben beschriebenen nichtwässrigen flüssigen Elektrolytlösung und Festkörperelektrolytsystemen enthält - z.B. mit einer oder mehreren ionischen Flüssigkeiten und einem oder mehreren Metalloxidteilchen, wie Aluminiumoxid (Al2O₃) und/oder Siliciumdioxid (SiO₂).
Wenn der Elektrolyt 100 eine Flüssigkeit ist, kann der poröse Separator 80 in einigen Fällen einen mikroporösen polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin (einschließlich solcher, die aus einem Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder einem Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) hergestellt sind) enthält, das entweder linear oder verzweigt sein kann. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP sein. Zu den kommerziell erhältlichen porösen Polyolefin-Separatormembranen gehören CELGARD^® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind.
Wenn der poröse Separator 80 ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrschichtiges Laminat handeln. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen Polymerseparator 80 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 80 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter haben können. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen zusammengesetzt werden, um den mikroporösen Polymerseparator 80 zu bilden. Der mikroporöse Polymerseparator 80 kann alternativ oder zusätzlich zum Polyolefin auch andere Polymere enthalten, wie z.B., aber nicht nur, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamid (Nylons), Polyurethane, Polycarbonate, Polyester, Polyetheretherketone (PEEK), Polyethersulfone (PES), Polyimide (PI), Polyamid-Imide, Polyether, Polyoxymethylen (z.B. Acetal), Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Polymethylpenten, Polyolefin-Copolymere, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS), Polystyrol-Copolymere, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polysiloxanpolymere (wie z.B. Polydimethylsiloxan (PDMS)), Polybenzimidazol (PBI), Polybenzoxazol (PBO), Polyphenylene, Polyarylenetherketone, Polyperfluorcyclobutane, Polyvinylidenfluorid-Copolymere (z.B. PVdF-Hexafluorpropylen oder (PVdF-HFP)) und Polyvinylidenfluorid-Terpolymere, Polyvinylfluorid, flüssigkristalline Polymere (z. B. VECTRAN™ (Hoechst AG, Deutschland) und ZENITE^® (DuPont, Wilmington, DE)), Polyaramide, Polyphenylenoxid, Cellulosematerialien, mesoporöses Siliciumdioxid und/oder Kombinationen davon.
Darüber hinaus kann der poröse Separator 80 mit einem keramischen Material gemischt oder seine Oberfläche mit einem keramischen Material beschichtet sein. Eine keramische Beschichtung kann zum Beispiel Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) oder Kombinationen davon enthalten. Es werden verschiedene herkömmlich erhältliche Polymere und kommerzielle Produkte zur Bildung des Separators 80 in Betracht gezogen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 kann in verschiedenen Aspekten die erste positive Elektrode 40 einen ersten positiven Stromkollektor 42 und eine oder mehrere erste positive elektroaktive Materialschichten 44 enthalten. Die eine oder mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 können in elektrischer Verbindung mit dem ersten positiven Stromkollektor 42 angeordnet sein. Zum Beispiel kann die erste positive elektroaktive Materialschicht 44 an oder auf einer oder mehreren parallelen Oberflächen des ersten positiven Stromkollektors 42 angeordnet sein.
In verschiedenen Aspekten kann die zweite positive Elektrode 50 einen zweiten positiven Stromkollektor 52 und eine oder mehrere zweite positive elektroaktive Materialschichten 54 enthalten. Die eine oder die mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 können in elektrischer Verbindung mit dem zweiten positiven Stromkollektor 52 angeordnet sein. Zum Beispiel kann die zweite positive elektroaktive Materialschicht 54 an oder auf einer oder mehreren parallelen Oberflächen des zweiten positiven Stromkollektors 52 angeordnet sein. Wie dargestellt, kann eine zweite Schicht 54 aus positivem elektroaktivem Material auf jeder entgegengesetzten Seite des zweiten positiven Stromkollektors 52 angeordnet sein, um eine Zweischichtstruktur zu bilden.
Die eine oder die mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 und die eine oder die mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 können jeweils ein positives elektroaktives Material auf Lithiumbasis enthalten, das Lithiumeinlagerung und -auslagerung, Absorption und Desorption, Legieren und Entfernen oder Plattieren und Ablösen ertragen kann, während es als positiver Anschluss der kondensatorgestützten Batterie 30 fungiert. In verschiedenen Aspekten können die eine oder die mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 das gleiche oder ein anderes positives elektroaktives Material auf Lithiumbasis enthalten wie die eine oder die mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54.
In bestimmten Variationen kann die eine oder mehrere erste positive elektroaktive Materialschicht 44 ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität enthalten. Die eine oder mehrere zweite positive elektroaktive Materialschicht 54 kann ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität enthalten. Wie weiter unten besprochen wird, kann jede elektroaktive Schicht auch ein polymeres Bindemittel und optional eine Mehrzahl elektrisch leitender Teilchen enthalten.
Ein elektroaktives positives Material mit hoher Energiekapazität kann eine spezifische Kapazität von größer oder gleich etwa 90 mAh/g, optional größer oder gleich etwa 120 mAh/g, optional größer oder gleich etwa 140 mAh/g, optional größer oder gleich etwa 160 mAh/g, optional größer oder gleich etwa 180 mAh/g, optional größer oder gleich etwa 200 mAh/g, optional größer oder gleich etwa 220 mAh/g und in bestimmten Variationen optional größer oder gleich etwa 250 mAh/g aufweisen.
Ein elektroaktives positives Material mit hoher Leistungskapazität kann ein Potential gegenüber Li/Li+ von mehr als oder gleich etwa 1 V während der Einbringung und/oder Absorption von Lithiumionen aufweisen, optional ein Potential gegenüber Li/Li+ von mehr als oder gleich etwa 1,5 V während der Einbringung und/oder Absorption von Lithiumionen.
Zum Beispiel kann jede der einen oder mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 und der einen oder mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 durch eine Mehrzahl von positiven elektroaktiven Teilchen (nicht gezeigt) gebildet sein, die ein oder mehrere Übergangsmetallkationen, wie Mangan (Mn), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Vanadium (V) und Kombinationen davon umfassen. Unabhängige Mehrzahlen von solchen positiven elektroaktiven Teilchen können in Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionalen Strukturen der einen oder mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 und der einen oder mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 zu bilden. In bestimmten Variationen können die eine oder die mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 und die eine oder die mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 ferner Elektrolyt 100 enthalten, zum Beispiel eine Mehrzahl von Elektrolytteilchen (nicht gezeigt). Die eine oder die mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 und/oder die eine oder die mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 können jeweils eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten können die eine oder die mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 und die eine oder die mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 jeweils aus einer geschichteten Oxidkathode, einer Spinellkathode und einer Polyanionkathode sein. Zum Beispiel enthalten geschichtete Oxidkathoden (z.B. Steinsalzschichtoxide) ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien auf Lithiumbasis, ausgewählt aus LiCoO₂ (LCO), LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_1-x-yCo_xAl_yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1) und Li_1+xMO₂ (wobei M eines von Mn, Ni, Co und Al ist und 0 ≤ x ≤ 1). Spinellkathoden enthalten ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien auf Lithiumbasis, ausgewählt aus LiMn₂O₄ (LMO) und LiNi_xMn_1,5O₄. Kathoden vom Olivintyp umfassen ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien auf Lithiumbasis LiMPO₄ (wobei M mindestens eines der Elemente Fe, Ni, Co und Mn ist). Zu den Polyanion-Kationen gehören beispielsweise ein Phosphat wie LiV₂(PO₄)₃ und/oder ein Silikat wie LiFeSiO₄. Auf diese Weise können die eine oder die mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 34 und die eine oder die mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 jeweils (unabhängig voneinander) ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien auf Lithiumbasis enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: LiCoO₂ (LCO), LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 ist), LiNi_1-x-yCo_xAl_yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 ist), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 ist), Li_1+xMO₂ (wobei M eines von Mn, Ni, Co, Al und 0 ≤ x ≤ 1 ist), LiMn₂O₄ (LMO), LiNi_xMn_1,5O₄, LiV₂(PO₄)₃, LiFeSiO₄, LiMPO₄ (wobei M mindestens eines von Fe, Ni, Co und Mn ist) und Kombinationen davon.
Wie vorstehend beschrieben, kann in bestimmten Variationen ein elektroaktives Material mit hoher Leistungskapazität in einer der positiven Elektroden 40, 50 befinden. Beispielsweise können eine oder mehrere zweite positive elektroaktive Materialschichten 54 in der zweiten positiven Elektrode 50 ein aktives Material umfassen, wie z. B. poröse Kohlenstoffmaterialien, die Aktivkohlen (AC), Kohlenstoff-Xerogele, Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), mesoporöse Kohlenstoffe, Templat-Kohlenstoffe, von Karbid abgeleitete Kohlenstoffe (CDC), Graphen, poröse Kohlenstoffkugeln und Heteroatom-dotierte Kohlenstoffmaterialien umfassen. Faradaysche Kondensatormaterialien können ebenfalls enthalten sein, wie z.B. Edelmetalloxide, z.B. RuO₂, Übergangsmetalloxide oder -hydroxide, wie MnO₂, NiO, Co₃O₄, Co(OH)₂, Ni(OH)₂ und dergleichen. Die von Faradayschen Kondensatormaterialien gelieferte Kapazität wird als Pseudokapazität bezeichnet, bei der es sich um intrinsisch schnelle und reversible Redoxreaktionen handelt. Andere kondensatoraktive Materialien können leitende Polymere wie Polyanilin (PANI), Polythiophen (PTh), Polyacetylen, Polypyrrol (PPy) und ähnliches umfassen. Gemäß weiteren Aspekten kann das elektroaktive Material mit hoher Leistungskapazität eine Lithiumtitanatverbindung sein, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Li_4+xTisO₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3, einschließlich Lithiumtitanat (Li₄Ti₅O₁₂) (LTO), Li_4-x ^a _/3Ti_5-2x ^a _/3Cr_x ^a O₁₂, wobei 0 ≤ x^a ≤ 1, Li₄Ti_5-x ^bSc_x ^bO₁₂, wobei 0 ≤ x^b ≤ 1, Li_4-x ^cZn_x ^cTi₅O₁₂, wobei 0 ≤ x^c ≤ 1, Li₄TiNb₂O₇ und Kombinationen davon.
In bestimmten Variationen kann sich das elektroaktive Material mit hoher Leistungskapazität in einer der positiven Elektroden befinden (z.B. in der zweiten Elektrode 50) und ein elektroaktives Material umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Aktivkohle, Hartkohle, Weichkohle, porösen Kohlenstoffmaterialien, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Xerogelen, mesoporösen Kohlenstoffen, Templat-Kohlenstoffen, von Karbid abgeleiteten Kohlenstoffen (CDCs), Graphen, porösen Kohlenstoffkugeln, Heteroatom-dotierten Kohlenstoffmaterialien, Metalloxiden von Edelmetallen, wie RuO₂, Übergangsmetallen, Hydroxiden von Übergangsmetallen, MnO₂,NiO, Co₃O₄, Co(OH)₂, Ni(OH)₂, Polyanilin (PANI), Polythiophen (PTh), Polyacetylen, Polypyrrol (PPy) und dergleichen.
In verschiedenen Aspekten können das eine oder die mehreren positiven elektroaktiven Materialien auf Lithiumbasis optional beschichtet (z.B. durch LiNbO₃ und/oder Al₂O₃) und/oder dotiert (z.B. durch Magnesium (Mg)) sein. Darüber hinaus können in bestimmten Variationen das eine oder die mehreren positiven elektroaktiven Materialien auf Lithiumbasis optional vermischt sein mit - die eine oder die mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 und die eine oder die mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 können optional enthalten - ein(em) oder mehrere(n) elektrisch leitende(n) Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens ein(em) polymeren/s Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der jeweiligen positiven Elektrode 40, 50 verbessert. Zum Beispiel können die eine oder die mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 und/oder die eine oder die mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des einen oder der mehreren positiven elektroaktiven Materialien auf Lithiumbasis; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-%. % bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% elektrisch leitende Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% eines Bindemittels enthalten.
Die eine oder die mehreren ersten positiven elektroaktiven Materialschichten 44 und/oder die eine oder die mehreren zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 54 können optional vermischt sein mit Bindemitteln wie Poly(tetrafluorethylen) (PTFE), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Poly(vinylidenfluorid) (PVDF), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat und Kombinationen davon. Zu den elektrisch leitenden Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Ruß, Graphit, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und Nanoröhren, Graphen und dergleichen umfassen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
Der erste und zweite positive Stromkollektor 42, 52 können den Elektronenfluss zwischen den positiven Elektroden 40, 50 und einem äußeren Stromkreis erleichtern. Zum Beispiel kann ein unterbrechbarer externer Stromkreis 120 und eine Lastvorrichtung 130 die erste positive Elektrode 40 (über den ersten positiven Stromkollektor 42) und die zweite positive Elektrode 50 (über den zweiten positiven Stromkollektor 52) verbinden. Die positiven Stromkollektoren 42, 52 können Metall, wie z.B. eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall enthalten. Zum Beispiel können die positiven Stromkollektoren 42, 52 aus Aluminium, rostfreiem Stahl und/oder Nickel oder anderen geeigneten elektrisch leitenden Materialien, die den Fachleuten bekannt sind, hergestellt werden. In verschiedenen Aspekten können die ersten und zweiten positiven Stromkollektoren 42, 52 gleich oder unterschiedlich sein.
In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 60 einen ersten negativen Stromkollektor 62 und eine oder mehrere erste negative elektroaktive Materialschichten 64 enthalten. Die eine oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 64 können in elektrischer Verbindung mit dem ersten negativen Stromkollektor 62 angeordnet sein. Zum Beispiel können die eine oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 64 an oder in der Nähe einer oder mehrerer paralleler Oberflächen des ersten negativen Stromkollektors 62 angeordnet sein. Wie dargestellt, kann eine erste negative elektroaktive Materialschicht 64 sowohl an oder auf dem ersten negativen Stromkollektor 62 angeordnet sein, um beispielsweise eine Zweischichtstruktur zu bilden.
Wie die positiven Stromkollektoren 42, 52 kann auch der erste negative Stromkollektor 62 Metall, wie z.B. eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall enthalten. Zum Beispiel kann der erste negative Stromkollektor 62 aus Kupfer, Aluminium oder jedem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen, das den Fachleuten bekannt ist. Die eine oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 64 können ein Lithium-Wirtsmaterial (z.B. negatives elektroaktives Material) enthalten, das als negativer Anschluss der kondensatorgestützten Batterie 30 fungieren kann. Die eine oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 64 können durch eine Mehrzahl negativer elektroaktiver Teilchen (nicht gezeigt) gebildet sein, die auf Lithium basieren. Das elektroaktive Material kann z.B. ein Lithiummetall und/oder eine Lithiumlegierung auf Siliciumbasis enthalten, die z.B. aus Silicium oder einer Siliciumlegierung oder Siliciumoxid besteht. Das elektroaktive Material kann auch enthalten Graphit; kohlenstoffhaltiges Material, das z.B. eines oder mehrere von Aktivkohle (AC), Aktivkohle (AC), Hartkohle (HC), Weichkohle (SC), Graphit, Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren („CNT“) enthält; und/oder ein oder mehrere lithiumakzeptierende Anodenmaterialien umfassen, wie Lithium-Titanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), ein oder mehrere Übergangsmetalle (wie Zinn (Sn)), ein oder mehrere Metalloxide (wie Vanadiumoxid (V₂O₅), Titandioxid (TiO₂)), Titan-Nioboxid (Ti_xNb_yO_z, wobei 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 24 und 0 ≤ z ≤ 64), und ein oder mehrere Metallsulfide (wie Eisen(lI)sulfid (FeS)).
Die eine oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 64 können jeweils ein negatives elektroaktives Material enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiummetall, Lithiumlegierung, Silicium (Si), Siliciumlegierung, Siliciumoxid, Aktivkohle (AC), Hartkohle (HC), Weichkohle (SC), Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Lithium-Titanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), Zinn (Sn), Vanadiumoxid (V₂O₅), Titandioxid (TiO₂), Titan-Nioboxid (Ti_xNb_yO_z, wobei 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 24, und 0 ≤ z ≤ 64), Eisensulfid (FeS) und Kombinationen davon. Die eine oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 64 können jeweils eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm aufweisen.
In bestimmten Variationen können die eine oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 64 ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität enthalten. Wie im Folgenden beschrieben wird, können die eine oder mehreren zweiten negativen elektroaktiven Materialschichten 74 in der zweiten negativen Elektrode 70 ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität enthalten. Das negative elektroaktive Material mit hoher Energiekapazität kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: kohlenstoffhaltigen Materialien, Silicium, siliciumhaltigen Legierungen, zinnhaltigen Legierungen und Kombinationen davon. In bestimmten Variationen besteht das elektroaktive Material mit hoher Energiekapazität aus einer kohlenstoffhaltigen Verbindung, wie z.B. ungeordneten Kohlenstoffen und graphitischen Kohlenstoffen/Graphit.
In bestimmten Variationen kann sich das elektroaktive Material mit hoher Leistungskapazität in einer der negativen Elektroden 60, 70 befinden und ein aktives Material umfassen, wie z.B. poröse Kohlenstoffmaterialien, die Aktivkohlen (AC), Kohlenstoff-Xerogele, Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), mesoporöse Kohlenstoffe, Templat-Kohlenstoffe, von Karbid abgeleitete Kohlenstoffe (CDC), Graphen, poröse Kohlenstoffkugeln und Heteroatom-dotierte Kohlenstoffmaterialien umfassen. Faradaysche Kondensatormaterialien können ebenfalls enthalten sein, wie z.B. Edelmetalloxide, z.B. RuO₂, Übergangsmetalloxide oder -hydroxide, wie MnO₂, NiO, Co₃O₄, Co(OH)₂, Ni(OH)₂ und dergleichen. Die von Faradayschen Kondensatormaterialien gelieferte Kapazität wird als Pseudokapazität bezeichnet, bei der es sich um intrinsisch schnelle und reversible Redoxreaktionen handelt. Andere aktive Kondensatormaterialien können leitende Polymere wie Polyanilin (PANI), Polythiophen (PTh), Polyacetylen, Polypyrrol (PPy) und ähnliches enthalten. Gemäß weiteren Aspekten kann das elektroaktive Material mit hoher Leistungskapazität eine Lithiumtitanatverbindung sein, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Li_4+xTi₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3, einschließlich Lithiumtitanat (Li₄TisO₁₂) (LTO), Li_4-x ^a _/3Ti_5-2x ^a _/3Cr_x ^a O₁₂, wobei 0 ≤ x^a ≤ 1, Li₄Ti_5-x ^bSc_x ^bO₁₂, wobei 0 ≤ x^b ≤ 1, Li_4-x ^cZn_x ^cTi₅O₁₂, wobei 0 ≤ x^c ≤ 1, Li₄TiNb₂O₇ und Kombinationen davon.
In bestimmten Variationen kann sich das elektroaktive Material mit hoher Leistungskapazität in einer der negativen Elektroden 60, 70 befinden und ein elektroaktives Material umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Aktivkohle, Hartkohle, Weichkohle, porösen Kohlenstoffmaterialien, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Xerogelen, mesoporösen Kohlenstoffen, Templat-Kohlenstoffen, von Karbid abgeleiteten Kohlenstoffen (CDCs), Graphen, porösen Kohlenstoffkugeln, Heteroatom-dotierten Kohlenstoffmaterialien, Metalloxiden von Edelmetallen, wie RuO₂, Übergangsmetallen, Hydroxiden von Übergangsmetallen, MnO₂,NiO, Co₃O₄, Co(OH)₂, Ni(OH)₂, Polyanilin (PANI), Polythiophen (PTh), Polyacetylen, Polypyrrol (PPy) und dergleichen.
In bestimmten anderen Aspekten kann die negative Elektrode ein negatives elektroaktives Material enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiummetall, Lithiumlegierung, Silicium (Si), Siliciumlegierung, Siliciumoxid, Aktivkohle, Hartkohle, Weichkohle, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Lithium-Titanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), Zinn (Sn), Vanadiumoxid (V₂O₅), Titandioxid (TiO₂), Titan-Nioboxid (Ti_xNb_yO_z mit 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 24 und 0 ≤ z ≤ 64), Eisensulfid (FeS) und Kombinationen davon.
In verschiedenen Aspekten können das eine oder die mehreren negativen elektroaktiven Materialien optional mit einem oder mehreren elektrisch leitenden Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial vermischt sein, das die strukturelle Integrität der einen oder der mehreren elektroaktiven Materialschichten 64 in der negativen Elektrode 60 verbessert. Zum Beispiel können die eine oder die mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 64 mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% elektrisch leitende Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% eines Bindemittels enthalten.
Die eine oder mehreren ersten negativen elektroaktiven Materialschichten 64 können optional mit Bindemitteln wie Poly(tetrafluorethylen) (PTFE), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Poly(vinylidenfluorid) (PVDF), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat und Kombinationen davon vermischt sein. Zu den elektrisch leitenden Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Ruß, Graphit, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und Nanoröhren, Graphen und dergleichen umfassen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
In verschiedenen Aspekten kann die vierte negative Elektrode 70 einen zweiten negativen Stromkollektor 72 und eine oder mehrere zweite negative elektroaktive Materialschichten 74 enthalten. Die eine oder mehreren zweiten negativen elektroaktiven Materialschichten 74 können in elektrischer Verbindung mit dem zweiten negativen Stromkollektor 72 angeordnet sein. Zum Beispiel können die eine oder mehreren zweiten negativen elektroaktiven Materialschichten 74 an oder auf einer oder mehreren parallelen Oberflächen des zweiten negativen Stromkollektors 72 angeordnet sein. Die eine oder mehreren zweiten negativen elektroaktiven Materialschichten 74 können ein elektroaktives Material wie die im Zusammenhang mit der ersten negativen Elektrode 60 diskutierten enthalten.
Wie der erste negative Stromkollektor 72 kann auch der zweite negative Stromkollektor 72 Metall, wie z.B. eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall enthalten. Zum Beispiel kann der zweite negative Stromkollektor 72 aus Kupfer, Aluminium oder jedem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen, das den Fachleuten bekannt ist. Der zweite negative Stromkollektor 72 kann gleich oder verschieden von dem ersten negativen Stromkollektor 62 sein. Der erste und der zweite negative Stromkollektor 62, 72 können den Elektronenfluss zwischen den negativen Elektroden 60, 70 und dem äußeren Stromkreis 120 erleichtern. Zum Beispiel können der unterbrechbare externe Stromkreis 120 und die Lastvorrichtung 130 die erste negative Elektrode 60 (durch den ersten negativen Stromkollektor 62) und die zweite negative Elektrode 70 (durch den zweiten positiven Stromkollektor 72) entweder in Reihe oder parallel verbinden.
In bestimmten Variationen kann die erste positive Elektrode ein positives elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität enthalten. Die zweite positive Elektrode kann ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität enthalten. Die dritte negative Elektrode und die vierte negative Elektrode können das gleiche negative elektroaktive Material enthalten. Die erste positive Elektrode und die dritte negative Elektrode bilden eine Lithiumionen-Batterie. Die zweite positive Elektrode und die vierte negative Elektrode bilden einen Kondensator.
4A-4B und 5 zeigen Komponenten, die eine kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 bilden, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten zur Verringerung der Stromdichte beim Hochleistungsladen und -entladen mit Laschen an vier verschiedenen Kanten aufweist. Eine erste positive Elektrode 160 hat eine erste Polarität und definiert vier Seitenkanten, darunter zwei Kanten 162 mit einer ersten Dimension 152 (z.B. Länge). Die beiden Kanten 162 sind parallel und einander entgegengesetzt über die erste positive Elektrode 160 angeordnet. Es gibt auch zwei Kanten 164 mit einer zweiten Dimension 154 (z.B. Länge), die größer als die erste Dimension ist, die ebenfalls parallel, aber einander entgegengesetzt über die erste positive Elektrode 160 verlaufen. Auf diese Weise definiert die erste positive Elektrode 160 eine allgemein rechteckige Form. Es ist zu beachten, dass in alternativen Variationen die rechteckige Form tatsächlich ein Quadrat sein kann, wobei die erste Länge von zwei Kanten 162 und die zweite Länge von zwei Kanten 164 gleich sein kann. Dies gilt für jede der hier besprochenen rechteckigen Formen.
Die erste positive Elektrode 160 hat zwei erste elektrisch leitende Laschen 166, die an mindestens einer Kante 162 mit der ersten Länge und mindestens einer Kante 164 mit der zweiten Länge angeordnet sind. Wie in 4B dargestellt, sind die ersten elektrisch leitenden Laschen 166 an allen vier Kanten angeordnet, so dass die erste positive Elektrode 160 vier erste elektrisch leitende Laschen 166 aufweist. Jede Lasche 166 ist an einer Position auf einer ersten Seite 168 der jeweiligen Kanten 162, 164 angeordnet. Jede Lasche 166 hat eine Breite von 156 und eine Höhe von 158. Jede Lasche hat eine Breite 156, die weniger als die Hälfte der Länge jeder Kante einnimmt, z.B. kann eine Laschenbreite 156 größer oder gleich etwa 20 % bis kleiner oder gleich etwa 45 % der Gesamtlänge jeder jeweiligen Kante sein. In bestimmten Aspekten kann eine Höhe 158 der Lasche 166 größer oder gleich etwa 5 mm bis kleiner oder gleich etwa 30 mm sein. In bestimmten anderen Aspekten kann eine Breite 156 der Lasche 166 größer oder gleich etwa 30 mm bis kleiner oder gleich etwa 300 mm sein. Während jede der Laschen 166 die gleichen Abmessungen und die gleiche rechteckige Form haben kann, können sie auch von Kante zu Kante in Abmessungen und Form variieren.
Die erste positive Elektrode 160 umfasst einen Stromkollektor mit einer darauf aufgebrachten elektroaktiven Schicht. In bestimmten Variationen bildet der Stromkollektor die Mehrzahl der elektrisch leitenden Laschen 166. So können die elektrisch leitenden Laschen 166 aus dem gleichen Material wie ein Stromkollektor, z.B. einer Metallfolie, gebildet sein.
Gezeigt ist außerdem eine zweite positive Elektrode 170 mit der gleichen ersten Polarität wie die erste positive Elektrode 160. In bestimmten Variationen kann die zweite positive Elektrode 170 ein anderes aktives Material umfassen als die erste positive Elektrode 160. Die zweite positive Elektrode 170 definiert vier Seitenkanten, darunter zwei Kanten 172 mit einer ersten Dimension (z.B. Länge). Die beiden Kanten 172 sind parallel und einander entgegengesetzt über die zweite positive Elektrode 170 angeordnet. Es gibt auch zwei Kanten 174 mit einer zweiten Dimension (z.B. Länge), die größer ist als die erste Dimension, die ebenfalls parallel, aber einander entgegengesetzt über die zweite positive Elektrode 170 verlaufen.
Auf diese Weise bildet die zweite positive Elektrode 170 eine allgemein rechteckige Form.
Die zweite positive Elektrode 170 hat mindestens zwei erste elektrisch leitende Laschen 176, die an mindestens einer Kante 172 mit der ersten Länge und mindestens einer Kante 174 mit der zweiten Länge angeordnet sind. Wie in 4B dargestellt, sind die ersten elektrisch leitenden Laschen 176 an allen vier Kanten angeordnet, so dass die zweite positive Elektrode 170 vier zweite elektrisch leitende Laschen 176 aufweist. Jede Lasche 176 ist an einer Position auf einer ersten Seite 178 der jeweiligen Kanten 162, 164 angeordnet. Die erste Seite 168 der ersten positiven Elektrode 160 entspricht der ersten Seite 178 der zweiten positiven Elektrode 170, so dass die Laschen 166, 176 ausgerichtet, übereinandergelegt und miteinander verbunden sein können. Jede Lasche 176 kann die gleichen Eigenschaften und Abmessungen wie die im Zusammenhang mit der ersten positiven Elektrode 160 beschriebenen Laschen 166 haben.
Die zweite positive Elektrode 170 umfasst ebenfalls einen Stromkollektor mit einer darauf aufgebrachten elektroaktiven Schicht. In bestimmten Variationen bildet der Stromkollektor außerdem die Mehrzahl der zweiten elektrisch leitenden Laschen 176. So können die zweiten elektrisch leitenden Laschen 176 aus dem gleichen Material wie ein Stromkollektor, z.B. einer Metallfolie, gebildet sein.
Die nächste Komponente in der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 ist ein Separator 180, der eine elektrische Barriere zwischen der ersten und zweiten positiven Elektrode 160, 170 und den hier zu beschreibenden negativen Elektroden bildet.
Die dritte negative Elektrode 190 hat eine zweite Polarität, die der ersten entgegengesetzt ist. Die Elektrode 190 definiert vier Seitenkanten, darunter zwei Kanten 192 mit einer ersten Dimension (z.B. Länge). Die beiden Kanten 192 sind parallel und einander entgegengesetzt über die Elektrode 190 angeordnet. Es gibt auch zwei Kanten 164 mit einer zweiten Dimension (z.B. Länge), die größer als die erste Dimension ist, die ebenfalls parallel, aber einander entgegengesetzt über die Elektrode 190 verlaufen. Auf diese Weise definiert die Elektrode 190 eine allgemein rechteckige Form. Die Elektrode 190 hat mindestens zwei erste elektrisch leitende Laschen 196, die auf mindestens einer Kante 192 mit der ersten Länge und mindestens einer Kante 194 mit der zweiten Länge angeordnet sind. Die dritten elektrisch leitenden Laschen 196 sind an allen vier Kanten angeordnet, so dass die Elektrode 190 vier dritte elektrisch leitende Laschen 196 aufweist. Jede Lasche 196 ist an einer Position auf einer zweiten Seite 198 der jeweiligen Kanten 192, 194 angeordnet. Bemerkenswert ist, dass die zweite Seite 198 den ersten Seiten 168, 178 entlang der Kanten der ersten positiven Elektroden 160, 170 gegenüberliegt, wenn diese übereinander angeordnet sind. Jede Lasche 196 nimmt weniger als die Hälfte der Gesamtlänge jeder Kante ein, z.B. kann eine Laschenbreite größer oder gleich etwa 20 % bis kleiner oder gleich etwa 45 % der Gesamtlänge jeder jeweiligen Kante sein. In bestimmten Aspekten kann eine Höhe der Lasche 196 größer oder gleich etwa 5 mm bis kleiner oder gleich etwa 30 mm sein. In bestimmten anderen Aspekten kann eine Breite der Lasche 196 größer oder gleich etwa 30 mm bis kleiner oder gleich etwa 300 mm sein. Während jede der Laschen 196 die gleichen Abmessungen und die gleiche rechteckige Form haben kann, können sie auch von Kante zu Kante in Abmessungen und Form variieren.
Die dritte negative Elektrode 190 umfasst einen Stromkollektor mit einer darauf aufgebrachten elektroaktiven Schicht. In bestimmten Variationen bildet der Stromkollektor die dritte Mehrzahl elektrisch leitender Laschen 196. So können die dritten elektrisch leitenden Laschen 196 aus dem gleichen Material wie ein Stromkollektor, z.B. einer Metallfolie, gebildet sein.
Eine vierte negative Elektrode 200 hat die gleiche zweite Polarität wie die dritte negative Elektrode 190. In bestimmten Variationen kann die vierte negative Elektrode 200 ein anderes aktives Material enthalten als die dritte negative Elektrode 190. In anderen Variationen können die dritte und vierte negative Elektrode 190, 200 das gleiche aktive Material enthalten. Die vierte negative Elektrode 200 definiert vier Seitenkanten, darunter zwei Kanten 202 mit einer ersten Dimension (z.B. Länge). Die beiden Kanten 202 sind parallel und einander entgegengesetzt über die Elektrode 200 angeordnet. Es gibt auch zwei Kanten 204 mit einer zweiten Dimension (z.B. Länge), die größer als die erste Dimension ist, die ebenfalls parallel, aber einander entgegengesetzt über die Elektrode 200 verlaufen. Auf diese Weise definiert die Elektrode 200 eine allgemein rechteckige Form.
Die vierte negative Elektrode 200 hat mindestens zwei vierte elektrisch leitende Laschen 206, die an mindestens einer Kante 192 mit der ersten Länge und mindestens einer Kante 194 mit der zweiten Länge angeordnet sind. Die vierten elektrisch leitenden Laschen 206 sind an allen vier Kanten angeordnet, so dass die Elektrode 200 vier erste elektrisch leitende Laschen 206 aufweist. Jede Lasche 206 ist an einer Position auf einer ersten Seite 208 der jeweiligen Kanten 202, 204 positioniert. Die zweite Seite 198 der dritten negativen Elektrode 190 entspricht der ersten Seite 208 der Elektrode 200, so dass sie ausgerichtet, übereinandergelegt und miteinander verbunden sein können. Jede vierte Lasche 206 kann die gleichen Eigenschaften und Abmessungen wie die im Zusammenhang mit der dritten negativen Elektrode 190 beschriebenen Laschen 196 oder die erste positive Lasche 166 haben.
Die vierte negative Elektrode 200 umfasst ebenfalls einen Stromkollektor mit einer darauf aufgebrachten elektroaktiven Schicht. In bestimmten Variationen bildet der Stromkollektor die vierte Mehrzahl elektrisch leitender Laschen 206. So können die elektrisch leitenden Laschen 206 aus dem gleichen Material wie ein Stromkollektor, z.B. einer Metallfolie, gebildet sein.
Die erste positive Elektrode 160, die zweite positive Elektrode 170, der Separator 180, die dritte negative Elektrode 190 und die vierte negative Elektrode 200 werden dann zu einer Kernzellenanordnung 210 gestapelt. Die Reihenfolge und Anordnung der Komponenten kann sich von den gezeigten unterscheiden, wie Fachleuten bekannt ist, auch wenn sie nicht in 4A-4B und 5 gezeigt sind. Beispielsweise kann eine Kernzellenanordnung in einer Variation die erste positive Elektrode 160, den Separator 180, die dritte negative Elektrode 190, einen weiteren Separator 180, die zweite positive Elektrode 170, den Separator 180 und die vierte negative Elektrode 200 enthalten, die zu einer Kernzellenanordnung gestapelt sind. In der Kernzellenanordnung 210 definiert jede Kante 212 eine erste Seite 214 und eine zweite Seite 216. Bemerkenswert ist, dass die Seiten in Bezug auf jede Kante definiert sind und ihre Ausrichtung für entgegengesetzte parallele Seiten ändern. Die erste Seite 214 entspricht der ersten Seite 168 der ersten positiven Elektrode 160 und der ersten Seite 178 der zweiten positiven Elektrode 170. Wie oben erwähnt, ist die Mehrzahl der ersten elektrisch leitenden Laschen 166 der ersten positiven Elektrode 160 im Wesentlichen zur Mehrzahl der zweiten elektrisch leitenden Laschen 176 der zweiten positiven Elektrode 170 auf der ersten Seite 214 ausgerichtet, wenn sie zu einem Stapel zusammengesetzt sind und so gemeinsame positive Laschen 218 bilden. Mit „im Wesentlichen ausgerichtet“ ist gemeint, dass die Laschen im Allgemeinen die gleichen Abmessungen haben und somit im gestapelten Zustand zueinander ausgerichtet sind, aber es kann eine kleine Abweichung in den Toleranzen oder der Ausrichtung als Folge typischer Herstellungsverfahren geben. Ebenso ist die Mehrzahl der dritten elektrisch leitenden Laschen 196 der dritten negativen Elektrode 190 im Wesentlichen zur Mehrzahl der vierten elektrisch leitenden Laschen 206 der vierten negativen Elektrode 200 auf der zweiten Seite 216 ausgerichtet, wenn sie in einem Stapel zusammengesetzt sind und so gemeinsame negative Laschen 220 bilden.
Die Kernzellenanordnung 210 ist in die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 integriert und bildet diese. Die gemeinsamen positiven Laschen 218 können zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um eine Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren 230 zu bilden. Die positiven elektrischen Konnektoren 230 können mit anderen elektrischen Leitungen mit derselben Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an eine Last und Stromquelle bilden. Bestimmte Beispiele für die Bildung der elektrischen Konnektoren können z.B. die Verwendung einer einstufigen Ultraschallschweißnaht zum Verschweißen der Elektrodenlaschenfolie mit externen Anschlüssen umfassen (z.B. Außenlaschen zur Bildung der endgültigen Zelle). Alternativ kann das Ultraschallschweißen zuerst zum Schweißen der Elektrodenlaschenfolie und dann zum Schweißen der Folie mit externen Anschlüssen verwendet werden. In einem anderen Beispiel kann Ultraschallschweißen verwendet werden, um zuerst die Elektrodenlaschenfolie zu schweißen, und dann Laser- und/oder Widerstandsschweißen, um die Folie mit externen Anschlüssen zu verschweißen. In bestimmten Aspekten enthält das Material für einen externen Anschluss für eine positive Elektrode beispielsweise Aluminium.
In ähnlicher Weise können die gemeinsamen negativen Laschen 220 zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um eine Mehrzahl negativer elektrischer Konnektoren 232 zu bilden. Die negativen elektrischen Konnektoren 232 können mit anderen elektrischen Leitungen mit der gleichen Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreise, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden, und zwar auf die gleiche Weise wie oben im Zusammenhang mit dem positiven elektrischen Konnektor 230 beschrieben. In bestimmten Aspekten enthält ein Material für einen externen Anschluss für eine negative Elektrode beispielsweise Aluminium, Kupfer, Nickel und nickelbeschichtetes Kupfer. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 kann in andere Komponenten, wie z.B. ein Gehäuse oder eine Tasche, eingebaut sein.
Jede Kante 234 der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 hat sowohl einen positiven elektrischen Konnektor als auch einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor. Die Mehrzahl von positiven und negativen elektrischen Konnektoren an jeder Kante der elektrochemischen Zelle dient dazu, den Strom während des Betriebs und der Lithiumionen-Zyklen gleichmäßiger zu verteilen, wodurch Stromschwankungen und die Stromdichte innerhalb der Hochleistungszelle minimiert werden, wie in 4B dargestellt. Genauer gesagt reduziert diese Konstruktion durch die Einbeziehung von acht Laschen, wobei zwei Laschen mit positiven oder negativen elektrischen Konnektoren an jeder Seitenkante verbunden sind, den Strom und die Stromdichte, die von jeder der Laschen, die mit positiven oder negativen elektrischen Konnektoren verbunden sind, getragen wird, was besonders vorteilhaft für Ultrahochleistungsanwendungen ist. Dies wiederum dient dazu, Hot Spots zu reduzieren und Thermogradienten bei Lade- und Entladebedingungen mit hoher Leistung zu verringern. Vergleicht man beispielsweise die Leistung einer entsprechend bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellten kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit acht Laschen mit einer herkömmlichen Konstruktion mit zwei Laschen für eine kondensatorgestützte elektrochemische Vergleichs-Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit den gleichen Materialien, so verringert sich die maximale Stromdichte um mehr als oder gleich etwa 50 %, optional mehr als oder gleich etwa 60 %, optional mehr als oder gleich etwa 70 % und in bestimmten Variationen optional mehr als oder gleich etwa 75 %. Eine Verringerung der maximalen Stromdichte reduziert Thermogradienten, die durch Lade-/Entladeströme beeinträchtigt werden, in günstiger Weise. Je höher der Strom (oder die Stromdichte), desto größer ist der Thermogradient. Die Minimierung der Stromdichte dient also der günstigen Reduzierung der Thermogradienten.
Im Allgemeinen kann sich eine elektrochemische Zelle auf eine Einheit beziehen, die mit anderen Einheiten verbunden sein kann. Eine Mehrzahl elektrisch verbundener Zellen, z.B. solche, die aufeinandergestapelt sind, kann als ein Modul betrachtet werden. Ein Pack bezieht sich im Allgemeinen auf eine Mehrzahl von operativ verbundenen Modulen, die in verschiedenen Kombinationen von Reihen- oder Parallelschaltungen elektrisch verbunden sein können. Das Batteriemodul kann daher in einer Beutelstruktur, einem Gehäuse oder zusammen mit mehreren anderen Batteriemodulen zu einem Batteriepack zusammengefasst sein. In bestimmten Aspekten kann das Batteriemodul Teil einer prismatischen Hybridzellenbatterie sein.
5 zeigt eine Explosionsdarstellung verschiedener Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung wie in 4A-4B hergestellt wurde, und zeigt die Stromverteilung innerhalb jeder der Elektroden 160, 170, 190 und 200, die in der gestapelten und montierten Vorrichtung auftreten würde.
In bestimmten Aspekten enthält entweder die erste positive Elektrode 160 oder die dritte negative Elektrode 190 ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität und die zweite positive Elektrode 170 oder die vierte negative Elektrode 200 ein elektroaktives Material mit hoher Leistungskapazität. Auf diese Weise bilden die erste positive Elektrode 160 und die dritte negative Elektrode 190 eine Lithiumionen-Batterie innerhalb der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150, während die zweite positive Elektrode 170 und die vierte negative Elektrode 200 einen Kondensator innerhalb der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 bilden.
In bestimmten Aspekten umfasst die erste positive Elektrode 160 ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität, die zweite positive Elektrode 170 ein elektroaktives Material mit hoher Leistungskapazität, wie beispielsweise ein Kondensatormaterial. Die entsprechende dritte und vierte negative Elektrode 190, 200 können kompatible negative elektroaktive Materialien für die jeweilige Lithiumionen-Batterie und den Kondensator sein. Wie Fachleuten klar ist, sind die verschiedenen Ausführungsformen von kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnungen, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung beschrieben werden, nicht auf eine einzelne Kondensatorelektrode beschränkt, sondern können vielmehr eine Mehrzahl von Kondensatoren aufweisen, die innerhalb der Zellenkernanordnung an beliebiger Position gestapelt sind. So kann ein Kondensator-Hybridisierungsverhältnis durch die Anzahl der in der Anordnung enthaltenen Kondensator-Elektrodenschichten abgestimmt werden. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 kann durch einen intermittierenden Beschichtungsprozess gebildet werden, bei dem diskrete Elektroden auf einer Stromkollektorfolie gebildet werden, wobei die Laschen in die jeweiligen diskreten Elektroden an den entsprechenden Positionen entlang der Seitenkanten eingekerbt bzw. eingesetzt werden.
6A-6B zeigen Komponenten einer weiteren Variation einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 250, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten mit Laschen an drei verschiedenen Kanten aufweist. Der Kürze halber werden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, die Komponenten der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 250 mit derselben Konstruktion, Funktion und/oder denselben Abmessungen wie die zuvor beschriebene kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 nicht noch einmal im Detail beschrieben, können aber dieselben Eigenschaften und Abmessungen wie oben beschrieben aufweisen.
Eine erste positive Elektrode 260 umfasst zwei Kanten 262 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 264 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Die erste positive Elektrode 260 hat drei erste elektrisch leitende Laschen 266. Eine Lasche 266 ist an einer Kante 262 mit der ersten Länge angeordnet, und zwei Laschen 266 sind an zwei jeweiligen Kanten 264 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die ersten elektrisch leitenden Laschen 266 an drei von vier Seitenkanten der ersten positiven Elektrode 260 angeordnet, so dass eine Seitenkante frei von einer Lasche ist. Jede Lasche 266 ist an einer Position auf einer ersten Seite 268 der jeweiligen Kanten 262, 264 angeordnet.
Gezeigt ist auch eine zweite positive Elektrode 270. In bestimmten Variationen kann die zweite positive Elektrode 270 ein anderes aktives Material enthalten als die erste positive Elektrode 260. Die zweite positive Elektrode 270 umfasst zwei Kanten 272 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 274 mit einer zweiten Länge, die optional größer als die erste Länge ist. Die zweite positive Elektrode 270 hat drei zweite elektrisch leitende Laschen 276. Eine Lasche 276 ist an einer Kante 272 mit der ersten Länge angeordnet, und zwei Laschen 276 sind an zwei Kanten 274 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die ersten elektrisch leitenden Laschen 276 an drei von vier Seitenkanten der zweiten positiven Elektrode 270 angeordnet, so dass eine Seitenkante frei von Laschen ist. Jede Lasche 276 ist an einer Position auf einer ersten Seite 278 der jeweiligen Kanten 272, 274 positioniert.
Ein Separator 280 ist enthalten. Eine dritte negative Elektrode 290 enthält zwei Kanten 292 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 294 mit einer zweiten Länge, die optional größer als die erste Länge ist. Die dritte negative Elektrode 290 hat drei dritte elektrisch leitende Laschen 296. Eine Lasche 296 ist an einer Kante 292 mit der ersten Länge angeordnet, und zwei Laschen 296 sind an zwei jeweiligen Kanten 294 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die dritten elektrisch leitenden Laschen 296 an drei von vier Seitenkanten der dritten negativen Elektrode 290 angeordnet, so dass eine Kante frei von jeglichen Laschen ist. Jede Lasche 296 ist an einer Position auf einer ersten Seite 298 der jeweiligen Kanten 292, 294 angeordnet.
Eine vierte negative Elektrode 300 umfasst zwei Kanten 302 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 304 mit einer zweiten Länge, die optional größer als die erste Länge ist. In bestimmten Variationen kann die vierte negative Elektrode 300 ein anderes aktives Material enthalten als die dritte negative Elektrode 290. Die vierte negative Elektrode 300 hat drei vierte elektrisch leitende Laschen 306. Eine Lasche 306 ist an einer Kante 302 mit der ersten Länge angeordnet, und zwei Laschen 306 sind an zwei jeweiligen Kanten 304 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die vierten elektrisch leitenden Laschen 306 an drei von vier Seitenkanten angeordnet, so dass eine Kante frei von Laschen ist und keine Laschen aufweist. Jede Lasche 306 ist an einer Position auf einer ersten Seite 308 der jeweiligen Kanten 302, 304 angeordnet.
Die erste positive Elektrode 260, die zweite positive Elektrode 270, der Separator 280, die dritte negative Elektrode 290 und die vierte negative Elektrode 300 werden dann zu einer Kernzellenanordnung 310 gestapelt. In der Kernanordnung 310 definiert jede Kante 312 eine Position an einer ersten Seite 314 und eine Position an einer zweiten Seite 316. Die erste Seite 314 entspricht der ersten Seite 268 der ersten positiven Elektrode 260 und der ersten Seite 278 der zweiten positiven Elektrode 270. Die Mehrzahl der ersten elektrisch leitenden Laschen 266 der ersten positiven Elektrode 260 ist im Wesentlichen mit der Mehrzahl der zweiten elektrisch leitenden Laschen 276 der zweiten positiven Elektrode 270 auf der ersten Seite 314 ausgerichtet, wenn sie zusammengesetzt (z.B. gestapelt) sind und so gemeinsame positive Laschen 318 bilden. Ebenso ist die Mehrzahl der dritten elektrisch leitenden Laschen 296 der dritten negativen Elektrode 290 im Wesentlichen mit der Mehrzahl der vierten elektrisch leitenden Laschen 306 der vierten negativen Elektrode 300 auf der zweiten Seite 316 ausgerichtet, wenn sie in einem Stapel zusammengebaut sind und so gemeinsame negative Laschen 320 bilden.
Die Kernzellenanordnung 310 wird dann in die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 250 eingebaut und bildet diese. Die gemeinsamen positiven Laschen 318 können zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um eine Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren 330 zu bilden. Die positiven elektrischen Konnektoren 330 können mit anderen elektrischen Leitungen derselben Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. Ein solcher Vorgang kann ähnlich wie der zuvor beschriebene sein und wird hier nicht wiederholt. In ähnlicher Weise können die gemeinsamen negativen Laschen 320 zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um eine Mehrzahl negativer elektrischer Konnektoren 332 zu bilden. Die negativen elektrischen Konnektoren 332 können an andere elektrische Leitungen mit derselben Polarität angeschlossen sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreise, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 kann vor oder nach der Bildung des positiven elektrischen Konnektors 330 und des negativen elektrischen Konnektors 332 in andere Komponenten, wie z.B. ein Gehäuse oder eine Tasche 340, eingebaut werden.
Drei von vier Seitenkanten 334 der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 250 haben sowohl einen positiven elektrischen Konnektor 330 als auch einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor 332 (entsprechend der ersten Seite 314 und der zweiten Seite 316 jeder Seitenkante 312). Die Mehrzahl von positiven und negativen elektrischen Konnektoren 330, 332 an drei Kanten der elektrochemischen Zelle dient dazu, den Strom während des Betriebs und der Lithiumionen-Zyklen gleichmäßiger zu verteilen, wodurch Stromschwankungen und die Stromdichte innerhalb der Hochleistungszelle minimiert werden, wie in 6B dargestellt. Wiederum reduziert diese Konstruktion durch die Einbeziehung von sechs Laschen, wobei zwei Laschen mit positiven oder negativen elektrischen Konnektoren an drei Seitenkanten der elektrochemischen Zellenanordnung verbunden sind, den Strom und die Stromdichte, die von jeder der Laschen, die mit positiven oder negativen elektrischen Konnektoren verbunden sind, übertragen werden, was besonders vorteilhaft für Ultrahochleistungsanwendungen ist. Dies wiederum dient der Reduzierung von Hot Spots und der Verringerung von Thermogradienten bei Lade- und Entladebedingungen mit hoher Leistung. Vergleicht man beispielsweise die Leistung einer entsprechend bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellten kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit sechs Laschen mit einer herkömmlichen Konstruktion mit zwei Laschen für eine kondensatorgestützte elektrochemische Vergleichs-Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit denselben Materialien, so verringert sich die maximale Stromdichte um mehr als oder gleich etwa 45 %, optional mehr als oder gleich etwa 50 %, optional mehr als oder gleich etwa 60 % und in bestimmten Variationen optional mehr als oder gleich etwa 70 %. Eine Verringerung der maximalen Stromdichte reduziert Thermogradienten, die durch Lade-/Entladeströme beeinträchtigt werden, in günstiger Weise. Je höher der Strom (oder die Stromdichte), desto größer ist der Thermogradient. Die Minimierung der Stromdichte dient also der günstigen Reduzierung der Thermogradienten.
Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 250 kann durch ein intermittierendes Beschichtungsverfahren gebildet werden, bei dem diskrete Elektroden auf einer Stromkollektorfolie gebildet werden, wobei die Laschen in jede entsprechende diskrete Elektrode an den geeigneten Positionen entlang der Seitenkanten eingesetzt werden.
7A-7B zeigen Komponenten einer weiteren Variation einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 350, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten mit Laschen an drei verschiedenen Kanten aufweist. Der Kürze halber werden die Komponenten der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 350 mit derselben Konstruktion, Funktion und denselben Abmessungen wie die der zuvor beschriebenen kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 in den 4A-4B nicht noch einmal im Detail beschrieben, sondern es wird davon ausgegangen, falls nicht ausdrücklich anders angegeben, dass sie dieselben Eigenschaften und Abmessungen wie oben beschrieben aufweisen.
Eine erste positive Elektrode 360 umfasst zwei Kanten 362 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 364 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Die erste positive Elektrode 360 hat drei erste elektrisch leitende Laschen 366. Eine Lasche 366 ist an einer Kante 362 mit der ersten Länge angeordnet, und zwei Laschen 366 sind an zwei jeweiligen Kanten 364 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die ersten elektrisch leitenden Laschen 366 an drei von vier Seitenkanten der ersten positiven Elektrode 360 angeordnet, so dass eine Seitenkante frei von einer Lasche ist. Die Laschen 366 an der ersten Kante 364 sind an einer Position positioniert, die einer ersten Seite 368 der jeweiligen Kante 364 entspricht. Die Lasche 366 an der Kante 362 mit der ersten Länge ist jedoch an einer Position angeordnet, die einem zentralen Bereich 369 der Kante 362 entspricht.
Ebenfalls gezeigt ist eine zweite positive Elektrode 370. In bestimmten Variationen kann die zweite positive Elektrode 370 ein anderes aktives Material enthalten als die erste positive Elektrode 360. Eine zweite positive Elektrode 370 umfasst zwei Kanten 372 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 374 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Die zweite positive Elektrode 370 hat drei erste elektrisch leitende Laschen 376. Eine Lasche 376 ist an einer Kante 372 mit der ersten Länge und zwei Laschen 376 sind an zwei jeweiligen Kanten 374 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die ersten elektrisch leitenden Laschen 766 an drei von vier Seitenkanten der zweiten positiven Elektrode 370 angeordnet, so dass eine Seitenkante frei von einer Lasche ist. Die Laschen 376 an der ersten Kante 374 sind an einer Position angeordnet, die einer ersten Seite 378 der jeweiligen Kante 374 entspricht. Die Lasche 376 an der Kante 372 mit der ersten Länge ist jedoch an einer Position angeordnet, die einem zentralen Bereich 379 der Kante 372 entspricht.
Ein Separator 380 ist enthalten. Eine dritte negative Elektrode 390 enthält zwei Kanten 392 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 394 mit einer zweiten Länge, die optional größer als die erste Länge ist. Die dritte negative Elektrode 390 hat drei dritte elektrisch leitende Laschen 396. Eine Lasche 396 ist an einer Kante 392 mit der ersten Länge angeordnet, und zwei Laschen 396 sind an zwei jeweiligen Kanten 394 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die dritten elektrisch leitenden Laschen 396 an drei von vier Seitenkanten der dritten negativen Elektrode 390 angeordnet, so dass eine Kante frei von Laschen ist. Zwei Laschen 396 an den beiden Kanten 294 mit der zweiten Länge sind an einer Position auf einer ersten Seite 398 angeordnet. Die Lasche 396 an der Kante 392 mit der ersten Länge ist jedoch an einer Position angeordnet, die einem zentralen Bereich 399 der Kante 392 entspricht.
Eine vierte negative Elektrode 400 kann ein anderes aktives Material enthalten als die dritte negative Elektrode 390. Die vierte negative Elektrode 400 enthält zwei Kanten 402 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 404 mit einer zweiten Länge, die optional größer als die erste Länge ist. Die vierte negative Elektrode 400 hat drei vierte elektrisch leitende Laschen 406. Eine Lasche 406 ist an einer Kante 402 mit der ersten Länge und zwei Laschen 406 sind an zwei jeweiligen Kanten 404 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die vierten elektrisch leitenden Laschen 406 an drei von vier Seitenkanten angeordnet, so dass eine Kante frei von Laschen ist und keine Laschen aufweist. Zwei Laschen 406 an den beiden Kanten 404 mit der zweiten Länge sind an einer Position auf einer ersten Seite 408 angeordnet. Die Lasche 406 an der Kante 402 mit der ersten Länge ist jedoch an einer Position angeordnet, die einem zentralen Bereich 409 der Kante 402 entspricht.
Die erste positive Elektrode 360, die zweite positive Elektrode 370, der Separator 380, die dritte negative Elektrode 390 und die vierte negative Elektrode 400 werden dann zu einer Kernzellenanordnung 410 gestapelt. In der Kernanordnung 410 definieren die Kanten 412 mit der zweiten Länge eine Position an einer ersten Seite 414 und eine Position an einer zweiten Seite 416. Die erste Seite 414 entspricht der ersten Seite 368 der ersten positiven Elektrode 360 und der ersten Seite 378 der zweiten positiven Elektrode 370. Die Mehrzahl der ersten elektrisch leitenden Laschen 366 der ersten positiven Elektrode 360 ist im Wesentlichen mit der Mehrzahl der zweiten elektrisch leitenden Laschen 376 der zweiten positiven Elektrode 370 auf der ersten Seite 414 ausgerichtet, wenn sie zusammengesetzt (z.B. gestapelt) sind und so gemeinsame positive Laschen 418 bilden. Außerdem umfassen die Kanten 412 mit der zweiten Länge die Mehrzahl der dritten elektrisch leitenden Laschen 396 der dritten negativen Elektrode 390, die im Wesentlichen mit der Mehrzahl der vierten elektrisch leitenden Laschen 406 der vierten negativen Elektrode 400 auf der zweiten Seite 416 ausgerichtet sind. Wenn sie zusammengesetzt sind (z.B. gestapelt), bilden sie so gemeinsame negative Laschen 420. Ferner haben gegenüberliegende Kanten 422 mit der ersten Länge jeweils entweder eine gemeinsame positive Lasche 418 oder eine gemeinsame negative Lasche 420. Die gemeinsame positive Lasche 418 an der Kante 422 wird gebildet, indem die ersten elektrisch leitenden Laschen 366 der ersten positiven Elektrode 360 im Wesentlichen mit der Mehrzahl der zweiten elektrisch leitenden Laschen 376 der zweiten positiven Elektrode 370 ausgerichtet werden. Die gemeinsame negative Lasche 420 an der gegenüberliegenden Kante 422 mit der zweiten Länge wird gebildet, indem die Mehrzahl der dritten elektrisch leitenden Laschen 396 der dritten negativen Elektrode 390 im Wesentlichen mit der Mehrzahl der vierten elektrisch leitenden Laschen 406 der vierten negativen Elektrode 400 ausgerichtet wird.
Die Kernzellenanordnung 410 wird dann in die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 350 eingebaut und bildet diese. Die gemeinsamen positiven Laschen 418 können zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um eine Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren 430 zu bilden. Die positiven elektrischen Konnektoren 330 können mit anderen elektrischen Leitungen derselben Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. In ähnlicher Weise können die gemeinsamen negativen Laschen 420 zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um eine Mehrzahl negativer elektrischer Konnektoren 432 zu bilden. Die negativen elektrischen Konnektoren 432 können an andere elektrische Leitungen mit derselben Polarität angeschlossen sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreise, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 350 kann vor oder nach der Bildung des positiven elektrischen Konnektors 430 und des negativen elektrischen Konnektors 432 in andere Komponenten, wie z.B. in ein Gehäuse oder einen Beutel 440, eingebaut werden.
Zwei von vier Seitenkanten 434 der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 350 haben sowohl einen positiven elektrischen Konnektor 430 als auch einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor 432 (entsprechend der ersten Seite 414 und der zweiten Seite 416 jeder Seitenkante 412). Außerdem hat jede der gegenüberliegenden Seitenkanten 436 entweder einen positiven elektrischen Konnektor 430 oder einen negativen elektrischen Konnektor 432. Somit haben zwei Kanten der elektrochemischen Zellenanordnung sowohl einen positiven elektrischen Konnektor als auch einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor, eine Kante hat einen einzelnen positiven elektrischen Konnektor, und eine gegenüberliegende Kante hat einen einzelnen negativen elektrischen Konnektor.
Die Mehrzahl von positiven und negativen elektrischen Konnektoren 430, 432 an den vier Kanten der elektrochemischen Zelle dient dazu, den Strom während des Betriebs und der Lithiumionen-Zyklen gleichmäßiger zu verteilen, wodurch Stromschwankungen und die Stromdichte innerhalb der Hochleistungszelle minimiert werden. Durch die Aufnahme von sechs Laschen, die einstückig mit positiven oder negativen elektrischen Konnektoren an vier Seitenkanten der elektrochemischen Zellenanordnung ausgebildet und mit diesen verbunden sind, werden Strom und Stromdichte, die von einer der Laschen übertragen werden, minimiert, was besonders vorteilhaft für Ultrahochleistungsanwendungen ist. Dies wiederum dient dazu, Hot Spots zu reduzieren und Thermogradienten während der Lade- und Entladebedingungen bei hoher Leistung zu verringern, wie bereits erwähnt.
Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 350 kann durch einen intermittierenden Beschichtungsprozess gebildet werden, bei dem diskrete Elektroden auf einer Stromkollektorfolie gebildet werden, wobei die Laschen in jede entsprechende diskrete Elektrode an den geeigneten Positionen entlang der Seitenkanten eingesetzt werden.
8A-8B zeigen Komponenten einer weiteren Variation einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 450, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen parallelen Seitenkanten aufweist. Der Kürze halber werden die Komponenten der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 450, die dieselbe Konstruktion, Funktion und/oder dieselben Abmessungen wie die in der zuvor beschriebenen kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 in den 4A-4B haben, nicht noch einmal im Detail beschrieben, sondern es wird davon ausgegangen, falls nicht ausdrücklich anders angegeben, dass sie dieselben Eigenschaften und Abmessungen wie oben beschrieben aufweisen.
Eine erste positive Elektrode 460 umfasst zwei Kanten 462 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 464 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Die erste positive Elektrode 460 hat zwei erste elektrisch leitende Laschen 466. Eine Lasche 466 ist an jeder der beiden Kanten 464 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die ersten elektrisch leitenden Laschen 466 an zwei von vier Seitenkanten der ersten positiven Elektrode 460 angeordnet, so dass zwei Seitenkanten 462 frei von Laschen sind. Jede der Laschen 466 an der ersten Kante 464 ist an einer Position positioniert, die einer ersten Seite 468 der jeweiligen Kante 464 entspricht.
Ebenfalls gezeigt ist eine zweite positive Elektrode 470. In bestimmten Variationen kann die zweite positive Elektrode 470 ein anderes aktives Material enthalten als die erste positive Elektrode 460. Eine zweite positive Elektrode 470 umfasst zwei Kanten 472 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 474 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Die zweite positive Elektrode 470 hat zwei erste elektrisch leitende Laschen 476. Eine Lasche 476 ist an jeder der beiden Kanten 474 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die ersten elektrisch leitenden Laschen 476 an zwei von vier Seitenkanten der zweiten positiven Elektrode 470 angeordnet, so dass zwei Seitenkanten 472 frei von Laschen sind. Die Laschen 476 an der ersten Kante 474 sind an einer Position positioniert, die einer ersten Seite 478 der jeweiligen Kante 474 entspricht.
Ein Separator 480 ist enthalten. Eine dritte Elektrode 490 enthält zwei Kanten 492 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 494 mit einer zweiten Länge, die optional größer als die erste Länge ist. Die dritte negative Elektrode 490 hat zwei dritte elektrisch leitende Laschen 496. Eine Lasche 496 ist an jeder der beiden Kanten 494 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die dritten elektrisch leitenden Laschen 496 an zwei von vier Seitenkanten der dritten negativen Elektrode 390 angeordnet, so dass zwei Kanten frei von jeglichen Laschen sind. Zwei Laschen 496 an den beiden Kanten 494 mit der zweiten Länge sind an einer Position auf einer ersten Seite 498 positioniert.
Eine vierte negative Elektrode 500 enthält zwei Kanten 502 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 504 mit einer zweiten Länge, die optional größer als die erste Länge ist. Die vierte negative Elektrode 500 kann ein anderes aktives Material enthalten als die dritte negative Elektrode 490. Die vierte negative Elektrode 500 hat zwei vierte elektrisch leitende Laschen 506. Eine Lasche 506 ist auf jeder der beiden Kanten 504 mit der zweiten Länge angeordnet. Somit sind die vierten elektrisch leitenden Laschen 506 an zwei von vier Seitenkanten angeordnet, so dass zwei Kanten 502 frei von Laschen sind und keine Laschen aufweisen. Zwei Laschen 506 an den beiden Kanten 504 mit der zweiten Länge sind an einer Position auf einer ersten Seite 508 angeordnet.
Die erste positive Elektrode 460, die zweite positive Elektrode 470, der Separator 480, die dritte negative Elektrode 490 und die vierte negative Elektrode 500 werden dann zu einer Kernzellenanordnung 510 gestapelt. In der Kernanordnung 510 definieren die Kanten 512 mit der zweiten Länge eine Position an einer ersten Seite 514 und eine Position an einer zweiten Seite 516. Die erste Seite 514 entspricht der ersten Seite 468 der ersten positiven Elektrode 460 und der ersten Seite 478 der zweiten positiven Elektrode 470. Die Mehrzahl der ersten elektrisch leitenden Laschen 466 der ersten positiven Elektrode 460 ist im Wesentlichen mit der Mehrzahl der zweiten elektrisch leitenden Laschen 476 der zweiten positiven Elektrode 470 auf der ersten Seite 514 ausgerichtet, wenn sie zusammengesetzt (z.B. gestapelt) sind und so gemeinsame positive Laschen 518 bilden. Ebenso umfassen die Kanten 512 mit der zweiten Länge die Mehrzahl der dritten elektrisch leitenden Laschen 496 der dritten negativen Elektrode 490, die im Wesentlichen mit der Mehrzahl der vierten elektrisch leitenden Laschen 506 der vierten negativen Elektrode 500 auf der zweiten Seite 516 ausgerichtet sind. Wenn sie zusammengefügt (z.B. gestapelt) sind, bilden sie so gemeinsame negative Laschen 520.
Die Kernzellenanordnung 510 wird dann in die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 450 eingebaut und bildet diese. Die gemeinsamen positiven Laschen 518 können zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um eine Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren 530 zu bilden. Die positiven elektrischen Konnektoren 530 können mit anderen elektrischen Leitungen derselben Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. In ähnlicher Weise können die gemeinsamen negativen Laschen 520 zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um eine Mehrzahl von negativen elektrischen Konnektoren 532 zu bilden. Die negativen elektrischen Konnektoren 532 können an andere elektrische Leitungen mit derselben Polarität angeschlossen sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreise, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 450 kann vor oder nach der Bildung des positiven elektrischen Konnektors 530 und des negativen elektrischen Konnektors 532 in andere Komponenten, wie z.B. in ein Gehäuse oder einen Beutel 540, eingebaut werden.
Zwei parallele Seitenkanten 534 der vier Kanten der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 450 haben sowohl einen positiven elektrischen Konnektor 530 als auch einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor 532 (entsprechend der ersten Seite 514 und der zweiten Seite 516 jeder Seitenkante 512). Außerdem ist jede der gegenüberliegenden Seitenkanten 536 frei von jeglichen Laschen. Somit haben zwei gegenüberliegende Kanten der elektrochemischen Zellenanordnung sowohl einen positiven elektrischen Konnektor als auch einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor, um eine Vier-Laschen-Hybridkonstruktion zu bilden.
Die Mehrzahl der positiven und negativen elektrischen Konnektoren 530, 532 an zwei Kanten der elektrochemischen Zelle dient dazu, den Strom während des Betriebs und der Lithiumionen-Zyklen gleichmäßiger zu verteilen, wodurch Stromschwankungen und die Stromdichte innerhalb der Hochleistungszelle minimiert werden. Durch den Einbau von vier Laschen, die einstückig mit positiven oder negativen elektrischen Konnektoren an zwei gegenüberliegenden parallelen Seitenkanten der elektrochemischen Zellenanordnung ausgebildet und mit diesen verbunden sind, werden Strom- und Stromdichte, die von einer der Laschen getragen werden, für eine bessere Wärmeverteilung, insbesondere bei Lade- und Entladebedingungen mit hoher Leistung, verbessert.
Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 450 kann durch einen kontinuierlichen Elektrodenbeschichtungsprozess gebildet werden, bei dem auf zwei Seiten einer kontinuierlich abgeschiedenen Elektrode, die in geeigneten Abständen intermittierend geschnitten wird, Laschen erzeugt werden können. Alternativ kann die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 450 durch einen intermittierenden Beschichtungsprozess gebildet werden, bei dem diskrete Elektroden auf einer Stromkollektorfolie gebildet werden, wobei die Laschen in jede entsprechende diskrete Elektrode an den geeigneten Positionen entlang der Seitenkanten eingesetzt werden.
9A-9B zeigen Komponenten einer weiteren Variation einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 550, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen, aber aneinander angrenzenden Kanten aufweist. Der Kürze halber werden die Komponenten der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 550, die dieselbe Konstruktion, Funktion und/oder dieselben Abmessungen wie die in der zuvor beschriebenen kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 in den 4A-4B haben, nicht noch einmal im Detail beschrieben, sondern es wird davon ausgegangen, falls nicht ausdrücklich anders angegeben, dass sie dieselben Eigenschaften und Abmessungen wie oben beschrieben aufweisen.
Eine erste positive Elektrode 560 umfasst zwei Kanten 562 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 564 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Bemerkenswert ist, dass jede der Kanten 562 mit der ersten Länge an eine Kante 564 mit einer zweiten Länge angrenzt oder zu dieser benachbart ist, was bedeutet, dass sie an Kantenecken verbunden sind. Die erste positive Elektrode 560 hat eine erste elektrisch leitende Lasche 566 an der Kante 562 mit der ersten Länge. Ferner hat die erste positive Elektrode 560 eine zweite elektrisch leitende Lasche 567 an der Kante 564 mit der zweiten Länge. Somit sind die erste und die zweite elektrisch leitende Lasche 566, 567 an zwei von vier benachbarten Seitenkanten der ersten positiven Elektrode 560 angeordnet, so dass zwei weitere benachbarte Seitenkanten 562, 564 frei von jeglichen Laschen sind. Die Lasche 566 ist an einer Position positioniert, die einer ersten Seite 568 der jeweiligen Kante 562 entspricht. Die Lasche 567 ist mittig auf der Kante 564 positioniert, lässt aber die Anschlussenden der Kante 564 in der Nähe der Ecken 569 frei.
Die Lasche 566 nimmt weniger als die Hälfte der Länge einer Kante 562 der ersten positiven Elektrode 560 ein, z.B. kann eine Laschenbreite größer oder gleich etwa 20 % bis kleiner oder gleich etwa 45 % einer Gesamtlänge der Kante sein. In bestimmten Aspekten kann eine Höhe der Lasche 566 größer oder gleich etwa 5 mm bis kleiner oder gleich etwa 30 mm sein. In bestimmten anderen Aspekten kann eine Breite der Lasche 566 größer oder gleich etwa 30 mm bis kleiner oder gleich etwa 300 mm sein. Jede Lasche 567 nimmt mehr als die Hälfte der Gesamtlänge der Kante 564 ein, z.B. kann eine Länge der Lasche 567 größer oder gleich etwa 50 % bis kleiner oder gleich etwa 90 % der Gesamtlänge der Kante sein. In bestimmten Aspekten kann eine Höhe der Lasche 567 größer oder gleich etwa 5 mm bis kleiner oder gleich etwa 30 mm sein. In bestimmten anderen Aspekten kann eine Breite der Lasche 567 größer oder gleich etwa 50 mm bis kleiner oder gleich etwa 600 mm sein. Daher kann die Lasche 566 als eine kleine Lasche für Anwendungen mit niedriger Leistung betrachtet werden, während die Lasche 567 als eine große Lasche für Anwendungen mit hoher Leistung betrachtet werden kann. Die Laschen 566 und 567 können sich in Abmessungen und Form von den in 9A und 9B gezeigten unterscheiden.
Ebenfalls gezeigt ist eine zweite positive Elektrode 570, die ein anderes aktives Material als die erste positive Elektrode 560 enthalten kann. Die zweite positive Elektrode 570 umfasst zwei Kanten 572 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 574 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Bemerkenswert ist, dass jede der Kanten 572 mit der ersten Länge an eine Kante 574 mit einer zweiten Länge angrenzt oder zu dieser benachbart ist, was bedeutet, dass sie an den Kantenecken miteinander verbunden sind oder aneinander angrenzen. Die zweite positive Elektrode 570 hat eine erste elektrisch leitende Lasche 576 an der Kante 572 mit der ersten Länge. Ferner hat die zweite positive Elektrode 570 eine zweite elektrisch leitende Lasche 567 an der Kante 574 mit der zweiten Länge. Somit sind die erste und zweite elektrisch leitende Lasche 576, 577 an zwei von vier benachbarten Seitenkanten der zweiten positiven Elektrode 570 angeordnet, so dass zwei weitere benachbarte Seitenkanten 572, 574 frei von jeglichen Laschen sind. Die Lasche 576 ist an einer Position positioniert, die einer ersten Seite 578 der jeweiligen Kante 572 entspricht. Die Lasche 577 ist mittig auf der Kante 574 positioniert, lässt aber die Anschlussenden der Kante 574 in der Nähe der Ecken 579 frei. Die Laschen 576 und 577 können die gleiche Größe und Abmessungen wie die Laschen 566 und 567 in der ersten positiven Elektrode 560 haben und werden hier der Kürze halber nicht noch einmal beschrieben.
Ein Separator 580 ist enthalten. Eine dritte negative Elektrode 590 umfasst zwei Kanten 592 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 594 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Bemerkenswert ist, dass jede der Kanten 592 mit der ersten Länge an eine Kante 594 mit einer zweiten Länge angrenzt oder dieser benachbart ist, was bedeutet, dass sie an Kantenecken miteinander verbunden sind oder aneinander angrenzen. Die dritte negative Elektrode 590 hat eine erste elektrisch leitende Lasche 596 an der Kante 592 mit der ersten Länge. Ferner hat die dritte negative Elektrode 590 eine zweite elektrisch leitende Lasche 597 an der Kante 594 mit der zweiten Länge. Somit sind die erste und zweite elektrisch leitende Lasche 596, 597 an zwei von vier benachbarten Seitenkanten der dritten negativen Elektrode 590 angeordnet, so dass zwei weitere benachbarte Seitenkanten 592, 594 frei von jeglichen Laschen sind. Die Lasche 596 ist an einer Position positioniert, die einer ersten Seite 598 der jeweiligen Kante 592 entspricht. Die Lasche 597 ist mittig auf der Kante 594 positioniert, lässt aber die Anschlussenden der Kante 594 in der Nähe der Ecken 599 frei. Während die Positionierung auf verschiedenen Bereichen der Kante erfolgen kann, können die Laschen 596 und 597 die gleiche Größe und Abmessungen wie die Laschen 566 und 567 in der ersten positiven Elektrode 560 haben und werden hier der Kürze halber nicht noch einmal beschrieben.
Eine vierte negative Elektrode 600 kann ein anderes aktives Material enthalten als die dritte negative Elektrode 590. Die vierte negative Elektrode 600 umfasst zwei Kanten 602 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 604 mit einer zweiten Länge, die optional größer als die erste Länge ist. Jede der Kanten 602 mit der ersten Länge grenzt an eine Kante 604 mit einer zweiten Länge an oder ist dieser benachbart, was bedeutet, dass sie an Kantenecken miteinander verbunden sind oder aneinander angrenzen. Die vierte negative Elektrode 600 hat eine erste elektrisch leitende Lasche 606 an der Kante 602 mit der ersten Länge. Ferner hat die vierte negative Elektrode 600 eine zweite elektrisch leitende Lasche 607 an der Kante 604 mit der zweiten Länge. Somit sind die erste und die zweite elektrisch leitende Lasche 606, 607 an zwei von vier benachbarten Seitenkanten der Elektrode 600 angeordnet, so dass zwei weitere benachbarte Seitenkanten 602, 604 frei von jeglichen Laschen sind. Die Lasche 606 ist an einer Position positioniert, die einer ersten Seite 608 der jeweiligen Kante 602 entspricht. Die Lasche 607 ist mittig auf der Kante 604 positioniert, lässt aber die Enden der Kante 604 in der Nähe der Ecken 609 frei. Während die Positionierung auf verschiedenen Bereichen der Kante erfolgen kann, können die Laschen 606 und 607 wiederum die gleiche Größe und Abmessungen wie die Laschen 566 und 567 in der ersten positiven Elektrode 560 haben und werden hier der Kürze halber nicht noch einmal beschrieben.
Die erste positive Elektrode 560, die zweite positive Elektrode 570, der Separator 580, die dritte negative Elektrode 590 und die vierte negative Elektrode 600 werden dann zu einer Kernzellenanordnung 610 gestapelt. In der Kernanordnung 610 definieren die Kanten 612 mit der ersten Länge eine Position an einer ersten Seite 614 und eine Position an einer zweiten Seite 616. Die erste Seite 614 entspricht der ersten Seite 568 der ersten positiven Elektrode 560 und der ersten Seite 578 der zweiten positiven Elektrode 570. Die Mehrzahl der ersten elektrisch leitenden Laschen 566 der ersten positiven Elektrode 560 ist im Wesentlichen mit der Mehrzahl der zweiten elektrisch leitenden Laschen 576 der zweiten positiven Elektrode 570 auf der ersten Seite 614 ausgerichtet, wenn sie zusammengefügt (z.B. gestapelt) sind und so eine erste gemeinsame positive Lasche 618 bilden. In ähnlicher Weise weisen die Kanten 613 mit der zweiten Länge die zweiten elektrisch leitenden Laschen 567 der ersten positiven Elektrode 560 auf, die im Wesentlichen mit der Mehrzahl der zweiten elektrisch leitenden Laschen 577 der zweiten positiven Elektrode 570 auf der ersten Seite 614 ausgerichtet sind, wenn sie zusammengefügt (z.B. gestapelt) sind und so eine zweite gemeinsame positive Lasche 619 an einer Kante 613 bilden.
Die Kante 612 mit der ersten gemeinsamen positive Lasche 618 hat auch eine erste gemeinsame negative Lasche 620. Die erste gemeinsame negative Lasche 620 wird gebildet, indem die Mehrzahl der dritten elektrisch leitenden Laschen 596 der dritten negativen Elektrode 590 im Wesentlichen mit der Mehrzahl der vierten elektrisch leitenden Laschen 606 der vierten negativen Elektrode 600 ausgerichtet wird. Ebenso enthält eine Kante 613 mit der zweiten Länge eine zweite gemeinsame negative Lasche 621. Die zweite gemeinsame negative Lasche 621 wird gebildet, indem die dritten elektrisch leitenden Laschen 597 der dritten negativen Elektrode 590 im Wesentlichen mit der vierten elektrisch leitenden Lasche 607 der vierten negativen Elektrode 600 ausgerichtet werden, wenn sie zusammengesetzt (z.B. gestapelt) wird.
Die Kernzellenanordnung 610 wird dann in die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 550 eingebaut und bildet diese. Die jeweiligen Schichten innerhalb der ersten gemeinsamen positiven Lasche 618 können zusammengeschweißt und entsprechend bedeckt oder ummantelt werden, um einen ersten positiven elektrischen Konnektor 630 zu bilden. Ebenso können die Schichten der zweiten gemeinsamen positiven Lasche 619 zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um einen zweiten positiven elektrischen Konnektor 631 zu bilden. Die positiven elektrischen Konnektoren 630, 631 können mit anderen elektrischen Leitungen mit der gleichen Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. In ähnlicher Weise können die ersten gemeinsamen negativen Laschen 620 zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um einen ersten negativen elektrischen Konnektor 632 zu bilden. Gleichermaßen können die zweiten gemeinsamen negativen Laschen 621 zusammengeschweißt und entsprechend abgedeckt oder ummantelt werden, um einen zweiten negativen elektrischen Konnektor 633 zu bilden. Die negativen elektrischen Konnektoren 632, 633 können mit anderen elektrischen Leitungen mit derselben Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 550 kann vor oder nach der Bildung der positiven elektrischen Konnektoren 630, 631 und der negativen elektrischen Konnektoren 632, 633 in andere Komponenten, wie z.B. ein Gehäuse oder einen Beutel 640, eingebaut werden.
Eine Seitenkante 634 der vier Kanten der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 550 hat sowohl den positiven elektrischen Konnektor 630 als auch einen beabstandeten negativen elektrischen Konnektor 632 (entsprechend der ersten Seite 614 und der zweiten Seite 616 jeder Seitenkante 612). Zusätzlich haben zwei parallele Kanten 636, die jeweils an die Seitenkante 634 angrenzen, entweder den positiven elektrischen Konnektor 631 oder den negativen elektrischen Konnektor 633. Ferner sind die gegenüberliegenden Seitenkanten 634 frei von jeglichen Laschen. Wie gezeigt, sind der positive elektrische Konnektor 630 und der negative elektrische Konnektor 632 an der Seitenkante 634 relativ kleine elektrische Konnektoren, die für Anwendungen mit niedriger Leistung geeignet sind, während die positiven elektrischen Konnektoren 631 oder der negative elektrische Konnektor 633 an den Seiten 636 relativ groß für Anwendungen mit höherer Leistung sind.
Durch den Einbau von vier Laschen, die einstückig mit positiven oder negativen elektrischen Konnektoren an vier seitlichen Kanten der elektrochemischen Zellenanordnung ausgebildet und mit diesen verbunden sind, werden Strom und Stromdichte, die von einer der Laschen übertragen werden, minimiert, was besonders vorteilhaft für Ultrahochleistungsanwendungen ist. Dies wiederum dient dazu, Hot Spots zu reduzieren und Thermogradienten bei Lade- und Entladebedingungen mit hoher Leistung zu verringern.
Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 550 kann durch einen intermittierenden Beschichtungsprozess gebildet werden, bei dem diskrete Elektroden auf einer Stromkollektorfolie gebildet werden, wobei die Laschen in die jeweiligen diskreten Elektroden an den entsprechenden Positionen entlang der Seitenkanten eingesetzt werden.
10A-10B zeigen Komponenten einer weiteren Variation einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 650, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und Elektrodenkomponenten mit L-förmigen Laschen an zwei aneinander angrenzenden Kanten aufweist. Auch hier werden die Komponenten der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 650 mit der gleichen Konstruktion, Funktion und/oder den gleichen Abmessungen wie die der zuvor beschriebenen kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 in den 4A-4B nicht noch einmal im Detail beschrieben, sondern es wird davon ausgegangen, falls nicht ausdrücklich anders angegeben, dass sie die gleichen Eigenschaften und Abmessungen wie oben beschrieben aufweisen.
Eine erste positive Elektrode 660 umfasst zwei Kanten 662 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 664 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Bemerkenswert ist, dass jede der Kanten 662 mit der ersten Länge an eine Kante 664 mit einer zweiten Länge angrenzt oder zu dieser benachbart ist, was bedeutet, dass sie an Kantenecken physisch miteinander verbunden sind. Die erste positive Elektrode 660 hat also eine erste elektrisch leitende Lasche 666, die L-förmig ist und sich entlang einer ersten Kante 662 mit der ersten Länge und einer zweiten Kante 664 erstreckt. Die Lasche 666 nimmt den größten Teil oder die gesamte Länge sowohl der Kante 662 als auch der Kante 664 ein, z.B. kann die Gesamtlänge der L-förmigen Lasche größer oder gleich etwa 60 % bis kleiner oder gleich etwa 100 % der kumulativen Gesamtlänge der beiden Kanten 662 und 664 sein. In bestimmten Variationen ist die Breite der L-förmigen Lasche 666 koextensiv mit der bzw. gleich lange wie die Länge von Kante 662 und Kante 664. In bestimmten Aspekten kann eine Höhe 652 der Lasche 666 größer oder gleich etwa 5 mm bis kleiner oder gleich etwa 30 mm sein. In bestimmten anderen Aspekten kann eine Breite 654 der Lasche 666 (so wie sie sich über die angrenzenden Kanten 662, 664 erstreckt) größer oder gleich etwa 50 mm bis kleiner oder gleich etwa 600 mm sein. Eine verbleibende erste Kante 662 und zweite Kante 664 haben keine Laschen.
Ebenfalls gezeigt ist eine zweite positive Elektrode 670, die ein anderes aktives Material als die erste positive Elektrode 660 enthalten kann. Die zweite positive Elektrode 670 umfasst zwei Kanten 672 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 674 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Bemerkenswert ist, dass jede der Kanten 672 mit der ersten Länge an eine Kante 674 mit einer zweiten Länge angrenzt oder zu dieser benachbart ist, was bedeutet, dass sie an Kantenecken physisch verbunden sind. Die zweite positive Elektrode 670 hat eine zweite elektrisch leitende Lasche 676, die L-förmig ist und sich entlang einer ersten Kante 672 mit der ersten Länge und einer zweiten Kante 674 erstreckt. Die Lasche 676 nimmt den größten Teil oder die gesamte Länge sowohl der Kante 672 als auch der Kante 674 in ähnlicher Weise ein wie die Lasche 666, die im Zusammenhang mit der ersten positiven Elektrode 660 beschrieben wurde, und kann die gleichen Abmessungen haben. Die verbleibende erste Kante 672 und zweite Kante 674 haben keine Laschen.
Ein Separator 680 ist enthalten. Eine dritte negative Elektrode 690 enthält zwei Kanten 692 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 694 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Die Kanten 692 mit der ersten Länge grenzen an die Kanten 694 mit einer zweiten Länge an oder sind dazu benachbart, was bedeutet, dass sie an den Kantenecken miteinander verbunden sind oder aneinander angrenzen. Die dritte negative Elektrode 690 hat eine dritte elektrisch leitende Lasche 696, die L-förmig ist und sich entlang einer ersten Kante 692 mit der ersten Länge und einer zweiten Kante 694 erstreckt. Die Lasche 696 nimmt den größten Teil oder die gesamte Länge sowohl der Kante 692 als auch der Kante 694 in ähnlicher Weise wie die Lasche 666 ein und hat die gleichen Abmessungen wie im Zusammenhang mit der ersten positiven Elektrode 660 beschrieben. Die dritte elektrisch leitende Lasche 696 ist jedoch auf einer entgegengesetzten Seite und damit an entgegengesetzten Kanten der Elektrode angeordnet, verglichen mit der Platzierung der Lasche 666 in der ersten positiven Elektrode 660. Die verbleibende erste Kante 692 und zweite Kante 694 haben keine Laschen. Auch hier sind die laschenfreien Kanten in der dritten negativen Elektrode 690 diametral gegenüber den laschenfreien Kanten in der ersten und zweiten positiven Elektrode 660, 670 angeordnet.
Eine vierte negative Elektrode 700 kann ein anderes aktives Material enthalten als die dritte negative Elektrode 690. Die vierte negative Elektrode 700 umfasst zwei Kanten 702 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 704 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Die Kanten 702 mit der ersten Länge grenzen an die Kanten 704 mit einer zweiten Länge an oder sind dazu benachbart, d.h. sie verbinden oder grenzen an Kantenecken an. Die vierte negative Elektrode 700 hat eine vierte elektrisch leitende Lasche 706, die L-förmig ist und sich entlang einer ersten Kante 702 mit der ersten Länge und einer zweiten Kante 704 erstreckt. Die Lasche 706 nimmt den größten Teil oder die gesamte Länge sowohl der Kante 702 als auch der Kante 704 in ähnlicher Weise ein wie die Lasche 666, die im Zusammenhang mit der ersten positiven Elektrode 660 beschrieben wurde. Allerdings ist die vierte elektrisch leitende Lasche 706 im Vergleich zur Platzierung der Lasche 666 in der ersten positiven Elektrode 660 auf einer entgegengesetzten Seite und damit an entgegengesetzten Kanten der Elektrode angeordnet. Die verbleibende erste Kante 702 und zweite Kante 704 haben keine Laschen. Auch hier befinden sich die laschenfreien Kanten in der vierten negativen Elektrode 700 in diametral entgegengesetzter Position zu den laschenfreien Kanten in der ersten und zweiten positiven Elektrode 660, 670.
Die erste positive Elektrode 660, die zweite positive Elektrode 670, der Separator 680, die dritte negative Elektrode 690 und die vierte negative Elektrode 700 werden dann zu einer Kernzellenanordnung 710 gestapelt. In der Kernanordnung 710 ist die erste elektrisch leitende L-förmige Lasche 666 der ersten positiven Elektrode 660 im Wesentlichen mit der zweiten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 676 der zweiten positiven Elektrode 670 auf einer ersten Seite 612 der Kernzellenanordnung 710 ausgerichtet, wenn sie zusammengefügt (z.B. gestapelt) sind. In ähnlicher Weise ist auf einer zweiten Seite 714 der Kernzellenanordnung 710, die der ersten Seite 712 diametral gegenüberliegt, die dritte elektrisch leitende L-förmige Lasche 696 der dritten negativen Elektrode 690 im Wesentlichen mit der vierten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 706 der zweiten positiven Elektrode 700 ausgerichtet. Wie gezeigt, ist eine gemeinsame positive Lasche 718 an den angrenzenden Kanten 713 aus einem Teil der verbundenen ersten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 666 und der zweiten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 676 gebildet. Weiterhin sind zwei unterschiedliche gemeinsame negative Laschen 720 an den angrenzenden Kanten 715 aus einem Teil der verbundenen dritten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 696 und der vierten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 706 gebildet.
Die Kernzellenanordnung 710 wird dann in die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 650 eingebaut und bildet diese. Ausgewählte Bereiche der jeweiligen Schichten innerhalb der ersten gemeinsamen positive Lasche 718 können in ausgewählten Bereichen verschweißt und entsprechend bedeckt oder ummantelt werden, um eine Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren 730 zu bilden. Die positiven elektrischen Konnektoren 730 können mit anderen elektrischen Leitungen mit derselben Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. In ähnlicher Weise kann die erste gemeinsame negative Lasche 720 in ausgewählten Bereichen zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um eine Mehrzahl negativer elektrischer Konnektoren 732 zu bilden. Der negative elektrische Konnektor 732 kann mit anderen elektrischen Leitungen mit der gleichen Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder kann selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 650 kann vor oder nach der Bildung der positiven elektrischen Konnektoren 730 und der negativen elektrischen Konnektoren 732 in andere Komponenten, wie z.B. ein Gehäuse oder eine Tasche 740, eingebaut werden.
Wie aus den Konstruktionen in 10A-10B hervorgeht, sind vier große asymmetrische Laschen für eine verbesserte Stromverteilung enthalten. Darüber hinaus kann durch die Verwendung von intermittierend beschichteten Elektroden und großen Folienflächen in Form von Laschen ein geringerer Zellenwiderstand und eine bessere Wärmeverteilung erreicht werden. Somit hat eine kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 650 eine Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren und eine Mehrzahl von negativen elektrischen Konnektoren, wobei eine erste Kante einen positiven elektrischen Konnektor, eine angrenzende zweite Kante einen negativen elektrischen Konnektor, eine dritte Kante einen negativen elektrischen Konnektor und eine vierte Kante einen positiven elektrischen Konnektor hat. Bei dieser Konstruktion hat ein erstes Paar entgegengesetzter Kanten einen positiven elektrischen Konnektor und einen negativen elektrischen Konnektor. Ferner hat ein zweites Paar entgegengesetzter Kanten ebenfalls einen positiven elektrischen Konnektor und einen entgegengesetzten negativen elektrischen Konnektor. Durch den Einbau von vier Laschen, die einstückig mit positiven oder negativen elektrischen Konnektoren an vier Seitenkanten der elektrochemischen Zellenanordnung ausgebildet und mit diesen verbunden sind, werden Strom und Stromdichte, die von einer der Laschen übertragen werden, minimiert, was besonders vorteilhaft für Ultrahochleistungsanwendungen ist. Dies wiederum dient dazu, Hot Spots zu reduzieren und Thermogradienten bei Lade- und Entladebedingungen mit hoher Leistung zu verringern.
Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 650 kann durch ein intermittierendes Beschichtungsverfahren gebildet werden, bei dem diskrete Elektroden auf einer Stromkollektorfolie gebildet werden, wobei die Laschen in jede entsprechende diskrete Elektrode an den geeigneten Positionen entlang der Seitenkanten eingesetzt werden.
11A-11B zeigen Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 750, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und positive Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen entgegengesetzten Kanten und negative Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen entgegengesetzten Kanten aufweist.
Eine erste positive Elektrode 760 umfasst zwei Kanten 762 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 764 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Eine Mehrzahl erster elektrisch leitender Laschen 766 erstreckt sich entlang der Kanten 764. Die Laschen 766 nehmen den größten Teil oder die gesamte Länge der Kante 764 ein, z.B. kann die Laschengesamtlänge für die Lasche größer oder gleich etwa 50 % bis kleiner oder gleich etwa 100 % der kumulativen Gesamtlänge der Kante 764 sein. Die verbleibenden ersten Kanten 762 haben keine Laschen.
Ebenfalls gezeigt ist eine zweite positive Elektrode 770, die ein anderes aktives Material als die erste positive Elektrode 760 enthalten kann. Die zweite positive Elektrode 770 umfasst zwei Kanten 772 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 774 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Eine Mehrzahl von zweiten elektrisch leitenden Laschen 776 erstreckt sich entlang der Kanten 774, wie die obige Lasche 766. Die verbleibenden ersten Kanten 772 haben keine Laschen.
Ein Separator 780 ist enthalten. Eine dritte negative Elektrode 790 enthält zwei Kanten 792 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 794 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Eine Mehrzahl dritter elektrisch leitender Laschen 796 erstreckt sich entlang der Kanten 792 und hat ähnliche Abmessungen wie die oben beschriebene Lasche 766. Die verbleibenden ersten Kanten 794 haben keine Laschen.
Eine vierte negative Elektrode 800 umfasst zwei Kanten 802 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 804 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Eine Mehrzahl vierter elektrisch leitender Laschen 806 erstrecken sich entlang der Kanten 802 und hat ähnliche Abmessungen wie die oben beschriebene Lasche 766. Die verbleibenden ersten Kanten 804 haben keine Laschen.
Die erste positive Elektrode 760, die zweite positive Elektrode 770, der Separator 780, die dritte negative Elektrode 790 und die vierte negative Elektrode 800 werden dann zu einer Kernzellenanordnung 810 gestapelt. In der Kernanordnung 810 ist die Mehrzahl der ersten elektrisch leitenden Laschen 766 der ersten positiven Elektrode 760 im Wesentlichen mit der Mehrzahl der zweiten elektrisch leitenden Laschen 776 der zweiten positiven Elektrode 770 ausgerichtet, wenn sie zusammengesetzt (z.B. gestapelt) sind und so erste gemeinsame positive Laschen 818 bilden. In ähnlicher Weise sind gemeinsame negative Laschen 820 gebildet, indem die dritten elektrisch leitenden Laschen 796 der dritten negativen Elektrode 790 im Wesentlichen mit der vierten elektrisch leitenden Lasche 806 der vierten negativen Elektrode 800 ausgerichtet sind, wenn sie zusammengefügt (z.B. gestapelt) sind.
Die Kernzellenanordnung 810 wird dann in die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 750 eingebaut und bildet diese. Die jeweiligen Schichten innerhalb der gemeinsamen positiven Laschen 818 können zusammengeschweißt und entsprechend bedeckt oder ummantelt sein, um einen ersten positiven elektrischen Konnektor 830 zu bilden. Die positiven elektrischen Konnektoren 630 können mit anderen elektrischen Leitungen derselben Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. In ähnlicher Weise können die gemeinsamen negativen Laschen 820 zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um einen ersten negativen elektrischen Konnektor 832 zu bilden. Die negativen elektrischen Konnektoren 832 können an andere elektrische Leitungen mit derselben Polarität angeschlossen sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreise, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 750 kann vor oder nach der Bildung der positiven elektrischen Konnektoren 830 und der negativen elektrischen Konnektoren 832 in andere Komponenten, wie z.B. ein Gehäuse oder einen Beutel 840, eingebaut werden.
Jede Seitenkante 834 der vier Kanten der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 750 hat entweder den positiven elektrischen Konnektor 830 oder den negativen elektrischen Konnektor 832. Somit ist ein erstes Paar durch einen positiven elektrischen Konnektor 830 gebildet, dem ein negativer elektrischer Konnektor diametral gegenüberliegt, während ein zweites Paar ebenfalls durch einen anderen positiven elektrischen Konnektor 830 gebildet ist, der einem anderen negativen elektrischen Konnektor 830 diametral gegenüberliegt. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 750 hat eine erste Kante mit einem positiven elektrischen Konnektor, eine angrenzende zweite Kante mit einem negativen elektrischen Konnektor, eine dritte Kante mit einem positiven elektrischen Konnektor und eine vierte Kante mit einem negativen elektrischen Konnektor, so dass ein erstes Paar entgegengesetzter Kanten einen positiven elektrischen Konnektor und einen entgegengesetzten positiven elektrischen Konnektor hat und ein zweites Paar entgegengesetzter Kanten auch einen negativen elektrischen Konnektor und einen entgegengesetzten negativen elektrischen Konnektor hat. Durch den Einbau von vier großen Laschen, die einstückig mit positiven oder negativen elektrischen Konnektoren ausgebildet und mit diesen verbunden sind, die an vier seitlichen und gegenüberliegenden Kanten der elektrochemischen Zellenanordnung angeordnet sind, werden Strom und Stromdichte, die von einer der Laschen übertragen werden, minimiert, was besonders vorteilhaft für Ultrahochleistungsanwendungen ist. Dies wiederum dient dazu, Hot Spots zu reduzieren und Thermogradienten bei Lade- und Entladebedingungen mit hoher Leistung zu verringern.
Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 750 kann durch ein intermittierendes Beschichtungsverfahren gebildet werden, bei dem diskrete Elektroden auf einer Stromkollektorfolie gebildet werden, wobei die Laschen in die jeweiligen diskreten Elektroden an den entsprechenden Positionen entlang der Seitenkanten eingesetzt werden.
12A-12B zeigen Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 850, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und positive Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen gegenüberliegenden Kanten und negative Elektrodenkomponenten mit Laschen an einer Kante aufweist. Die erste positive Elektrode 860 umfasst zwei Kanten 862 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 864 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Eine Mehrzahl erster elektrisch leitender Laschen 866 erstreckt sich entlang der Kanten 864. Die Laschen 866 nehmen den größten Teil oder die gesamte Länge der Kante 864 ein, z.B. kann die Laschengesamtlänge für die Lasche größer oder gleich etwa 50 % bis kleiner oder gleich etwa 100 % der kumulativen Gesamtlänge der Kante 864 sein. In bestimmten Aspekten kann die Höhe der Lasche 866 größer oder gleich etwa 5 mm bis kleiner oder gleich etwa 30 mm sein. In bestimmten anderen Aspekten kann eine Breite der Lasche 866 größer oder gleich etwa 50 mm bis kleiner oder gleich etwa 600 mm sein. Die verbleibenden ersten Kanten 862 haben keine Laschen.
Ebenfalls gezeigt ist eine zweite positive Elektrode 870, die ein anderes aktives Material als die erste positive Elektrode 860 enthalten kann. Die zweite positive Elektrode 870 umfasst zwei Kanten 872 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 874 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Eine Mehrzahl von zweiten elektrisch leitenden Laschen 876 erstreckt sich entlang der Kanten 874, wie die Lasche 866 oben, und kann dieselben Abmessungen aufweisen. Die verbleibenden ersten Kanten 872 haben keine Laschen.
Ein Separator 780 ist enthalten. Eine dritte negative Elektrode 890 enthält zwei Kanten 892 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 894 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Eine dritte elektrisch leitende Lasche 896 erstreckt sich entlang der Kante 892 und hat ähnliche Abmessungen wie die oben beschriebene Lasche 866. Die andere Kante 892 und die Kanten 894 haben keine Laschen.
Eine vierte negative Elektrode 900 umfasst zwei Kanten 902 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 904 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Eine vierte elektrisch leitende Lasche 906 erstreckt sich entlang einer Kante 902 und hat ähnliche Abmessungen wie die oben beschriebene Lasche 866. Die andere Kante 902 und die Kanten 904 haben keine Laschen.
Die erste positive Elektrode 860, die zweite positive Elektrode 870, der Separator 880, die dritte negative Elektrode 890 und die vierte negative Elektrode 900 werden dann zu einer Kernzellenanordnung 910 gestapelt. In der Kernanordnung 910 ist die Mehrzahl der ersten elektrisch leitenden Laschen 866 der ersten positiven Elektrode 860 im Wesentlichen mit der Mehrzahl der zweiten elektrisch leitenden Laschen 876 der zweiten positiven Elektrode 870 ausgerichtet, wenn sie zusammengesetzt (z.B. gestapelt) sind und so erste gemeinsame positive Laschen 918 bilden. In ähnlicher Weise ist eine gemeinsame negative Lasche 920 gebildet, indem die dritte elektrisch leitende Lasche 896 der dritten negativen Elektrode 890 im Wesentlichen mit der vierten elektrisch leitenden Lasche 906 der vierten negativen Elektrode 900 ausgerichtet ist, wenn sie zusammengefügt (z.B. gestapelt) sind.
Die Kernzellenanordnung 910 wird dann in die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 850 eingebaut und bildet diese. Die jeweiligen Schichten innerhalb der gemeinsamen positiven Laschen 918 können zusammengeschweißt und entsprechend bedeckt oder ummantelt sein, um einen ersten positiven elektrischen Konnektor 930 zu bilden. Die positiven elektrischen Konnektoren 930 können mit anderen elektrischen Leitungen mit derselben Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. In ähnlicher Weise können die gemeinsamen negativen Laschen 920 zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um einen ersten negativen elektrischen Konnektor 932 zu bilden. Die negativen elektrischen Konnektoren 932 können an andere elektrische Leitungen mit derselben Polarität angeschlossen sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreise, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 850 kann vor oder nach der Bildung der positiven elektrischen Konnektoren 930 und der negativen elektrischen Konnektoren 932 in andere Komponenten, wie z.B. ein Gehäuse oder eine Tasche 940, eingebaut werden.
Drei Seitenkanten 934 der vier Kanten der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 850 haben entweder den positiven elektrischen Konnektor 930 oder den negativen elektrischen Konnektor 932. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 850 hat eine erste Kante 936 mit einem positiven elektrischen Konnektor 930, eine angrenzende zweite Kante 938 mit einem negativen elektrischen Konnektor 932, eine dritte Kante 940 mit einem positiven elektrischen Konnektor 930. Eine verbleibende Kante ist frei von jeglichen elektrischen Konnektoren. Durch den Einbau von zwei positiven elektrischen Konnektoren und einem negativen elektrischen Konnektor verringert diese Konstsruktion der elektrochemische Zellenanordnung die Temperaturen und Thermogradienten der internen positiven Anschlüsse. Dies kann besonders vorteilhaft bei einer Konstruktion sein, bei der eine der positiven Elektroden ein kondensatoraktives Material enthält.
Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 850 kann durch einen kontinuierlichen Elektrodenbeschichtungsprozess gebildet werden, bei dem Laschen auf einer oder zwei Seiten einer kontinuierlich abgeschiedenen Elektrode erzeugt werden können, die in geeigneten Abständen intermittierend geschnitten wird. Alternativ kann die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 850 durch einen intermittierenden Beschichtungsprozess gebildet werden, bei dem diskrete Elektroden auf einer Stromkollektorfolie gebildet werden, wobei die Laschen in jede entsprechende diskrete Elektrode an den geeigneten Positionen entlang der Seitenkanten eingesetzt werden.
13A-13B zeigen Komponenten einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 950, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und positive Elektrodenkomponenten mit einer Lasche an einer Kante und negative Elektrodenkomponenten mit Laschen an zwei verschiedenen gegenüberliegenden Kanten aufweist.
Eine erste positive Elektrode 960 umfasst zwei Kanten 962 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 964 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Eine erste elektrisch leitende Lasche 966 erstreckt sich entlang der Kante 962. Die andere Kante 892 und die Kanten 894 haben keine Laschen. Die Lasche 966 nimmt den größten Teil oder die gesamte Länge der Kante 964 ein, z.B. kann die Laschengesamtlänge für die Lasche größer oder gleich etwa 50 % bis kleiner oder gleich etwa 100 % der kumulativen Gesamtlänge der Kante 964 sein. Die Lasche 966 kann die gleichen Abmessungen haben wie die Lasche 866, die oben im Zusammenhang mit der ersten positiven Elektrode 860 in 12A beschrieben ist.
Ebenfalls gezeigt ist eine zweite positive Elektrode 970, die ein anderes aktives Material als die erste positive Elektrode 960 enthalten kann. Die zweite positive Elektrode 970 umfasst zwei Kanten 972 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 974 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Eine zweite elektrisch leitende Lasche 976 erstreckt sich entlang der Kante 972, die die gleichen Abmessungen wie die Lasche 966 haben kann.
Ein Separator 780 ist enthalten. Die dritte negative Elektrode 990 umfasst zwei Kanten 992 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 994 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Eine Mehrzahl dritter elektrisch leitender Laschen 996 erstreckt sich entlang der Kanten 992, die die gleichen Abmessungen wie die Lasche 966 haben können. Die verbleibenden ersten Kanten 994 haben keine Laschen.
Eine vierte negative Elektrode 1000 umfasst zwei Kanten 1002 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 1004 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Mehrere vierte elektrisch leitende Laschen 1006 erstrecken sich entlang der Kanten 1002, die die gleichen Abmessungen wie die Lasche 966 haben können. Die verbleibenden ersten Kanten 1004 haben keine Laschen.
Eine Kernzellenanordnung 1010 wird gebildet, indem die erste positive Elektrode 960, die zweite positive Elektrode 970, der Separator 980, die dritte negative Elektrode 990 und die vierte negative Elektrode 1000 zusammengesetzt werden. In der Kernanordnung 1010 ist die erste elektrisch leitende Lasche 966 der ersten positiven Elektrode 960 im Wesentlichen mit der zweiten elektrisch leitenden Lasche 976 der zweiten positiven Elektrode 970 ausgerichtet, wenn sie zusammengesetzt (z.B. gestapelt) sind und so erste gemeinsame positive Laschen 1018 bilden. In ähnlicher Weise sind gemeinsame negative Laschen 1020 gebildet, indem die dritten elektrisch leitenden Laschen 996 der dritten negativen Elektrode 990 im Wesentlichen mit den vierten elektrisch leitenden Laschen 1006 der vierten negativen Elektrode 1000 ausgerichtet sind, wenn sie zusammengefügt (z.B. gestapelt) sind.
Die Kernzellenanordnung 1010 ist in die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 950 integriert und bildet diese. Die jeweiligen Schichten innerhalb der gemeinsamen positiven Lasche 1018 können zusammengeschweißt und entsprechend bedeckt oder ummantelt sein, um einen ersten positiven elektrischen Konnektor 1030 zu bilden. Die positiven elektrischen Konnektoren 1030 können mit anderen elektrischen Leitungen mit derselben Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. In ähnlicher Weise können die gemeinsamen negativen Laschen 1020 zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um einen ersten negativen elektrischen Konnektor 1032 zu bilden. Die negativen elektrischen Konnektoren 1032 können an andere elektrische Leitungen mit derselben Polarität angeschlossen sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreise, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 950 kann vor oder nach der Bildung der positiven elektrischen Konnektoren 1030 und der negativen elektrischen Konnektoren 1032 in andere Komponenten, wie z.B. ein Gehäuse oder einen Beutel 1040, eingebaut werden.
Drei Seitenkanten der vier Kanten der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 950 haben entweder den positiven elektrischen Konnektor 1030 oder den negativen elektrischen Konnektor 1032. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 950 hat eine erste Kante 1036 mit dem negativen elektrischen Konnektor 1032, eine angrenzende zweite Kante 1038 mit dem positiven elektrischen Konnektor 1030, eine dritte Kante 1040 mit dem negativen elektrischen Konnektor 1032. Eine verbleibende Kante 1042 ist frei von jeglichen elektrischen Konnektoren. Durch den Einbau eines positiven elektrischen Konnektors und von zwei negativen elektrischen Konnektoren verringert diese Konstruktion der elektrochemische Zellenanordnung die Temperaturen und Thermogradienten der internen negativen Anschlüsse. Dies kann besonders vorteilhaft bei einer Konstruktion sein, bei dem eine der negativen Elektroden ein kondensatoraktives Material enthält.
Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 950 kann durch einen kontinuierlichen Elektrodenbeschichtungsprozess gebildet werden, bei dem Laschen auf einer oder zwei Seiten einer kontinuierlich abgeschiedenen Elektrode erzeugt werden können, die in geeigneten Abständen intermittierend geschnitten wird. Alternativ kann die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 950 durch einen intermittierenden Beschichtungsprozess gebildet werden, bei dem diskrete Elektroden auf einer Stromkollektorfolie gebildet werden, wobei die Laschen in jede entsprechende diskrete Elektrode an den geeigneten Positionen entlang der Seitenkanten eingesetzt werden.
14A-14B zeigen Komponenten einer prismatischen kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 1050, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und mit durchgehenden L-förmigen Laschen an zwei aneinander angrenzenden Kanten der positiven Elektrodenkomponenten und mit durchgehenden L-förmigen Laschen an zwei aneinander angrenzenden Kanten der negativen Elektrodenkomponenten versehen ist. 14B zeigt den Aufbau des Komponentenstapels in 14B zur Bildung eines Batteriekerns mit einem Paar entgegengesetzter Kanten mit einem positiven elektrischen Konnektor und einem entgegengesetzten negativen elektrischen Konnektor, zusammen mit Kühlfolien an Kanten, die nicht den positiven oder negativen elektrischen Konnektor aufweisen. 14A-14B haben einen ähnlichen Aufbau wie die in 10A-10B beschriebene kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 650. Auch hier werden die Komponenten der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 1050, die dieselbe Konstruktion, Funktion und/oder dieselben Abmessungen wie die in der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 150 in den 4A-4B oder in der zuvor beschriebenen kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 650 in den 10A-10B haben, nicht noch einmal im Detail besprochen, sondern es wird davon ausgegangen, falls nicht ausdrücklich anders angegeben, dass sie dieselben Eigenschaften und Abmessungen wie oben beschrieben aufweisen.
Eine erste positive Elektrode 1060 umfasst zwei Kanten 1062 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 1064 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Bemerkenswert ist, dass jede der Kanten 1062 mit der ersten Länge an eine Kante 1064 mit einer zweiten Länge angrenzt oder zu dieser benachbart ist, was bedeutet, dass sie an Kantenecken physisch miteinander verbunden sind. Die erste positive Elektrode 1060 hat also eine erste elektrisch leitende Lasche 1066, die L-förmig ist und sich entlang einer ersten Kante 1062 mit der ersten Länge und einer zweiten Kante 1064 erstreckt. Die Lasche 1066 nimmt den größten Teil oder die gesamte Länge sowohl der Kante 1062 als auch der Kante 1064 ein, z.B. kann die Gesamtlänge der Lasche für die L-förmige Elektrode größer oder gleich etwa 50 % bis kleiner oder gleich etwa 100 % der Gesamtlänge der beiden Kanten 1062 und 1064 sein. In bestimmten Variationen erstreckt sich eine Länge der L-förmigen Lasche 1066 genauso wie eine Länge der Kante 1062 und der Kante 1064. Eine verbleibende erste Kante 1062 und zweite Kante 1064 haben keine Laschen.
Außerdem ist eine zweite positive Elektrode 1070 gezeigt, die ein anderes aktives Material als die erste positive Elektrode 1060 enthalten kann. Die zweite positive Elektrode 1070 umfasst zwei Kanten 1072 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 1074 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Bemerkenswert ist, dass jede der Kanten 1072 mit der ersten Länge an eine Kante 1074 mit einer zweiten Länge angrenzt oder zu dieser benachbart ist, was bedeutet, dass sie an Kantenecken physisch verbunden sind. Die positive Elektrode 1070 hat eine zweite elektrisch leitende Lasche 1076, die L-förmig ist und sich entlang einer ersten Kante 1072 mit der ersten Länge und einer zweiten Kante 1074 erstreckt. Die Lasche 1076 nimmt den größten Teil oder die gesamte Länge sowohl der Kante 1072 als auch der Kante 1074 in ähnlicher Weise ein wie die Lasche 1066, die im Zusammenhang mit der ersten positiven Elektrode 1060 beschrieben wurde. Die verbleibende erste Kante 1072 und zweite Kante 1074 haben keine Laschen.
Ein Separator 1080 ist enthalten. Eine dritte Elektrode 1090 enthält zwei Kanten 1092 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 1094 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Die Kanten 1092 mit der ersten Länge grenzen an die Kanten 1094 mit einer zweiten Länge an oder sind dazu benachbart, d.h. sie verbinden oder grenzen an Kantenecken an. Die dritte negative Elektrode 1090 hat eine dritte elektrisch leitende Lasche 1096, die L-förmig ist und sich entlang einer ersten Kante 1092 mit der ersten Länge und einer zweiten Kante 1094 erstreckt. Die Lasche 1096 nimmt den größten Teil oder die gesamte Länge sowohl der Kante 1092 als auch der Kante 1094 in ähnlicher Weise ein wie die Lasche 1066, die im Zusammenhang mit der ersten positiven Elektrode 1060 beschrieben wurde. Die dritte elektrisch leitende Lasche 1096 ist jedoch auf einer entgegengesetzten Seite und damit an entgegengesetzten Kanten der Elektrode angeordnet, verglichen zum Beispiel mit der Platzierung der Lasche 1066 in der ersten positiven Elektrode 1060. Die verbleibende erste Kante 1092 und zweite Kante 1094 haben keine Laschen. Auch hier sind die laschenfreien Kanten in der dritten negativen Elektrode 1090 diametral gegenüber den laschenfreien Kanten in der ersten und zweiten positiven Elektrode 1060, 1070 angeordnet.
Eine vierte negative Elektrode 1100 kann ein anderes aktives Material enthalten als die dritte negative Elektrode 1090. Die vierte negative Elektrode 1100 umfasst zwei Kanten 1102 mit einer ersten Länge und zwei Kanten 1104 mit einer zweiten Länge, die größer als die erste Länge sein kann. Die Kanten 1102 mit der ersten Länge grenzen an die Kanten 1104 mit einer zweiten Länge an oder sind dazu benachbart, was bedeutet, dass sie an den Ecken der Kanten aneinander anschließen oder aneinander angrenzen. Die vierte negative Elektrode 1100 hat eine vierte elektrisch leitende Lasche 1106, die L-förmig ist und sich entlang einer ersten Kante 1102 mit der ersten Länge und einer zweiten Kante 1104 erstreckt. Die Lasche 1106 nimmt den größten Teil oder die gesamte Länge sowohl der Kante 1102 als auch der Kante 1104 in ähnlicher Weise ein wie die Lasche 1066, die im Zusammenhang mit der ersten positiven Elektrode 1060 beschrieben wurde. Allerdings ist die vierte elektrisch leitende Lasche 1106 im Vergleich zur Platzierung der Lasche 1066 in der ersten positiven Elektrode 1060 auf einer entgegengesetzten Seite und damit an entgegengesetzten Kanten der Elektrode angeordnet. Die verbleibende erste Kante 1102 und die zweite Kante 1104 haben keine Laschen. Auch hier befinden sich die laschenfreien Kanten in der vierten negativen Elektrode 1100 an diametral gegenüberliegenden Positionen zu den laschenfreien Kanten in der ersten und zweiten positiven Elektrode 1060, 1070.
Die erste positive Elektrode 1060, die zweite positive Elektrode 1070, der Separator 1080, die dritte negative Elektrode 1090 und die vierte negative Elektrode 1100 werden dann zu einer Kernzellenanordnung 1110 gestapelt. In der Kernanordnung 1110 ist die erste elektrisch leitende L-förmige Lasche 1066 der ersten positiven Elektrode 1060 im Wesentlichen mit der zweiten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 1076 der zweiten positiven Elektrode 1070 auf einer ersten Seite 1012 der Kernzellenanordnung 1110 ausgerichtet, wenn sie zusammengefügt (z.B. gestapelt) sind. In ähnlicher Weise ist auf einer zweiten Seite 1114 der Kernzellenanordnung 1110, die der ersten Seite 1112 diametral gegenüberliegt, die dritte elektrisch leitende L-förmige Lasche 1096 der dritten negativen Elektrode 1090 im Wesentlichen mit der vierten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 1106 der zweiten positiven Elektrode 1100 ausgerichtet. Wie gezeigt, ist eine gemeinsame positive Lasche 1118 aus der verbundenen ersten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 1066 und der zweiten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 1076 gebildet. Ferner ist eine gemeinsame negative Lasche 1120 aus einem Teil der verbundenen dritten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 1096 und der vierten elektrisch leitenden L-förmigen Lasche 1106 gebildet.
Die Kernzellenanordnung 1110 wird dann in die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 1050 eingebaut und bildet diese. Ausgewählte Bereiche der jeweiligen Schichten innerhalb der ersten gemeinsamen positiven Laschen 1118 können in ausgewählten Bereichen verschweißt und entsprechend bedeckt oder ummantelt werden, um einen positiven elektrischen Konnektor 1130 zu bilden. In Bereichen 1122, in denen die jeweiligen Schichten, die die gemeinsame positive Lasche 1118 bilden, nicht miteinander verschweißt sind (d.h. in Bereichen außerhalb des positiven elektrischen Konnektors 1130), können Folienschichten freiliegend bleiben und als Kühlfolie entlang der Elektrodenkanten dienen. Dies sorgt für eine interne Kühlung innerhalb der elektrochemischen Zelle. Die positiven elektrischen Konnektoren 1130 können mit anderen elektrischen Leitungen mit derselben Polarität verbunden sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreisen, oder sie können selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden.
In ähnlicher Weise kann die gemeinsame negative Lasche 1120 in ausgewählten Bereichen zusammengeschweißt und mit einer geeigneten Kappe oder Ummantelung versehen sein, um einen negativen elektrischen Konnektor 1132 zu bilden. In Bereichen 1124, in denen die jeweiligen Schichten, die die gemeinsame negative Lasche 1120 bilden, nicht zusammengeschweißt sind (d.h. in Bereichen außerhalb des positiven elektrischen Konnektors 1132), können Folienschichten freiliegend bleiben und als Kühlfolie entlang der Kanten der Elektrode dienen. Dies sorgt zusätzlich für eine interne Kühlung innerhalb der elektrochemischen Zelle. Der negative elektrische Konnektor 1132 kann an andere elektrische Leitungen mit derselben Polarität angeschlossen sein, wie z.B. Stromschienen, Schaltkreise, oder kann selbst Anschlüsse für den externen Anschluss an Lasten, Generatoren oder Stromquellen und dergleichen bilden. Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 1050 kann vor oder nach der Bildung der positiven elektrischen Konnektoren 1130 und der negativen elektrischen Konnektoren 1132 in andere Komponenten, wie z.B. ein Gehäuse oder eine Tasche 1140, eingebaut werden.
Somit hat die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 1050 einen positiven elektrischen Konnektor und einen negativen elektrischen Konnektor, die auf entgegengesetzten Seiten der Anordnung 1150 angeordnet sind. Darüber hinaus kann die Verwendung von intermittierend beschichteten Elektroden und großen Folienflächen in Form von Laschen für einen geringeren Zellenwiderstand, Kühlung und eine bessere Wärmeverteilung sorgen.
Die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung 1050 kann durch ein intermittierendes Beschichtungsverfahren gebildet werden, bei dem diskrete Elektroden auf einer Stromkollektorfolie gebildet werden, wobei die Laschen in jede entsprechende diskrete Elektrode an den geeigneten Positionen entlang der Seitenkanten eingesetzt werden.
In verschiedenen Aspekten bietet die vorliegende Offenbarung neue ElektrodenKonstruktionen für elektrochemische Ultrahochleistungs-Hybridzellen mit gleichmäßiger Wärmeverteilung, die besonders für kondensatorgestützte Batterien geeignet sind und die Leistung und Haltbarkeit der Zellen verbessern. Diese Konstruktionen ermöglichen einen orientierten bzw. gerichteten Stromfluss. Beispielsweise werden durch die Einbeziehung von mehr Laschen mehr Wege für Elektronen innerhalb jeder Elektrode geschaffen, so dass die Elektronen eine kürzere Entfernung durch die Elektrode zurücklegen als bei herkömmlichen Konstruktionen.
In bestimmten Variationen kann jede Elektrode in der elektrochemischen Zellenanordnung mindestens eine elektrisch leitende Lasche umfassen, die von mindestens einer Kante der Elektrode vorsteht und so eine Höhe von größer oder gleich etwa 5 mm bis kleiner oder gleich etwa 30 mm definiert. In bestimmten anderen Aspekten kann die Breite jeder von einer Kante jeder Elektrode hervorstehenden Lasche größer oder gleich etwa 30 mm bis kleiner oder gleich etwa 600 mm, optional größer oder gleich etwa 30 mm bis kleiner oder gleich etwa 300 mm oder in anderen Variationen optional größer oder gleich etwa 50 mm bis kleiner oder gleich etwa 600 mm sein.
In bestimmten Aspekten kann jede beliebige Elektrode in den kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellen eine maximale Stromdichte von weniger als oder gleich etwa 300 mA/cm² aufweisen. Zum Beispiel ist eine maximale Stromdichte kleiner oder gleich etwa 300 mA/cm² für mindestens eine der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode, der dritten Elektrode oder der vierten Elektrode. In bestimmten Variationen ist die maximale Stromdichte für die erste Elektrode, die zweite Elektrode, die dritte Elektrode und die vierte Elektrode jeweils kleiner oder gleich etwa 300 mA/cm². In bestimmten Variationen ist die maximale Stromdichte kleiner oder gleich etwa 250 mA/cm², optional kleiner oder gleich etwa 200 mA/cm², optional kleiner oder gleich etwa 150 mA/cm², optional kleiner oder gleich etwa 100 mA/cm² und in bestimmten Aspekten optional kleiner oder gleich etwa 90 mA/cm². In bestimmten Aspekten liegt die Stromdichte innerhalb einer entsprechenden Elektrode innerhalb der elektrochemischen Zelle zwischen etwa 0 und weniger oder gleich etwa 90 mA/cm². Je höher der Strom (oder die Stromdichte), desto größer ist der Thermogradient. Die Minimierung der Stromdichte dient also dazu, Thermogradienten günstig zu reduzieren.
Wie oben angemerkt, haben unterstützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellen, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurden, eine geringere Stromdichte im Vergleich zu einer herkömmlichen Zwei-Laschen-Konstruktion für eine kondensatorgestützte elektrochemische Vergleichs-Hybrid-Lithiumionen-Zellen-Anordnung mit den gleichen Materialien. Zum Beispiel ist eine maximale Stromdichte um mehr als oder gleich etwa 35 %, optional mehr als oder gleich etwa 40 %, optional mehr als oder gleich etwa 50 %, optional mehr als oder gleich etwa 55 %, optional mehr als oder gleich etwa 60 %, optional mehr als oder gleich etwa 65 %, optional mehr als oder gleich etwa 70 % und in bestimmten Variationen optional mehr als oder gleich etwa 75 % verringert.
In bestimmten anderen Aspekten können die gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnungen ein verbessertes Wärmemanagement bieten, wie z.B. einen vergleichsweise geringeren Gleichstromwiderstand (DCR) und eine geringere Wärmeentwicklung. Als Beispiel wird, wenn die Leistung einer kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, mit einer herkömmlichen Zwei-Laschen-Konstruktion für eine kondensatorgestützte elektrochemische Vergleichs-Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung mit den gleichen Materialien verglichen wird, ein Elektronenweg innerhalb der Elektroden verringert, so dass der Gleichstromwiderstand (DCR) um mehr als oder gleich etwa 10 %, optional mehr als oder gleich etwa 20 %, optional mehr als oder gleich etwa 30 %, optional mehr als oder gleich etwa 40 % und in bestimmten Variationen optional mehr als oder gleich etwa 50 % verringert wird. Je niedriger der DCR-Wert, desto weniger Wärme wird erzeugt (z.B. Q=I²Rt, wobei Q für Wärme, I für Strom, R für Widerstand und t für Zeit steht), was zu einer elektrochemischen Zelle führt, die ein weniger aufwändiges und einfacheres Wärmemanagement erfordert. Eine Reduzierung der maximalen Stromdichte verringert die Thermogradienten, die durch Lade-/Entladeströme beeinträchtigt werden, in günstiger Weise. Darüber hinaus können einheitlichere Gegenfelder elektromagnetischer Interferenz (EMI) bei elektrochemischen Zellen erreicht werden, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurden.
Elektrochemische Ultrahochleistungs-Hybridzellen mit den in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen ElektrodenKonstruktionen haben eine längere Batterielebensdauer. In bestimmten Variationen erhält eine elektrochemische Lithiumionen-Zelle mit einer erfinderischen Elektrodenkonstruktion im Wesentlichen die Ladekapazität (z.B. Leistung innerhalb eines vorgewählten Bereichs oder andere angestrebte hohe Kapazitätsnutzung) für mehr als oder gleich etwa 5.000 Stunden Batteriebetrieb, optional mehr als oder gleich etwa 8.000 Stunden Batteriebetrieb und in bestimmten Aspekten mehr als oder gleich etwa 10.000 Stunden oder länger Batteriebetrieb (aktives Zyklieren bzw. aktiver Zyklusbetrieb).
In bestimmten Variationen sind die elektrochemischen Lithiumionen-Zellen mit einer erfinderischen Elektrodenkonstruktion in der Lage, innerhalb von 20 % der Zielladekapazität für eine Dauer von mehr als oder gleich etwa 2 Jahren (einschließlich Lagerung bei Umgebungsbedingungen und aktiver Zykluszeit) zu arbeiten, optional mehr als oder gleich etwa 3 Jahre, optional größer als oder gleich etwa 4 Jahre, optional größer als oder gleich etwa 5 Jahre, optional größer als oder gleich etwa 6 Jahre, optional größer als oder gleich etwa 7 Jahre, optional größer als oder gleich etwa 8 Jahre, optional größer als oder gleich etwa 9 Jahre und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich etwa 10 Jahre.
In anderen Variationen sind die elektrochemischen Lithiumionen-Zellen mit einer erfinderischen Elektrodenkonstruktion gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung in der Lage, bei weniger als oder gleich etwa 30 % Änderung einer vorgewählten Ziel-Ladekapazität (und damit einem minimalen Ladungsabfall) für mindestens etwa 2.000 Tiefentladungszyklen, optional größer oder gleich etwa 4.000 Tiefentladungszyklen, optional größer oder gleich etwa 6.000 Tiefentladungszyklen, optional größer oder gleich etwa 8.000 Tiefentladungszyklen und in bestimmten Variationen optional größer oder gleich etwa 10.000 Tiefentladungszyklen zu arbeiten.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.

Claims

Kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, umfassend: eine erste positive Elektrode mit einer ersten Polarität und mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante der ersten positiven Elektrode und mindestens einer von der ersten Kante verschiedenen zweiten Kante angeordnet sind; eine zweite positive Elektrode mit der ersten Polarität und mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante der zweiten positiven Elektrode und mindestens einer von der ersten Kante verschiedenen zweiten Kante angeordnet sind; eine dritte negative Elektrode mit einer zweiten Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, und mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante der dritten negativen Elektrode und mindestens einer von der ersten Kante verschiedenen zweiten Kante angeordnet sind; und eine vierte negative Elektrode mit der zweiten Polarität und mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante der vierten negativen Elektrode und mindestens einer von der ersten Kante verschiedenen zweiten Kante angeordnet sind, wobei die zweite positive Elektrode ein von der ersten positiven Elektrode verschiedenes aktives Material umfasst und/oder die vierte negative Elektrode ein von der dritten negativen Elektrode verschiedenes aktives Material umfasst, und die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen und die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen im Wesentlichen in der elektrochemischen Zellenanordnung ausgerichtet sind, um jeweils eine Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren zu bilden, und die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen und die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen im Wesentlichen in der elektrochemischen Zellenanordnung ausgerichtet sind, um eine Mehrzahl von negativen elektrischen Konnektoren zu bilden, die von der Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren beabstandet sind, um während des Ladens und Entladens mit hoher Leistung die Stromdichte zu reduzieren.
Kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine erste Kante der ersten positiven Elektrode eine erste Länge und die mindestens eine zweite Kante eine zweite Länge aufweist, die größer als die erste Länge ist; die mindestens eine erste Kante der zweiten positiven Elektrode aufweist und die mindestens eine zweite Kante die zweite Länge aufweist; die mindestens eine erste Kante der dritten negativen Elektrode die erste Länge aufweist und die mindestens eine zweite Kante die zweite Länge aufweist; und die mindestens eine erste Kante der vierten negativen Elektrode die erste Länge aufweist und die mindestens eine zweite Kante die zweite Länge aufweist; wobei die erste positive Elektrode, die zweite positive Elektrode, die dritte negative Elektrode und die vierte negative Elektrode zusammengesetzt sind, um die kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung zu bilden, die eine erste Zellenkante mit der ersten Länge und eine zweite Zellenkante mit der zweiten Länge definiert, wobei mindestens einer der mehreren positiven elektrischen Konnektoren und mindestens einer der negativen elektrischen Konnektoren an der ersten Zellenkante angeordnet und mindestens einer der mehreren positiven elektrischen Konnektoren und mindestens einer der negativen elektrischen Konnektoren an der zweiten Zellenkante der kondensatorgestützten elektrochemischen Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung angeordnet ist.
Kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 1, wobei entweder die erste positive Elektrode oder die dritte negative Elektrode ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität und die zweite positive Elektrode oder die vierte negative Elektrode ein elektroaktives Material mit hoher Leistungskapazität umfasst, wobei die erste positive Elektrode und die dritte negative Elektrode eine Lithiumionen-Batterie bilden und die zweite positive Elektrode und/oder die vierte negative Elektrode einen Kondensator bilden.
Kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen vier erste elektrisch leitende Laschen umfassen, die an jeder der vier Kanten der ersten positiven Elektrode angeordnet sind, und die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen vier zweite elektrisch leitende Laschen umfassen, die an jeder der vier Kanten der zweiten positiven Elektrode angeordnet sind, die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen vier dritte elektrisch leitende Laschen umfassen, die an jeder der vier Kanten der dritten negativen Elektrode angeordnet sind, und die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen vier vierte elektrisch leitende Laschen umfassen, die an jeder der vier Kanten der vierten negativen Elektrode angeordnet sind, wobei die elektrochemische Zellenanordnung vier Zellenkanten definiert, die jeweils einen positiven elektrischen Konnektor und einen negativen elektrischen Konnektor umfassen.
Kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen drei erste elektrisch leitende Laschen umfassen, die an jeder von drei Kanten der ersten positiven Elektrode angeordnet sind, und die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen drei zweite elektrisch leitende Laschen umfassen, die an jeder von drei Kanten der zweiten positiven Elektrode angeordnet sind, die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen drei dritte elektrisch leitende Laschen umfassen, die an jeder von drei Kanten der dritten negativen Elektrode angeordnet sind, und die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen drei vierte elektrisch leitende Laschen umfassen, die an jeder von drei Kanten der vierten negativen Elektrode angeordnet sind, wobei die elektrochemische Zellenanordnung bildet: (i) drei Zellenkanten, die sowohl einen positiven elektrischen Konnektor als auch einen negativen elektrischen Konnektor umfassen; oder (ii) eine erste Zellenkante mit einem positiven elektrischen Konnektor und einem negativen elektrischen Konnektor, eine zweite Zellenkante mit einem positiven elektrischen Konnektor und einem negativen elektrischen Konnektor, eine dritte Zellenkante mit einem positiven elektrischen Konnektor und eine vierte Zellenkante mit einem negativen elektrischen Konnektor.
Kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste positive Elektrode ein erstes elektroaktives Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: LiNiMnCoO₂, Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂), wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1, LiNiCoAlO₂, LiNi_1-x-yCo_xAl_yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), LiMn₂O₄, Li_1+xMO₂ (wobei M eines von Mn, Ni, Co, Al und 0 ≤ x ≤ 1 ist), LiMn₂O₄ (LMO), LiNi_xMn_1,5O₄, LiV₂(PO₄)₃, LiFeSiO₄, LiMPO₄ (wobei M mindestens eines von Fe, Ni, Co und Mn ist), Aktivkohle und Kombinationen davon; die dritte negative Elektrode ein drittes negatives Elektrodenmaterial umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiummetall, Lithiumlegierung, Silicium (Si), Siliciumlegierung, Siliciumoxid, Hartkohle, Weichkohle, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Lithium-Titanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), Zinn (Sn), Vanadiumoxid (V₂O₅), Titandioxid (TiO₂), Titan-Nioboxid (Ti_xNb_yO_z, wobei 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 24 und 0 ≤ z ≤ 64), Eisen(II)-sulfid (FeS) und Kombinationen davon; und die zweite positive Elektrode ein zweites elektroaktives Material umfasst und die vierte negative Elektrode ein viertes elektroaktives Material umfasst, wobei das zweite elektroaktive Material und/oder das vierte elektroaktive Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Aktivkohle, Hartkohle, Weichkohle, porösen Kohlenstoffmaterialien, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Xerogelen, mesoporösen Kohlenstoffen, Templat-Kohlenstoffen, von Karbid abgeleiteten Kohlenstoffen (CDCs), Graphen, porösen Kohlenstoffkugeln, Heteroatom-dotierten Kohlenstoffmaterialien, Metalloxiden von Edelmetallen, RuO₂, Übergangsmetallen, Hydroxiden von Übergangsmetallen, MnO₂, NiO, Co₃O₄, Co(OH)₂, Ni(OH)₂, Polyanilin (PANI), Polypyrrol (PPy), Polythiophen (PTh) und Kombinationen davon.
Kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung, umfassend: eine erste positive Elektrode mit einer ersten Polarität und mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante und mindestens einer angrenzenden zweiten Kante angeordnet sind; eine zweite positive Elektrode mit der ersten Polarität, die ein von der ersten positiven Elektrode verschiedenes aktives Material umfasst, und mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante und mindestens einer angrenzenden zweiten Kante angeordnet sind; eine dritte negative Elektrode mit einer der ersten entgegengesetzten zweiten Polarität und mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante und mindestens einer angrenzenden zweiten Kante angeordnet sind; und eine vierte negative Elektrode mit der zweiten Polarität und mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen, die an mindestens einer ersten Kante und mindestens einer angrenzenden zweiten Kante angeordnet sind, wobei die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen und die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen im Wesentlichen in der elektrochemischen Zellenanordnung ausgerichtet sind, um jeweils eine Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren zu bilden, und die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen und die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen im Wesentlichen in der elektrochemischen Zellenanordnung ausgerichtet sind, um eine Mehrzahl von negativen elektrischen Konnektoren zu bilden, die von der Mehrzahl von positiven elektrischen Konnektoren beabstandet sind, um während des Ladens und Entladens mit hoher Leistung die Stromdichte zu reduzieren.
Kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 7, wobei entweder die erste positive Elektrode oder die dritte negative Elektrode ein elektroaktives Material mit hoher Energiekapazität und die zweite positive Elektrode oder die vierte negative Elektrode ein elektroaktives Material mit hoher Leistungskapazität umfasst, wobei die erste positive Elektrode oder und die dritte negative Elektrode eine Lithiumionen-Batterie bilden und die zweite positive Elektrode und die vierte negative Elektrode einen Kondensator bilden.
Kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 7, wobei die mindestens zwei ersten elektrisch leitenden Laschen drei elektrisch leitende Laschen umfassen, die an drei Kanten der ersten positiven Elektrode angeordnet sind, und die mindestens zwei zweiten elektrisch leitenden Laschen drei elektrisch leitende Laschen umfassen, die an drei Kanten der zweiten positiven Elektrode angeordnet sind, oder die mindestens zwei dritten elektrisch leitenden Laschen drei elektrisch leitende Laschen umfassen, die an drei Kanten der dritten negativen Elektrode angeordnet sind, und die mindestens zwei vierten elektrisch leitenden Laschen drei elektrisch leitende Laschen umfassen, die an drei Kanten der dritten negativen Elektrode angeordnet sind.
Kondensatorgestützte elektrochemische Hybrid-Lithiumionen-Zellenanordnung nach Anspruch 7, wobei die erste positive Elektrode ein erstes elektroaktives Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: LiNiMnCoO₂, Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂), wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1, LiNiCoAlO₂, LiNi_1-x-yCo_xAl_yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), LiMn₂O₄, Li_1+xMO₂ (wobei M eines von Mn, Ni, Co, Al und 0 ≤ x ≤ 1 ist), LiMn₂O₄ (LMO), LiNi_xMn_1,5O₄, LiV₂(PO₄)₃, LiFeSiO₄, LiMPO₄ (wobei M mindestens eines von Fe, Ni, Co und Mn ist), Aktivkohle und Kombinationen davon; die dritte negative Elektrode ein drittes negatives Elektrodenmaterial umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiummetall, Lithiumlegierung, Silicium (Si), Siliciumlegierung, Siliciumoxid, Hartkohle, Weichkohle, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Lithium-Titanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), Zinn (Sn), Vanadiumoxid (V₂O₅), Titandioxid (TiO₂), Titan-Nioboxid (Ti_xNb_yO_z, wobei 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 24 und 0 ≤ z ≤ 64), Eisen(II)-sulfid (FeS) und Kombinationen davon; und die zweite positive Elektrode ein zweites elektroaktives Material umfasst und die vierte negative Elektrode ein viertes elektroaktives Material umfasst, wobei das zweite elektroaktive Material und/oder das vierte elektroaktive Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Aktivkohle, Hartkohle, Weichkohle, porösen Kohlenstoffmaterialien, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Xerogelen, mesoporösen Kohlenstoffen, Templat-Kohlenstoffen, von Karbid abgeleiteten Kohlenstoffen (CDCs), Graphen, porösen Kohlenstoffkugeln, Heteroatom-dotierten Kohlenstoffmaterialien, Metalloxiden von Edelmetallen, RuO₂, Übergangsmetallen, Hydroxiden von Übergangsmetallen, MnO₂, NiO, Co₃O₄, Co(OH)₂, Ni(OH)₂, Polyanilin (PANI), Polypyrrol (PPy), Polythiophen (PTh) und Kombinationen davon.