DE102022105203B3 - Gelgestützter bipolarer Hochleistungsfestkörperakkumulator - Google Patents

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Abstract

Ein Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren, der Lithiumionen zyklisiert, ist mit zwei Endelektroden, die entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, und wenigstens einer dazwischen angeordneten bipolaren Elektrodenanordnung versehen. Eine erste Elektrode ist auf einer ersten Seite eines bipolaren Stromkollektors angeordnet und eine zweite Elektrode mit einer der ersten Elektrode entgegengesetzten Polarität ist auf einer zweiten Seite des bipolaren Stromkollektors angeordnet. Jede Elektrode umfasst eine poröse Schicht mit einem elektroaktiven Material und einen Festkörperelektrolyt, der in einem polymeren Bindemittel angeordnet ist. Ein polymerer Gelelektrolyt ist in Poren der porösen Schicht verteilt. Der Stapel umfasst außerdem wenigstens zwei freistehende Gelseparatorschichten, die jeweils zwischen der wenigstens einen bipolaren Elektrodenanordnung und den Endelektroden angeordnet sind. Jede freistehende Gelseparatorschicht umfasst jeweils Polyacrylnitril (PAN) und einen darin verteilten Elektrolyt. Der Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren weist eine maximale Nennspannung von ≥ ungefähr 12 V auf.

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 gelgestützte bipolare Hochleistungsfestkörperakkum u latoren.
  • Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen, wie z.B. Lithium-Ionen-Akkumulatoren, können in einer Vielzahl von Produkten eingesetzt werden, einschließlich Automobilprodukten, wie z.B. Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), akkumulatorgestützte Systeme („µBAS“), Hybridelektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Halbfeste Akkumulatoren und Festkörperakkumulatoren weisen Vorteile gegenüber einen Elektrolyt umfassenden Akkumulatoren auf, die eine längere Haltbarkeit bei geringerer Selbstentladung, ein einfacheres Wärmemanagement, einen geringeren Verpackungsbedarf und die Fähigkeit, innerhalb eines größeren Temperaturfensters zu arbeiten, umfassen. Beispielsweise sind halbfeste Elektrolyte und/oder Festkörperelektrolyte im Allgemeinen nicht flüchtig und nicht entflammbar, so dass die Zellen auch unter härteren Bedingungen zyklisiert werden können, ohne dass es zu einem verminderten Potenzial oder einem thermischen Durchgehen kommt, wie es bei der Verwendung flüssiger Elektrolyte der Fall sein kann. Festkörperakkumulatoren weisen jedoch oft eine vergleichsweise geringe Leistungsfähigkeit auf. Geringe Leistungsfähigkeiten können auf den Grenzflächenwiderstand innerhalb der Festkörperelektroden und/oder an der Elektrode sowie auf einen Grenzflächenwiderstand der Festkörperelektrolytschicht zurückzuführen sein, der durch einen begrenzten Kontakt oder Hohlräume zwischen den aktiven Festkörperteilchen und/oder den Festkörperelektrolytteilchen verursacht wird.
  • US 2021 / 0 091 358 A1 beschreibt ein Batteriepack umfassend eine Sekundärbatterie. Die Sekundärbatterie umfasst eine Elektrodengruppe, welche eine positive Elektrode, die ein aktives Material für eine positive Elektrode enthält, eine negative Elektrode, die ein aktives Material für eine negative Elektrode enthält, und einen Separator enthält. Der Separator enthält eine Schicht aus anorganischen Partikeln, welche ein anorganisches Partikel, ein polymeres Bindemittel und eine Fasersubstanz umfassten.
  • US 2019 / 0 123 326 A1 beschreibt eine Verbund-Batteriezelle umfassend mehrere elektrisch parallel miteinander verbundene Gruppen aus Elektrizitätsversorgungselementen und ein Packgehäuse, in welchem die Gruppen aus Elektrizitetsversorgungselementen aufgenommen sind.
  • US 2019 / 0 088 926 A1 beschreibt ein Batteriepack umfassend mindestens eine Sekundärbatterie, welche eine Elektrodengruppe enthält. Die Elektrodengruppe umfasst (a) eine Positivelektroden-Aktivmaterial enthaltende Schicht, (b) eine Negativelektroden-Aktivmaterial enthaltende Schicht, (c) eine Lithiumionen leitende Schicht, die Lithium enthaltende anorganische Teilchen enthält und zumindest einen Teil der das aktive Material der positiven Elektrode enthaltenden Schicht bedeckt, (d) eine poröse Schicht, die zumindest einen Teil der das aktive Material der negativen Elektrode enthaltenden Schicht bedeckt, wobei die das aktive Material der positiven Elektrode enthaltende Schicht und die das aktive Material der negativen Elektrode enthaltende Schicht einander über die Lithiumionen-leitende Schicht und die poröse Schicht zugewandt sind.
  • Darüber hinaus leiden alle Akkumulatoren unter einer verminderten Stromerzeugung beim Anlassen eines Motors bei kalten Temperaturen, was oft als Kaltstartstrom (Cold Cranking Amps, CCA) bezeichnet wird. Der CCA-Wert bezieht sich beispielsweise auf den Strom oder die Amperezahl, die ein 12-Volt-Akkumulator bei 0 °F (ungefähr-17,77 °C) 30 Sekunden lang liefern kann, während er eine Spannung von wenigstens 7,2 Volt beibehält. Je höher also der CCA-Wert ist, desto größer ist die bei kalten Temperaturen erzeugte Leistung des Akkumulators. Dementsprechend wäre es wünschenswert, hochleistungsfähige Ausführungen von Festkörperakkumulatoren und/oder halbfesten Akkumulatoren und Materialien dafür sowie Verfahren zu entwickeln, die insbesondere bei Kaltstarttemperaturen sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Energiedichte verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf gelgestützte bipolare Hochleistungsfestkörperakkum u latoren.
  • Bei verschiedenen Aspekten ist ein Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren vorgesehen, der Lithiumionen zyklisiert. Der Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren kann eine erste Endelektrode mit einer ersten Polarität, eine zweite Endelektrode mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität und wenigstens eine bipolare Elektrodenanordnung umfassen, die zwischen der ersten Endelektrode und der zweiten Endelektrode angeordnet ist. Die wenigstens eine bipolare Elektrodenanordnung weist eine erste Elektrode mit der ersten Polarität, die auf einer ersten Seite eines bipolaren Stromkollektors angeordnet ist, und eine zweite Elektrode mit der der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität, die auf einer zweiten Seite des bipolaren Stromkollektors angeordnet ist, auf. Die erste Elektrode umfasst eine erste poröse Schicht mit einem ersten elektroaktiven Material, das Lithiumionen reversibel zyklisiert, und einen ersten Festkörperelektrolyt, der in einem ersten polymeren Bindemittel angeordnet ist. Die erste poröse Schicht umfasst außerdem einen ersten polymeren Gelelektrolyt, der in Poren der ersten porösen Schicht verteilt ist. Die zweite Elektrode umfasst eine zweite poröse Schicht, die ein zweites elektroaktives Material umfasst, das Lithiumionen reversibel zyklisiert, und einen zweiten Festkörperelektrolyt, der in einem zweiten polymeren Bindemittel angeordnet ist. Ein zweiter polymerer Gelelektrolyt ist in Poren der zweiten porösen Schicht verteilt. Wenigstens zwei freistehende Gelseparatorschichten sind ebenfalls in dem Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren enthalten. Die jeweilige Gelseparatorschicht ist zwischen der wenigstens einen bipolaren Elektrodenanordnung und der ersten Endelektrode oder zwischen der wenigstens einen bipolaren Elektrodenanordnung und der zweiten Endelektrode angeordnet. Ferner umfasst jede freistehende Gelseparatorschicht Polyacrylnitril (PAN) und einen darin verteilten Elektrolyt. Der gelgestützte Hochleistungsakkumulator weist eine maximale Nennspannung von größer oder gleich ungefähr 12 V auf.
  • Bei bestimmten Aspekten umfasst die erste und/oder zweite Elektrode ferner elektrisch leitende Teilchen, die in der ersten porösen Schicht oder der zweiten porösen Schicht verteilt sind. Die elektrisch leitenden Teilchen sind jeweils unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt, die aus Ruß, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Graphenoxid, Graphit, Acetylenruß und Kombinationen davon besteht.
  • Bei bestimmten Aspekten ist die erste Elektrode eine positive Elektrode und das erste elektroaktive Material ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus LiMn2O4 (LMO), LiMnxFe1-xPO4 (LMFP) und Kombinationen davon besteht, wobei x im Bereich von ungefähr 0,6 bis ungefähr 0,75 liegt. Der Festkörperelektrolyt ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Li7-xLa3Zr2-xMxO12 (LLZO), wobei M ein Metall ist, das aus Tantal (Ta), Niob (Nb), Wismut (Bi), Zinn (Sn) und dergleichen ausgewählt ist, und wobei 0 ≤ x < 2 ist, LixLayTiO3 (LLTO), wobei 0 < x < 1 und 0 < y < 1 sind, Li1+x+yAlxTi2-xP3-yO12, wobei 0 ≤ x < 2 und 0 ≤ y < 3 sind (LATP), Li2+2xZn1-xGeO4, wobei 0 < x < 1 ist (LISICON), Li2PO2N (LIPON), LixLa2/3-xTiO3, wobei 0 < x < 2/3 ist, Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, wobei 0 ≤ x < 2 ist, und Kombinationen davon besteht.
  • Bei bestimmten Aspekten umfasst das erste elektroaktive Material sowohl LiMn2O4 (LMO) als auch LiMnxFe1-xPO4 (LMFP), wobei x im Bereich von ungefähr 0,6 bis ungefähr 0,75 liegt, mit einer darauf angeordneten Kohlenstoffbeschichtung. Die erste poröse Schicht umfasst größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 76 Gew.-% LMO und größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 76 Gew.-% LMFP. Der erste Festkörperelektrolyt umfasst Li1+x+yAlxTi2-xP3-yO12, wobei 0 ≤ x < 2 und 0 ≤ y < 3 sind (LATP).
  • Bei bestimmten Aspekten umfassen sowohl der erste polymere Gelelektrolyt als auch der zweite polymere Gelelektrolyt unabhängig voneinander einen polymeren Wirt und einen Elektrolyt mit einem Lithiumsalz, Ethylencarbonat (EC) und γ-Butyrolacton (GBL). Der polymere Wirt ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) und Kombinationen davon besteht. Das Lithiumsalz ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(oxalato)-borat (LiBOB), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht. Das Verhältnis von EC- zu GBL-Lösungsmitteln ist größer oder gleich ungefähr 1:1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1:1,5.
  • Bei bestimmten weiteren Aspekten umfasst der Gelelektrolyt größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des polymeren Wirts und größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner ungefähr 100 Gew.-% des Elektrolyten.
  • Bei bestimmten Aspekten umfasst der Elektrolyt in der jeweiligen Gelseparatorschicht ein Lithiumsalz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht, Ethylencarbonat (EC) und y-Butyrolacton (GBL). Das Verhältnis von EC- zu GBL-Lösungsmitteln ist größer oder gleich ungefähr 1:1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1:1,5.
  • Bei bestimmten Aspekten weist jede der freistehenden Gelseparatorschichten größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% Polyacrylnitril (PAN) und größer oder gleich ungefähr 75 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% des Elektrolyten auf.
  • Bei bestimmten Aspekten weist der Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren ein negatives zu positives Flächenverhältnis von größer oder gleich ungefähr 1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,15 auf.
  • Bei bestimmten Aspekten umfasst der Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren ferner eine Vielzahl von bipolaren Elektrodenanordnungen, die zwischen der ersten Endelektrode und der zweiten Endelektrode angeordnet sind, sowie eine Vielzahl von freistehenden Gelseparatorschichten. Die jeweiligen freistehenden Gelseparatorschichten aus der Vielzahl sind entweder zwischen benachbarten bipolaren Elektrodenanordnungen aus der Vielzahl, der ersten Endelektrode und einer benachbarten freistehenden Gelseparatorschicht aus der Vielzahl und der zweiten Endelektrode und einer benachbarten freistehenden Gelseparatorschicht aus der Vielzahl angeordnet.
  • Bei bestimmten Aspekten ist die zweite Elektrode eine negative Elektrode und das zweite elektroaktive Material umfasst Graphit und der zweite Festkörperelektrolyt umfasst Li7-xLa3Zr2-xMxO12 (LLZO), wobei M ein Metall ist, das aus Tantal (Ta), Niob (Nb), Wismut (Bi), Zinn (Sn) und dergleichen ausgewählt ist, wobei 0 ≤ x <2 ist.
  • Die vorliegende Offenbarung sieht außerdem einen Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren vor, der Lithiumionen zyklisiert und wenigstens eine bipolare Elektrodenanordnung umfasst, die zwischen einer positiven Endelektrode und einer negativen Endelektrode angeordnet ist. Die wenigstens eine bipolare Elektrodenanordnung weist eine positive Elektrode, die auf einer ersten Seite eines bipolaren Stromkollektors angeordnet ist, und eine negative Elektrode, die auf einer zweiten Seite des bipolaren Stromkollektors angeordnet ist, auf. Die positive Elektrode umfasst eine erste poröse Verbundschicht, die Folgendes umfasst: ein erstes polymeres Bindemittel, ein erstes elektroaktives Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus LiMn2O4 (LMO), LiMnxFe1-xPO4 (LMFP), wobei x im Bereich von ungefähr 0,6 bis ungefähr 0,75 liegt, und Kombinationen davon besteht, einen ersten Festkörperelektrolyt, der Li1+x+yAlxTi2-xP3-yO12 umfasst, wobei 0 ≤ x < 2 und 0 ≤ y < 3 sind (LATP), ein erstes elektrisch leitendes Teilchen und einen ersten polymeren Gelelektrolyt, der in Poren der ersten porösen Verbundschicht verteilt ist. Die erste poröse Verbundschicht umfasst größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 76 Gew.-% LMO und größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 76 Gew.-% LMFP. Die negative Elektrode umfasst eine zweite poröse Verbundschicht, die Folgendes umfasst: ein zweites polymeres Bindemittel, ein Graphit umfassendes zweites elektroaktives Material, einen zweiten Festkörperelektrolyt, der Li7-xLa3Zr2-xMxO12 (LLZO) umfasst, wobei M ein Metall ist, das aus Tantal (Ta), Niob (Nb), Wismut (Bi), Zinn (Sn) und dergleichen ausgewählt ist, wobei 0 ≤ x < 2 ist, ein zweites elektrisch leitendes Teilchen und einen zweiten polymeren Gelelektrolyt, der in Poren der zweiten porösen Verbundschicht verteilt ist. Der Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren umfasst außerdem wenigstens zwei freistehende Gelseparatorschichten. Jede Gelseparatorschicht ist jeweils zwischen der wenigstens einen bipolaren Elektrodenanordnung und der positiven Endelektrode und der wenigstens einen bipolaren Elektrodenanordnung und der negativen Endelektrode angeordnet. Jede freistehende Gelseparatorschicht umfasst Polyacrylnitril (PAN) und einen darin verteilten Elektrolyt. Der gelgestützte Hochleistungsakkumulator weist eine maximale Nennspannung von größer oder gleich ungefähr 12 V auf.
  • Bei bestimmten Aspekten umfassen sowohl der erste polymere Gelelektrolyt als auch der zweite polymere Gelelektrolyt unabhängig voneinander einen polymeren Wirt und einen Elektrolyt, der ein Lithiumsalz, Ethylencarbonat (EC) und y-Butyrolacton (GBL) umfasst, wobei der polymere Wirt aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) und Kombinationen davon besteht, wobei das Lithiumsalz aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht. Das Verhältnis von EC- zu GBL-Lösungsmitteln ist größer oder gleich ungefähr 1:1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1:1,5.
  • Bei bestimmten Aspekten umfasst der Gelelektrolyt größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner ungefähr 100 Gew.-% des Elektrolyten.
  • Bei bestimmten Aspekten umfasst der Elektrolyt in der jeweiligen Gelseparatorschicht ein Lithiumsalz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht, Ethylencarbonat (EC) und y-Butyrolacton (GBL). Das Verhältnis von EC- zu GBL-Lösungsmitteln ist größer oder gleich ungefähr 1:1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1:1,5.
  • Bei bestimmten Aspekten umfasst jede der freistehenden Gelseparatorschichten größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% Polyacrylnitril (PAN) und größer oder gleich ungefähr 75 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% des Elektrolyten.
  • Bei bestimmten Aspekten weist der Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren ein negatives zu positives Flächenverhältnis von größer oder gleich ungefähr 1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,15 auf.
  • Bei bestimmten Aspekten umfasst der Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren ferner eine Vielzahl der bipolaren Elektrodenanordnungen, die zwischen der positiven Endelektrode und der negativen Endelektrode angeordnet sind, sowie eine Vielzahl von freistehenden Gelseparatorschichten. Die jeweiligen freistehenden Gelseparatorschichten sind entweder zwischen benachbarten bipolaren Elektrodenanordnungen aus der Vielzahl, der positiven Endelektrode und einer benachbarten freistehenden Gelseparatorschicht aus der Vielzahl und der negativen Endelektrode und einer benachbarten freistehenden Gelseparatorschicht aus der Vielzahl angeordnet.
  • Bei noch weiteren Abwandlungen sieht die vorliegende Offenbarung einen Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren vor, der Lithiumionen zyklisiert und wenigstens eine bipolare Elektrodenanordnung umfasst, die zwischen einer positiven Endelektrode und einer negativen Endelektrode angeordnet ist. Die bipolare Elektrodenanordnung weist eine positive Elektrode, die auf einer ersten Seite eines bipolaren Stromkollektors angeordnet ist, und eine negative Elektrode, die auf einer zweiten Seite des bipolaren Stromkollektors angeordnet ist, auf. Die positive Elektrode umfasst eine erste poröse Verbundschicht, die Folgendes umfasst: ein erstes polymeres Bindemittel, ein erstes elektroaktives Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus LiMn2O4 (LMO), LiMnxFe1-xPO4 (LMFP), wobei x im Bereich von ungefähr 0,6 bis ungefähr 0,75 liegt, und Kombinationen davon besteht, einen ersten Festkörperelektrolyt, der Li1+x+yAlxTi2-xP3-yO12 umfasst, wobei 0 ≤ x < 2 und 0 ≤ y < 3 sind (LATP), ein erstes elektrisch leitendes Teilchen und einen ersten polymeren Gelelektrolyt, der in Poren der ersten porösen Verbundschicht verteilt ist. Die negative Elektrode umfasst eine zweite poröse Verbundschicht, die Folgendes umfasst: ein zweites polymeres Bindemittel, ein Graphit umfassendes zweites elektroaktives Material, einen zweiten Festkörperelektrolyt, der Li7-xLa3Zr2-xMxO12 (LLZO) umfasst, wobei M ein Metall ist, das aus Tantal (Ta), Niob (Nb), Wismut (Bi), Zinn (Sn) und dergleichen ausgewählt ist, wobei 0 ≤ x < 2 ist, ein zweites elektrisch leitendes Teilchen und einen zweiten polymeren Gelelektrolyt, der in Poren der zweiten porösen Verbundschicht verteilt ist. Der Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren umfasst außerdem wenigstens zwei freistehende Gelseparatorschichten. Jede Gelseparatorschicht ist jeweils zwischen der wenigstens einen bipolaren Elektrodenanordnung und der positiven Endelektrode und der wenigstens einen bipolaren Elektrodenanordnung und der negativen Endelektrode angeordnet. Jede freistehende Gelseparatorschicht umfasst Polyacrylnitril (PAN) und einen darin verteilten Elektrolyt. Der Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren umfasst außerdem eine Barrierenverbundzusammensetzung, die entlang der Endkanten der wenigstens einen bipolaren Elektrodenanordnung und der wenigstens zwei freistehenden Gelseparatorschichten angeordnet ist. Die Barrierenverbundzusammensetzung umfasst eine Polymermatrix mit einer Vielzahl darin verteilter anorganischer Teilchen. Der gelgestützte Hochleistungsakkumulator weist ein negatives zu positives Flächenverhältnis von größer oder gleich ungefähr 1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,15, eine maximale Nennspannung von größer oder gleich ungefähr 12 V und eine Kapazität von größer oder gleich ungefähr 24 mAh auf.
  • Bei bestimmten Aspekten umfasst das erste elektroaktive Material sowohl LiMn2O4 (LMO) als auch LiMnxFe1-xPO4 (LMFP), wobei x im Bereich von ungefähr 0,6 bis ungefähr 0,75 liegt, mit einer darauf angeordneten Kohlenstoffbeschichtung. Die erste poröse Verbundschicht umfasst größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 76 Gew.-% LMO und größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 76 Gew.-% LMFP. Der erste Festkörperelektrolyt umfasst Li1+x+yAlxTi2-xP3-yO12, wobei 0 ≤ x < 2 und 0 ≤ y < 3 sind (LATP), und der erste polymere Gelelektrolyt und der zweite polymere Gelelektrolyt umfassen unabhängig voneinander einen polymeren Wirt und einen Elektrolyt, der ein Lithiumsalz, Ethylencarbonat (EC) und y-Butyrolacton (GBL) umfasst. Der polymere Wirt ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) und Kombinationen davon besteht, wobei das Lithiumsalz aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht. Das Verhältnis von ECzu GBL-Lösungsmitteln ist größer oder gleich ungefähr 1:1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1:1,5.
  • Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
  • Figurenliste
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
    • 1 zeigt eine schematische Veranschaulichung eines vereinfachten Beispiels für den Querschnitt Akkumulators zum Zyklisieren von Lithiumionen mit bipolaren Elektroden und Gelkomponenten.
    • 2 zeigt die Kaltstartfähigkeit einer Testzelle in Form eines gelgestützten Hochleistungsstapels, der gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenlegung hergestellt wurde, wobei die Spannung gegen die Zeit (mit einer Mindestspannungsleistung von 7,2 V gezeigt) aufgetragen ist.
    • 3A-3C zeigen die Leistungsfähigkeit einer Testzelle in Form eines gelgestützten Hochleistungsstapels, der gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde. 3A und 3B zeigen die Entladegeschwindigkeitsleistung bei verschiedenen Entladegeschwindigkeiten (1, 2, 5, 10 C) für die Testzelle, während sie mit einer Geschwindigkeit von 1 C geladen wird. 3A zeigt die Ladungshaltung (%) gegen die Zykluszahl. 3B zeigt die Spannung (V) gegen die Kapazität (mAh). 3C zeigt die Zyklisierungsleistung der Testzelle mit der Ladungshaltung (%) auf der linken y-Achse und dem coulombschen Wirkungsgrad (%) auf der rechten y-Achse gegen die Zykluszahl.
    • 4A-4B zeigen die Hochtemperaturleistung einer Testzelle, eines gelgestützten Hochleistungsstapels, der gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde. 4A zeigt das Rückhaltevermögen (DCR) (mOhm) für die jungfräuliche Testzelle vor dem Zyklisieren, die Testzelle nach 510 Zyklen, nach 1.530 Zyklen und nach 2.040 Zyklen bei 45 °C. Der Lade-Entlade-Zyklus wurde zwischen 60-80 Ladezuständen (SoC) bei 1,5 C durchgeführt. 4B zeigt die Spannung (V) gegen die Zeit für die jungfräuliche Testzelle vor dem Zyklisieren, die Testzelle nach 510 Zyklen, nach 1.530 Zyklen und nach 2.040 Zyklen. Gezeigt ist die Mindestspannungsleistung von 7,2 V.
  • Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Da beispielhafte Ausgestaltungen vorgesehen sind, ist dies eine sorgfältige Offenbarung, die Fachleuten den vollen Umfang vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausgestaltungen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausgestaltungen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ 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 dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausgestaltungen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausgestaltung, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausgestaltungen, die aus solchen angegebenen 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 Ausgestaltung alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausgestaltung ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausgestaltung eingeschlossen sein können.
  • Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der bestimmten erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
  • Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie bzw. es sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit dem- oder derselben verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
  • Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hierin verwendet sein 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, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden erörtert werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausgestaltungen abzuweichen.
  • Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin 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 Figuren veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen.
  • In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausgestaltungen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen 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 Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner oder gleich 4 %, optional kleiner oder gleich 3 %, optional kleiner oder gleich 2 %, optional kleiner oder gleich 1 %, optional kleiner oder gleich 0,5 % und bei bestimmten Aspekten optional kleiner 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 Teilbereiche.
  • Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
  • Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie z.B. Akkumulatoren, die Lithiumionen zyklisieren, können in einer Vielzahl von Konsumgütern und Fahrzeugen, z.B. in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, eingesetzt werden. Die vorliegende Technologie bezieht sich auf Festkörperakkumulatoren, zum Beispiel bipolare Festkörperakkumulatoren, und Verfahren zu deren Bildung und Verwendung. Festkörperakkumulatoren können wenigstens eine Komponente mit einem Festkörperzustand umfassen, z.B. wenigstens eine feste Elektrode, aber bei bestimmten Abwandlungen auch halbfeste oder gelförmige, flüssige oder gasförmige Komponenten. Bei bestimmten Abwandlungen ist es möglich, dass die Komponenten in dem Festkörperakkumulator keine Flüssigkeiten umfassen, sondern nur Komponenten in halbfestem (oder gelförmigem) oder festem Zustand.
  • Typische Akkumulatoren umfassen wenigstens eine positive Elektrode oder Kathode, wenigstens eine negative Elektrode oder Anode, ein Elektrolytmaterial und optional einen Separator. Ein Stapel von Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen kann in einem elektrochemischen Gerät elektrisch verbunden sein, um die Gesamtleistung zu erhöhen (z.B. sind sie normalerweise parallel geschaltet, um die Stromabgabe zu erhöhen). Festkörperakkumulatoren können eine bipolare Stapelbauweise aufweisen, die eine Vielzahl von bipolaren Elektroden umfasst. Eine bipolare Elektrode ist eine zusammengebaute Komponente, die sowohl eine Seite mit positiver Polarität als auch eine Seite mit negativer Polarität aufweist. Insbesondere umfasst eine bipolare Elektrode einen bipolaren Stromkollektor, der sowohl eine positive Elektrode, die auf einer positiven Seite des bipolaren Stromkollektors angeordnet ist, als auch eine negative Elektrode, die auf einer negativen Seite des bipolaren Stromkollektors angeordnet ist, aufweist, wobei die positive Seite und die negative Seite der Stromkollektoren aneinander angrenzen.
  • Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung einen neuartigen gelgestützten bipolaren Hochleistungsfestkörperakkumulator vor. Die thermische Stabilität, die sich aus einem flüchtigen und entflammbaren flüssigen Elektrolyt ergibt, ist einer der Schlüsselfaktoren, die sich auf die unter der Motorhaube befindlichen Anwendungen herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkumulatoren auswirken. Indem der flüssige Elektrolyt durch einen Festkörperelektrolyt und/oder einen nicht entflammbaren Gelelektrolyt ersetzt wird, kann die thermische Stabilität des Akkumulators erheblich verbessert werden. Inzwischen können bipolare Strukturen die Energiedichte eines Festkörperakkus verbessern, indem dadurch Anschlussfahnen, Akkumulatorpakete und dergleichen eingespart werden. Insbesondere bietet der gelgestützte bipolare Hochleistungsfestkörperakkumulator, der durch verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenlegung bereitgestellt ist, eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit, eine beachtliche Hochtemperaturbeständigkeit und eine hervorragende Kälteleistung, die für unter der Motorhaube befindliche Anwendungen geeignet ist, wie z.B. einen 12-V-Start-Stopp-Akkumulator.
  • Solche Festkörperakkumulatoren können in Energiespeichervorrichtungen wie wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingebaut werden, die in Autotransportanwendungen (z.B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) verwendet werden können. Die vorliegende Technologie kann jedoch auch in anderen elektrochemischen Vorrichtungen verwendet werden, zum Beispiel (nicht einschränkend) in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Geräten, Gebäuden (z.B. Häusern, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Büroausrüstung und -möbeln sowie in Maschinen für Industrieausrüstung, in landwirtschaftlichen Geräten, Landmaschinen oder Schwermaschinen. Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung einen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkumulator vor, der eine hohe Temperaturtoleranz sowie verbesserte Sicherheit und überlegene Leistungsfähigkeit und Lebensdauer aufweist.
  • Eine beispielhafte und schematische Veranschaulichung eines Stapels von elektrochemischen Festkörperzellen (auch als „Festkörperakkumulator“ und/oder „Akkumulator“ bezeichnet), der Lithiumionen zyklisiert, ist in 1 gezeigt. Der Akkumulator 30 umfasst fünf (5) Akkumulatoreinheitenzellen 32. In 1 sind die jeweiligen Komponenten in ihren Abmessungen oder ihrer Dicke nicht maßstabsgetreu gezeigt, und es ist ein Abstand für die Aufnahme zusätzlicher Einheiten 32 (nicht gezeigt) in den Stapel eingezeichnet. Der Akkumulator 30 umfasst wenigstens eine positive Endelektrode 40 mit einem positiven Endstromkollektor 42 und einer positiven aktiven Schicht 44. Die positive aktive Schicht 44 ist über dem positiven Endstromkollektor 42 angeordnet und umfasst ein positives elektroaktives Material. Der Akkumulator 30 umfasst außerdem wenigstens eine negative Endelektrode 50 mit einem negativen Endstromkollektor 52. Eine negative aktive Schicht 54 umfasst ein negatives elektroaktives Material und ist über dem negativen Endstromkollektor 52 angeordnet.
  • Der Akkumulator 30 umfasst ferner eine Vielzahl von bipolaren Elektroden 60, die jeweils eine positive Elektrode 70 und eine negative Elektrode 80 umfassen und somit eine doppelte Polarität aufweisen. Die positive Elektrode 70 umfasst einen positiven Stromkollektor 72 und eine positive aktive Schicht 74 mit einem positiven elektroaktiven Material. Die bipolaren Elektroden 60 umfassen außerdem jeweils eine negative Elektrode 80 mit einem negativen Stromkollektor 82 und eine negative aktive Schicht 84 mit einem negativen elektroaktiven Material. Der positive Stromkollektor 72 ist benachbart zu dem negativen Stromkollektor 82 angeordnet. Die positive(n) Elektrode(n) 70 ist/sind in einer Richtung ausgerichtet, die der negativen Endelektrode 50 (oder einer benachbarten negativen Elektrode aus einer anderen bipolaren Elektrode 60) zugewandt ist. Die negative(n) Elektrode(n) 80 ist/sind in einer Richtung ausgerichtet, die der positiven Endelektrode 40 (oder einer benachbarten positiven Elektrode aus einer anderen bipolaren Elektrode 60) zugewandt ist.
  • Die aktiven Schichten 44, 74 der positiven Elektroden 40, 70 sind kleiner als die aktiven Schichten 54, 84 der negativen Elektroden 50, 80, um mögliche Kurzschlüsse beim Zusammenbau zu verringern. Der positive Endstromkollektor 42 definiert oder berührt eine positive externe Lasche 46, die (z.B. durch Schweißen) mit einem externen Stromkreis 48 verbunden werden kann, der mit einer externen Lastvorrichtung 90 in elektrischer Verbindung steht. Der negative Endstromkollektor 52 steht ebenfalls in elektrischer Verbindung mit dem externen Stromkreis 48 und der Lastvorrichtung 90.
  • Die eine oder die mehreren positiven aktiven Schichten 44, 74 können jeweils ein lithiumbasiertes positives elektroaktives Material umfassen, das in der Lage ist, einer Lithiuminterkalation und -deinterkalation, einem Absorptions- und Desorptionsvorgang, einem Legier- und Entlegiervorgang oder einem Beschichtungs- und Ablösevorgang unterzogen zu werden, während es als Pluspol des Akkumulators 30 dient. Im Allgemeinen umfassen die positiven aktiven Schichten 44, 74 das gleiche lithiumbasierte positive elektroaktive Material, obwohl sie unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen können. Wie in der Technik bekannt ist und weiter unten beschrieben wird, kann jede elektroaktive Schicht (z.B. die positiven aktiven Schichten 44, 74) eine Verbundelektrode sein, die nicht nur positive elektroaktive Materialteilchen, sondern auch ein polymeres Bindemittel und optional eine Vielzahl von elektrisch leitenden Teilchen umfasst. Jede positive aktive Schicht 44, 74 kann ferner einen Festelektrolyt und/oder einen Gelelektrolyt umfassen, der in der Verbundelektrode gemischt oder verteilt ist.
  • Die negativen aktiven Schichten 54, 84 umfassen jeweils ein negatives elektroaktives Material, das in der Lage ist, einer Lithiuminterkalation und -deinterkalation, einem Absorptions- und Desorptionsvorgang, einem Legier- und Entlegiervorgang oder einem Beschichtungs- und Ablösevorgang unterzogen zu werden, während es als Minuspol des Akkumulators 30 dient. Im Allgemeinen umfassen die negativen aktiven Schichten 54, 84 das gleiche negative elektroaktive Material, obwohl sie unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen können. Bei den negativen elektroaktiven Materialien kann es sich um Metallschichten oder -filme oder um einen Verbundwerkstoff handeln, der negative elektroaktive Materialteilchen, die mit einem polymeren Bindemittel gemischt sind, und optional eine Vielzahl elektrisch leitender Teilchen umfasst. Jede negative aktive Schicht 54, 84 kann ferner einen Festelektrolyt und/oder einen Gelelektrolyt umfassen, der in der Verbundelektrode gemischt oder verteilt ist.
  • Der Akkumulator 30 umfasst ferner eine polymere Gelseparatorschicht 62, die zwischen jeder bipolaren Elektrode 60 und/oder zwischen einer bipolaren Elektrode 60 und den Endelektroden (z.B. der positiven Endelektrode 40 oder der negativen Endelektrode 50) angeordnet ist. Die Gelseparatorschicht 62 kann eine freistehende, unabhängige Schicht sein, die aus einem Polymer und einem nicht fließenden Gel gebildet ist, was bedeutet, dass sie selbsttragend mit struktureller Intaktheit ist und als unabhängige Schicht gehandhabt werden kann (z.B. von einem Substrat entfernt werden kann) und nicht nur eine auf einem anderen Element gebildete Beschichtung ist. Die polymere Gelseparatorschicht 62 der vorliegenden Offenbarung dient als Gelelektrolytmembran, die eine verbesserte Elastizität und einen höheren Polymergehalt als herkömmliche poröse Polyolefin-Separatoren, die in Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet werden, aufweist. Die herkömmlichen Polyolefin-Separatoren sind porös genug, um den flüssigen Elektrolyt/Gelelektrolyt in den Poren zu bewahren. Die polymere Gelseparatorschicht 62 der vorliegenden Offenbarung fixiert jedoch einen flüssigen Elektrolyt durch Zusammenwirken (z.B. Quellen) mit der Polymermatrix über Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräfte und dergleichen. Die polymere Gelseparatorschicht 62 kann somit als freistehende elastische Gelelektrolytschicht verstanden werden.
  • Die Gelseparatorschichten 62 können zwischen einer positiven aktiven Schicht, z.B. der positiven aktiven Schicht 74, auf einer ersten bipolaren Elektrode 60 und der negativen aktiven Schicht 84 einer benachbarten zweiten bipolaren Elektrode 60 angeordnet sein. Wie oben erwähnt, kann die polymere Gelseparatorschicht 62 ein gelartiger fester (oder halbfester) Elektrolyt sein, in dem ein Elektrolyt (z.B. ein Salz in einem Lösungsmittel) in einer Matrix oder einem Netzwerk gehalten wird, z.B. durch Zusammenwirken mit der umgebenden polymeren Matrix über Bindungskräfte. Die Gelseparatorschichten 62 können porös sein und eine elektrische Trennung zwischen Elektroden entgegengesetzter Polarität bereitstellen, um jedoch den Durchfluss von Ionen durch dieselben zu ermöglichen. Die freistehende(n) Gelseparatorschicht(en) 62 kann/können sowohl als elektrischer Isolator als auch als lonenleiter fungieren und somit eine herkömmliche poröse Trennschicht überflüssig machen.
  • Insbesondere können Akkumulatoren, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden, frei von flüssigen Elektrolyten sein und nur Festkörper- und/oder halbfeste oder Gelelektrolyte enthalten. Während der flüssige Elektrolyt zunächst als Vorläufer verwendet wird, um die polymere Gelseparatorschicht und die Gelelektrolytkomponenten der vorliegenden Offenbarung zu bilden, wird der flüssige Elektrolyt in den polymeren Wirt aufgenommen und interagiert mit diesem (z.B. durch die oben beschriebene Bindung) und dient somit als Teil des Gelelektrolyten durch die Bindung zwischen ihnen und der Polymermatrix. Im Gegensatz zu herkömmlichen flüssigen Elektrolyten, die in Poren herkömmlicher Separatoren und Elektroden fließen, weist der eingebrachte flüssige Elektrolyt demzufolge eine nicht fließende Eigenschaft auf. Indem der flüssige Elektrolyt durch einen Festkörperelektrolyt oder einen nicht entflammbaren Gelelektrolyt, der nicht in dem Akkumulator fließt, ersetzt wird, wird die thermische Stabilität des Akkumulators, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt wird, erheblich verbessert.
  • Der Akkumulator 30 umfasst ferner eine Barrierenkomponente 64, die im Bereich der Enden jedes positiven und negativen Stromkollektors (des positiven Endstromkollektors 42, des negativen Endstromkollektors 52 sowie des positiven Stromkollektors 72 und des negativen Stromkollektors 82) in den bipolaren Elektroden 60 verteilt ist. Die Barrierenkomponente 64 liegt zwischen den jeweiligen Komponenten, beispielsweise zwischen den bipolaren Elektroden 60 oder den bipolaren Elektroden 60 und einer positiven Endelektrode 40 oder einer negativen Endelektrode 50. Die Barrierenkomponente 64 kann ein Polymer oder einen Polymerverbundstoff einer Polymermatrix mit im Polymer verteilten Verstärkungsmaterialien umfassen, die als Dichtung für den Innenbereich des Akkumulators 30 dient und somit die verschiedenen Komponenten, einschließlich der darin befindlichen Gele (z.B. des Gelelektrolyten), zurückhält.
  • Wie es für Fachleute offensichtlich ist, ist der Akkumulatorstapel 30 nicht auf die Anzahl, Auslegung oder Ausrichtung der gezeigten Komponenten beschränkt und kann ferner eine Vielzahl zusätzlicher Komponenten umfassen, darunter als nicht einschränkende Beispiele Dichtungen, Dichtungsringe, Anschlussplatten, Kappen und dergleichen.
  • Die Lastvorrichtung 90 kann durch den elektrischen Strom versorgt werden, der durch den Stromkreis 48 fließt, wenn sich der Akkumulator 30 entlädt. Während es sich bei der elektrischen Lastvorrichtung 90 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln kann, umfassen einige besondere Beispiele einen Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder -geräte. Die Lastvorrichtung 90 kann auch ein Stromerzeugungsgerät sein, das den Akkumulator 30 zum Zwecke der Speicherung elektrischer Energie auflädt.
  • Der Akkumulator 30 kann während der Entladung durch reversierbare elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn der Stromkreis 48 geschlossen ist (um die negativen Elektroden 50, 80 und die positiven Elektroden 40, 70 zu verbinden) und die negative Elektrode ein geringeres Potenzial als die positive Elektrode aufweist, einen elektrischen Strom erzeugen. Die beim chemischen Potenzial vorhandene Differenz zwischen den positiven Elektroden 40, 70 und der negativen Elektrode 50, 80 treibt die durch eine Reaktion, z.B. die Oxidation von interkaliertem Material, an den negativen Elektroden 50, 80 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 92 in Richtung der positiven Elektroden 40, 70. Die ebenfalls erzeugten Lithiumionen werden gleichzeitig durch die polymere Gelseparatorschicht 62 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 92 und die Lithiumionen wandern durch die polymere Gelseparatorschicht 62, um an den positiven Elektroden 40, 70 interkaliertes Lithium zu bilden. Wie oben erwähnt, befindet sich der Gelelektrolyt normalerweise auch in den negativen Elektroden 50, 80 und der positiven Elektrode 40, 70. Der durch den externen Stromkreis 92 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 90 geleitet werden, bis das Lithium in den negativen Elektroden 50, 80 verbraucht ist und die Kapazität des Akkumulators 30 verringert ist.
  • Die den negativen Elektroden zugeordneten Stromkollektoren 52, 82, die negativen Elektroden 50, 80, die polymere Gelseparatorschicht 62, die positiven Elektroden 40, 70 und die den positiven Elektroden zugeordneten Stromkollektoren 42, 72 können jeweils als relativ dünne Schichten (z.B. mit einer Dicke von 1 bis 2 Mikrometern bis zu 1 Millimeter oder weniger, optional größer oder gleich ungefähr 25 Mikrometer bis kleiner oder gleich ungefähr 250 Mikrometer) in dem Akkumulator 30 hergestellt werden. Somit ist eine Vielzahl von bipolaren Elektroden 60 parallel zueinander angeordnet, um einen Stapel von Einheiten zu bilden, die zwischen einer positiven Endelektrode 40 und einer negativen Endelektrode 50 angeordnet sind. Die Elektroden, die die bipolaren Elektroden 60 und die Endelektroden 40, 50 umfassen, können in Schichten, die in einer Reihenanordnung verbunden sind, zusammengebaut sein, um eine geeignete elektrische Energie, Akkumulatorspannung und -leistung bereitzustellen, z.B. um einen „SECC“ (Series-Connected Elementary Cell Core, in Reihe angeordneter elementarer Zellenkern) zu erhalten. In verschiedenen anderen Fällen kann der Akkumulator 30 ferner bipolare Elektroden 60 und Endelektroden 40, 50 umfassen, die parallel geschaltet sind, um eine geeignete elektrische Energie und Leistung bereitzustellen, z.B. um einen „PECC“ (Parallel-Connected Elementary Cell Core, parallel angeordneter elementarer Zellenkern) zu erhalten. In verschiedenen anderen Fällen kann der Akkumulator 30 ferner bipolare Elektroden 60 und Endelektroden 40, 50 umfassen, die parallel und in Reihe geschaltet sind, um eine geeignete elektrische Energie, Spannung und Leistung bereitzustellen. Die in Reihe oder parallel geschalteten Einheiten können eine Sollspannung und -kapazität erreichen, z.B. einen 12-V-Akkumulator mit einer Kapazität von 50 Ah. Bipolare Akkumulatorstrukturen wie diejenige, die in 1 gezeigt ist, dienen der Verbesserung der Energiedichte von Festkörperakkus, z.B. durch die Reduzierung von Anschlussfahnen, Akkumulatorpaketen und dergleichen.
  • Somit stellt die vorliegende Anmeldung bei bestimmten Ausgestaltungen die hierin beschriebene gelgestützte bipolare Akkumulatorbauweise bereit, bei der Lithiumionen zyklisiert werden. Ein derartiger gelgestützter bipolarer Hochleistungsfestkörperakkumulator bietet eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit, eine beachtliche Hochtemperaturbeständigkeit und eine hervorragende Kälteleistung, und ist insbesondere für unter der Motorhaube befindliche Fahrzeuganwendungen geeignet, wie z.B. einen 12-V-Start-Stopp-Akkumulator. Der Akkumulator umfasst eine erste Endelektrode mit einer ersten Polarität, z.B. eine positive Elektrode oder Kathode. Der Akkumulator umfasst außerdem eine zweite Endelektrode mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität, z.B. eine negative Elektrode oder Anode. Der Akkumulator umfasst ferner wenigstens eine bipolare Elektrodenanordnung, die zwischen der ersten Endelektrode und der zweiten Endelektrode angeordnet ist.
  • Die bipolare Elektrodenanordnung weist eine erste Elektrode mit der ersten Polarität und eine zweite Elektrode mit der der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität auf. Die erste Elektrode umfasst einen ersten Stromkollektor und eine erste aktive Schicht. Die erste aktive Schicht umfasst ein erstes elektroaktives Material (z.B. eine Vielzahl von ersten elektroaktiven Materialteilchen), das Lithium-ionen reversibel zyklisiert, und einen darin verteilten ersten polymeren Gelelektrolyt. Die erste aktive Schicht kann außerdem einen ersten Festkörperelektrolyt (z.B. eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen) umfassen, der darin verteilt ist. Die bipolare Elektrodenanordnung ist so ausgerichtet, dass die erste Elektrode mit der ersten Polarität der zweiten Endelektrode mit der entgegengesetzten zweiten Polarität zugewandt ist.
  • Bei verschiedenen Aspekten kann das positive elektroaktive Material eine Vielzahl von elektroaktiven Festkörperteilchen sein. Bei bestimmten Abwandlungen kann die aktive Schicht der positiven Elektrode ein positives elektroaktives Material umfassen, das eine geschichtete Oxidkathode, eine Spinellkathode oder eine Polyanionkathode sein kann. Zum Beispiel können ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien aus einem Spinellkathodenmaterial, wie z.B. LiMn2O4 (LMO), ausgewählt sein. Das positive elektroaktive Material kann außerdem eine Lithiumphosphatverbindung, wie z.B. LiMnxFe1-xPO4 (LMFP) sein , wobei x im Bereich von ungefähr 0,6 bis ungefähr 0,75 liegt. Bei verschiedenen Aspekten kann die Vielzahl von elektroaktiven Festkörperteilchen sowohl LiMn2O4 (LMO) als auch LiMnxFe1-xPO4 (LMFP) umfassen.
  • Bei bestimmten Aspekten können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen beschichtet sein (z.B. mit einer Kohlenstoffbeschichtung) und/oder das positive elektroaktive Material kann dotiert sein (z.B. mit Aluminium und/oder Magnesium). Das LMFP kann zum Beispiel eine Kohlenstoffbeschichtung aufweisen.
  • Bei bestimmten Aspekten können die positiven Festkörperelektrolytteilchen ein Material sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Li7-xLa3Zr2-xMxO12 (LLZO), wobei M ein Metall ist, das aus Tantal (Ta), Niob (Nb), Wismut (Bi), Zinn (Sn) und dergleichen ausgewählt ist, und wobei 0 ≤ x < 2 ist, LixLayTiO3 (LLTO), wobei 0 < x < 1 und 0 < y < 1 sind, Li1+x+yAlxTi2-xP3-yO12, wobei 0 ≤ x < 2 und 0 ≤ y < 3 sind (LATP), Li2+2xZn1-xGeO4, wobei 0 < x < 1 ist (LISICON), Li2PO2N (LIPON), LixLa2/3-xTiO3, wobei 0 < x < 2/3 ist, Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, wobei 0-≤ x < 2 ist, Li10GeP2S12 und Kombinationen davon besteht.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode eine poröse Verbundstruktur sein, die positive elektroaktive Teilchen und erste Festkörperelektrolytteilchen umfasst, die mit einer polymeren Bindemittelmatrix verteilt sind. Das polymere Bindemittel kann ein beliebiges der herkömmlicherweise in der Technik verwendeten sein, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymere (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymere (SBS), Polyethylenglykol (PEG) und/oder Lithium-Polyacrylat-Bindemittel (LiPAA-Bindemittel). Bei bestimmten Abwandlungen umfasst das Bindemittel Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP).
  • Die Poren der porösen Verbundstruktur können wenigstens teilweise mit einem polymeren Gelelektrolyt gefüllt sein. Bei verschiedenen Aspekten umfasst der polymere Gelelektrolyt einen nicht flüchtigen polymeren Wirt, der ein Gel, einen Elektrolyt (z.B. mit Lösungsmitteln) und optional ein Lithiumsalz bildet. Das Gelelektrolytsystem weist eine Viskosität von größer oder gleich ungefähr 10.000 Centipoise (mm2/s) bei Raumtemperatur (ungefähr 21 °C oder 70 °F) auf. Der polymere Wirt kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) und Kombinationen davon besteht. Bei bestimmten Abwandlungen ist der polymere Träger Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP). Der polymere Wirt kann mit größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-%, optional mit größer oder gleich ungefähr 2 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 8 Gew.-%, optional mit größer oder gleich ungefähr 4 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, beispielsweise mit ungefähr 5 Gew.-% des Gesamtgewichts des polymeren Gelelektrolyten vorliegen.
  • Der polymere Gelelektrolyt kann einen darin verteilten flüssigen Elektrolyt aufweisen, der, wenn er in den polymeren Gelelektrolyt aufgenommen wird, insgesamt eine halbfeste oder nicht fließende Gelphase bildet. Der in dem polymeren Gelelektrolyt verteilte Elektrolyt kann ein Lithiumsalz und ein Lösungsmittel umfassen. Das Lithiumsalz kann zum Beispiel Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) und Kombinationen davon umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Lithiumsalz sowohl Bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) als auch Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) umfassen. Jedes Lithiumsalz kann mit größer oder gleich ungefähr 0,01 M bis kleiner oder gleich ungefähr 0,5 M, optional größer oder gleich ungefähr 0,1 M bis kleiner oder gleich ungefähr 0,5 M, optional größer oder gleich ungefähr 0,15 M bis kleiner oder gleich ungefähr 0,5 M, optional ungefähr 0,4 M im Elektrolyt vorliegen.
  • Bei anderen Aspekten kann das zusätzliche Lithiumsalz LiBOB als Zusatzstoff verwendet werden, um eine Kathoden-Festelektrolyt-Zwischenphase (CEI) und/oder eine Anoden-Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI) zu bilden. Das LiBOB kann mit größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-%, optional mit größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-%, optional mit größer oder gleich ungefähr 2 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, optional mit größer oder gleich ungefähr 2 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-%, beispielsweise mit ungefähr 2,5 Gew.-% in dem flüssigen Elektrolyt vorliegen. Bei einer Abwandlung liegt das LiBOB mit ungefähr 0,18 M vor.
  • Die kumulative Menge aller in dem flüssigen Elektrolyt vorliegenden Lithiumsalze kann größer oder gleich ungefähr 0,1 M bis kleiner oder gleich ungefähr 2 M, optional größer oder gleich ungefähr 0,4 M bis kleiner oder gleich ungefähr 1,5 M, optional größer oder gleich ungefähr 0,5 M bis kleiner oder gleich ungefähr 1,2 M und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 1 M in dem flüssigen Elektrolyt sein.
  • Bei bestimmten Aspekten umfassen die primären Salze sowohl Bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) als auch Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), während geringe Mengen von Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB) als Zusatzstoff enthalten sind.
  • Bei einer Abwandlung kann der Elektrolyt zum Beispiel 0,4 M LITFSI, 0,4 M LiBF4 und 2,5 Gew.-% oder 0,18 M LiBOB umfassen.
  • Ein oder mehrere Lösungsmittel im Elektrolyt lösen das Lithiumsalz auf, um eine gute Lithiumionenleitfähigkeit zu ermöglichen, während sie wünschenswerterweise einen niedrigen Dampfdruck aufweisen (z.B. kleiner ungefähr 10 mmHg bei 25 °C) und außerdem mit dem polymeren Wirt kompatibel sind. Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Lösungsmittel beispielsweise Carbonatlösungsmittel (wie Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Glycerincarbonat, Vinylencarbonat, Fluorethylencarbonat, 1,2-Butylencarbonat und dergleichen), Lactone (wie y-Butyrolacton (GBL), δ-Valerolacton und dergleichen) und Kombinationen davon. Das Lösungsmittel kann beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Ethylencarbonat (EC), y-Butyrolacton/Gamma-Butyrolacton (GBL) und Kombinationen davon besteht. Bei bestimmten Abwandlungen umfasst das Lösungsmittel sowohl Ethylencarbonat (EC) als auch y-Butyrolacton/Gamma-Butyrolacton (GBL).
  • Die Gesamtmenge des Lösungsmittels kann im Elektrolyt mit größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner ungefähr 95 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 82 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 93 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 84 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 91 Gew.-%, beispielsweise ungefähr 87 Gew.-% des Gesamtgewichts des Elektrolyten vorliegen.
  • Bei bestimmten Aspekten können zwei Lösungsmittel, Ethylencarbonat (EC) und y-Butyrolacton/Gamma-Butyrolacton (GBL), im Elektrolyt enthalten sein. Das Massenverhältnis eines ersten Lösungsmittels, z.B. eines Carbonatlösungsmittels wie EC, zu einem zweiten Lösungsmittel, z.B. einem Lactonlösungsmittel wie GBL, kann größer oder gleich ungefähr 1:1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1:2 sein, wie z.B. ungefähr 1:1,5 (oder 4:6).
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt beispielsweise größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 95 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 82 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 93 Gew.-% einer Gesamtmenge an Lithiumsalzen und größer oder gleich ungefähr 84 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 91 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 85 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% einer Gesamtmenge der Lösungsmittel umfassen.
  • Bei einer Abwandlung kann der Elektrolyt beispielsweise 0,4 M LITFSI, 0,4 M LiBF4 und 0,18 M (oder 2,5 Gew.-%) LiBOB in einem Lösungsmittel umfassen, das Ethylencarbonat (EC) und Gamma-Butyrolacton (GBL) in einem Gewichtsverhältnis von ungefähr 4:6 (oder 1,5) umfasst.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann der polymere Gelelektrolyt ferner einen herkömmlichen Zusatzstoff umfassen. Beispielsweise kann das nichtflüchtige Gel größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des Zusatzstoffs umfassen.
  • Die poröse Verbundstruktur, die die positive aktive Schicht definiert, kann außerdem ein elektrisch leitendes Material umfassen, wie z.B. eine Vielzahl von darin verteilten elektrisch leitenden Teilchen. Elektrisch leitende Materialien können beispielsweise kohlenstoffbasierte Materialien oder ein leitfähiges Polymer sein. Kohlenstoffbasierte Materialien können beispielsweise Teilchen von Graphit, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstofffasern und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs, einschließlich einwandiger und mehrwandiger CNTs), Graphen (wie Graphenoxid), Graphit, Ruß (wie Super P™) und dergleichen umfassen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer können Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen umfassen. Bei bestimmten Aspekten umfasst das elektrisch leitende Teilchen beispielsweise einen Ruß mit einer Oberfläche von größer oder gleich ungefähr 50 m2/g (BET), gemessen als „Gesamtoberfläche“ mit dem Brunauer-Emmett-Teller-Verfahren (BET-Messung) unter Verwendung von Stickstoff (N2). Ein solcher elektrisch leitender Ruß ist der leitfähige Rußfüllstoff Super P™, der bei Imerys Ltd. im Handel erhältlich ist und eine Oberfläche von größer ungefähr 63,5 m2/g (BET) aufweist. Bei bestimmten anderen Aspekten umfasst das elektrisch leitende Teilchen eine Kohlenstoffnanoröhre (CNT), die ebenfalls eine Oberfläche von größer oder gleich ungefähr 50 m2/g aufweist. Bei einer Abwandlung kann das leitfähige kohlenstoffbasierte Material beispielsweise ein leitfähiger Graphit sein, der eine Oberfläche von größer oder gleich ungefähr 5 m2/g bis kleiner oder gleich ungefähr 30 m2/g mit einem durchschnittlichen Durchmesser (D) oder D50-Wert von kleiner oder gleich ungefähr 8 Mikrometern (µm) aufweist. Ein Wert von D50 bedeutet einen kumulativen 50 %-Punkt des Durchmessers (oder 50 %-Passteilchengröße) für die Vielzahl der festen Teilchen. Ein solches leitfähiges Graphitteilchen ist als TIMCAL TIMREX® KS6 Synthetic Graphite im Handel erhältlich. Bei anderen Aspekten können die in der positiven aktiven Schicht verteilten elektrisch leitenden Teilchen sowohl ein leitfähiges Rußfüllstoffteilchen, wie Super P™, als auch eine Kohlenstoffnanoröhre (CNT) umfassen.
  • Die elektrisch leitenden Teilchen können jeweils mit größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-%.% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% oder bei alternativen Abwandlungen optional größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des Gesamtgewichts der positiven aktiven Schicht vorliegen.
  • Die kumulative Menge aller elektrisch leitenden Teilchen in der positiven aktiven Schicht kann größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-% sein.
  • Bei einer besonderen Abwandlung kann die positive Elektrode oder Kathode ein kathodenaktives Material aufweisen, das ein erstes positives elektroaktives Material aus LiMnxFe1-xPO4 (LMFP) umfasst, wobei ungefähr 0,6 ≤ x ≤ ungefähr 0,75 ist. Die elektroaktiven LMFP-Teilchen können einen durchschnittlichen Durchmesser (D) oder D50-Wert aufweisen, der kleiner oder gleich ungefähr 12 Mikrometer (µm) ist. Die elektroaktiven Teilchen können eine durchschnittliche Oberfläche von größer oder gleich ungefähr 12 m2/g bis kleiner oder gleich ungefähr 30 m2/g (BET) aufweisen. Die elektroaktiven LMFP-Teilchen können eine Kohlenstoffbeschichtung aufweisen, die auf der Außenfläche (z.B. als Hülle über dem LMFP-Kern) angeordnet ist und größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 4 Gew.-% des Gesamtgewichts der elektroaktiven Teilchen sein kann. Bei bestimmten Abwandlungen weisen die elektroaktiven LMFP-Teilchen eine spezifische Kapazität (mAh/g) bei 1 C von größer oder gleich ungefähr 130 mAh/g bis kleiner oder gleich ungefähr 150 mAh/g auf.
  • Bei einer besonderen Abwandlung kann die positive Elektrode oder Kathode ein aktives Kathodenmaterial aufweisen, das ein erstes positives elektroaktives Material aus LiMn2O4 (LMO) umfasst. Die elektroaktiven LMO-Teilchen können einen durchschnittlichen Durchmesser (D) oder D50-Wert von kleiner oder gleich ungefähr 12 Mikrometern (µm) und einen D95-Wert von kleiner oder gleich ungefähr 20 Mikrometern (µm) aufweisen. Ein Wert von D95 bedeutet einen kumulativen 95 %-Punkt des Durchmessers (oder 95 %-Passteilchengröße) für die Vielzahl der festen Teilchen. Die LMO umfassenden elektroaktiven Teilchen können eine durchschnittliche Oberfläche von größer oder gleich ungefähr 0,3 m2/g bis kleiner oder gleich ungefähr 1,2 m2/g (BET) unter Verwendung von Stickstoff (N2) aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen weisen die elektroaktiven LMO-Teilchen eine spezifische Kapazität (mAh/g) bei 1 C von größer oder gleich ungefähr 95 mAh/g bis kleiner oder gleich ungefähr 105 mAh/g auf.
  • Bei einer besonderen Ausgestaltung für einen bipolaren 12-V-Festkörperakkumulator weist die positive Elektrode ein positives aktives Material auf, das ein erstes positives elektroaktives Material umfasst, das LiMn0,7Fe0,3PO4 mit einem D50-Wert von ungefähr 8,9 Mikrometern, einer spezifischen Kapazität bei 1C von ungefähr 147 mAh/g und einer Oberfläche (BET) von ungefähr 14,8 m2/g aufweist. Das positive aktive Material umfasst ferner ein zweites positives elektroaktives Material, das LiMn2O4 umfasst und einen D50-Wert von ungefähr 8,4 Mikrometern, eine spezifische Kapazität bei 1 C von ungefähr 102 mAh/g und eine Oberfläche (BET) von ungefähr 0,5 m2/g aufweist.
  • Bei einer Abwandlung kann das positive aktive Material die folgende Zusammensetzung aufweisen. Ein erstes positives elektroaktives Material, das LMFP mit den oben beschriebenen Eigenschaften umfasst, liegt mit größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 76 Gew.-% in der aktiven Materialschicht vor. Ein zweites positives elektroaktives Material, das LMO mit den oben beschriebenen Eigenschaften umfasst, liegt mit größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 76 Gew.-% in der aktiven Materialschicht vor. Die positive aktive Schicht umfasst ferner einen Festkörperelektrolyt, wie z.B. Li1+x+yAlxTi2-xP3-yO12, wobei 0 ≤ x < 2 und 0 ≤ y < 3 sind (LATP), der mit größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des Gesamtgewichts des aktiven Materials vorliegt. Die positive aktive Schicht umfasst außerdem elektrisch leitende Teilchen, die ein leitfähiges Rußfüllstoffteilchen, wie Super P™, das mit größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des Gesamtgewichts des aktiven Materials vorliegt, und eine Kohlenstoffnanoröhre (CNT), die mit größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% des Gesamtgewichts des aktiven Materials vorliegt, umfassen. Die positive aktive Schicht umfasst außerdem ein polymeres Bindemittel, wie z.B. Polyvinylidendifluorid (PVDF), das mit größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des Gesamtgewichts des aktiven Materials vorliegt. Bei bestimmten Aspekten können die Vorläufer dieser Materialien in einer Aufschlämmung mit einem Träger oder Lösungsmittel verteilt sein und eine Viskosität von größer oder gleich ungefähr 1.500 bis kleiner oder gleich ungefähr 3.500 mPa·s (20 s-1 bei Raumtemperatur (ungefähr 21 °C (70 °F)) aufweisen.
  • Die Aufschlämmung kann gemischt oder gerührt und dann auf ein Substrat aufgebracht sein. Das Substrat kann ein abnehmbares Substrat oder alternativ ein funktionales Substrat sein, wie z.B. ein Stromkollektor (z.B. ein metallisches Gitter oder eine Netzschicht). Bei einer Abwandlung kann Wärme oder Strahlung angewendet werden, um das Lösungsmittel aus dem aktiven Materialfilm zu verdampfen, wobei ein fester Rückstand zurückbleibt. Der Elektrodenfilm kann weiter verfestigt werden, wobei Wärme und Druck auf den Film ausgeübt werden, um ihn zu sintern und zu kalandrieren. Bei anderen Abwandlungen kann der Film bei mäßiger Temperatur an der Luft getrocknet werden, um selbsttragende Filme zu bilden. Handelt es sich um abnehmbares Substrat, dann wird es von dem aktiven Materialfilm entfernt, der dann weiter auf einen Stromkollektor laminiert wird. Bei beiden Arten von Substraten kann es notwendig sein, das restliche Plastifiziermittel vor dem Einbau in die Akkumulatorzelle zu extrahieren oder zu entfernen.
  • Bei bestimmten Abwandlungen, die weiter unten erörtert werden, kann der der positiven Elektrode zugeordnete Stromkollektor, auf dem die Verbundschicht aus aktivem Material angeordnet sein kann, die Form eines Films oder einer Folie aufweisen, wie z.B. einer plattierten Folie, eines geschlitzten Netzes, eines gewebten Netzes und dergleichen. Der positive Stromkollektor kann Aluminium oder ein anderes geeignetes Metall umfassen. Der positive Stromkollektor kann mit einer externen Stromkollektorlasche verbunden sein.
  • Die Porosität der Verbundschicht aus aktivem Material, sei es die positive oder die negative Elektrode nach Abschluss aller Verarbeitungsschritte (einschließlich Verfestigung und Kalandrieren) kann als der Anteil des durch Poren definierten Hohlraumvolumens am Gesamtvolumen der aktiven Materialschicht betrachtet werden. Die Porosität kann größer oder gleich ungefähr 15 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Vol.-%, optional größer oder gleich 20 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Vol.-% und bei bestimmten Abwandlungen optional größer oder gleich 25 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 35 Vol.-% sein.
  • Bei einer Ausgestaltung weist ein bipolarer gelgestützter Festkörperakkumulator eine hohe Leistung auf und ist für 12 V und eine Kapazität von größer oder gleich ungefähr 24 mAh, optional größer oder gleich ungefähr 50 Ah ausgelegt. Ein solcher bipolarer 12-V-Festkörperakkumulator weist eine positive Elektrode auf, die Folgendes umfasst: eine positive aktive Schicht mit einem ersten positiven elektroaktiven Material, das LMFP mit ungefähr 44 Gew.-% umfasst, einem zweiten positiven elektroaktiven Material, das LMO mit ungefähr 44 Gew.-% umfasst, einen Festkörperelektrolyt, der LATP mit ungefähr 5 Gew.-% umfasst, ein erstes elektrisch leitendes Teilchen, das ein mit ungefähr 3 Gew.-% vorliegendes Rußteilchen (Super P™) umfasst, und ein polymeres Bindemittel, das PVDF mit ungefähr 4 Gew.-% umfasst.
  • Bei bestimmten Herstellungsverfahren wird der polymere Gelelektrolyt nach dem Kalandrieren in die Elektroden eingebracht. Zunächst werden Gelelektrolytvorläuferlösungen, die den polymeren Wirt, den flüssigen Elektrolyt und die Verarbeitungslösungsmittel enthalten, auf die Elektrodenoberflächen aufgebracht (z.B. aufgetragen oder aufgesprüht), so dass der Gelelektrolytvorläufer wenigstens teilweise in die Poren der Elektrode eindringt. PVDF-HFP ist ein besonders geeigneter polymerer Wirt für den Gelelektrolyt. Anschließend werden die Verarbeitungslösungsmittel verdampft oder entfernt, um den Gelelektrolyt zu erzeugen.
  • Die Kapazitätslast der positiven Elektrode, die ein solches aktives Material enthält, kann bei ungefähr 1,05 ±0,1 mAh/cm2 liegen (für eine einseitige Beschichtung, 1 C bei Raumtemperatur). Die Pressdichte der positiven Elektrode kann bei ungefähr 2,3 ±0,3 g/cm3 liegen und die Porosität der aktiven Schicht kann bei 30 ±5 Vol.-% liegen. Die elektrische Leitfähigkeit der positiven aktiven Schicht für die positive Elektrode kann durch einen Widerstand von kleiner oder gleich ungefähr 2 Ω-cm dargestellt werden. Der Feuchtigkeitsgehalt kann kleiner oder gleich ungefähr 600 ppm Wasser betragen.
  • Die zweite Elektrode, sei es die zweite Endelektrode oder die in der bipolaren Elektrode angeordnete, weist die der ersten Polarität entgegengesetzte zweite Polarität auf. Die zweite Elektrode umfasst einen zweiten Stromkollektor und eine zweite aktive Schicht. Die zweite Elektrode kann somit eine negative Elektrode sein. Wie weiter unten erörtert, kann der negative Anodenstromkollektor eine Kupferkollektorfolie sein, die die Form eines offenen Maschengitters oder eines dünnen Films haben kann. Der negative Stromkollektor kann mit einer externen Stromkollektorlasche verbunden sein.
  • Die zweite aktive Schicht (z.B. auf der bipolaren Elektrode) umfasst ein zweites oder negatives elektroaktives Material (z.B. eine Vielzahl von zweiten oder negativen elektroaktiven Materialteilchen), das Lithiumionen reversibel zyklisiert, und einen darin verteilten zweiten polymeren Gelelektrolyt. Die zweite aktive Schicht kann kalandriert werden. Dann können Gelelektrolytvorläufer auf die poröse zweite aktive Schicht/zweite Elektrode in der gleichen Weise wie oben für die erste aktive Schicht/erste Elektrode beschrieben aufgebracht werden, um den Gelelektrolyt zu bilden, der die Poren wenigstens teilweise ausfüllt. Die zweite oder negative aktive Schicht kann außerdem einen zweiten Festkörperelektrolyt (z.B. eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen) umfassen, der darin verteilt ist. Die bipolare Elektrodenanordnung ist so ausgerichtet, dass die zweite Elektrode mit der zweiten Polarität der ersten Endelektrode mit der entgegengesetzten ersten Polarität zugewandt ist.
  • Bei verschiedenen Aspekten kann das negative elektroaktive Material eine Vielzahl von elektroaktiven Festkörperteilchen sein. Bei bestimmten Abwandlungen kann die aktive Schicht der negativen Elektrode ein negatives elektroaktives Material wie Graphit, Lithium-Silicium und siliciumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinnhaltige Legierungen wie Si-Sn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, SnO2, Lithiummetall, Lithiummetalllegierungen und dergleichen umfassen. Bei bestimmten alternativen Ausgestaltungen sind Lithium-Titan-Anodenmaterialien denkbar, wie z.B. Li4+xTi5O12, wobei 0 ≤ x ≤ 3 ist, die Lithiumtitanat (Li4Ti5O12) (LTO) umfassen. Alternativ kann das negative elektroaktive Material eine Schicht aus Lithiummetall oder einer Lithiummetalllegierung sein. Bei bestimmten Abwandlungen können die negativen elektroaktiven Materialien für die negative aktive Schicht der negativen Elektrode aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Lithium, Graphit, Silicium, siliciumhaltigen Legierungen, zinnhaltigen Legierungen, Lithiumtitanat und Kombinationen davon besteht. Bei bestimmten Aspekten kann die Vielzahl der negativen elektroaktiven Festkörperteilchen Graphit umfassen.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode eine poröse Verbundstruktur sein, die negative elektroaktive Teilchen und zweite Festkörperelektrolytteilchen umfasst, die mit einer polymeren Bindemittelmatrix verteilt sind. Bei dem polymeren Bindemittel kann es sich um eines der oben im Zusammenhang mit der positiven Elektrode beschriebenen handeln. Bei bestimmten Abwandlungen umfasst das Bindemittel Polyvinylidendifluorid (PVDF).
  • Die Poren der porösen Verbundstruktur der aktiven Schicht der negativen Elektrode können wenigstens teilweise mit einem polymeren Gelelektrolyt gefüllt sein. Bei verschiedenen Aspekten kann der polymere Gelelektrolyt jede der oben im Zusammenhang mit der positiven Elektrode beschriebenen Zusammensetzungen umfassen.
  • Die poröse Verbundstruktur, die die negative aktive Schicht definiert, kann außerdem ein elektrisch leitendes Material umfassen, wie z.B. eine Vielzahl von darin verteilten elektrisch leitenden Teilchen. Bei den elektrisch leitenden Materialien kann es sich um die oben im Zusammenhang mit der positiven Elektrode beschriebenen Materialien handeln, z.B. um kohlenstoffbasierte Materialien oder ein leitfähiges Polymer. Bei bestimmten Aspekten umfasst das elektrisch leitende Teilchen einen Ruß, z.B. handelt es sich bei dem elektrisch leitenden Ruß um den leitfähigen Rußfüllstoff Super P™, der bei Imerys Ltd. im Handel erhältlich ist und eine Oberfläche von größer ungefähr 63,5 m2/g (BET) aufweist. Bei einer Abwandlung ist das elektrisch leitende Material ein leitfähiges Graphitteilchen, das als TIMCAL TIMREX® KS6 Synthetic Graphite im Handel erhältlich ist. Bei anderen Aspekten können die in der negativen aktiven Schicht verteilten elektrisch leitenden Teilchen sowohl ein leitfähiges Rußfüllstoffteilchen wie Super P™ als auch ein leitfähiges Graphitteilchen umfassen, das als TIMCAL TIMREXO KS6 Synthetic Graphite im Handel erhältlich ist.
  • Die elektrisch leitenden Teilchen können jeweils mit größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% des Gesamtgewichts der negativen aktiven Schicht vorliegen.
  • Die kumulative Menge aller elektrisch leitenden Teilchen in der negativen aktiven Schicht kann größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-% sein.
  • Bei einer besonderen Abwandlung kann die negative Elektrode oder Anode ein aktives Anodenmaterial aufweisen, das ein negatives elektroaktives Material aus Graphit umfasst. Die elektroaktiven Graphitteilchen können einen durchschnittlichen Durchmesser (D) oder D50-Wert aufweisen, der kleiner oder gleich ungefähr 16 Mikrometer (µm) ist. Die Graphit umfassenden elektroaktiven Teilchen können eine durchschnittliche Oberfläche von kleiner oder gleich ungefähr 5 m2/g (BET) unter Verwendung von Stickstoff (N2) aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen weisen die elektroaktiven Graphitteilchen eine spezifische Kapazität (mAh/g) bei 1 C von größer oder gleich ungefähr 335 mAh/g bis kleiner oder gleich ungefähr 350 mAh/g auf.
  • Bei einer besonderen Ausgestaltung für einen bipolaren 12-V-Festkörperakkumulator weist die negative Elektrode ein negatives aktives Material auf, das ein negatives elektroaktives Material umfasst, das Graphit mit einem D50-Wert von ungefähr 5,5 Mikrometern, einer spezifischen Kapazität bei 1 C von ungefähr 335 mAh/g und einer Oberfläche (BET) von kleiner ungefähr 3,4 m2/g aufweist.
  • Bei einer Abwandlung kann das negative aktive Material die folgende Zusammensetzung aufweisen. Ein negatives elektroaktives Material, das Graphit mit den oben beschriebenen Eigenschaften umfasst, liegt mit größer oder gleich ungefähr 85 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 95 Gew.-% in der aktiven Materialschicht vor. Die negative aktive Schicht umfasst ferner einen Festkörperelektrolyt, wie Li7-xLa3Zr2-xMxO12 (LLZO), wobei M ein Metall ist, das aus Tantal (Ta), Niob (Nb), Wismut (Bi), Zinn (Sn) und dergleichen ausgewählt ist, wobei 0 ≤ x < 2 ist, und das mit größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des Gesamtgewichts des aktiven Materials vorliegt. Die negative aktive Schicht umfasst außerdem elektrisch leitende Teilchen, die ein leitfähiges Rußfüllstoffteilchen, wie Super P™, das mit größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% des Gesamtgewichts des aktiven Materials vorliegt, und ein leitfähiges Graphitteilchen, wie den Graphit TIMCAL TIMREX@ KS6, der mit größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% des Gesamtgewichts des aktiven Materials vorliegt, umfassen. Die negative aktive Schicht umfasst außerdem ein polymeres Bindemittel, wie z.B. Polyvinylidendifluorid (PVDF), das mit größer oder gleich ungefähr 2 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-% des Gesamtgewichts des aktiven Materials vorliegt. Bei bestimmten Aspekten können die Vorläufer dieser Materialien in einer Aufschlämmung mit einem Träger oder Lösungsmittel verteilt sein und eine Viskosität von größer oder gleich ungefähr 1.500 bis kleiner oder gleich ungefähr 2.500 mPa·s (20 s-1 bei Raumtemperatur (ungefähr 21 °C (70 °F)) aufweisen.
  • Ähnlich wie die Aufschlämmung für die positive Elektrode kann die Aufschlämmung für die negative Elektrode auf ein Substrat aufgebracht und auf die gleiche Weise wie oben beschrieben verarbeitet werden, und die Verbundelektrode kann die gleichen Porositätsgrade aufweisen, wie sie oben im Zusammenhang mit der positiven Elektrode beschrieben wurden.
  • Bei einer Ausgestaltung weist ein bipolarer 12-V-Festkörperakkumulator eine negative Elektrode auf, die Folgendes umfasst: eine negative aktive Schicht mit einem negativen elektroaktiven Material, das ungefähr 93 Gew.-% Graphit umfasst, einen Festkörperelektrolyt, der ungefähr 3 Gew.-% LLZO umfasst, ein erstes elektrisch leitendes Teilchen, das ein mit ungefähr 1 Gew.-% vorliegendes Rußteilchen (z.B. Super P™) umfasst, ein zweites elektrisch leitendes Teilchen, das ein mit ungefähr 2 Gew.-% vorliegendes Graphitteilchen (z.B. KS6) umfasst, und ein polymeres Bindemittel, das ungefähr 4 Gew.-% PVDF umfasst. Die negative aktive Schicht kann kalandriert werden. Dann können Gelelektrolytvorläufer auf die poröse negative aktive Schicht in der gleichen Weise wie oben beschrieben aufgebracht werden. Beispielsweise werden Gelelektrolytvorläuferlösungen, die den polymeren Wirt, den flüssigen Elektrolyt und die Verarbeitungslösungsmittel enthalten, auf die Elektrodenoberflächen aufgebracht (z.B. aufgetragen oder aufgesprüht), so dass der Gelelektrolytvorläufer wenigstens teilweise in die Poren der Elektrode eindringt. PVDF-HFP ist ein besonders geeigneter polymerer Träger für den Gelelektrolyt. Anschließend werden die Verarbeitungslösungsmittel verdampft oder entfernt, um den Gelelektrolyt zu erzeugen.
  • Die Kapazitätslast der negativen Elektrode, die ein solches aktives Material enthält, kann ungefähr 1,15 ±0,1 mAh/cm2 betragen (für eine einseitige Beschichtung, 1 C bei Raumtemperatur). Die Pressdichte der negativen Elektrode kann bei ungefähr 1,6 ±0,2 g/cm3 liegen und die Porosität der aktiven Schicht kann bei 36 ±8 Vol.-% liegen. Die elektrische Leitfähigkeit der negativen aktiven Schicht für die negative Elektrode kann durch einen Widerstand von kleiner oder gleich ungefähr 2 Ω-cm dargestellt werden. Der Feuchtigkeitsgehalt kann kleiner oder gleich ungefähr 500 ppm Wasser betragen.
  • Bei einer Abwandlung liegt eine auf einen Stromkollektor wirkende einseitige Kapazitätslast im bipolaren Bauteil beispielsweise bei ungefähr 1,15 mAh/cm2 (1 C bei Raumtemperatur) und eine Pressdichte kann bei ungefähr 1,6 g/cm3 liegen.
  • Wie oben erwähnt, umfasst die wenigstens eine bipolare Elektrodenanordnung sowohl einen ersten Stromkollektor mit einer ersten Polarität als auch einen zweiten Stromkollektor mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität. Beispielsweise kann die erste Polarität eine positive Polarität sein und die zweite Polarität kann eine negative Polarität sein. In der bipolaren Elektrodenanordnung kann der positive oder erste Stromkollektor aus einer Aluminiumfolie bestehen. Ferner kann das Aluminium eine Kohlenstoffbeschichtung umfassen, die an die aktive Schicht angrenzt. Der zweite Stromkollektor oder negative Stromkollektor kann ein Kupferfilm oder eine Kupferschicht sein. Bei bestimmten Aspekten kann die Metallschicht für den positiven oder negativen Stromkollektor zusammen eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 6 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Mikrometer aufweisen. Bei einer Abwandlung kann die Aluminiumfolie über eine Kupferschicht plattiert sein. Bei einer anderen Abwandlung kann ein Kupferfilm über eine Aluminiumschicht plattiert sein. Für den positiven Stromkollektor kann die Kohlenstoffbeschichtung größer oder gleich ungefähr 0,1 Mikrometer bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Mikrometer sein. In einem bipolaren 12-V-Festkörperakkumulator kann die bipolare Elektrodenanordnung eine plattierte Folie aus Aluminium und Kupfer mit einer Dicke von ungefähr 25 Mikrometern aufweisen. Das Aluminium weist eine Kohlenstoffbeschichtung mit einer Dicke von ungefähr 2 Mikrometern auf.
  • Wie oben erwähnt, umfasst der Akkumulator mehrere freistehende polymere Gelseparatorschichten oder Membranen, die zwischen jeder bipolaren Elektrodenanordnung und/oder zwischen einer bipolaren Elektrode und einer entsprechenden Endelektrode angeordnet sein können. Die polymere Gelseparatorschicht kann aus einem Polymer gebildet sein, das ein Gel bildet, in dem ein flüssiger Elektrolyt (z.B. Lösungsmittel) und optional ein oder mehrere Lithiumsalze verteilt sein können. Die polymere Gelseparatorschicht kann aus einem ähnlichen Material wie der oben beschriebene polymere Gelelektrolyt gebildet sein, bietet jedoch eine strukturelle Intaktheit und Festigkeit, so dass sie freistehend ist. Bei verschiedenen Aspekten kann das Polymer Polyacrylnitril (PAN) umfassen. Ferner kann die polymere Gelseparatorschicht den flüssigen Elektrolyt umfassen, wie er oben im Zusammenhang mit dem polymeren Gelelektrolyt beschrieben wurde, einschließlich der zuvor beschriebenen Lösungsmittel und Lithiumsalze. Das Polymer kann mit größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% des Gesamtgewichts der polymeren Gelseparatorschicht vorliegen.
  • Die polymere Gelseparatorschicht kann einen mit dem Polymer verteilten flüssigen Elektrolyt aufweisen, der, wenn er in das polymere Gel aufgenommen wird, eine halbfeste oder nicht fließende Gelphase bildet. Das Lithiumsalz kann Bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) und Kombinationen davon umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Lithiumsalz sowohl Bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) als auch Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) umfassen. Jedes Lithiumsalz kann mit größer oder gleich ungefähr 0,001 M bis kleiner oder gleich ungefähr 1 M, optional größer oder gleich ungefähr 0,01 M bis kleiner oder gleich ungefähr 0,75 M, optional größer oder gleich ungefähr 0,3 M bis kleiner oder gleich ungefähr 0,6 M, optional ungefähr 0,4 M in dem flüssigen Elektrolyt vorliegen.
  • Die kumulative Menge aller in dem flüssigen Elektrolyt vorliegenden Lithiumsalze kann größer oder gleich ungefähr 0,1 M bis kleiner oder gleich ungefähr 2 M, optional größer oder gleich ungefähr 0,4 M bis kleiner oder gleich ungefähr 1,5 M, optional größer oder gleich ungefähr 0,6 M bis kleiner oder gleich ungefähr 1,2 M und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 0,8 M in dem flüssigen Elektrolyt sein.
  • Bei einer Abwandlung kann der flüssige Elektrolyt beispielsweise größer oder gleich ungefähr 0,3 M bis kleiner oder gleich ungefähr 0,6 M LITFSI und größer oder gleich ungefähr 0,3 M bis kleiner oder gleich ungefähr 0,6 M LiBF4 umfassen. Bei einer Abwandlung kann der flüssige Elektrolyt 0,4 M LITFSI und 0,4 M LiBF4 umfassen.
  • Ein oder mehrere Lösungsmittel in dem flüssigen Elektrolyt können die oben im Zusammenhang mit dem polymeren Gelelektrolyt beschriebenen sein. Das Lösungsmittel kann beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Ethylencarbonat (EC), y-Butyrolacton/Gamma-Butyrolacton (GBL) und Kombinationen davon besteht. Bei bestimmten Abwandlungen umfasst das Lösungsmittel sowohl Ethylencarbonat (EC) als auch γ-Butyrolacton/Gamma-Butyrolacton (GBL).
  • Die Gesamtmenge des Lösungsmittels kann in dem flüssigen Elektrolyt mit größer oder gleich ungefähr 75 Gew.-% bis kleiner ungefähr 90 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 85 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-%, beispielsweise ungefähr 87 Gew.-% des Gesamtgewichts des flüssigen Elektrolyten vorliegen.
  • Bei bestimmten Aspekten können zwei Lösungsmittel, Ethylencarbonat (EC) und y-Butyrolacton/Gamma-Butyrolacton (GBL), in dem flüssigen Elektrolyt enthalten sein. Das Massenverhältnis eines ersten Lösungsmittels, z.B. eines Carbonatlösungsmittels wie EC, zu einem zweiten Lösungsmittel, z.B. einem Lactonlösungsmittel wie GBL, kann größer oder gleich ungefähr 1:1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1:2 sein, wie z.B. ungefähr 1:1,5 (oder 4:6). Bei anderen Abwandlungen kann das Verhältnis von EC:GBL zwischen ungefähr 8:2 (4:1) und ungefähr 3:7 (1:2,3) liegen. Das Verhältnis von EC zu GBL in dem Elektrolyt der freistehenden Gelelektrolytschicht kann dasselbe sein wie das Verhältnis von EC zu GBL in dem Gelelektrolyt in den Elektroden.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann der flüssige Elektrolyt beispielsweise größer oder gleich ungefähr 75 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% einer Gesamtmenge an Lithiumsalzen und größer oder gleich ungefähr 85 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 86 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% einer Gesamtmenge der Lösungsmittel umfassen.
  • Bei einer Abwandlung kann der flüssige Elektrolyt für die freistehende polymere Gelseparatorschicht beispielsweise 0,4 M LITFSI und 0,4 M LiBF4 in einem Lösungsmittel umfassen, das Ethylencarbonat (EC) und Gamma-Butyrolacton (GBL) in einem Gewichtsverhältnis von ungefähr 4:6 umfasst.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann der polymere Gelelektrolyt ferner einen herkömmlichen Zusatzstoff umfassen. Beispielsweise kann das nichtflüchtige Gel größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des Zusatzstoffs umfassen.
  • Die freistehende polymere Gelseparatorschicht kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 10 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Mikrometer, optional größer oder gleich ungefähr 25 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Mikrometer, größer oder gleich ungefähr 35 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 45 Mikrometer, zum Beispiel ungefähr 40 Mikrometer, aufweisen. Die freistehende polymere Gelseparatorschicht kann porös sein, weist aber eine vergleichsweise geringere Porosität als ein herkömmlicher Polyolefin-Separator auf.
  • Die Barrierenzusammensetzung kann ein Verbundstoff sein, der ein Polymermaterial und einen darin verteilten anorganischen Füllstoff umfasst. Das Polymer kann mit größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Gew.-% des Gesamtgewichts des Barrierenmaterials vorliegen, und das anorganische Material kann mit größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Gew.-% des Gesamtgewichts des Barrierenmaterials vorliegen. Das Polymer kann aus Schmelzklebstoffen wie Polyolefinharz (z.B. Polypropylen, Polyethylen und dergleichen), Urethanharz, Polyamidharz, Epoxidharz, Kombinationen und Äquivalenten davon ausgewählt sein. Der anorganische Füllstoff kann Siliciumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Zirconiumoxid (ZrO2), Aluminiumoxidhydroxid (γ-AlOOH), Titandioxid (TiO2) und beliebige Kombinationen davon umfassen. In einem gelgestützten bipolaren 12-V-Festkörperakkumulator kann die Barrierenzusammensetzung ungefähr 90 Gew.-% eines Polyolefins und ungefähr 10 Gew.-% Aluminiumoxidteilchen (Al2O3-Teilchen) umfassen.
  • Der Vorläufer der Barrierenzusammensetzung kann weiter in Reaktion gebracht (z.B. gehärtet oder vernetzt) werden, indem die Schicht z.B. Hitze, aktinischer Strahlung (z.B. UV-Strahlung) und dergleichen ausgesetzt wird.
  • Der gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellte gelgestützte Akkumulator kann ein Kapazitätsverhältnis (z.B. flächenbezogene Kapazität) von negativer Elektrode zu positiver Elektrode (N/P-Verhältnis) von größer oder gleich ungefähr 1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,15, optional größer oder gleich ungefähr 1,05 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,1, optional ungefähr 1,09 bei bestimmten Abwandlungen aufweisen.
  • Eine positive Elektrode in der bipolaren Elektrodenanordnung kann Abmessungen von ungefähr 50 mm x 52 mm aufweisen, während eine negative Elektrode bei einer Abwandlung Abmessungen von ungefähr 52 mm x 57 mm aufweisen kann.
  • BEISPIELE
  • BEISPIEL 1
  • Eine Zelle mit 12 V und 24 mA/h wird wie folgt hergestellt. Es wird eine Zelle mit einer bipolaren Elektrode mit einer positiven Elektrode/Kathode, die 44 Gew.-% LiMn0,7Fe0,3PO4 (D50-Wert 8,9 µm, Kapazität 147 mAh/g (1 C) BET: 14,8 m2/g), 44 Gew.-% LiMn2O4 (D50-Wert 8,4 µm, Kapazität 102 mAh/g (1 C) BET: 0,5 m2/g), 5 Gew.-% LATP-Festkörperelektrolyt, 3 Gew.-% leitfähige Super-P™-Rußteilchen und 4 Gew.-% PVDF-Bindemittel aufweist, hergestellt. Die Aufschlämmung wird auf eine aluminiumplattierte Kupferfolien-Stromkollektoranordnung mit einer Dicke von 25 µm gegossen, wobei das Aluminium ferner eine 2 µm dicke Kohlenstoffbeschichtung umfasst. Alle Komponenten werden in NMP-Lösungsmittel gemischt, um eine Aufschlämmung zu bilden, und die Menge des Lösungsmittels wird so eingestellt, dass ein Feststoffgehalt von ungefähr 45 % erreicht wird. Anschließend wurde die Aufschlämmung auf die Stromkollektoroberflächen aufgetragen und danach wärmebehandelt und kalandriert.
  • Nach der Verarbeitung weist die Kathode eine einseitige Kapazitätslast von 1,05 mAh/cm2 (für eine einseitige Beschichtung, 1 C bei Raumtemperatur) und eine Pressdichte von ungefähr 2,2 g/cm3 auf. Die Größe der positiven Elektrode/Kathode beträgt ungefähr 50 mm x 52 mm.
  • Bei bipolaren Elektroden sind zwei Schritte erforderlich, um jeweils die Kathode und anschließend die Anode auf der bipolaren Elektrode zu bilden.
  • Die negative Elektrode ist über der bipolaren Stromkollektoranordnung über dem Kupfer angeordnet. Die negative Elektrode/Anode weist 93 Gew.-% Graphit (D50-Wert 5,5 µm, 335 mAh/g (1 C) BET < 3,4 m2/g), 3 Gew.-% LLZO-Festkörperelektrolyt, 1 Gew.-% leitfähige Super-P™-Rußteilchen, 2 Gew.-% leitfähige KS6™-Graphitteilchen und 4 Gew.-% PVDF-Bindemittel auf. Alle Komponenten werden in NMP-Lösungsmittel gemischt, um eine Aufschlämmung zu bilden, und die Menge des Lösungsmittels wird so eingestellt, dass ein Feststoffgehalt von ungefähr 45 % erreicht wird. Anschließend wurde die Aufschlämmung auf die Stromkollektoroberflächen aufgetragen und danach wärmebehandelt und kalandriert.
  • Nach der Verarbeitung weist die Anode eine einseitige Kapazitätslast von 1,15 mAh/cm2 (für eine einseitige Beschichtung, 1 C bei Raumtemperatur) und eine Pressdichte von ungefähr 1,6 g/cm3 auf. Die Größe der negativen Elektrode/Anode beträgt ungefähr 52 mm x 57 mm.
  • Die Endelektroden werden als Einzelschicht auf einen Stromkollektor aufgetragen, wobei die gleichen Verfahren wie oben beschrieben für die Anode und die Kathode der bipolaren Elektrode angewendet werden. Wenn die Endelektroden nach dem Formgebungsprozess aufgeschlitzt oder in Stücke geschnitten werden, wird jede Endelektrode eine Lasche aufweisen, um sicherzustellen, dass die Endelektroden durch Schweißen mit externen Laschen verbunden werden können, während bipolare Elektroden solche Laschen nicht benötigen.
  • Anschließend wird ein Gelelektrolyt mit einer Zusammensetzung aus 5 Gew.-% PVDF-HFP und 95 Gew.-% flüssigem Elektrolyt in die Poren der kalandrierten Elektroden eingeführt. Der flüssige Elektrolyt weist die folgende Zusammensetzung auf: 0,4 M LITFSI, 0,4 M LiBF4 in EC:GBL = 4:6 und 2,5 Gew.-% oder 0,18 M LiBOB. Freistehende Gelmembranen mit einer durchschnittlichen Dicke von ungefähr 40 µm werden mit 13 Gew.-% Polyacrylnitril (PAN) und 87 Gew.-% flüssigem Elektrolyt mit 0,4 M LiTFSI und 0,4 M LiBF4 in Ethylencarbonat (EC)/γ-Butyrolacton (GBL) im Verhältnis 4:6 (w/w) gebildet. Die Gelmembranschicht wird im Heißgießverfahren hergestellt, bei dem alle Komponenten gemischt und auf ungefähr 150 °C erhitzt werden. Dann werden die geschmolzenen Lösungen auf das Substrat aufgetragen, gefolgt von einer natürlichen Abkühlung bei Umgebungsbedingungen. Das Substrat, auf das das geschmolzene Material aufgetragen wird, kann aus Edelstahl bestehen. Nachdem der Gelelektrolyt abgekühlt ist, kann er aus dem Edelstahl entfernt werden. Dann kann die freistehende Gelmembran angrenzend an die Oberfläche der Elektroden angeordnet werden. Eine erste freistehende Gelmembran ist zwischen der positiven Elektrode der bipolaren Elektrodenanordnung und einer negativen Endelektrode (mit der gleichen Zusammensetzung des aktiven Materials für die negative Elektrode wie oben beschrieben, die auf einem Kupferstromkollektor angeordnet ist) angeordnet und eine zweite freistehende Gelmembran ist zwischen der negativen Elektrode der bipolaren Elektrodenanordnung und einer positiven Endelektrode (mit der gleichen Zusammensetzung des aktiven Materials für die positive Elektrode wie oben beschrieben, die auf einem Aluminiumstromkollektor angeordnet ist) angeordnet.
  • Nach dem Zusammenbau der Schichten zu einem Stapel wird ein Vorläufer einer Barrierenkomponente auf die Enden des Stapels aufgebracht (so dass die Laschen der Stromkollektoren herausragen). Die Barrierenzusammensetzung weist 90 Gew.-% Polyolefin und 10 Gew.-% Al2O3 auf.
  • Die gebildete Akkumulatorzelle weist ein N/P-Verhältnis von ungefähr 1,09 auf.
  • BEISPIEL 2
  • Es wird eine 12-V-Akkumulatorzelle mit 24 mAh, wie sie in Beispiel 1 gebildet wurde, auf ihr Kaltrissverhalten getestet. Die Bedingungen für den Kaltstart sind - 18 °C, Ladezustand (SoC) 80, Impuls 10 C. Die Ergebnisse dieses Tests sind in 2 gezeigt, wobei die Kaltstartleistung als Spannung (V) mit 110 gegen die Zeit (Sekunden) mit 112 dargestellt ist. Der Akkumulator weist eine ausgezeichnete Startfähigkeit auf, die weit über dem Sollwert von 7,2 V liegt, selbst nach 30 Sekunden mit einem Impuls von 10 Coulomb (C).
  • BEISPIEL 3
  • Bei diesem Beispiel wird die Entladegeschwindigkeitsleistung einer 12-V-Akkumulatorzelle mit 24 mAh getestet, wie sie in Beispiel 1 gebildet wurde. 3A-3B zeigen die Entladegeschwindigkeitsleistung bei einer Aufladung von 1 Coulomb (C) und einer Entladung bei 1 C, 2 C, 5 C und 10 C. 3A zeigt die Ladungshaltung (%) mit 120 gegen die Zykluszahl mit 122. 3B zeigt die Entladegeschwindigkeitskurven bei einer Spannung (V) von 124 gegen eine Kapazität (mAh) von 126. Zuletzt zeigt 3C die Zyklisierungsleistung der Akkumulatorzelle bei 25 °C und einer Geschwindigkeit von 1 C. Die Ladungshaltung (%) ist mit 130 und der coulombsche Wirkungsgrad (CE-%) mit 132 gegen die Zykluszahl 134 aufgetragen. 3A-3C zeigen ein überragendes Entladegeschwindigkeitsvermögen von größer 88 % Ladungshaltung bei 10 C. Ferner zeigt die Akkumulatorzelle in diesem Beispiel ein beachtliches Zyklisierungsvermögen mit einer Ladungshaltung von größer 90 % nach 100 Zyklen.
  • BEISPIEL 4
  • Bei diesem Beispiel wird die Hochtemperaturleistung einer 12-V-Akkumulatorzelle mit 24 mAh getestet, wie sie in Beispiel 1 gebildet wurde. Der Test wird bei 45 °C mit 1,5 C-Zyklen über 60 bis 80 SoC durchgeführt. 4A zeigt den Gleichstromwiderstand (DCR, mOhm) mit 140 für einen jungfräulichen Akkumulator 142, einen Akkumulator 144 nach 510 Zyklen, einen Akkumulator 146 nach 1.530 Zyklen und einen Akkumulator 148 nach 2.040 Zyklen. 4B zeigt das Starten vor und nach den Zyklen bei 45 °C. Die Spannung (V) 150 ist gegen die Zeit (Sekunden) 152 für einen jungfräulichen Akkumulator 154, einen Akkumulator 156 nach 510 Zyklen, einen Akkumulator 158 nach 1.530 Zyklen und einen Akkumulator 160 nach 2.040 Zyklen gezeigt. 4A-4B zeigen eine gute Hochtemperaturbeständigkeit, die selbst nach 2.040 Zyklen bei 45 °C und oberhalb des Schwellenwerts von 7,2 V die Startanforderungen bei weitem übertrifft.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausgestaltungen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausgestaltung sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausgestaltung beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausgestaltung verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims (10)

  1. Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren (30), der Lithiumionen zyklisiert, umfassend: eine erste Endelektrode (40) mit einer ersten Polarität, eine zweite Endelektrode (50) mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität, wenigstens eine bipolare Elektrodenanordnung (60), die zwischen der ersten Endelektrode (40) und der zweiten Endelektrode (50) angeordnet ist und eine erste Elektrode (70) mit der ersten Polarität, die auf einer ersten Seite eines bipolaren Stromkollektors (72) angeordnet ist, und eine zweite Elektrode (80) mit der der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität, die auf einer zweiten Seite des bipolaren Stromkollektors (82) angeordnet ist, aufweist, wobei die erste Elektrode (70) eine erste poröse Schicht umfasst, die ein erstes elektroaktives Material, das Lithiumionen reversibel zyklisiert, und einen ersten Festkörperelektrolyt, der in einem ersten polymeren Bindemittel angeordnet ist, und einen ersten polymeren Gelelektrolyt, der in Poren der ersten porösen Schicht verteilt ist, umfasst, und wobei die zweite Elektrode (80) eine zweite poröse Schicht umfasst, die ein zweites elektroaktives Material, das Lithiumionen reversibel zyklisiert, und einen zweiten Festkörperelektrolyt, der in einem zweiten polymeren Bindemittel angeordnet ist, und einen zweiten polymeren Gelelektrolyt, der in Poren der zweiten porösen Schicht verteilt ist, umfasst, und wenigstens zwei freistehende Gelseparatorschichten (62), wobei jede Gelseparatorschicht (62) jeweils zwischen der wenigstens einen bipolaren Elektrodenanordnung (60) und der ersten Endelektrode (40) oder zwischen der wenigstens einen bipolaren Elektrodenanordnung (60) und der zweiten Endelektrode (50) angeordnet ist und jede freistehende Gelseparatorschicht (62) jeweils Polyacrylnitril (PAN) und einen darin verteilten Elektrolyt umfasst, wobei der gelgestützte Hochleistungsakkumulator (30) eine maximale Nennspannung von größer oder gleich ungefähr 12 V aufweist.
  2. Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren (30) nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine von der ersten Elektrode (70) oder der zweiten Elektrode (80) ferner elektrisch leitende Teilchen umfasst, die in der ersten porösen Schicht oder der zweiten porösen Schicht verteilt sind, wobei die elektrisch leitenden Teilchen jeweils unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ruß, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Graphenoxid, Graphit, Acetylenruß und Kombinationen davon besteht.
  3. Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren (30) nach Anspruch 1, wobei das erste elektroaktive Material sowohl LiMn2O4 (LMO) als auch LiMnxFe1-xPO4 (LMFP) mit einer darauf angeordneten Kohlenstoffbeschichtung umfasst, wobei x im Bereich von ungefähr 0,6 bis ungefähr 0,75 liegt, wobei die erste poröse Schicht größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 76 Gew.-% LMO und größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 76 Gew.-% LMFP umfasst, und der erste Festkörperelektrolyt Li1+x+yAlxTi2-xP3-yO12 umfasst, wobei 0 ≤ x < 2 und 0 ≤ y < 3 sind (LATP).
  4. Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren (30) nach Anspruch 1, wobei sowohl der erste polymere Gelelektrolyt als auch der zweite polymere Gelelektrolyt unabhängig voneinander einen polymeren Wirt und einen Elektrolyt umfassen, der ein Lithiumsalz, Ethylencarbonat (EC) und y-Butyrolacton (GBL) umfasst, wobei der polymere Wirt aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) und Kombinationen davon besteht, wobei das Lithiumsalz aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht, und wobei das Verhältnis von EC zu GBL größer oder gleich ungefähr 1:1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1:1,5 ist, wobei der Gelelektrolyt größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des polymeren Wirts und größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner ungefähr 100 Gew.-% des Elektrolyten umfasst.
  5. Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren (30) nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt in jeder Gelseparatorschicht jeweils ein Lithiumsalz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht, Ethylencarbonat (EC) und y-Butyrolacton (GBL) umfasst, wobei das Verhältnis von EC zu GBL größer oder gleich ungefähr 1:1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1:1,5 ist.
  6. Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren (30) nach Anspruch 1, wobei jede der freistehenden Gelseparatorschichten (62) größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% Polyacrylnitril (PAN) und größer oder gleich ungefähr 75 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% des Elektrolyten aufweist.
  7. Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren (30) nach Anspruch 1, der ein negatives zu positives Flächenverhältnis von größer oder gleich ungefähr 1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,15 aufweist.
  8. Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren (30) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von bipolaren Elektrodenanordnungen (60), die zwischen der ersten Endelektrode (40) und der zweiten Endelektrode (50) angeordnet sind, und eine Vielzahl von freistehenden Gelseparatorschichten (62), wobei jede freistehende Gelseparatorschicht (62) jeweils entweder zwischen benachbarten bipolaren Elektrodenanordnungen (60) aus der Vielzahl, der ersten Endelektrode (40) und einer benachbarten freistehenden Gelseparatorschicht (62) aus der Vielzahl und der zweiten Endelektrode (50) und einer benachbarten freistehenden Gelseparatorschicht (62) aus der Vielzahl angeordnet ist.
  9. Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren (30) nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode (80) eine negative Elektrode ist und das zweite elektroaktive Material Graphit umfasst und der zweite Festkörperelektrolyt Li7-xLa3Zr2-xMxO12 (LLZO) umfasst, wobei M ein Metall ist, das aus Tantal (Ta), Niob (Nb), Wismut (Bi), Zinn (Sn) und dergleichen ausgewählt ist, wobei 0 ≤ x < 2 ist.
  10. Stapel von gelgestützten Hochleistungsakkumulatoren (30) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Barrierenverbundzusammensetzung, die entlang der Endkanten der wenigstens einen bipolaren Elektrodenanordnung (60) und der wenigstens zwei freistehenden Gelseparatorschichten (62) angeordnet ist, wobei der gelgestützte Hochleistungsakkumulator (30) ein negatives zu positives Flächenverhältnis von größer oder gleich ungefähr 1 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,15, eine maximale Nennspannung von größer oder gleich ungefähr 12 V und eine Kapazität von größer oder gleich ungefähr 24 mAh aufweist.
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