DE102022115007B3

DE102022115007B3 - Cobaltfreie elektrochemische hochleistungszelle

Info

Publication number: DE102022115007B3
Application number: DE102022115007.0A
Authority: DE
Inventors: Dewen Kong; Haijing Liu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-04-22
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2042-06-16
Also published as: CN116979129A; US20230343951A1

Abstract

Eine elektrochemische Zelle umfasst eine positive Elektrode, die 90 Gew.-% bis 98 Gew.-% eines cobaltfreien elektroaktiven Materials, das durch LiNi_xM_1-xO₂ dargestellt ist (wobei M Mangan, Aluminium, Magnesium, Zirconium, Chrom oder eine Kombination davon ist und x ≥ 0,75 ist), 0,05 Gew.-% bis 3 Gew.-% eines Polytetrafluorethylenbindemittels (PTFE-Bindemittels) mit einem Molekulargewicht (MW) von größer oder gleich ungefähr 6.000.000 u und 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% eines ersten elektronenleitenden Materials umfasst. Die elektrochemische Zelle umfasst außerdem eine negative Elektrode, die 90 bis 98 Gew.-% eines graphithaltigen negativen elektroaktiven Materials, 0,05 bis 3 Gew.-% eines Polytetrafluorethylenbindemittels (PTFE-Bindemittels) mit einem Molekulargewicht (MW) von größer oder gleich ungefähr 6.000.000 u, 0,05 bis 2 Gew.-% eines Hilfsbindemittels und 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% eines zweiten elektronenleitenden Materials umfasst.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie der Art nach im Wesentlichen aus der DE 11 2012 005 743 B4 bekannt ist.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften DE 696 06 397 T2 und DE 10 2021 105 982 A1 verwiesen.
Es besteht ein Bedarf an fortgeschrittenen Energiespeichervorrichtungen und -systemen, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systemen (z. B. 12-V-Start-Stopp-Systemen), Akkumulator-gestützten Systemen, Hybridelektrofahrzeugen („HEVs“) und Elektrofahrzeugen („EVs“). Typische Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen wenigstens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode und die andere Elektrode als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist geeignet, Lithiumionen zwischen den Elektroden zu leiten, und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. Im Fall von Festkörperakkumulatoren, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten umfassen, kann der Festkörperelektrolyt die Elektroden physikalisch trennen, so dass ein eigener Separator nicht erforderlich ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Erfindungsgemäß wird eine elektrochemische Zelle vorgestellt, die sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet.
Bei einem Aspekt kann die positive Elektrode größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% des cobaltfreien elektroaktiven Materials und größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des hochmolekularen Polytetrafluorethylenbindemittels (PTFE-Bindemittels) umfassen.
Bei einem Aspekt kann die positive Elektrode ferner größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% eines elektronenleitenden Materials umfassen.
Bei einem Aspekt kann die negative Elektrode größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% des graphithaltigen negativen elektroaktiven Materials und größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% des Polytetrafluorethylenbindemittels (PTFE-Bindemittels) umfassen.
Bei einem Aspekt ist das Hilfsbindemittel aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylsäure, Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat, Polyethylenoxid (PEO) und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann die negative Elektrode ferner größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% eines elektronenleitenden Materials umfassen.
Bei einem Aspekt kann die positive Elektrode eine Kapazitätslast von größer oder gleich ungefähr 4,0 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 10 mAh/cm² aufweisen und kann die negative Elektrode eine Kapazitätslast von größer oder gleich ungefähr 4,2 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 12 mAh/cm² aufweisen.
Bei einem Aspekt kann die positive Elektrode eine Pressdichte von größer oder gleich ungefähr 2,5 g/cm³ bis kleiner oder gleich ungefähr 4,0 g/cm³ und eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 25 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 45 Vol.-% aufweisen.
Bei einem Aspekt kann die negative Elektrode eine Klopfdichte von größer oder gleich 0,5 g/cm³ bis kleiner oder gleich 1,3 g/cm³, eine Pressdichte von größer oder gleich ungefähr 1,3 g/cm³ bis kleiner oder gleich ungefähr 1,9 g/cm³ und eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 28 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Vol.-% aufweisen.
Bei einem Aspekt kann die positive Elektrode eine erste Breite von größer oder gleich ungefähr 50 mm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 mm und eine erste Länge von größer oder gleich ungefähr 50 mm bis kleiner oder gleich ungefähr 2.000 mm aufweisen. Die negative Elektrode kann eine zweite Breite, die wenigstens doppelt so groß ist wie die erste Breite der positiven Elektrode, und eine zweite Länge, die wenigstens doppelt so groß ist wie die erste Länge der positiven Elektrode, aufweisen.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Ausführungen.

1 zeigt eine schematische Veranschaulichung einer beispielhaften elektrochemischen Akkumulatorzelle mit einer cobaltfreien Elektrode gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt eine grafische Veranschaulichung, die den Bildungszyklus einer beispielhaften Akkumulatorzelle bei 25 °C darstellt, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, wobei die Ladegeschwindigkeit C/20 ist, die Entladegeschwindigkeit C/5 ist und der Spannungsbereich zwischen ungefähr 2,7 V und ungefähr 4,2 V liegt.
3 zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Ladefähigkeit einer beispielhaften Akkumulatorzelle darstellt, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarungen hergestellt wurde.
4 zeigt eine grafische Veranschaulichung, die ein Ladeprofil einer beispielhaften Akkumulatorzelle darstellt, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarungen hergestellt wurde.
5 zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Entladefähigkeit einer beispielhaften Akkumulatorzelle darstellt, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarungen hergestellt wurde.
6 zeigt eine grafische Veranschaulichung, die ein Entladeprofil einer beispielhaften Akkumulatorzelle darstellt, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarungen hergestellt wurde.
7 zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Zyklenlebensdauer einer beispielhaften Akkumulatorzelle darstellt, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarungen hergestellt wurde.

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.
Ein typischer Lithium-Ionen-Akkumulator umfasst eine erste Elektrode (z. B. eine positive Elektrode oder Kathode) gegenüber einer zweiten Elektrode (z. B. einer negativen Elektrode oder Anode) und einen dazwischen angeordneten Separator und/oder Elektrolyten. In einem Lithium-Ionen-Akkumulatorsatz können Akkumulatoren oder Zellen oft in einer Stapel- oder Wicklungskonfiguration elektrisch verbunden sein, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithium-Ionen-Akkumulatoren funktionieren durch den reversierbaren Durchgang von Lithiumionen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. Beispielsweise können sich Lithiumionen während des Aufladens des Akkumulators von einer positiven Elektrode zu einer negativen Elektrode und beim Entladen des Akkumulators in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Der Elektrolyt ist geeignet, Lithiumionen zu leiten, und kann in flüssiger, gelierter oder fester Form vorliegen. Eine beispielhafte und schematische Veranschaulichung einer elektrochemischen Zelle (auch als Akkumulator bezeichnet) 20 ist in 1 gezeigt.
Solche Zellen werden in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z. B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) eingesetzt. Die vorliegende Technologie kann jedoch in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt 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. Obwohl die veranschaulichten Beispiele eine einzelne der positiven Elektrode zugeordnete Kathode und eine einzelne Anode umfassen, wird der Fachmann erkennen, dass sich die vorliegenden Lehren auf verschiedene andere Konfigurationen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden sowie verschiedenen Stromabnehmern mit elektroaktiven Schichten, die auf einer oder mehreren Oberflächen davon oder angrenzend an dieselben angeordnet sind.
Der Akkumulator 20 umfasst eine negative Elektrode 22 (z. B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z. B. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 stellt eine elektrische Trennung zwischen den Elektroden 22, 24 bereit, d. h., er verhindert den physischen Kontakt. Der Separator 26 stellt außerdem einen minimalen Widerstandspfad für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von verwandten Anionen während der Zyklisierung der Lithiumionen bereit. Bei verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der bei bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann. Bei bestimmten Abwandlungen kann der Separator 26 aus einem Festkörperelektrolyten oder einem Semifestkörperelektrolyten (z. B. einem Gelelektrolyten) gebildet sein. Zum Beispiel kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht gezeigt) definiert sein. Bei Festkörperakkumulatoren und/oder Semifestkörperakkumulatoren können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht gezeigt) umfassen. Die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen, die im Separator 26 enthalten sind oder diesen definieren, kann identisch mit der Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen oder davon verschieden sein, die in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 enthalten sind.
Ein erster Stromabnehmer 32 (z. B. ein negativer Stromabnehmer) kann an oder im Bereich der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der erste Stromabnehmer 32 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Kupfer oder ein anderes geeignetes elektronenleitendes Material umfasst, das dem Fachmann bekannt ist. Ein zweiter Stromabnehmer 34 (z. B. ein positiver Stromabnehmer) kann an oder im Bereich der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der der zweiten Elektrode zugeordnete Stromabnehmer 34 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Kupfer oder ein anderes geeignetes elektronenleitendes Material umfasst, das den Fachleuten bekannt ist. Der erste Stromabnehmer 32 und der zweite Stromabnehmer 34 können jeweils freie Elektronen sammeln und sie zu einem externen Stromkreis 40 und von demselben weg bewegen. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den ersten Stromabnehmer 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Stromabnehmer 34) verbinden.
Der Akkumulator 20 kann während der Entladung durch reversierbare elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden) und die negative Elektrode 22 ein geringeres Potenzial als die positive Elektrode aufweist, einen elektrischen Strom erzeugen. Die chemische Potenzialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch eine Reaktion, z. B. die Oxidation von interkaliertem Lithium, an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zu der positiven Elektrode 24 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 30 enthält, um an der positiven Elektrode 24 interkaliertes Lithium zu bilden. Wie oben erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 30 typischerweise auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität des Akkumulators 20 verringert ist.
Der Akkumulator 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Energie versorgt werden, indem eine externe Stromquelle an den Lithium-Ionen-Akkumulator 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die bei der Entladung des Akkumulators stattfinden. Der Anschluss einer externen elektrischen Stromquelle an den Akkumulator 20 fördert eine Reaktion, z. B. eine nicht-spontane Oxidation von interkaliertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 und durch den Separator 26 zur negativen Elektrode 22 zurück, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z. B. interkaliertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Akkumulatorentladevorgangs aufzufüllen. Als solcher wird jeder vollständige Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Aufladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisiert werden. Die externe Stromquelle, die zum Aufladen des Akkumulators 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung des Akkumulators 20 variieren. Einige besondere und beispielhafte externe Stromquellen umfassen unter anderem einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, der über eine Wandsteckdose und eine Kfz-Wechselstromlichtmaschine an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist.
In vielen Lithium-Ionen-Akkumulator-Anordnungen werden jeweils der erste Stromabnehmer 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der zweite Stromabnehmer 34 als relativ dünne Schichten (z. B. mit einer Dicke von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengebaut, um ein geeignetes elektrische Energie und Leistung lieferndes Paket zu erhalten. Bei verschiedenen Aspekten kann der Akkumulator 20 außerdem eine Vielzahl anderer Komponenten umfassen, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann der Akkumulator 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen, Laschen, Akkumulatorpole und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien umfassen, die sich innerhalb des Akkumulators 20, einschließlich zwischen der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und/oder dem Separator 26 oder um dieselben herum, befinden. Der in 1 gezeigte Akkumulator 20 umfasst einen flüssigen Elektrolyten 30 und zeigt repräsentative Konzepte für den Akkumulatorbetrieb. Die vorliegende Technologie gilt jedoch auch für Festkörperakkumulatoren und/oder Semifestkörperakkumulatoren, die Festkörperelektrolyte und/oder Festkörperelektrolytteilchen und/oder Semifestkörperelektrolyte und/oder elektroaktive Festkörperteilchen umfassen, die, wie dem Fachmann bekannt ist, andere Ausführungen aufweisen können.
Wie bereits erwähnt, können die Größe und Form des Akkumulators 20 je nach der speziellen Anwendung, für die er ausgelegt ist, variieren. Akkumulator-betriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen der Akkumulator 20 sehr wahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt wäre. Der Akkumulator 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Akkumulatoren in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann der Akkumulator 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn sich der Akkumulator 20 entlädt. Während es sich bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 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 42 kann auch ein Stromerzeugungsgerät sein, das den Akkumulator 20 zum Zwecke der Speicherung elektrischer Energie auflädt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder das Elektrolytsystem 30 umfassen, z. B. in ihren Poren, die bzw. das in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, sei es in fester, flüssiger oder gelierter Form, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten, kann in dem Lithium-Ionen-Akkumulator 20 verwendet werden. Bei bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 beispielsweise eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz umfasst, das in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöst ist. In dem Akkumulator 20 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Elektrolytlösungen 30 verwendet werden.
Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆Hs)₄), Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF₂(C₂O₄)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI), Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) und Kombinationen davon.
Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 ein erstes Lithiumsalz wie Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) und ein oder mehrere andere (oder zweite) Lithiumsalze umfassen, z. B. Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI) und/oder Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI). In solchen Fällen kann der Elektrolyt größer oder gleich ungefähr 0,8 mol/l bis kleiner oder gleich ungefähr 1,5 mol/l und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 0,8 mol/l bis kleiner oder gleich 1,5 mol/l des ersten Lithiumsalzes und größer oder gleich ungefähr 0 mol/l bis kleiner oder gleich ungefähr 0,7 mol/l und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 0 mol/l bis kleiner oder gleich 0,7 mol/l des zweiten Lithiumsalzes umfassen. In jedem Fall kann der Elektrolyt 30 eine Salzkonzentration aufweisen, die größer oder gleich ungefähr 0,8 mol/l bis kleiner oder gleich ungefähr 1,5 mol/l und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 0,8 mol/l bis kleiner oder gleich 1,5 mol/l ist. Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 beispielsweise ungefähr 1,1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) und ungefähr 0,1 M Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI) umfassen.
Das Lithiumsalz bzw. die Lithiumsalze kann bzw. können in einer Vielzahl von nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst sein, die unter anderem verschiedene Alkylcarbonate, wie z. B. zyklische Carbonate (z. B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z. B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z. B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (z. B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstruktur-Ether (z. B. 1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (z. B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1 ,3-Dioxolan), Schwefelverbindungen (z. B. Sulfolan) und Kombinationen davon umfassen. In bestimmten Fällen kann der Elektrolyt 30 beispielsweise ein erstes Lösungsmittel (wie Ethylencarbonat (EC)) und ein zweites Lösungsmittel (wie Ethylmethylcarbonat (EMC)) umfassen, wobei das volumetrische Verhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel ungefähr 3:7 beträgt.
Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 einen oder mehrere Elektrolytzusatzstoffe umfassen. Beispielsweise kann der Elektrolyt 30 größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10 Gew.-% des einen oder der mehreren Elektrolytzusatzstoffe umfassen. Der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Ethylensulfat (DTD), Vinylencarbonat (VC), Lithiumdifluorophosphat (LiPF₂O₂), 1 ,3-Propansulton (PS), 3-Sulfolen (3-SF), Fluorethylencarbonat (FEC), Lithiumtetraborat (LiTB), Dimethylamidacetat (DMAc), Trimethoxyboroxin (TMOBX), Tosylmethylisocyanid (TOSMIC) und Kombinationen davon besteht. In bestimmten Fällen kann der Elektrolyt 30 beispielsweise ungefähr 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC), ungefähr 2 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) und ungefähr 1 Gew.-% Lithiumdifluorophosphat (LiPF₂O₂) umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten kann der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator sein, der z. B. eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 30 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 65 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 45 Vol.-% aufweist. Bei bestimmten Aspekten kann der Separator 26 eine Porosität von größer oder gleich 30 Vol.-% bis kleiner oder gleich 65 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional 45 Vol.-% aufweisen. Der mikroporöse polymere Separator kann zum Beispiel ein Polyolefin umfassen. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (von einem einzigen Monomerbestandteil abgeleitet) oder ein Heteropolymer (von mehr als einem Monomerbestandteil abgeleitet) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Ist ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich derjenigen eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Ist das Polyolefin ein Heteropolymer, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. Bei bestimmten Aspekten kann es sich bei dem Polyolefin um Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Filme aus Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP) handeln.
Ist der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator, kann es sich um ein einschichtiges oder ein mehrschichtiges Laminat handeln, das entweder im Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. Bei anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken, und beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus gleichartigen oder verschiedenen Polyolefinen zusammengesetzt sein, um den mikroporösen polymeren Separator 26 zu bilden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie z. B. Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamid, Polyimid, Polyamid-Polyimid-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können ferner als Faserschicht in den Separator 26 aufgenommen sein, um dazu beizutragen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
Es sind verschiedene herkömmlich erhältliche Polymere und handelsübliche Produkte zur Bildung des Separators 26 sowie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können, denkbar. In jedem Fall kann der Separator 26 eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 25 µm und in bestimmten Fällen optional ungefähr 20 µm aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann der Separator 26 eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich 5 µm bis kleiner oder gleich 25 µm und in bestimmten Fällen optional 20 µm aufweisen.
Bei jeder Abwandlung kann der Separator 26 ferner ein oder mehrere keramische Materialien und/oder ein oder mehrere hitzebeständige Materialien umfassen. Beispielsweise kann der Separator 26 auch mit dem einen oder den mehreren keramischen Materialien und/oder dem einen oder den mehreren hitzebeständigen Materialien gemischt sein, oder eine oder mehrere Oberflächen des Separators 26 können mit dem einen oder den mehreren keramischen Materialien und/oder dem einen oder den mehreren hitzebeständigen Materialien beschichtet sein. Das eine oder die mehreren keramischen Materialien können beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) und dergleichen umfassen. Das hitzebeständige Material kann z. B. Nomex, Aramid und dergleichen umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der Elektrolyt 30, der in dem porösen Separator 26, wie er in 1 veranschaulicht ist, angeordnet ist, durch eine Festkörperelektrolytschicht („SSE“-Schicht) (nicht gezeigt) und/oder eine Semifestkörperelektrolytschicht (z. B. Gelschicht) ersetzt werden, die sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Die Festkörperelektrolytschicht und/oder die Semifestkörperelektrolytschicht kann zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht und/oder die Semifestkörperelektrolytschicht ermöglicht den Transfer von Lithiumionen und sorgt gleichzeitig für eine mechanische Trennung und elektrische Isolierung zwischen der negativen und der positiven Elektrode 22, 24. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Festkörperelektrolytschicht und/oder die Semifestkörperelektrolytschicht eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, wie z. B. LiTi₂(PO₄)₃, LiGe₂(PO₄)₃, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li₃xLa_2/3xTiO₃, Li₃PO₄, Li₃N, Li₄GeS₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₂S-P₂S₅, Li₆PS₅Cl, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅l, Li₃OCl, Li_2,99Ba_0,005ClO oder Kombinationen davon. Die Festkörperelektrolytschicht und/oder die Semifestkörperelektrolytschicht können außerdem Gelpolymerelektrolyte (Polymerfilme mit absorbiertem flüssigen Elektrolyt) umfassen. Beispiele für Polymere umfassen Polyvinylidenfluorid, Polyethylenglykol, Polyacrylnitril, Polymethylmethacrylat, deren Copolymere oder Kombinationen davon.
Die negative Elektrode 22 kann aus einem Lithiumwirtsmaterial gebildet sein, das in der Lage ist, als negativer Pol eines Akkumulators 20 zu fungieren. Bei verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl von negativen elektroaktiven Materialteilchen (nicht gezeigt) definiert sein. Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 22 zu definieren. Die negativen elektroaktiven Materialteilchen können einen durchschnittlichen Durchmesser (D50) von größer oder gleich ungefähr 4 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 30 µm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 14 µm aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen können die negativen elektroaktiven Materialteilchen einen durchschnittlichen Durchmesser (D50) von größer oder gleich 4 µm bis kleiner oder gleich 30 µm und bei bestimmten Aspekten optional 14 µm aufweisen.
Der Raum oder die Hohlräume zwischen den negativen elektroaktiven Materialteilchen definieren eine Porosität der negativen Elektrode. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 28 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Vol.-%, optional größer oder gleich ungefähr 28 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 42 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional 40 Vol.-%, aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Porosität von größer oder gleich 28 Vol.-% bis kleiner oder gleich 50 Vol.-%, optional von größer oder gleich 28 Vol.-% bis kleiner oder gleich 42 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional 40 Vol.-%, aufweisen. Der Elektrolyt 30 kann z. B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren (nicht gezeigt) der negativen Elektrode 22 enthalten sein. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht gezeigt) umfassen, und die Porosität kann sowohl zwischen den negativen elektroaktiven Materialteilchen als auch den Festkörperelektrolytteilchen definiert sein.
Bei verschiedenen Aspekten kann das negative elektroaktive Material ein kohlenstoffhaltiges Material (z. B. Graphit) und/oder ein siliciumhaltiges Material (z. B. SiO_x, Si, LiSiO_x und dergleichen) sein. In solchen Fällen umfasst die negative Elektrode 22 ferner ein Polytetrafluorethylenbindemittel (PTFE-Bindemittel). Das Polytetrafluorethylenbindemittel (PTFE-Bindemittel) kann ein Molekulargewicht (MW) von größer oder gleich ungefähr 6.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 10.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 50.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 100.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 150.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 200.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 250.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 300.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 350.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 400.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 450.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 500.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 550.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 600.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 650.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 700.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 750.000.000 u und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 800.000.000 u, aufweisen.
Bei bestimmten Abwandlungen kann das Polytetrafluorethylenbindemittel (PTFE-Bindemittel) ein Molekulargewicht von größer oder gleich 6.000.000 u, optional größer oder gleich 10.000.000 u, optional größer oder gleich 50.000.000 u, optional größer oder gleich 100.000.000 u, optional größer oder gleich 150.000.000 u, optional größer oder gleich 200.000.000 u, optional größer oder gleich 250.000.000 u, optional größer oder gleich 300.000.000 u, optional größer oder gleich 350.000.000 u, optional größer oder gleich 400.000.000 u, optional größer oder gleich 450.000.000 u, optional größer oder gleich 500.000.000 u, optional größer oder gleich 550.000.000 u, optional größer oder gleich 600.000.000 u, optional größer oder gleich 650.000.000 u, optional größer oder gleich 700.000.000 u, optional größer oder gleich 750.000.000 u und bei bestimmten Aspekten optional 800.000.000 u, aufweisen.
In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 optional auch ein oder mehrere elektronenleitende Materialien (oder Kohlenstoffzusatzstoffe) und ein oder mehrere andere (oder zweite) Bindemittel umfassen. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 92 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 95,75 Gew.-% des Graphits, größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 1 Gew.-% des Polytetrafluorethylenbindemittels (PTFE-Bindemittels), größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 2 Gew.-% des einen oder der mehreren elektronenleitenden Materialien und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 1,25 Gew.-% des einen oder der mehreren anderen Bindemittel, umfassen.
Das Massenverhältnis zwischen dem Polytetrafluorethylenbindemittel (PTFE-Bindemittel) und dem/den anderen Bindemittel(n) kann ungefähr 0,5:5,0 betragen.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich 98 Gew.-%, optional größer oder gleich 92 Gew.-% bis kleiner oder gleich 98 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional 95,75 Gew.-% des Graphits, größer oder gleich 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich 3 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional 1 Gew.-% des Polytetrafluorethylenbindemittels (PTFE-Bindemittels), größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 5 Gew.-%, optional größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 5 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional 2 Gew.-% des einen oder der mehreren elektronenleitenden Materialien und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 2 Gew.-%, optional größer oder gleich 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich 2 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional 1,25 Gew.-% des einen oder der mehreren anderen Bindemittel, umfassen. Das Massenverhältnis zwischen dem Polytetrafluorethylenbindemittel (PTFE-Bindemittel) und dem/den anderen Bindemittel(n) kann 0,5:1,0 betragen.
Das eine oder die mehreren elektronenleitenden Materialien (oder Kohlenstoffzusatzstoffe) können beispielsweise Teilchen aus Graphit, Acetylenschwarz (wie KETCHEN™ Schwarz oder DENKA™ Schwarz), Kohlenstoffnanofasern und -nanoröhren (z. B. einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT)), Graphen (z. B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitende Industrierußteilchen (z. B. SuperP (SP)) und dergleichen umfassen.
Das eine oder die mehreren anderen (oder zweiten) Bindemittel können zum Beispiel Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyacrylsäure, Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat, Polyethylenoxid (PEO) und dergleichen umfassen. Das eine oder die mehreren anderen (oder zweiten) Bindemittel können sich von dem Polytetrafluorethylenbindemittel (PTFE-Bindemittel) insofern unterscheiden, als das Polytetrafluorethylenbindemittel (PTFE-Bindemittel) Punkt- oder Linienkontakte mit einer Oberfläche des elektroaktiven Materials bildet, wodurch ermöglicht wird, dass Lithiumionen leicht zwischen der Oberfläche des elektroaktiven Materials und dem Elektrolyten 30 fließen können, und das eine oder die mehreren anderen (oder zweiten) Bindemittel Flächenkontakte mit der Oberfläche des elektroaktiven Materials bilden (d. h. einen Teil davon bedecken) und als solche die Durchgänge zwischen dem elektroaktiven Material und dem Elektrolyten 30 blockieren. Im vorliegenden Fall können jedoch das eine oder die mehreren anderen (oder zweiten) Bindemittel enthalten sein, um Nebenreaktionen innerhalb der negativen Elektrode 22 zu begrenzen.
Bei jeder Abwandlung kann die negative Elektrode 22 eine Pressdichte von größer oder gleich ungefähr 1,3 g/cm³ bis kleiner oder gleich ungefähr 1,9 g/cm³ und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 1,4 g/cm³ aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Pressdichte von größer oder gleich ungefähr 1,3 g/cm³ bis kleiner oder gleich ungefähr 1,9 g/cm³ und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 1,4 g/cm³ aufweisen.
Bei jeder Abwandlung kann die negative Elektrode 22 eine Klopfdichte von größer oder gleich ungefähr 0,5 g/cm³ bis kleiner oder gleich ungefähr 1,3 g/cm³ und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 0,96 g/cm³ aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Klopfdichte von größer oder gleich 0,5 g/cm³ bis kleiner oder gleich 1,3 g/cm³ und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 0,96 g/cm³ aufweisen.
Bei jeder Abwandlung kann die negative Elektrode 22 eine „BET“-Oberfläche (nach Brunauer, Emmett und Teller) aufweisen, die größer oder gleich ungefähr 0,1 m² bis kleiner oder gleich ungefähr 10 m² und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 0,91 m² ist. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine „BET“-Oberfläche (nach Brunauer, Emmett und Teller) aufweisen, die größer oder gleich 0,1 m² bis kleiner oder gleich 10 m² und bei bestimmten Aspekten optional 0,91 m² ist.
Bei jeder Abwandlung kann die negative Elektrode 22 für eine einseitige Anode mit einer C-Rate von 0,1 bei Raumtemperatur (z. B. ungefähr 25 °C) eine Kapazitätslast von größer oder gleich ungefähr 4,2 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 12 mAh/cm², optional größer oder gleich ungefähr 4,5 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 6,5 mAh/cm² und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 5,2 mAh/cm², aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 für eine einseitige Anode mit einer C-Rate von 0,1 bei Raumtemperatur (z. B. ungefähr 25 °C) eine Kapazitätslast von größer oder gleich 4,2 mAh/cm² bis kleiner oder gleich 12 mAh/cm², optional größer oder gleich 4,5 mAh/cm² bis kleiner oder gleich 6,5 mAh/cm² und bei bestimmten Aspekten optional 5,2 mAh/cm², aufweisen.
Bei jeder Abwandlung kann die negative Elektrode 22 eine Breite von größer oder gleich ungefähr 50 mm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 mm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 52 mm und eine Länge von größer oder gleich ungefähr 50 mm bis kleiner oder gleich ungefähr 2.000 mm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 57 mm aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Breite von größer oder gleich 50 mm bis kleiner oder gleich 500 mm und bei bestimmten Aspekten optional 52 mm und eine Länge von größer oder gleich 50 mm bis kleiner oder gleich 2.000 mm und bei bestimmten Aspekten optional 57 mm aufweisen. Wie der Fachmann erkennen wird, ist die Länge ein Abstand von einem ersten Ende oder einer ersten Seite der negativen Elektrode 22 zu einem zweiten Ende oder einer zweiten Seite der negativen Elektrode 22, die zum Beispiel eine Akkumulatorlasche aufweist.
Insbesondere weist die negative Elektrode 22 eine (erste) Breite auf, die größer ist als eine (zweite) Breite der positiven Elektrode 24. Beispielsweise kann die (erste) Breite der negativen Elektrode 22 wenigstens ungefähr 2 mm größer sein als die (zweite) Breite der positiven Elektrode 24. Die (erste) Breite der negativen Elektrode 22 kann wenigstens 2 mm größer sein als die (zweite) Breite der positiven Elektrode 24. Die (erste) Breite der negativen Elektrode 22 kann weniger als ungefähr 10 mm größer sein als die (zweite) Breite der positiven Elektrode 24. Die (erste) Breite der negativen Elektrode 22 kann weniger als 10 mm größer sein als die (zweite) Breite der positiven Elektrode 24.
In ähnlicher Weise kann die negative Elektrode 22 eine (erste) Länge aufweisen, die größer ist als eine (zweite) Länge der positiven Elektrode 24. Die (erste) Länge der negativen Elektrode 22 kann wenigstens ungefähr 2 mm größer sein als die (zweite) Länge der positiven Elektrode 24. Die (erste) Länge der negativen Elektrode 22 kann wenigstens 2 mm größer sein als die (zweite) Länge der positiven Elektrode 24. Die (erste) Länge der negativen Elektrode 22 kann weniger als ungefähr 10 mm größer sein als die (zweite) Länge der positiven Elektrode 24. Die (erste) Länge der negativen Elektrode 22 kann weniger als 10 mm größer sein als die (zweite) Länge der positiven Elektrode 24.
Die positive Elektrode 24 kann aus einem lithiumbasierten aktiven Material gebildet sein, das in der Lage ist, einer Lithium-Interkalation und -Deinterkalation, einem Legier- und Entlegiervorgang oder einem Beschichtungs- und Ablösevorgang unterzogen zu werden, während es als positiver Pol des Akkumulators 20 fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen (nicht gezeigt) definiert sein. Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. Die positiven elektroaktiven Materialteilchen können einen durchschnittlichen Durchmesser (D50) von größer oder gleich ungefähr 3 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 30 µm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 6 µm aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen können die positiven elektroaktiven Materialteilchen einen durchschnittlichen Durchmesser (D50) von größer oder gleich 3 µm bis kleiner oder gleich 30 µm und bei bestimmten Aspekten optional 6 µm aufweisen.
Zwischenräume oder Hohlräume zwischen den positiven elektroaktiven Materialteilchen definieren eine Porosität der positiven Elektrode. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 25 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 45 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 34 Vol.-% aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 eine Porosität von größer oder gleich 25 Vol.-% bis kleiner oder gleich 45 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional 34 Vol.-% aufweisen. Der Elektrolyt 30 kann z. B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren (nicht gezeigt) der positiven Elektrode 24 enthalten sein. Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht gezeigt) umfassen, und die Porosität kann sowohl zwischen den positiven elektroaktiven Materialteilchen als auch den Festkörperelektrolytteilchen definiert sein.
Bei verschiedenen Aspekten kann das positive elektroaktive Material ein cobaltfreies Material mit einer Einkristall- oder Sekundärteilchenmorphologie sein, d. h., das positive elektroaktive Material kann eine große Primärteilchenmorphologie (z. B. größer oder gleich ungefähr 4 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 8 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 4 µm bis kleiner oder gleich 8 µm) und eine im Wesentlichen glatte Oberfläche aufweisen. Das positive elektroaktive Material kann eine Schicht- oder Steinsalzstruktur aufweisen und durch die allgemeine Formel LiNi_xM_1-xO₂ dargestellt werden, wobei M Mangan, Aluminium, Magnesium, Zirconium, Chrom oder eine Kombination davon ist und x ≥ 0,75 ist. Das positive elektroaktive Material kann zum Beispiel LiNi_0,75Mn_0,25O₂ (NM75) oder LiNi_0,94Mn_0,04Al_0,02O₂ (NMA) sein. Cobaltfreie positive elektroaktive Materialien bieten erhebliche Kosteneinsparungen. Bei bestimmten Abwandlungen umfasst die positive Elektrode 24 Spuren von Cobalt, zum Beispiel kleiner oder gleich ungefähr 1.000 ppm.
Die positive Elektrode 24 umfasst ferner ein Polytetrafluorethylenbindemittel (PTFE-Bindemittel) mit einem Molekulargewicht (MW) von größer oder gleich ungefähr 6.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 10.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 50.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 100.000,000 u, optional größer oder gleich ungefähr 150.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 200.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 250.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 300.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 350,000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 400.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 450.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 500.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 550.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 600.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 650.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 700.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 750.000.000 u und in bestimmten Aspekten optional ungefähr 800.000.000 u.
Bei bestimmten Abwandlungen kann das Polytetrafluorethylenbindemittel (PTFE-Bindemittel) ein Molekulargewicht von größer oder gleich 6.000.000 u, optional größer oder gleich 10.000.000 u, optional größer oder gleich 50.000.000 u, optional größer oder gleich 100.000.000 u, optional größer oder gleich 150.000.000 u, optional größer oder gleich 200.000.000 u, optional größer oder gleich 250.000.000 u, optional größer oder gleich ungefähr 300.000.000 u, optional größer oder gleich 350.000.000 u, optional größer oder gleich 400.000.000 u, optional größer oder gleich 450.000.000 u, optional größer oder gleich 500.000.000 u, optional größer oder gleich 550.000.000 u, optional größer oder gleich 600.000.000 u, optional größer oder gleich 650.000.000 u, optional größer oder gleich 700.000.000 u, optional größer oder gleich 750.000.000 u und bei bestimmten Aspekten optional 800.000.000 u, aufweisen.
In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 optional auch ein oder mehrere elektronenleitende Materialien (oder Kohlenstoffzusatzstoffe) umfassen. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 96 Gew.-% des cobaltfreien positiven elektroaktiven Materials, größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 2 Gew.-% des Polytetrafluorethylens (PTFE) und größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 2 Gew.-% des einen oder der mehreren elektronenleitenden Materialien umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich 98 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional 96 Gew.-% des cobaltfreien positiven elektroaktiven Materials, größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 5 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional 2 Gew.-% des Polytetrafluorethylens (PTFE) und größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 5 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional 2 Gew.-% des einen oder der mehreren elektronenleitenden Materialien umfassen.
Das eine oder die mehreren elektronenleitenden Materialien (oder Kohlenstoffzusatzstoffe) können beispielsweise Teilchen aus Graphit, Acetylenschwarz (wie KETCHEN™ Schwarz oder DENKA™ Schwarz), Kohlenstoffnanofasern und -nanoröhren (z. B. einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT)), Graphen (z. B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitende Industrierußteilchen (z. B. SuperP (SP)) und dergleichen umfassen.
Bei jeder Abwandlung kann die positive Elektrode 24 eine Pressdichte von größer oder gleich ungefähr 2,5 g/cm³ bis kleiner oder gleich ungefähr 4,0 g/cm³ und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 3,0 g/cm³ aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 eine Pressdichte von größer oder gleich 2,5 g/cm³ bis kleiner oder gleich 4,0 g/cm³ und bei bestimmten Aspekten optional 3,0 g/cm³ aufweisen.
Bei jeder Abwandlung kann die positive Elektrode 24 für eine einseitige Kathode mit einer C-Rate von 0,1 bei Raumtemperatur (z. B. ungefähr 25 °C) eine Kapazitätslast von größer oder gleich ungefähr 4,0 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 10 mAh/cm², optional größer oder gleich ungefähr 4,5 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 5,5 mAh/cm² und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 4,75 mAh/cm², aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 für eine einseitige Kathode mit einer C-Rate von 0,1 bei Raumtemperatur (z. B. ungefähr 25 °C) eine Kapazitätslast von größer oder gleich 4,0 mAh/cm² bis kleiner oder gleich 10 mAh/cm², optional größer oder gleich 4,5 mAh/cm² bis kleiner oder gleich 5,5 mAh/cm² und bei bestimmten Aspekten optional 4,75 mAh/cm², aufweisen.
Bei jeder Abwandlung kann die positive Elektrode 24 eine Breite von größer oder gleich ungefähr 50 mm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 mm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 50 mm und eine Länge von größer oder gleich ungefähr 50 mm bis kleiner oder gleich ungefähr 2.000 mm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 55 mm aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 eine Breite von größer oder gleich 50 mm bis kleiner oder gleich 500 mm und bei bestimmten Aspekten optional 50 mm und eine Länge von größer oder gleich 50 mm bis kleiner oder gleich 2.000 mm und bei bestimmten Aspekten optional 55 mm aufweisen. Wie der Fachmann erkennen wird, ist die Länge ein Abstand von einem ersten Ende oder einer ersten Seite der positiven Elektrode 24 zu einem zweiten Ende oder einer zweiten Seite der positiven Elektrode 24, die zum Beispiel eine Akkumulatorlasche aufweist.
Bei jeder Abwandlung kann die positive Elektrode 24 einen Feuchtigkeitsgehalt von kleiner ungefähr 600 ppm und bei bestimmten Aspekten optional kleiner 600 ppm aufweisen.
Bestimmte Merkmale der vorliegenden Technologie sind ferner durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.
Beispiel 1
Beispielhafte Akkumulatorzellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Eine elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine positive Elektrode (oder Kathode) mit ungefähr 96 Gew.-% LiNi_0,75Mn_0,25O₂ (NM75), ungefähr 1 Gew.-% eines ersten elektronenleitenden Materials (z. B. SuperP (SP)), ungefähr 1 Gew.-% eines zweiten elektronenleitenden Materials (z. B. Ketjen Black (KB)) und ungefähr 2 Gew.-% eines Polytetrafluorethylenbindemittels (PTFE-Bindemittels) mit einem Molekulargewicht (MW) von größer oder gleich ungefähr 6 Millionen und eine negative Elektrode (oder Anode) mit ungefähr 95,75 Gew.-% Graphit, ungefähr 1 Gew.-% eines ersten elektronenleitenden Materials (z. B. SuperP (SP)), ungefähr 1 Gew.-% eines zweiten elektronenleitenden Materials (z. B. Kohlenstoffnanoröhren (CNT)), ungefähr 1 Gew.-% eines Polytetrafluorethylenbindemittels (PTFE-Bindemittels) und ungefähr 1,25 Gew.-% eines anderen Bindemittels (z. B. Polyethylenoxid (PEO)) umfassen. Die positive Elektrode kann eine Kapazitätslast von ungefähr 4,75 mAh/cm² aufweisen und die negative Elektrode kann eine Kapazitätslast von ungefähr 5,17 mAh/cm² aufweisen.
2 zeigt eine grafische Veranschaulichung des Bildungszyklus der Zelle; die Ladegeschwindigkeit beträgt C/20 und die Entladegeschwindigkeit C/5, der Spannungsbereich liegt zwischen ungefähr 2,7 V und ungefähr 4,2 V bei 25 °C der beispielhaften Akkumulatorzelle, wobei die x-Achse 200 die Kapazität (mAh) und die y-Achse 202 die Spannung (V) darstellen. Wie veranschaulicht, betragen die Zellkapazität ungefähr 260 mAh und der anfängliche Coulomb-Wirkungsgrad ungefähr 83,2 %.
3 zeigt eine grafische Veranschaulichung der Ladefähigkeit der beispielhaften Akkumulatorzelle bei 25 °C, wobei die x-Achse 300 die Zeit (Minuten) und die y-Achse 302 den Ladezustand (%) darstellen. Die Linie 310 stellt den Ladezustand des ersten Zyklus dar. Die Linie 320 stellt den Ladezustand des zweiten Zyklus dar. Die Linie 330 stellt den Ladezustand des dritten Zyklus dar. Die Linie 340 stellt den Ladezustand des vierten Zyklus dar. Wie veranschaulicht, weist die beispielhafte Zelle nach ungefähr 20 Minuten einen Ladezustand von ungefähr 80% auf.
4 zeigt eine grafische Veranschaulichung eines Ladeprofils der beispielhaften Akkumulatorzelle, wobei die x-Achse 400 die Kapazität (mAh) und die y-Achse 402 die Spannung (V) darstellen. Wie veranschaulicht, beträgt die Konstantstromkapazität (z. B. 96 mAh) bei einer Ladegeschwindigkeit von 4C ungefähr 80% der Gesamtkapazität (z. B. Konstantstromkapazität plus Konstantspannungskapazität, die ungefähr 120 mAh beträgt).
5 zeigt eine grafische Veranschaulichung der Entladefähigkeit der beispielhaften Akkumulatorzelle, wobei die x-Achse 500 die Zykluszahl und die y-Achse 502 das Entladekapazitätsverhältnis darstellen. Wie veranschaulicht, lieferte die Zelle bei einer Entladegeschwindigkeit von 2C ungefähr 85% der Kapazität bei C/3, bei einer Entladegeschwindigkeit von 3C ungefähr 56% der Kapazität bei C/3 und bei einer Entladegeschwindigkeit von 4C ungefähr 37% der Kapazität bei C/3.
6 zeigt eine grafische Veranschaulichung eines Entladeprofils der beispielhaften Akkumulatorzelle, wobei die x-Achse 600 die Kapazität (mAh) und die y-Achse 602 die Spannung (V) darstellen. Wie veranschaulicht, ändert sich die Entladespannung der Zelle bei einer 4C-Rate im Vergleich zu einer 1 C-Rate nur geringfügig und kann bei einer 4C-Rate ungefähr 95 mAh Kapazität liefern.
7 zeigt eine grafische Veranschaulichung der Zyklenlebensdauer der beispielhaften Akkumulatorzelle, wobei die x-Achse 700 die Zykluszahl und die y-Achse den Erhalt der Entladekapazität (%) darstellen. Wie veranschaulicht, weist die beispielhafte Zelle nach ungefähr 200 Zyklen eine Ladungshaltung von ungefähr 97,4% auf.

Claims

Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: eine positive Elektrode, die ein cobaltfreies elektroaktives Material, das durch LiNi_xM_1-xO₂ dargestellt ist, wobei M aus Mangan, Aluminium, Magnesium, Zirconium, Chrom und Kombinationen davon ausgewählt ist, wobei x ≥ 0,75 ist, und ein Polytetrafluorethylenbindemittel; und eine negative Elektrode, die ein graphithaltiges negatives elektroaktives Material und ein Polytetrafluorethylenbindemittel; dadurch gekennzeichnet , dass das Polytetrafluorethylenbindemittel sowohl der positiven Elektrode als auch der negativen Elektrode ein Molekulargewicht (MW) von größer oder gleich ungefähr 6.000.000 u umfasst; wobei: (i) die negative Elektrode ferner umfasst: größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-% eines Hilfsbindemittels, wobei das Massenverhältnis zwischen dem Polytetrafluorethylenbindemittel und dem Hilfsbindemittel ungefähr 0,5:5 beträgt; oder (ii) das cobaltfreie elektroaktive Material LiNi_0,94Mn_0,04Al_0,02O₂ (NMA) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode umfasst: größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% des cobaltfreien elektroaktiven Materials und größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des hochmolekularen Polytetrafluorethylenbindemittels.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode ferner umfasst: größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% eines elektronenleitenden Materials.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die negative Elektrode umfasst: größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% des graphithaltigen negativen elektroaktiven Materials und größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% des Polytetrafluorethylenbindemittels.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Hilfsbindemittel eines oder mehrere der Folgenden umfasst: Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylsäure, Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat, Polyethylenoxid (PEO) und Kombinationen davon.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die negative Elektrode ferner umfasst: größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% eines elektronenleitenden Materials.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode eine Kapazitätslast von größer oder gleich ungefähr 4,0 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 10 mAh/cm² aufweist und die negative Elektrode eine Kapazitätslast von größer oder gleich ungefähr 4,2 mAh/cm² bis kleiner oder gleich ungefähr 12 mAh/cm² aufweist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode eine erste Breite von größer oder gleich ungefähr 50 mm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 mm und eine erste Länge von größer oder gleich ungefähr 50 mm bis kleiner oder gleich ungefähr 2000 mm aufweist und wobei die negative Elektrode eine zweite Breite, die wenigstens doppelt so groß ist wie eine erste Breite der positiven Elektrode, und eine zweite Länge, die wenigstens doppelt so groß wie ist eine erste Länge der positiven Elektrode, aufweist.