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EINFÜHRUNG
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Die Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung.
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Eine Batteriezelle kann eine Anode, eine Kathode, einen Separator, einen Elektrolyten und eine Umhüllung umfassen. Die Batteriezelle kann in Lade- und Entladezyklen betrieben werden. In einer Ausführungsform kann die Batteriezelle eine prismatische Batteriezelle mit einem harten Außengehäuse sein, das häufig aus Metall, einem Polymer oder einer Polymerfolie besteht. Die Anode und die Kathode können jeweils mehrere Komponenten enthalten, darunter Graphit, aktive Materialien und/oder ein Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße, das für eine elektrochemische Reaktion konfiguriert ist, die zur Bereitstellung elektrischer Energie aus der Batteriezelle nützlich ist.
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BESCHREIBUNG
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Ein System mit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle wird offenbart. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle enthält eine erste Elektrode. Die erste Elektrode umfasst einen Stromkollektor mit einer Oberfläche und einer Elektrodenbeschichtung, die aus einer Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung gebildet und auf dem Stromkollektor angeordnet ist. Die Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung enthält eine Vielzahl von Flocken aus Flockengraphit. Jedes der mehreren Plättchen umfasst zwei parallele ebene Flächen und eine durch die beiden parallelen ebenen Flächen definierte Kantenebene. Die Kantenebenen der Vielzahl von Flocken sind statistisch gesehen der Oberfläche des Stromabnehmers zugewandt. Die erste Elektrode enthält außerdem ein leitfähiges Material, das ein Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße enthält. Das Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße ist so konfiguriert, dass es Anziehungskräfte zwischen den Komponenten der Elektrodenbeschichtung erzeugt. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst außerdem eine zweite Elektrode, einen Separator, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und einen Elektrolyten.
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In einigen Ausführungsformen ist der Elektrodenbeschichtungsschlamm frei von einem polymeren Bindemittel.
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In einigen Ausführungsformen enthält die Elektrodenüberzugsaufschlämmung ein polymeres Bindemittel in einer Menge von weniger als oder gleich einer Gewichtseinheit des polymeren Bindemittels pro hundert Gewichtseinheiten der Elektrodenüberzugsaufschlämmung.
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In einigen Ausführungsformen definiert die Kantenebene von mindestens 50 % der Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromabnehmers von 45 Grad bis 90 Grad.
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In einigen Ausführungsformen definiert die Kantenebene von mindestens 75 % der Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromabnehmers von 45 Grad bis 90 Grad.
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In einigen Ausführungsformen definiert die Kantenebene von mindestens 50 % der Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromabnehmers von 60 Grad bis 90 Grad.
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In einigen Ausführungsformen definiert die Kantenebene von mindestens 75 % der Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromabnehmers von 60 Grad bis 90 Grad.
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In einigen Ausführungsformen ist die erste Elektrode eine Anode.
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In einigen Ausführungsformen ist die erste Elektrode eine Kathode.
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In einigen Ausführungsformen ist die erste Elektrode eine Anode, und die Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung enthält außerdem ein gemischtes aktives Siliziumanodenmaterial mit Multiskalenporosität.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird ein System mit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung bereitgestellt. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst eine Anode und eine Kathode. Die Kathode umfasst einen Kathodenstromkollektor mit einer ersten Oberfläche und einer Kathodenbeschichtung, die aus einer Kathodenbeschichtungsaufschlämmung gebildet und auf der Kathode angeordnet ist. Die Kathodenbeschichtungsaufschlämmung enthält eine erste Vielzahl von Flocken aus Flockengraphit. Jedes der ersten Vielzahl von Flocken umfasst zwei parallele ebene Flächen und eine durch die beiden parallelen ebenen Flächen definierte Kantenebene. Die Kantenebenen der ersten Vielzahl von Flocken sind statistisch gesehen der ersten Oberfläche zugewandt. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst ferner einen Separator, der zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist, und einen Elektrolyten.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Anode einen Anodenstromkollektor mit einer zweiten Oberfläche und einer Anodenbeschichtung, die aus einer Anodenbeschichtungsaufschlämmung gebildet und auf der Anode angeordnet ist. Die Anodenbeschichtungsaufschlämmung enthält eine zweite Vielzahl von Flocken des Flockengraphits. Jedes Plättchen enthält die beiden parallelen ebenen Flächen und die durch die beiden parallelen ebenen Flächen definierte Kantenebene. Die Kantenebenen der zweiten Vielzahl von Flocken sind statistisch gesehen der zweiten Oberfläche zugewandt.
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In einigen Ausführungsformen definiert die Kantenebene von mindestens 75 % der ersten Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Kathodenstromkollektors von 60 Grad bis 90 Grad. Die Kantenebene von mindestens 75 % der zweiten Vielzahl von Flocken definiert einen Winkel relativ zur Oberfläche des Anodenstromkollektors von 60 Grad bis 90 Grad.
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In einigen Ausführungsformen definiert die Kantenebene von mindestens 50 % der ersten Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Kathodenstromkollektors von 45 Grad bis 90 Grad.
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In einigen Ausführungsformen definiert die Kantenebene von mindestens 75 % der ersten Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Kathodenstromkollektors von 45 Grad bis 90 Grad.
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In einigen Ausführungsformen definiert die Kantenebene von mindestens 50 % der ersten Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromabnehmers von 60 Grad bis 90 Grad.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine hochbelastbare Lithium-Ionen-Batteriezelle mit geringem Widerstand bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Herstellung einer Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung, die mehrere Flocken aus Flockengraphit enthält. Jedes der mehreren Plättchen enthält zwei parallele ebene Flächen und eine durch die beiden parallelen ebenen Flächen definierte Kantenebene. Die Elektrodenaufschlämmung enthält außerdem ein leitfähiges Material, das ein Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße enthält. Das Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße ist so konfiguriert, dass es Anziehungskräfte innerhalb der Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung erzeugt. Das Verfahren umfasst ferner die Ablagerung der Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung auf einem Stromkollektor mit einer Oberfläche und das Trocknen der Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung auf dem Stromkollektor in Gegenwart eines Magnetfeldes, um die Kantenebenen der Vielzahl von Flocken statistisch zur Oberfläche hin auszurichten und dadurch die Elektrode zu bilden.
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In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner die Installation der Elektrode in der Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung und die Verwendung der Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung zur Bereitstellung elektrischer Energie.
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In einigen Ausführungsformen werden beim Trocknen des Elektrodenbeschichtungsschlamms mindestens 50 % der Vielzahl von Flocken so ausgerichtet, dass jede Kantenebene der mindestens 50 % der Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromabnehmers von 45 Grad bis 90 Grad bildet.
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In einigen Ausführungsformen werden beim Trocknen des Elektrodenbeschichtungsschlamms mindestens 60 % der Vielzahl von Flocken so ausgerichtet, dass jede Kantenebene der mindestens 60 % der Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromabnehmers von 50 Grad bis 90 Grad bildet.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Modi zur Durchführung der Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne weiteres ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 zeigt schematisch ein beispielhaftes System mit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 zeigt schematisch in vergrößertem Maßstab einen Anodenstromkollektor und eine Anodenbeschichtung des Systems von 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 3 zeigt schematisch in vergrößertem Maßstab einen Kathodenstromkollektor und eine Kathodenbeschichtung des Systems von 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 4 zeigt schematisch eine beispielhafte Vorrichtung in Form eines Fahrzeugs mit einer Energiespeichervorrichtung, die mindestens eine hochbelastbare Lithium-Ionen-Batteriezelle mit geringem Widerstand gemäß 1 enthält; und
- 5 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer Elektrode gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ein System und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung werden bereitgestellt. Die hochbelastbare Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand umfasst ein Paar Elektroden, d.h. eine Anode und eine Kathode. Die Elektroden können jeweils ein aktives Material, ein leitendes Material, ein polymeres Bindemittel und einen Stromkollektor enthalten. Die offengelegte Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung kann plättchenförmigen Graphit als aktives Material oder als leitfähiges Material enthalten. Die Anode und die Kathode können jeweils zusätzliche aktive Materialien enthalten, die für eine elektrochemische Reaktion konfiguriert sind, die nützlich ist, um elektrische Energie aus der hochbelastbaren Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand zu liefern, und Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße als leitendes Material sowie einen teilweisen oder vollständigen Ersatz des polymeren Bindemittels.
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Eine Elektrode umfasst einen Stromkollektor, ein leitendes Materialstück und eine Elektrodenbeschichtung auf dem Stromkollektor. Das offengelegte System und Verfahren umfasst eine Elektrodenbeschichtung, die Flockengraphit mit einer Vielzahl von Flocken enthält, die statistisch so vorgespannt sind, dass sie auf den Stromkollektor der Elektrode ausgerichtet sind. Die Flocken, die statistisch dazu neigen, zum Stromkollektor hin ausgerichtet zu sein, können als die Kantenebene von 50 % der Flocken beschrieben werden, die dem Stromkollektor der Elektrode gegenüberliegt. Anders ausgedrückt können die Flocken, die statistisch gesehen in Richtung des Stromkollektors ausgerichtet sind, als eine Mehrheit der Flocken beschrieben werden, die eine Kantenebene aufweisen, die einen Winkel relativ zu einer Oberfläche des jeweiligen Stromkollektors von 45 Grad bis 90 Grad bildet. Flockengraphit ist ein flächiges Materialstück, das typischerweise eine erste flächige Seitenfläche, eine zweite flächige Seitenfläche parallel zur ersten flächigen Seitenfläche und dünne Kanten um den Umfang der Flocke aufweist. Die Kantenebene des Plättchens kann als eine Seitenansicht des Plättchens beschrieben werden, die direkt auf eine dünne Kante um den Umfang des Plättchens blickt. Lamellengraphit, der einem Stromkollektor zugewandt ist, umfasst eine Vielzahl von Lamellen, deren Kantenebene mit der Oberfläche des Stromkollektors einen Winkel zwischen 45 Grad und 90 Grad bildet. Flockengraphit mit einer Kantenebene, die idealerweise dem Stromkollektor zugewandt ist, würde eine Kantenebene umfassen, die senkrecht zum Stromkollektor steht oder mit diesem einen Winkel von 90 Grad bildet.
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Bei Elektrodenbeschichtungen kann ein polymeres Bindemittel verwendet werden, um der Elektrode strukturelle Festigkeit und Kohäsion zu verleihen. Polymere Bindemittel können als ionische Barriere wirken und die Effizienz einer Elektrode verringern. Nano-Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis hat eine relativ große spezifische Fläche und neigt dazu, aufgrund von Van-der-Waals-Kräften zwischen Materialien an anderen Elektrodenkomponenten zu haften. Durch die Verwendung von nanoskaligem Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in der Elektrode kann die Verwendung von polymeren Bindemitteln in der Elektrode weniger wichtig gemacht werden. Das offengelegte System und Verfahren ermöglicht eine Elektrodenbeschichtung mit einer reduzierten Menge an polymerem Bindemittel oder ohne polymeres Bindemittel. Diese Konfiguration ermöglicht ein hochbelastbares Elektrodendesign, ohne die Leistung der Zelle zu beeinträchtigen, indem die Leistungs-/Ladeleistung einer hochbelastbaren Elektrode kompensiert wird. Die Reduzierung oder der Verzicht auf ein polymeres Bindemittel in einer Elektrode kann die Batterieleistung und die Batterieladeleistung verbessern.
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Das beschriebene System und Verfahren ermöglicht einen hohen Siliziumgehalt in einer Anodenelektrode. Die Eliminierung eines polymeren Bindemittels hilft bei der Verringerung des Lithium-Ionen-Diffusionswiderstands auf der Oberfläche des aktiven Siliziummaterials, während ein elektrisch leitfähiger Pfad unabhängig von der Volumenänderung aufgrund von Kohlenstofffasern mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße, d. h. einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT) oder mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNT), aufrechterhalten wird. Außerdem reduziert diese Konfiguration die Diffusionswege für die Lithium-Ionen-Interkalation in den Graphit, indem sie die Ausrichtung der Graphitflocken-Kantenebene kontrolliert.
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Das beschriebene Verfahren, bei dem Flocken verwendet werden, die dem Stromkollektor in einer Elektrode zugewandt sind, kann in einer Anode einer Batteriezelle, in einer Kathode einer Batteriezelle oder sowohl in einer Anode als auch in einer Kathode einer Batteriezelle verwendet werden. Eine Anodenelektrode kann einen Stromkollektor, ein aktives Anodenmaterial und ein leitendes Material ohne polymeres Bindemittel enthalten. In einer Ausführungsform kann das leitfähige Material Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße enthalten und ein Aspektverhältnis von mehr als 50 aufweisen, das als Materiallänge geteilt durch den Materialdurchmesser bestimmt wird. Die Anode kann plättchenförmiges Graphitmaterial als aktives Anodenmaterial verwenden, wobei die Anodenelektrodenbeschichtung plättchenförmiges Graphitmaterial mit einer Mindestkonzentration von 5 Teilen Plättchengraphit pro 100 Teile der Anodenbeschichtung enthält, wobei mindestens 50 % der Kantenebenen des plättchenförmigen Graphitmaterials dem Stromkollektor der Anordnung zugewandt sind.
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Eine Kathodenelektrode kann einen Stromkollektor, ein kathodenaktives Material und ein leitfähiges Material enthalten. Die Kathodenelektrode kann ein polymeres Bindemittel enthalten oder nicht. In einer Ausführungsform kann das leitfähige Material Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße enthalten, wie z. B. Kohlenstofffasern mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße, d. h. SWCNT oder MWCNT. Das leitende Material kann ein Seitenverhältnis von mehr als 30, mehr als 50 oder mehr als 70 haben, das als Materiallänge geteilt durch den Materialdurchmesser bestimmt wird. Die Kathode kann ferner schuppenförmiges Graphitmaterial als leitfähiges Material verwenden, wobei die Anodenelektrodenbeschichtung schuppenförmiges Graphitmaterial mit einer Mindestkonzentration von 0,5 Teilen Graphitflocken pro 100 Teile der Kathodenbeschichtung enthält, wobei mindestens 50 % der Kantenebenen des schuppenförmigen Graphitmaterials dem Stromkollektor der Anordnung zugewandt sind. Graphit dient der Wärmeableitung, so dass Graphit, der zum Stromkollektor der Kathode hin ausgerichtet ist, die Leistung der Batteriezelle durch Senkung der Temperatur der Kathodenelektrode verbessern kann. Diese niedrigere Temperatur kann zur Minimierung von Nebenreaktionen zwischen Kathode und Elektrolyt beitragen.
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Eine Elektrode mit einem Elektrodenüberzug kann hergestellt werden, indem man eine Aufschlämmung oder eine viskose flüssige Zusammensetzung herstellt, die die in dem Elektrodenüberzug abzuscheidenden Komponenten enthält, die Aufschlämmung auf einem Stromkollektor ablagert oder anordnet und die Aufschlämmung zu einem festen Überzug auf dem Stromkollektor trocknet oder härtet. Um eine Elektrodenbeschichtung zu erzeugen, bei der mindestens 50 % der Kantenebenen des schuppenförmigen Graphitmaterials dem Stromkollektor zugewandt sind, kann man ein Magnetfeld hoher Intensität an der nassen Aufschlämmung erzeugen, die während eines Trocknungsprozesses mit Lösungsmitteln auf dem Stromkollektor abgelagert wird. Der Graphit weist ferromagnetische Eigenschaften auf und neigt dazu, sich in einem Magnetfeld auszurichten. Man kann das Magnetfeld so ausrichten, dass sich die Flocken in der gewünschten Richtung zum Stromkollektor hin orientieren oder wenden.
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In einer Ausführungsform kann eine Anode ein gemischtes aktives Anodenmaterial mit hohem Siliziumgehalt und multiskaliger Porosität oder ein aktives Anodenmaterial mit einem hohen Siliziumanteil enthalten. Das Silizium kann mit Kohlenstoff mit hohem Aspektverhältnis, Flockengraphit, der statistisch gesehen dem Stromkollektor zugewandt ist, und oberflächenbehandelten Kohlenstoffzusätzen für hohe elektrische und ionische Leitfähigkeit gemischt werden. Diese Ausführungsform kann relativ schnelle Ladezyklen ermöglichen.
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Das offengelegte System und Verfahren kann eine Lithium-Ionen-Zelle umfassen, die mindestens eine einzelne Kathoden-Elektroden-Baugruppe, mindestens eine einzelne Anoden-Elektroden-Baugruppe und mindestens einen Separator enthält, der in einem Beutel oder einer Metalldose mit einem Elektrolyten eingeschlossen ist, wobei mindestens eine der Elektroden-Baugruppen, mindestens eine der Anoden-Elektroden-Baugruppe und der Kathoden-Elektroden-Baugruppe, eine Elektrodenbeschichtung enthält, die ein aktives Material, ein leitfähiges Material, einen Stromkollektor und kein polymeres Bindemittel enthält. Die Elektrodenbeschichtung enthält Graphit in Flockenform als aktives Material oder als leitfähiges Material, wobei die Kantenebene von 50 % des Graphitmaterials dem Elektrodenstromkollektor zugewandt ist.
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Eine Elektrodenbeschichtung mit Flockengraphit, die statistisch einem jeweiligen Stromkollektor zugewandt ist, kann mindestens 50 % der Flocken mit einer Kantenebene umfassen, die einen Winkel relativ zu einer Oberfläche des Stromkollektors zwischen 45 Grad und 90 Grad bildet. Eine Elektrodenbeschichtung mit Flockengraphit, die statistisch gesehen einem jeweiligen Stromkollektor zugewandt ist, kann mindestens 60 % der Flocken umfassen, die eine Kantenebene aufweisen, die einen Winkel relativ zu einer Oberfläche des Stromkollektors zwischen 45 Grad und 90 Grad bildet. Eine Elektrodenbeschichtung mit Flockengraphit, die statistisch gesehen einem jeweiligen Stromkollektor zugewandt ist, kann mindestens 75 % der Flocken umfassen, die eine Kantenebene aufweisen, die einen Winkel relativ zu einer Oberfläche des Stromkollektors zwischen 45 Grad und 90 Grad bildet.
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Eine Elektrodenbeschichtung mit Flockengraphit, die statistisch einem jeweiligen Stromkollektor zugewandt ist, kann mindestens 50 % der Flocken umfassen, die eine Kantenebene aufweisen, die einen Winkel relativ zu einer Oberfläche des Stromkollektors zwischen 50 Grad und 90 Grad bildet. Eine Elektrodenbeschichtung mit Flockengraphit, die statistisch gesehen einem jeweiligen Stromkollektor zugewandt ist, kann mindestens 50 % der Flocken umfassen, die eine Kantenebene aufweisen, die einen Winkel relativ zu einer Oberfläche des Stromkollektors zwischen 60 Grad und 90 Grad bildet. Eine Elektrodenbeschichtung mit Flockengraphit, die statistisch gesehen einem jeweiligen Stromkollektor zugewandt ist, kann mindestens 75 % der Flocken umfassen, die eine Kantenebene aufweisen, die einen Winkel relativ zu einer Oberfläche des Stromkollektors zwischen 60 Grad und 90 Grad bildet.
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Ein System umfasst eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle enthält eine erste Elektrode mit einem Stromkollektor, der eine Oberfläche und eine Elektrodenbeschichtung aufweist, die aus einer Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung gebildet und auf dem Stromkollektor angeordnet ist. Die Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung enthält eine Vielzahl von Flocken aus Flockengraphit. Jedes der mehreren Plättchen umfasst zwei parallele ebene Flächen und eine durch die beiden parallelen ebenen Flächen definierte Kantenebene. Die Kantenebenen der Vielzahl von Flocken sind statistisch gesehen der Oberfläche des Stromabnehmers zugewandt. Die Elektrodenaufschlämmung enthält außerdem ein leitfähiges Material, das ein Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße enthält. Das Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße ist so konfiguriert, dass es Anziehungskräfte zwischen den Komponenten der Elektrodenbeschichtung erzeugt. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst ferner eine zweite Elektrode, einen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordneten Separator und einen Elektrolyten.
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Die Aufschlämmung der Elektrodenbeschichtung kann frei von polymeren Bindemitteln sein.
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Der Elektrodenüberzugsschlamm kann ein polymeres Bindemittel in einer Menge von weniger als oder gleich einer Gewichtseinheit des polymeren Bindemittels pro hundert Gewichtseinheiten des Elektrodenüberzugsschlamms enthalten.
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Die Kantenebene von mindestens 50 % der Vielzahl von Flocken kann einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromabnehmers von 45 Grad bis 90 Grad bilden.
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Die Kantenebene von mindestens 75 % der Vielzahl von Flocken kann einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromabnehmers von 45 Grad bis 90 Grad bilden.
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Die Kantenebene von mindestens 50 % der Vielzahl von Flocken kann einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromabnehmers von 60 Grad bis 90 Grad bilden.
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Die Kantenebene von mindestens 75 % der Vielzahl von Flocken kann einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromabnehmers von 60 Grad bis 90 Grad bilden.
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Die erste Elektrode kann eine Anode sein.
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Die erste Elektrode kann eine Kathode sein.
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Die erste Elektrode kann eine Anode sein, und der Elektrodenbeschichtungsschlamm kann außerdem ein gemischtes aktives Siliziumanodenmaterial mit Multiskalenporosität enthalten.
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Ein alternatives System umfasst eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle enthält eine Anode und eine Kathode mit einem Kathodenstromkollektor, der eine erste Oberfläche aufweist. Die Kathode enthält ferner eine Kathodenbeschichtung, die aus einer Kathodenbeschichtungsaufschlämmung gebildet und auf der Kathode angeordnet ist. Die Kathodenbeschichtungsaufschlämmung enthält eine erste Vielzahl von Flocken aus Flockengraphit. Jedes der ersten Vielzahl von Flocken umfasst zwei parallele ebene Flächen und eine durch die beiden parallelen ebenen Flächen definierte Kantenebene. Die Kantenebenen der ersten Vielzahl von Flocken sind statistisch gesehen der ersten Oberfläche zugewandt. Die Lithium-Ionen-Batterie umfasst ferner einen Separator, der zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist, und einen Elektrolyten.
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Die Anode kann einen Anodenstromkollektor mit einer zweiten Oberfläche umfassen. Die Anode kann ferner eine Anodenbeschichtung umfassen, die aus einer Anodenbeschichtungsaufschlämmung gebildet und auf der Anode angeordnet ist. Die Anodenbeschichtungsaufschlämmung umfasst eine zweite Vielzahl von Flocken des Flockengraphits, die jeweils die beiden parallelen ebenen Flächen und die durch die beiden parallelen ebenen Flächen definierte Kantenebene umfassen. Die Kantenebenen der zweiten Vielzahl von Flocken sind statistisch gesehen der zweiten Oberfläche zugewandt.
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Die Kantenebene von mindestens 75 % der ersten Vielzahl von Flocken kann einen Winkel relativ zur Oberfläche des Kathodenstromkollektors von 60 Grad bis 90 Grad bilden. Die Kantenebene von mindestens 75 % der zweiten Vielzahl von Flocken kann einen Winkel relativ zur Oberfläche des Anodenstromkollektors von 60 Grad bis 90 Grad bilden.
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Die Kantenebene von mindestens 50 % der ersten Vielzahl von Flocken kann einen Winkel relativ zur ersten Oberfläche des Kathodenstromkollektors von 45 Grad bis 90 Grad bilden.
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Die Kantenebene von mindestens 75 % der ersten Vielzahl von Flocken kann einen Winkel relativ zur ersten Oberfläche des Kathodenstromkollektors von 45 Grad bis 90 Grad bilden.
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Die Kantenebene von mindestens 50 % der ersten Vielzahl von Flocken kann einen Winkel relativ zur ersten Oberfläche des Kathodenstromkollektors von 60 Grad bis 90 Grad bilden.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung ist vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Herstellung einer Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung, die mehrere Flocken aus Flockengraphit enthält. Jedes der mehreren Plättchen enthält zwei parallele ebene Flächen und eine durch die beiden parallelen ebenen Flächen definierte Kantenebene. Die Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung enthält außerdem ein leitfähiges Material, das ein Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße enthält. Das Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße ist so konfiguriert, dass es Anziehungskräfte innerhalb der Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung erzeugt. Das Verfahren umfasst ferner die Ablagerung der Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung auf einem Stromkollektor mit einer Oberfläche und das Trocknen der Elektrodenbeschichtungsaufschlämmung auf dem Stromkollektor in Gegenwart eines Magnetfeldes, um die Kantenebenen der Vielzahl von Flocken statistisch in Richtung der Oberfläche auszurichten und dadurch die Elektrode zu bilden.
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Das Verfahren kann den Einbau der Elektrode in die Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung und die Verwendung der Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung zur Bereitstellung elektrischer Energie umfassen.
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Beim Trocknen des Elektrodenbeschichtungsschlamms können mindestens 50 % der Vielzahl von Flocken so ausgerichtet werden, dass jede Kantenebene der mindestens 50 % der Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromkollektors von 45 Grad bis 90 Grad bildet.
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Beim Trocknen des Elektrodenbeschichtungsschlamms können mindestens 60 % der Vielzahl von Flocken so ausgerichtet werden, dass jede Kantenebene der mindestens 60 % der Vielzahl von Flocken einen Winkel relativ zur Oberfläche des Stromkollektors von 50 Grad bis 90 Grad bildet.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Referenznummern auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, zeigt 1 schematisch ein beispielhaftes System 10 für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung. Das System 10 arbeitet als Batteriezelle und ist mit einem Anodenstromkollektor 22, einer Anodenbeschichtung 20, einem Kathodenstromkollektor 32, einer Kathodenbeschichtung 30, einem Separator 40 und einem Elektrolyten 50 dargestellt. Die Anodenbeschichtung 20 und der Anodenstromkollektor 22 können gemeinsam als Anode 25 bezeichnet werden. Die Kathodenbeschichtung 30 und der Kathodenstromkollektor 32 können zusammen als Kathode 35 bezeichnet werden. Mindestens eine der Anodenbeschichtung 20 und der Kathodenbeschichtung 30 enthält Flockengraphit, der statistisch gesehen dem jeweiligen Anodenstromkollektor 22 oder dem jeweiligen Kathodenstromkollektor 32 zugewandt ist.
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2 zeigt schematisch in vergrößertem Maßstab den Anodenstromkollektor 22 und die Anodenbeschichtung 20 von 1. Der Anodenstromkollektor 22 ist mit einer Oberfläche 27 dargestellt und kann aus einem leitfähigen Material wie z. B. Kupfer bestehen. Die Oberfläche 27 kann flach oder gekrümmt sein oder eine andere Form aufweisen. Die Plättchen 120 sind zur Veranschaulichung als rechteckige Partikel dargestellt. Die Plättchen 120 können Materialien mit unregelmäßiger Form und Größe umfassen, und die rechteckigen Teilchen in der Abbildung werden verwendet, um die Winkel der Kantenebenen der Plättchen 120 zu einer Oberfläche des Anodenstromabnehmers 22 darzustellen. Die Plättchen 120 können als aktive Materialien innerhalb der Anodenbeschichtung 20 verwendet werden. Weitere aktive Anodenmaterialien 130 sind abgebildet. Außerdem sind leitfähige Materialien 140 abgebildet. In einer Ausführungsform können die leitfähigen Materialien 140 Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße enthalten. In einer anderen Ausführungsform können die leitfähigen Materialien 140 CNTs enthalten.
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Die relativen Größen des Anodenstromkollektors 22, der Flocken 120, der aktiven Anodenmaterialien 130 und der leitenden Materialien 140 sind nur zur Veranschaulichung dargestellt. Die Komponenten der Anodenbeschichtung 20 können einzeln mikroskopisch klein sein, und der Anodenstromkollektor 22 kann einen Millimeter oder mehr dick sein.
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3 zeigt schematisch in vergrößertem Maßstab den Kathodenstromkollektor 32 und die Kathodenbeschichtung 30 von 1. Der Kathodenstromkollektor 32 ist mit einer Oberfläche 37 dargestellt und kann aus einem leitfähigen Material wie z. B. Kupfer bestehen. Die Plättchen 220 sind zur Veranschaulichung als rechteckige Partikel dargestellt. Die Plättchen 220 können unregelmäßig geformte und große Materialien umfassen, und die rechteckigen Teilchen in der Abbildung werden verwendet, um die Winkel der Kantenebenen der Plättchen 220 zu einer Oberfläche des Kathodenstromkollektors 32 darzustellen. Die Plättchen 220 können als leitende Materialien innerhalb der Kathodenbeschichtung 30 verwendet werden. Zusätzlich sind aktive Kathodenmaterialien 230 abgebildet. Weitere leitfähige Materialien 240 sind abgebildet. In einer Ausführungsform können die leitfähigen Materialien 240 Kohlenstoffmaterial mit hohem Aspektverhältnis in Nanogröße enthalten. In einer anderen Ausführungsform können die leitfähigen Materialien 240 CNTs enthalten.
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Die relativen Größen des Kathodenstromkollektors 32, der Flocken 220, der aktiven Kathodenmaterialien 230 und der leitenden Materialien 240 sind nur zur Veranschaulichung dargestellt. Die Komponenten der Kathodenbeschichtung 30 können einzeln mikroskopisch klein sein, und der Kathodenstromkollektor 32 kann einen Millimeter oder mehr dick sein.
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4 zeigt schematisch eine beispielhafte Vorrichtung 300 in Form eines Fahrzeugs mit einer Energiespeichereinrichtung 310, die mindestens ein System 10 aus 1 enthält. Die Energiespeichervorrichtung 310 speichert chemische Energie und stellt elektrische Energie zur Verwendung durch die Vorrichtung 300 bereit. Die Energiespeichervorrichtung 310 kann eine Vielzahl von Batteriezellen umfassen. Die Energiespeichervorrichtung 310 liefert elektrische Energie an eine elektrische Maschine 320, die die elektrische Energie nutzen kann, um ein Ausgangsdrehmoment an eine Ausgangskomponente 322 zu liefern, die als Ausgangswelle ausgeführt ist.
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5 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren 400 zur Herstellung und Verwendung einer hochbelastbaren Lithium-Ionen-Batteriezelle mit geringem Widerstand zeigt. Das Verfahren 400 kann die im System 10 von 1 dargestellten physikalischen Komponenten und die entsprechenden Elektrodenbeschichtungen von 2 und 3 verwenden, obwohl das Verfahren 400 alternative physikalische Ausführungsformen zum dargestellten System 10 verwenden kann.
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Das Verfahren 400 beginnt mit einem Schritt 402. In einem Schritt 404 wird eine Anodenbeschichtungsaufschlämmung erzeugt. In einem Schritt 406 wird die Anodenbeschichtungsaufschlämmung auf einem Anodenstromkollektor 22 als Anodenbeschichtung 20 in Gegenwart eines ersten Magnetfeldes abgeschieden, das so konfiguriert ist, dass es bewirkt, dass Flocken in der Anodenbeschichtungsaufschlämmung statistisch zu einer Oberfläche des Anodenstromkollektors 22 weisen. In Schritt 406 kann das Magnetfeld aufrechterhalten werden, während der Anodenbeschichtungsschlamm auf dem Anodenstromkollektor 22 trocknet oder ausgehärtet wird. In Schritt 408 wird ein Kathodenbeschichtungsschlamm erzeugt. In einem Schritt 410 wird die Kathodenbeschichtungsaufschlämmung auf einem Kathodenstromkollektor 32 als Kathodenbeschichtung 30 in Gegenwart eines zweiten Magnetfeldes abgeschieden, das so konfiguriert ist, dass es bewirkt, dass Graphitflocken in der Kathodenbeschichtungsaufschlämmung statistisch zu einer Oberfläche des Kathodenstromkollektors 32 weisen. In Schritt 410 kann das Magnetfeld aufrechterhalten werden, während der Kathodenbeschichtungsschlamm auf dem Kathodenstromkollektor 32 trocknet oder ausgehärtet wird. Die Schritte 404 und 406 können gleichzeitig mit den Schritten 408 und 410 durchgeführt werden. In einem Schritt 412 werden der Anodenstromkollektor 22 mit der Anodenbeschichtung 20 und der Kathodenstromkollektor 32 mit der Kathodenbeschichtung 30 zur Herstellung einer Batteriezelle verwendet. In einem Schritt 414 wird die Batteriezelle verwendet, um das Gerät 300 mit elektrischer Energie zu versorgen. In einem Schritt 416 wird das Verfahren 400 beendet. Das Verfahren 400 wird als ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung und Verwendung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle mit niedrigem Widerstand und hoher Belastung dargestellt. Es ist eine Reihe von zusätzlichen und/oder alternativen Verfahrensschritten denkbar, und die Offenbarung soll nicht auf die hier aufgeführten Beispiele beschränkt sein.
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Während die besten Modi zur Durchführung der Offenbarung im Detail beschrieben wurden, werden diejenigen, die mit dem Stand der Technik, auf den sich diese Offenbarung bezieht, vertraut sind, verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen zur Durchführung der Offenbarung im Rahmen der beigefügten Ansprüche erkennen.
