DE102023121597A1

DE102023121597A1 - Verwenden von funktionsgruppen in leitenden mitteln für mn-basierte kathodenmaterialien

Info

Publication number: DE102023121597A1
Application number: DE102023121597.3A
Authority: DE
Inventors: Soo KIM; Yumi Kim; Sookyung Jeong; Tae Kyoung Kim; Ki Tae Park
Original assignee: Rivian IP Holdings LLC
Current assignee: Rivian IP Holdings LLC
Priority date: 2022-12-28
Filing date: 2023-08-11
Publication date: 2024-07-04
Also published as: US20240234734A1; CN118299570A

Abstract

Bereitgestellt werden Lithium-Ionen-Batterien, umfassend eine positive Elektrode, umfassend ein erstes leitendes Mittel, das eine oder mehrere oxidhaltige Funktionsgruppen umfasst.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf positive Elektroden und insbesondere auf die Verwendung von Kohlenstoffsauerstofffunktionsgruppen, um die Manganauflösung in Mn-basierten positiven Elektrodenmaterialien zu minimieren.
KURZDARSTELLUNG
Hierin werden positive Elektroden bereitgestellt, die ein funktionalisiertes leitendes Mittel umfassen, Lithium-Ionen-Batterien, umfassend die positiven Elektroden, und Elektrofahrzeugsysteme, umfassend Lithium-Ionen-Batterien. Die hierin beschriebenen positiven Elektroden mit funktionalisiertem leitendem Mittel können die Menge an Manganauflösung in Mn-basierten positiven Elektroden minimieren. Manganauflösung in Mn-basierten Kathodenmaterialien kann einen Kapazitätsverlust und eine Erhöhung des Überpotenzials auf der negativen Elektrodenseite der Batterie herbeiführen, insbesondere wenn das freie Manganion (z. B. Mn²⁺ _(aq.), Mn³⁺ _(aq.) usw.) zu metallischem Mangan (Mn⁰) reduziert wird. Somit können positive Elektroden, umfassend Funktionsgruppen wie hierin beschrieben, dazu beitragen, die Manganauflösung in Mn-basierten Kathodenmaterialien zu minimieren.
Die hierin beschriebenen positiven Elektroden können sowohl ein modifiziertes leitendes Mittel (d. h. ein erstes leitendes Mittel) als auch ein unmodifiziertes leitendes Mittel (d. h. ein zweites leitendes Mittel) einschließen. Sowohl das erste als auch das zweite leitende Mittel können amorphen Kohlenstoff, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (z. B. einzelwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren) und/oder eine Kombination davon einschließen. In einigen Ausführungsformen wird das erste leitende Mittel modifiziert, um eine oder mehrere oxidhaltige Funktionsgruppen einzuschließen. Zum Beispiel können die eine oder mehreren oxidhaltigen Funktionsgruppen eine Carbonyl-Funktionsgruppe, eine Carboxyl-Funktionsgruppe, eine Epoxid-Funktionsgruppe, eine Hydroxyl-Funktionsgruppe oder eine Kombination davon einschließen.
In einigen Ausführungsformen wird eine Lithium-Ionen-Batterien bereitgestellt, umfassend: eine positive Elektrode, umfassend ein erstes leitendes Mittel, das eine oder mehrere oxidhaltige Funktionsgruppen umfasst.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie umfasst das erste leitende Mittel: Graphen, Graphit, Graphenoxid, Graphitoxid, reduziertes Graphenoxid, einwandige Nanoröhren, mehrwandige Nanoröhren oder eine Kombination davon.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie umfasst die positive Elektrode ein zweites leitendes Mittel.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie beträgt ein Gewichtsverhältnis zwischen dem zweiten leitenden Mittel und dem ersten leitenden Mittel 2:1 bis 9:1.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie umfasst das erste leitende Mittel mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren, das zweite leitende Mittel umfasst mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren oder eine Kombination davon.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie umfasst das erste leitende Mittel einzelwandige Kohlenstoffnanoröhren, das zweite leitende Mittel umfasst einzelwandige Kohlenstoffnanoröhren oder eine Kombination davon.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie umfasst das erste leitende Mittel funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhrchen.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie beträgt eine Flockengröße des Graphenoxids, die zum Bilden der funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhrchen des ersten leitenden Mittels verwendet wird, von 0,1 bis 25 µm.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie beträgt eine Flockengröße des Graphenoxids, die zum Bilden der funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhrchen des ersten leitenden Mittels verwendet wird, von 0,1 bis 2 µm.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie beträgt ein Verhältnis zwischen der Flockengröße des Graphenoxids, das zum Bilden der funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhrchen des ersten leitenden Mittels verwendet wird, und einer Teilchengröße eines aktiven Materials 2:1 bis 40:1.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie sind die eine oder die mehreren oxidhaltigen Funktionsgruppen konfiguriert, um mit Manganionen zu reagieren.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie sind die eine oder die mehreren oxidhaltigen Funktionsgruppen konfiguriert, um mit Restwasser zu reagieren.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie sind die eine oder die mehreren oxidhaltigen Funktionsgruppen konfiguriert, um mit Fluorwasserstoff zu reagieren.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie sind die eine oder die mehreren oxidhaltigen Funktionsgruppen konfiguriert, um mit Stickstoffionen, Phosphorionen, Schwefelionen oder einer Kombination davon zu reagieren.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie umfasst die positive Elektrode LMFP, LMO, LiMO₂, Li_1+xM_1-xO₂ oder Li₂MnO₃.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie umfassen die eine oder mehreren oxidhaltigen Funktionsgruppen eine Carbonyl-Funktionsgruppe, eine Carboxyl-Funktionsgruppe, eine Epoxid-Funktionsgruppe, eine Hydroxyl-Funktionsgruppe oder eine Kombination davon.
In einigen Ausführungsformen der Lithium-Ionen-Batterie umfasst die positive Elektrode 90 bis 99 Gew.-% aktives Material, 0,5 bis 5 Gew.-% leitendes Mittel und 0,5 bis 5 Gew.-% Bindemittel.
In einigen Ausführungsformen ist ein Elektrofahrzeugsystem bereitgestellt, umfassend eine Lithium-Ionen-Batterie, umfassend eine positive Elektrode, umfassend ein erstes leitendes Mittel, das eine oder mehrere oxidhaltige Funktionsgruppen umfasst.
In einigen Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Herstellen einer Kathode bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst: Mischen eines ersten leitenden Mittels, einer Bindemittellösung, eines Lösungsmittels, eines aktiven Materials und eines zweiten leitenden Mittels, um eine Elektrodenaufschlämmung zu bilden, wobei das erste leitende Mittel eine oder mehrere oxidhaltige Funktionsgruppen umfasst.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens wird das erste leitende Mittel der Mischung nach dem Mischen des zweiten leitenden Mittels, der Bindemittellösung, dann des Lösungsmittels und des aktiven Materials hinzugegeben.
Die vorstehend offenbarten Ausführungsformen sind nur Beispiele und der Schutzumfang dieser Offenbarung ist nicht auf diese beschränkt. Bestimmte Ausführungsformen können alle, einige oder keine der Komponenten, Elemente, Merkmale, Funktionen, Vorgänge oder Schritte der vorstehend offenbarten Ausführungsformen einschließen. Die Abhängigkeiten oder Rückverweise in den beigefügten Ansprüchen sind nur aus formalen Gründen gewählt. Es kann jedoch auch jeder Gegenstand beansprucht werden, der sich aus einer bewussten Bezugnahme auf vorherige Ansprüche (insbesondere Mehrfachabhängigkeiten) ergibt, sodass jede Kombination von Ansprüchen und deren Merkmalen offenbart sind und unabhängig von den in den beigefügten Ansprüchen gewählten Abhängigkeiten beansprucht werden können. Der beanspruchbare Gegenstand umfasst nicht nur die in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Kombinationen von Merkmalen, sondern auch jede andere Kombination von Merkmalen in den Ansprüchen, wobei jedes in den Ansprüchen genannte Merkmal mit jedem anderen Merkmal oder jeder Kombination von anderen Merkmalen in den Ansprüchen kombiniert werden kann. Außerdem kann jede der hierin beschriebenen oder dargestellten Ausführungsformen und Merkmale in einem separaten Anspruch und/oder in beliebiger Kombination mit jeder bzw. jedem hierin beschriebenen oder dargestellten Ausführungsform oder Merkmal oder mit einer beliebigen der Eigenschaften der beigefügten Ansprüche beansprucht werden.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

1 zeigt einen Prozess zum Bilden eines reduzierten Graphenoxids gemäß einigen Ausführungsformen;
2 stellt eine Darstellung unterschiedlicher oxidhaltiger Funktionsgruppen an Graphenoxid gemäß einigen Ausführungsformen bereit;
3 zeigt die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Bindungsenergie verschiedener oxidhaltiger Funktionsgruppen im C1s-Spektrum gemäß einigen Ausführungsformen;
4 zeigt die relative Reaktivität verschiedener oxidhaltiger Funktionsgruppen mit Wasser und Fluorwasserstoff gemäß einigen Ausführungsformen;
5 zeigt die relative Manganionenbindungsenergie verschiedener oxidhaltiger Funktionsgruppen gemäß einigen Ausführungsformen;
6 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenaufschlämmung, die ein funktionalisiertes leitendes Mittel umfasst, gemäß einigen Ausführungsformen;
7 zeigt die Elektrodenwiderstandsfähigkeit einer Steuerelektrode und eine Elektrode, die modifiziertes/funktionalisiertes leitendes Mittel umfasst, gemäß einigen Ausführungsformen;
8 veranschaulicht ein Flussdiagramm für einen typischen Prozess zur Fertigung von Batteriezellen gemäß einigen Ausführungsformen;
9 stellt ein veranschaulichendes Beispiel einer Querschnittsansicht einer zylindrischen Batteriezelle gemäß einigen Ausführungsformen dar;
10 stellt ein veranschaulichendes Beispiel einer Querschnittsansicht einer prismatischen Batteriezelle gemäß einigen Ausführungsformen dar;
11 stellt ein veranschaulichendes Beispiel einer Querschnittsansicht einer Pouch-Batteriezelle gemäß einigen Ausführungsformen dar;
12 veranschaulicht zylindrische Batteriezellen, die in einen Rahmen eingesetzt werden, um ein Batteriemodul und ein Batteriepack gemäß einigen Ausführungsformen zu bilden;
13 veranschaulicht prismatische Batteriezellen, die in einen Rahmen eingesetzt werden, um ein Batteriemodul und ein Batteriepack gemäß einigen Ausführungsformen zu bilden;
14 veranschaulicht Pouch-Batteriezellen, die in einen Rahmen eingesetzt werden, um ein Batteriemodul und ein Batteriepack gemäß Ausführungsformen zu bilden; und
15 veranschaulicht ein Beispiel für eine Querschnittsansicht eines Elektrofahrzeugs, das mindestens ein Batteriepack gemäß einigen Ausführungsformen einschließt.

In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten, sofern hierin nichts anderes angegeben ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin werden positive Elektroden bereitgestellt, die ein modifiziertes leitendes Mittel umfassen. Das modifizierte leitende Mittel kann amorphen Kohlenstoff, Graphit, Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen (z. B. einzelwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren) einschließen, die mit oxidhaltigen Funktionsgruppen modifiziert sind. Auch bereitgestellt sind Lithium-Ionen-Batterien, umfassend die positiven Elektroden, und Elektrodenfahrzeugsysteme, umfassend die Lithium-Ionen-Batterien.
In manganbasierten positiven Elektroden kann die Manganauflösung einen Kapazitätsverlust und eine Erhöhung des Überpotenzials auf der negativen Elektrodenseite der Batterie herbeiführen, insbesondere wenn das freie Manganion (z. B. Mn²⁺ _(aq.), Mn³⁺ _(aq.) usw.) zu metallischem Mangan (Mn°) reduziert wird. Somit besteht ein Bedarf, die Manganauflösung in Mn-basierten positiven Elektrodenmaterialien zu minimieren oder zu eliminieren, um die Energiedichte und Langlebigkeit der Zelle zu verbessern.
Dementsprechend sind hierin leitende Mittel bereitgestellt, die in Mn-basierten positiven Elektroden verwendet werden, die mit oxidhaltigen Funktionsgruppen modifiziert oder funktionalisiert wurden. Die oxidhaltigen Funktionsgruppen können an verschiedenen chemischen Reaktionen beteiligt sein, die innerhalb der Elektrode/Batterie auftreten, um die Menge der Manganauflösung zu minimieren.
Im Folgenden zeigt Gleichung 1 die Hydrolyse von Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), einem herkömmlichen Elektrolytmaterial in Lithium-Ionen-Batterien. LiPF₆ reagiert mit Verunreinigung durch Wasser im Elektrolyt der Batterie und setzt Fluorwasserstoff (HF)-Säure frei. HF-Säure verringert die Batterieleistungsfähigkeit bei der Reaktion mit Batteriesubkomponenten und kann im Falle einer Leckage eine Gesundheitsgefahr sein. LiPF₆ + H₂O → HF + PF₅ ^- + LiOH Gleichung 1.
Reaktion 2, unten, zeigt die LiPF₆-Zerlegung in Lithiumfluorid (LiF) und Phosphorpentafluorid (PF₅). Wie in Gleichung 3 gezeigt, kann PF₅ dann mit Restwasser reagieren, wodurch mehr HF sowie Phosphorylfluorid (POF₃) gebildet werden. LiPF₆ → LiF + PF₅ Gleichung 2. PF₅ + H₂O → POF₃ + 2HF Gleichung 3.
HF aus Gleichungen 1 und 3 kann dann die positiven Elektrodenmaterialien angreifen, wodurch die Manganauflösung beschleunigt wird. Wie in Gleichung 4 gezeigt, reagiert HF mit dem Mangan, wodurch Manganfluorid und Wasserstoffgas gebildet wird. Mn²⁺ + 2HF → MnF₂ + H₂↑ Gleichung 4.
Die hierin verwendeten modifizierten leitenden Mittel zur Herstellung der Mn-basierten Kathodenmaterialien umfassen eine oder mehrere oxidhaltige Funktionsgruppen, die mit einer oder mehreren chemischen Komponenten der obigen Gleichungen 1 bis 3 umgesetzt werden können, wodurch HF daran gehindert wird, die Kathodenmaterialien anzugreifen und dadurch die Manganauflösung herbeizuführen. Dies ist nachstehend ausführlicher beschrieben.
1 zeigt einen Prozess 100 zum Bilden eines reduzierten Graphenoxids gemäß einigen Ausführungsformen. Bei Schritt 102 wird Graphit oxidiert, um unter Verwendung eines Hummer-Verfahrens Graphitoxid zu bilden. Ein Hummer-Verfahren ist ein chemischer Prozess, der Graphitoxid mit Kaliumpermanganat zu einer Lösung, die Graphit, Natriumnitrat und Schwefelsäure einschließt, erzeugt. Dieser Prozess erhöht den Zwischenschichtabstand und die Funktionalisierung der Basalebenen von Graphit. Das Graphitoxid umfasst eine Vielzahl von oxidhaltigen Funktionsgruppen, wie, aber nicht beschränkt auf, eine Carbonyl-Funktionsgruppe, eine Carboxyl-Funktionsgruppe, eine Epoxid-Funktionsgruppe, eine Hydroxyl-Funktionsgruppe oder eine Kombination davon. In Schritt 104 wird das Graphitoxid exfoliert, um Graphenoxid zu bilden. Die Zugabe von Persulfat (S₂O₈ ^2-) stellt die Oxidation und Leichtigkeit der Exfolierung von Graphit bereit, was eine suspendierte einzelne Graphitoxidfolie ergeben kann. Bei Schritt 106 kann das Graphenoxid reduziert werden, um ein reduziertes Graphenoxid (rGO) zu bilden. Die Reduktion des Graphenoxids entfernt einige der reichlich vorhandenen Sauerstofffunktionsgruppen, um die elektronische Leitfähigkeit wiederherzustellen.
2 stellt eine Darstellung unterschiedlicher oxidhaltiger Funktionsgruppen an Graphenoxid gemäß einigen Ausführungsformen bereit. Die Funktionsgruppe 202 ist eine Carbonyl-Funktionsgruppe (=O). Die Funktionsgruppe 204 ist eine Epoxid-Funktionsgruppe (-O-). Die Funktionsgruppe 206 ist eine Hydroxyl-Funktionsgruppe (-OH). Die Funktionsgruppe 208 ist eine Carboxyl-Funktionsgruppe (-COOH). In einigen Ausführungsformen können die Carboxyl-Funktionsgruppe und/oder die Hydroxyl-Funktionsgruppe in ihren entsprechenden anionischen oder Salzformen mit entferntem Wasserstoff vorliegen. Das modifizierte leitende Mittel kann eine dieser oxidhaltigen Funktionsgruppen oder eine Kombination von zwei oder mehr der oxidhaltigen Funktionsgruppen umfassen.
3 zeigt die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-C1s-Bindungsenergie verschiedener oxidhaltiger Funktionsgruppen gemäß einigen Ausführungsformen. Die C=C-Bindung bei -284 eV zeigt die Oberflächenbindungsbeschaffenheit aus der C-C-Doppelbindung von dem Kohlenstoffring an. C-OH bei -286 eV zeigt das Vorhandensein der Hydroxylgruppe auf. C=O (Carbonyl), -O- (Epoxid) und -COOH sind auch angezeigte Peak-Signale bei -287, -289 und -289 eV. Sowohl die Peak-Höhe als auch die Fläche können verwendet werden, um die Signale der Bindungsbeschaffenheit an der Oberfläche der Materialien in 3 qualitativ zu vergleichen.
4 zeigt die relative Reaktivität verschiedener oxidhaltiger Funktionsgruppen mit Wasser und Fluorwasserstoff gemäß einigen Ausführungsformen. Wie vorstehend beschrieben, gibt es verschiedene chemische Gleichungen innerhalb einer Lithium-Ionen-Batterie, die zu einer Manganauflösung führen können. Das erste (linke) Diagramm von 4 zeigt die relative Affinität von jeweils vier unterschiedlichen oxidhaltigen Funktionsgruppen zur Reaktion mit einem Wassermolekül. Wie gezeigt, reagieren Carboxyl-Funktionsgruppen und Hydroxyl-Funktionsgruppen leichter mit Wasser als Epoxid- oder Carbonyl-Funktionsgruppen. Die Carboxyl- und Hydroxyl-Funktionsgruppen können mit dem Restwasser von Gleichung 1 oder 3 reagieren. Wenn eine dieser oxidhaltigen Funktionsgruppen mit dem Restwasser von Gleichung 1 oder 3 reagiert, kann dies die Bildung von HF verhindern oder minimieren. Das Verhindern oder Minimieren der Bildung von HF kann wiederum die Auflösung von Mangan aus dem Host-Kathodenmaterial an der Oberfläche minimieren.
Das zweite (rechte) Diagramm von 4 zeigt die relative Affinität von jeweils vier unterschiedlichen oxidhaltigen Funktionsgruppen zur Reaktion mit HF. Wie gezeigt, sind Carbonyl-Funktionsgruppen am reaktivsten gegenüber HF und Hydroxyl-Funktionsgruppen sind am wenigsten reaktiv gegenüber HF. Carboxyl-Funktionsgruppen sind etwas weniger reaktiv gegenüber HF als Carbonyl, und Epoxid-Funktionsgruppen sind leicht weniger reaktiv als Carboxyl-Funktionsgruppen. Alle dieser vier oxidhaltigen Funktionsgruppen können mit HF von Gleichung 1, 3 oder 4 reagieren. Wenn diese oxidhaltigen Funktionsgruppen mit HF der Gleichungen 1, 3 oder 4 reagieren, kann dies minimieren oder verhindern, dass HF das Mn-basierte positive Elektrodenmaterial angreift. Das Verhindern oder Minimieren von HF, das Mn-basierte positive Elektrodenmaterial anzugreifen, kann wiederum die Auflösung von Mangan minimieren.
5 zeigt die Manganionenbindungsenergie verschiedener oxidhaltiger Funktionsgruppen gemäß einigen Ausführungsformen. Wie gezeigt, weist jede der vier oxidhaltigen Funktionsgruppen (Carbonyl-Funktionsgruppen, Epoxid-Funktionsgruppen, Hydroxyl-Funktionsgruppen und Carboxyl-Funktionsgruppen) eine Affinität für Manganionen auf. Wenn sich also einige Manganionen aus den Kathodenmaterialien lösen, können diese Manganionen vorteilhaft an beliebige dieser oxidhaltigen Funktionsgruppen binden, wodurch verhindert wird, dass die Ionen Manganmetall bilden (d. h. reduzierter Oxidationszustand). Das Verhindern oder Minimieren der Menge an Manganionen, die Manganmetall bilden, kann jeglichen Kapazitätsverlust und jegliche Erhöhung des Überpotenzials auf der negativen Elektrodenseite der Batterie erhöhen, die anderenfalls durch diesen Prozess herbeigeführt werden.
6 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenaufschlämmung, die ein funktionalisiertes leitendes Mittel umfasst, gemäß einigen Ausführungsformen. In Schritt 602 wird ein leitendes Kohlenstoffmittel und eine Kohlenstoffnanoröhre (CNT) (oder ein anderes funktionalisiertes/spezialisiertes CNT, Graphen usw.) gebildet. In einigen Ausführungsformen kann diese Mischung 0,5 bis 5 Gew.-% der Gesamtmenge an Feststoffen umfassen. In einigen Ausführungsformen kann diese Mischung weniger als oder gleich 5, 4,9, 4,8, 4,7, 4,6, 4,5, 4,4, 4,3, 4,2, 4,1, 4, 3,9, 3,8, 3,7, 3,6, 3,5, 3,4, 3,3, 3,2, 3,1, 3, 2,9, 2,8, 2,7, 2,6, 2,5, 2,4, 2,3, 2,2, 2,1, 2, 1,9, 1,8, 1,7, 1,6, 1,5, 1,4, 1,3, 1,2, 1,1, 1, 0,9, 0,8, 0,7 oder 0,6 Gew.-% der Gesamtmenge an Feststoffen umfassen. In einigen Ausführungsformen kann diese Mischung mehr als oder gleich 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2, 2,1, 2,2, 2,3, 2,4, 2,5, 2,6, 2,7, 2,8, 2,9, 3, 3,1, 3,2, 3,3, 3,4, 3,5, 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4, 4,1, 4,2, 4,3, 4,4, 4,5, 4,6, 4,7, 4,8 oder 4,9 Gew.-% der Gesamtmenge an Feststoffen umfassen. In einigen Ausführungsformen kann es keine Mischung geben, sondern diese kann 100 % Kohlenstoffleitmittel oder 100 % Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen. In einigen Ausführungsformen kann diese Komponente 100 % Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen und weniger als oder gleich 2 Gew.-% der Gesamtmenge an Elektrodenfeststoffgehalt (ohne das Lösungsmittel wie n-Methylpyrrolidon, NMP) umfassen.
In Schritt 606 werden die Mischung von 602 einschließlich Kohlenstoffleitmittel (CCA) und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) und das Bindemittel 604 mit den aktiven Materialien der positiven Elektrode (z. B. n-Methylpyrrolidon) kombiniert. In einigen Ausführungsformen kann das Bindemittel 604 Polyvinylidenfluorid (PVDF) umfassen. In Schritt 608 wird die funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhrchen-Paste zugegeben, um die endgültige Elektrodenaufschlämmung von Schritt 610 zu bilden.
Obwohl 6 das funktionalisierte leitende Mittel, das der Mischung nach dem nichtfunktionalisierten oder unmodifizierten leitenden Mittel zugegeben wird, zeigt, ist dies nur ein Beispiel. In einigen Ausführungsformen kann das funktionalisierte leitende Mittel gleichzeitig wie das nicht funktionalisierte leitende Mittel oder vor dem nicht funktionalisierten leitenden Mittel zugegeben werden. Durch Nutzen eines schrittweisen Mischprozesses, wie in 6 dargestellt, kann eine Elektrode mit einer funktionalisierten Oberfläche oder Beschichtung gebildet werden.
In einigen Ausführungsformen kann eine positive Elektrode auf Manganbasis 90 bis 99 Gew.-% aktives Material umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode weniger als oder gleich 99, 98,9, 98,8, 98,7, 98,6, 98,5, 98,4, 98,3, 98,2, 98,1, 98, 97,9, 97,8, 97,7, 97,6, 97,5, 97,4, 97,3, 97,2, 97,1, 97, 96,9, 96,8, 96,7, 96,6, 96,5, 96,4, 96,3, 96,2, 96,1, 96, 95,9, 95,8, 95,7, 95,6, 95,5, 95,4, 95,3, 95,2, 95,1, 95, 94,9, 94,8, 94,7, 94,6, 94,5, 94,4, 94,3, 94,2, 94,1, 94, 93,9, 93,8, 93,7, 93,6, 93,5, 93,4, 93,3, 93,2, 93,1, 93, 92,9, 92,8, 92,7, 92,6, 92,5, 92,4, 92,3, 92,2, 92,1, 92, 91,9, 91,8, 91,7, 91,6, 91,5, 91,4, 91,3, 91,2, 91,1, 91, 90,9, 90,8, 90,7, 90,6, 90,5, 90,4, 90,3, 90,2 oder 90,1 Gew.-% aktives Material umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode mehr als oder gleich 90, 90,1, 90,2, 90,3, 90,4, 90,5, 90,6, 90,7, 90,8, 90,9, 91, 91,1, 91,2, 91,3, 91,4, 91,5, 91,6, 91,7, 91,8, 91,9, 92, 92,1, 92,2, 92,3, 92,4, 92,5, 92,6, 92,7, 92,8, 92,9, 93, 93,1, 93,2, 93,3, 93,4, 93,5, 93,6, 93,7, 93,8, 93,9, 94, 94,1, 94,2, 94,3, 94,4, 94,5, 94,6, 94,7, 94,8, 94,9, 95, 95,1, 95,2, 95,3, 95,4, 95,5, 95,6, 95,7, 95,8, 95,9, 96, 96,1, 96,2, 96,3, 96,4, 96,5, 96,6, 96,7, 96,8, 96,9, 97, 97,1, 97,2, 97,3, 97,4, 97,5, 97,6, 97,7, 97,8, 97,9, 98, 98,1, 98,2, 98,3, 98,4, 98,5, 98,6, 98,7, 98,8 oder 98,9 Gew.-% aktives Material umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann eine positive Elektrode auf Manganbasis 0,5 bis 5 Gew.-% leitendes Mittel (einschließlich beliebiger Kohlenstoffnanoröhrchen) umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode weniger als oder gleich 5, 4,9, 4,8, 4,7, 4,6, 4,5, 4,4, 4,3, 4,2, 4,1, 4, 3,9, 3,8, 3,7, 3,6, 3,5, 3,4, 3,3, 3,2, 3,1, 3, 2,9, 2,8, 2,7, 2,6, 2,5, 2,4, 2,3, 2,2, 2,1, 2, 1,9, 1,8, 1,7, 1,6, 1,5, 1,4, 1,3, 1,2, 1,1, 1, 0,9, 0,8, 0,7 oder 0,6 Gew.-% leitendes Mittel umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode mehr als oder gleich 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2, 2,1, 2,2, 2,3, 2,4, 2,5, 2,6, 2,7, 2,8, 2,9, 3, 3,1, 3,2, 3,3, 3,4, 3,5, 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4, 4,1, 4,2, 4,3, 4,4, 4,5, 4,6, 4,7, 4,8 oder 4,9 Gew.-% leitendes Mittel umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann eine positive Elektrode auf Manganbasis 0,5 bis 5 Gew.-% Bindemittel umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode weniger als oder gleich 5, 4,9, 4,8, 4,7, 4,6, 4,5, 4,4, 4,3, 4,2, 4,1, 4, 3,9, 3,8, 3,7, 3,6, 3,5, 3,4, 3,3, 3,2, 3,1, 3, 2,9, 2,8, 2,7, 2,6, 2,5, 2,4, 2,3, 2,2, 2,1, 2, 1,9, 1,8, 1,7, 1,6, 1,5, 1,4, 1,3, 1,2, 1,1, 1, 0,9, 0,8, 0,7 oder 0,6 Gew.-% Bindemittel umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode mehr als oder gleich 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2, 2,1, 2,2, 2,3, 2,4, 2,5, 2,6, 2,7, 2,8, 2,9, 3, 3,1, 3,2, 3,3, 3,4, 3,5, 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4, 4,1, 4,2, 4,3, 4,4, 4,5, 4,6, 4,7, 4,8 oder 4,9 Gew.-% Bindemittel umfassen.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Gesamtmenge an aktivem Material, leitendem Mittel und Bindemittel 100 Gew.-%.
In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode ein erstes leitendes Mittel und ein zweites leitendes Mittel einschließen. Das erste leitende Mittel kann mit oxidhaltigen Funktionsgruppen modifiziert oder funktionalisiert sein. Das zweite leitende Mittel kann unmodifiziert sein. In einigen Ausführungsformen umfassen das erste leitende Mittel und das zweite leitende Mittel Graphen, Graphit, Graphenoxid, Graphitoxid, reduziertes Graphenoxid, einzelwandige Nanoröhren, mehrwandige Nanoröhren oder eine Kombination davon. In einigen Ausführungsformen umfasst das erste leitende Mittel funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhrchen. Die Flockengröße des Graphenoxids, das zum Bilden der funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet wird, kann von 0,1 bis 25 µm oder von 0,1 bis 2 µm betragen. In einigen Ausführungsformen kann die Flockengröße kleiner als oder gleich 25, 20, 15, 10, 5, 1 oder 0,5 µm sein. In einigen Ausführungsformen kann die Flockengröße größer als oder gleich 0,1, 0,5, 1, 5, 10, 15 oder 20 µm sein.
In einigen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis zwischen der Flockengröße des Graphenoxids, das zum Bilden der funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhrchen des ersten leitenden Mittels verwendet wird, und einer Teilchengröße eines aktiven Materialteilchens (z. B. LMFP-Partikel) 2:1 bis 500: 1 oder 2:1 bis 40: 1. In einigen Ausführungsformen kann das Verhältnis kleiner als oder gleich 500:1, 400:1, 300:1, 200:1, 100:1, 75:1, 50:1, 25:1, 10:1 oder 5:1 sein. In einigen Ausführungsformen kann das Verhältnis größer als oder gleich 2:1, 5:1, 10:1, 25:1, 50:1, 75:1, 100:1, 200:1, 300:1 oder 400:1 sein.
In einigen Ausführungsformen sind eine Carbonyl-Funktionsgruppe, eine Carboxyl-Funktionsgruppe, eine Epoxid-Funktionsgruppe, eine Hydroxyl-Funktionsgruppe oder eine Kombination davon des ersten leitenden Mittels konfiguriert, um mit Manganionen zu reagieren. In einigen Ausführungsformen umfasst das erste leitende Mittel eine Carboxyl-Funktionsgruppe, eine Hydroxyl-Funktionsgruppe oder eine Kombination davon, die konfiguriert sind, um mit Restwasser zu reagieren. In einigen Ausführungsformen umfasst das erste leitende Mittel eine Carbonyl-Funktionsgruppe, eine Carboxyl-Funktionsgruppe, eine Epoxid-Funktionsgruppe, eine Hydroxyl-Funktionsgruppe oder eine Kombination davon, die konfiguriert sind, um mit Fluorwasserstoff zu reagieren. In einigen Ausführungsformen umfasst das erste leitende Mittel eine Carboxyl-Funktionsgruppe, eine Epoxid-Funktionsgruppe, eine Hydroxyl-Funktionsgruppe oder eine Kombination davon, die konfiguriert sind, um mit einem oder mehreren von Stickstoffionen, Phosphorionen oder Schwefelionen zu reagieren.
In einigen Ausführungsformen ist ein Gewichtsverhältnis zwischen dem nicht funktionalisierten leitenden Mittels und dem funktionalisierten leitenden Mittel 2:1 bis 9:1. In einigen Ausführungsformen ist das Gewichtsverhältnis zwischen dem nicht funktionalisierten leitenden Mittel und dem funktionalisierten leitenden Mittel weniger als oder gleich 9:1, 4:1 oder 7:3. In einigen Ausführungsformen ist das Gewichtsverhältnis zwischen dem nicht funktionalisierten leitenden Mittel und dem funktionalisierten leitenden Mittel größer als oder gleich 2:1, 7:3 oder 4:1.
In einigen Ausführungsformen umfasst die positive Elektrode LMFP, LMO, LiMO₂, Li_1+xM_1-xO₂, oder Li₂MnO₃ oder eine Kombination davon.
7 zeigt die Elektrodenwiderstandsfähigkeit einer Steuerelektrode und eine Elektrode, die modifiziertes/funktionalisiertes leitendes Mittel umfasst, gemäß einigen Ausführungsformen. Die niedrigere Widerstandsfähigkeit ist besser, um den Zellwiderstand zu reduzieren. Die modifizierte Funktionsgruppe reduziert jedoch die Leitfähigkeit, was den Widerstand erhöht. Daher ist es wesentlich, genügend Funktionsgruppen zu füllen, die Mn-Ionen einfangen, aber eine ähnliche Widerstandsfähigkeit beibehalten. Elektrodenkalandrierung (d. h. Pressen) hilft, die Elektrodendicke zu reduzieren. Li⁺-Ionen und Elektronen können daher den zurückzulegenden Gesamtabstand reduzieren. Die Gesamtverbundvolumenwiderstandsfähigkeit (linkes Feld) kann die Widerstandsfähigkeit darstellen, die vom Elektrodenabschnitt stammt (d. h. Verbundschicht), welche die Teilchengrößenverteilung des aktiven Materials, die Elektrodenporosität, Dispersion, Beschichtungszustand usw. berücksichtigen kann Der Grenzflächenwiderstand (rechtes Feld) stellt die Widerstandsfähigkeit zwischen der Verbundschicht und dem Stromabnehmer dar.
BEISPIELE
Ein Beispiel für eine Mn-basierte Kathode gemäß einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen schließt die folgenden Komponenten ein: 96 Gew.-% Kathodenaktivmaterial, 2 Gew.-% Bindemittel, 1 Gew.-% Kohlenstoffleitmittel, 0,8 Gew.-% MWCNT und 0,2 Gew.-% funktionalisierte MWCNT oder rGO (reduziertes Graphenoxid). Dies ist jedoch nur ein Beispiel, und andere Verhältnisse/Mengen der verschiedenen Komponenten sind möglich.
Im Allgemeinen schließen Mn-basierte Kathoden, die gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen hergestellt werden, 94 % oder mehr aktives Material, weniger als oder gleich 3 Gew.-% Bindemittel, weniger als oder gleich 3 Gew.-% einer Mischung aus Kohlenstoffleitmittel und Kohlenstoffnanoröhren und etwa 0,2 bis etwa 2 Gew.-% funktionalisiertem Kohlenstoffleitmittel ein.
In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen 94 bis 99,9 Gew.-% aktives Material umfassen. In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen weniger als oder gleich 99,9, 99, 98, 97, 96 oder 95 Gew.-% aktives Material umfassen. In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen mehr als oder gleich 94, 95, 96, 97, 98 oder 99 Gew.-% aktives Material umfassen.
In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen 0,1 bis 3 Gew.-% Bindemittel umfassen. In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen weniger als oder gleich 3, 2 oder 1 Gew.-% Bindemittel umfassen. In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen mehr als oder gleich 0,1, 1, 2 oder 3 Gew.-% Bindemittel umfassen.
In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen 0,1 bis 3 Gew.-% einer Mischung aus Kohlenstoffleitmittel und Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen. In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen weniger als oder gleich 3, 2 oder 1 Gew.-% einer Mischung aus Kohlenstoffleitmittel und Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen. In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen mehr als oder gleich 0,1, 1, 2 oder 3 Gew.-% einer Mischung aus Kohlenstoffleitmittel und Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen.
In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 2 Gew.-% funktionalisiertes Kohlenstoffleitmittel umfassen. In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen weniger als oder gleich 2, 1,5, 1 oder 0,5 Gew.-% funktionalisiertes Kohlenstoffleitmittel umfassen. In einigen Ausführungsformen können Mn-basierte Kathoden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen mehr als oder gleich 0,2, 0,5, 1 oder 1,5 Gew.-% funktionalisiertes Kohlenstoffleitmittel umfassen.
Batteriezellen, Batteriemodule, Batteriepacks und Elektrofahrzeugsysteme
Die vorstehend beschriebenen, manganbasierten positiven Elektrodenmaterialien, umfassend oxidhaltige Funktionsgruppen, können bei der Herstellung von Batteriezellen, wiederaufladbaren Metall-Ionen-Batterien (z. B. Lithium, Natrium, Kalium, Aluminium, Magnesium) und elektrischen Fahrzeugsystemen verwendet werden. Insbesondere können die hierin beschriebenen manganbasierten positiven Elektrodenmaterialien, umfassend oxidhaltige Funktionsgruppen, bei der Herstellung von Batteriezellen verwendet werden, die zum Bilden von Batteriemodulen und/oder Batteriepacks verwendet werden können. Batteriezellen, Batteriemodule und/oder Batteriepacks, die eine manganbasierte positive Elektrodenmaterialien umfassen, umfassend hierin beschriebene oxidhaltige Funktionsgruppen, können dann als eine Stromquelle in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Diese Ausführungsformen sind nachstehend ausführlich beschrieben.
Es wird nun auf Implementierungen und Ausführungsformen verschiedener Aspekte und Varianten von Batteriezellen, Batteriemodulen, Batteriepacks und Verfahren zum Herstellen solcher Batteriezellen, Batteriemodule und Batteriepacks Bezug genommen. Obwohl hierin mehrere beispielhafte Varianten der Batteriezellen, -module, -packs und Verfahren zum Herstellen derselben beschrieben sind, können andere Varianten der Batteriezellen, -module, -packs und -verfahren Aspekte der hierin beschriebenen Batteriezellen, -module, -packs und -verfahren einschließen, die in keiner Weise geeignet sind, Kombinationen aller oder einiger der beschriebenen Aspekte aufzuweisen. Zusätzlich kann jede Komponente der hierin beschriebenen Elektroden, verdichteten Elektroden, Komponenten, Systeme, Verfahren, Einrichtungen, Vorrichtungen, Zusammensetzungen, usw. in die Batteriezellen, Batteriemodule, Batteriepacks und Verfahren zum Herstellen dieser Batteriezellen, Batteriemodule und Batteriepacks implementiert werden.
8 veranschaulicht ein Flussdiagramm für einen typischen Batteriezellen-Herstellungsprozess 800. Diese Schritte sind nicht erschöpfend, und andere Batteriezellen-Herstellungsprozesse können zusätzliche Schritte oder nur einen Teilsatz dieser Schritte einschließen. In Schritt 801 können die Elektrodenvorläufer (z. B. Bindemittel, aktives Material, leitendes Kohlenstoffadditiv) hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann dieser Schritt das Mischen von Elektrodenmaterialien (z. B. aktive Materialien) mit zusätzlichen Komponenten (z. B. Bindemitteln, Lösungsmitteln, leitfähigen Additiven usw.) zum Bilden einer Elektrodenaufschlämmung einschließen. In einigen Ausführungsformen kann dieser Schritt das Synthetisieren der Elektrodenmaterialien selbst einschließen.
Bei Schritt 802 kann die Elektrode gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann dieser Schritt das Aufbringen einer Elektrodenaufschlämmung auf einen Stromkollektor einschließen. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode oder Elektrodenschicht Elektrodenaktivmaterialien, leitfähiges Kohlenstoffmaterial, Bindemittel und/oder andere Zusatzstoffe einschließen.
In einigen Ausführungsformen können die Elektrodenaktivmaterialien Kathodenaktivmaterialien einschließen. In einigen Ausführungsformen können die Kathodenaktivmaterialien Olivin oder phosphatbasierte Kathodenaktivmaterialien einschließen. In einigen Ausführungsformen können die Kathodenaktivmaterialien überlithiiertes Oxidmaterial (OLO), Kathodenmaterialien auf Nickelbasis (z. B. Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) wie NMC111, NMC523, NMC622, NMC811, NMCA, Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) und Ni90+) einschließen. In einigen Ausführungsformen können die Kathodenaktivmaterialien Lithium-Übergangsmetalloxid mit hohem Nickelgehalt (größer oder gleich etwa 80 % Ni) einschließen. Solche Lithium-Übergangsmetalloxide können partikelförmiges Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid („LiNMC“), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid („LiNCA“), Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Aluminium-Oxid („LiNMCA“), Lithium-Kobalt-Oxid (LCO), Lithiummanganoxid (LMO), Lithiummetallphosphate wie Lithiumeisenphosphat („LFP“), Lithiumeisenmanganphosphat („LMFP“), schwefelhaltige Kathodenmaterialien, Lithiumsulfid (Li₂S), Lithiumpolysulfide, Titandisulfid (TiS₂) und Kombinationen davon einschließen.
In einigen Ausführungsformen können die Elektrodenaktivmaterialien Anodenaktivmaterialien einschließen. In einigen Ausführungsformen können die Anodenaktivmaterialien Graphitkohlenstoff (z. B. geordneter oder ungeordneter Kohlenstoff mit sp2-Hybridisierung, künstlicher oder natürlicher Graphit oder gemischt), Li-Metall-Anode, Anode auf Siliziumbasis (z. B. Kohlenstoff-Verbundanode auf Siliziumbasis, Siliziummetall, -oxid, -karbid, vorlithiiert), Kohlenstoff-Verbundanode auf Siliziumbasis, Lithiumlegierungen (z. B. Li-Mg, Li-Al, Li-Ag-Legierung), Lithiumtitanat oder Kombinationen davon einschließen. In einigen Ausführungsformen kann ein Anodenmaterial innerhalb eines Stromkollektormaterials gebildet werden. Zum Beispiel kann eine Elektrode einen Stromkollektor (z. B. Kupferfolie) mit einer in situ gebildeten Anode (z. B. Li-Metall) auf einer Oberfläche des Stromkollektors umfassen, die dem Separator oder dem Festkörperelektrolyten zugewandt ist. In derartigen Beispielen kann die zusammengesetzte Zelle kein Anodenaktivmaterial in einem ungeladenen Zustand umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann das leitfähige Kohlenstoffmaterial Graphit, Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhren, Super-P-Rußmaterial, Ketjen Black, Acetylene Black, SWCNT, MWCNT, Kohlenstoff-Nanofaser, Graphen und Kombinationen davon einschließen.
In einigen Ausführungsformen können die Bindemittel Polymermaterialien wie Polyvinylidenfluorid („PVDF“), Polyvinylpyrrolidon („PVP“), Styrol-Butadien- oder Styrol-Butadien-Kautschuk („SBR“), Polytetrafluorethylen („PTFE“), Carboxymethylcellulose („CMC“), Agar-Agar, Alginat, Amylose, Gummi arabicum, Carrageen, Kasein, Chitosan, Cyclodextrine (Carbonyl-Beta), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Gelatine, Gellan, Guarkernmehl, Karayagummi, Cellulose (natürlich), Pektin, Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat (PEDOT-PSS), Polyacrylsäure (PAA), Poly(methylacrylat) (PMA), Poly(vinylalkohol) (PVA), Poly(vinylacetat) (PVAc), Polyacrylnitril (PAN), Polyisopren (PIpr), Polyanilin (PANi), Polyethylen (PE), Polyimid (PI), Polystyrol (PS), Polyurethan (PU), Polyvinylbutyral (PVB), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Stärke, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Taragummi, Tragantgummi, Fluoracrylat (TRD202A), Xanthangummi oder Kombinationen davon einschließen.
Nach dem Beschichten kann der beschichtete Stromkollektor getrocknet werden, um etwaige Lösungsmittel zu verdampfen. In einigen Ausführungsformen kann dieser Schritt das Kalandrieren der beschichteten Stromkollektoren einschließen. Durch Kalandrieren können die physikalischen Eigenschaften (z. B. Bindung, Leitfähigkeit, Dichte, Porosität usw.) der Elektroden angepasst werden. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode dann mittels einer Schneide- und/oder Ausklinkmaschine auf die richtige Größe und/oder die richtige Form zurecht geschnitten werden.
In einigen Ausführungsformen können die Festelektrolytmaterialien der Festelektrolytschicht unter anderem anorganische Festelektrolytmaterialien wie Oxide, Sulfide, Phosphide, Halogenide, Keramiken, feste Polymerelektrolytmaterialien, hybride Festkörperelektrolyte oder glasartige Elektrolytmaterialien oder in beliebigen Kombinationen davon einschließen. In einigen Ausführungsformen kann die Festelektrolytschicht ein polyanionisches oder oxidbasiertes Elektrolytmaterial einschließen (z. B. Superionische Lithium-Leiter (LISICONs), superionische Natrium-Leiter (NASICONs), Perowskite mit der Formel ABO₃ (A = Li, Ca, Sr, La und B = Al, Ti), Granat-Typ mit der Formel A₃B₂(XO₄)₃ (A = Ca, Sr, Ba und X = Nb, Ta), Lithium-Phosphor-Oxy-Nitrid (Li_xPO_yN_z), unter anderem, oder in beliebigen Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen kann die Festelektrolytschicht ein glasartiges, keramisches und/oder kristallines Elektrolytmaterial wie Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁, Li₂S-P₂S₅, Li₂S-B₂S₃, SnS-P₂S₅, Li₂S-SiS₂, Li₂S-P₂S₅, Li₂S-GeS₂„ Lithium-Phosphor-Oxynitrid (Li_xPO_yN_z), Lithium-Germanium-Phosphat-Schwefel (Li₁₀GeP₂S₁₂), Yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ), NASICON (Na₃Zr₂Si₂PO₁₂), Beta-Aluminiumoxid-Feststoffelektrolyt (BASE),Perowskit-Keramik (z. B. Strontiumtitanat (SrTiO₃)), Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid (La₃Li₇O₁₂Zr₂), LiSiCON (Li_2+2xZ_1-xGeO₄), Lithium-Lanthan-Titanat (Li_3xLa_2/3-xTiO₃) und/oder Lithium-Argyrodite auf Sulfidbasis mit der Formel Li₆PS₅X (X = Cl, Br) wie Li₆PS₅Cl, unter anderem, oder durch beliebige Kombinationen davon. Darüber hinaus können Festzustand-Polymerelektrolytmaterialien ein Polymerelektrolytmaterial (z. B. ein Hybrid- oder Pseudo-Festzustandselektrolyt) einschließen, z. B. Polyacrylnitril (PAN), Polyethylenoxid (PEO), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) sowie PEG, unter anderem, oder in beliebigen Kombinationen davon.
Bei Schritt 803 kann die Batteriezelle zusammengebaut werden. Nachdem die Elektroden, die Separatoren und/oder die Elektrolyte vorbereitet sind, kann eine Batteriezelle zusammengebaut/hergestellt werden. In diesem Schritt kann der Separator und/oder eine Elektrolytschicht zwischen der Anoden- und der Kathodenschicht angeordnet werden, um die innere Struktur einer Batteriezelle zu bilden. Diese Schichten können durch ein Wickelverfahren wie Rundwickeln oder prismatisch/flaches Wickeln, ein Stapelverfahren oder ein Z-Faltverfahren zusammengefügt werden.
Die zusammengesetzte Zellstruktur kann dann in ein Zellgehäuse eingesetzt werden, das dann teilweise oder vollständig abgedichtet wird. Zudem kann die zusammengesetzte Struktur (über einen Schweißprozess) mit Anschlüssen und/oder Zelllaschen verbunden werden. Bei Batteriezellen, die einen flüssigen Elektrolyten nutzen, kann die Batteriezelle mit der darin befindlichen Elektrodenstruktur auch mit Elektrolyt gefüllt und anschließend abgedichtet werden.
Batteriezellen können eine Vielzahl von Formfaktoren, Formen oder Größen aufweisen. Zum Beispiel können Batteriezellen (und deren Gehäuse/Ummantelungen) unter anderem eine zylindrische, rechteckige, quadratische, kubische, flache oder prismatische Form aufweisen. Es gibt vier Haupttypen von Batteriezellen: (1) Knopf- oder Knopfzellen; (2) zylindrische Zellen; (3) prismatische Zellen; und (4) Beutelzellen. Batteriezellen können zum Beispiel durch Einsetzen einer gewickelten und/oder gestapelten Elektrodenrolle (z. B. einer Jellyroll) in ein Batteriezellengehäuse zusammengebaut werden. In einigen Ausführungsformen kann die gewickelte oder gestapelte Elektrodenrolle das Elektrolytmaterial einschließen. In einigen Ausführungsformen kann das Elektrolytmaterial getrennt von der Elektrodenrolle in das Gehäuse bzw. die Ummantelung der Batterie eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen schließt das Elektrolytmaterial, ohne darauf beschränkt zu sein, ein elektrisch leitfähiges Fluid oder ein anderes Material (z. B. eine Schicht) ein, das den Fluss elektrischer Ladung (d. h. den Transport von Ionen) zwischen Kathode und Anode ermöglichen kann. In einigen Ausführungsformen kann das Elektrolytmaterial ein nichtwässriges polares Lösungsmittel einschließen (z. B. ein Carbonat wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Dimethylcarbonat oder eine Mischung aus zwei oder mehreren davon). Die Elektrolyte können auch andere Additive einschließen, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Vinylidencarbonat, Fluorethylencarbonat, Ethylpropionat, Methylpropionat, Methylacetat, Ethylacetat oder eine Mischung aus zwei oder mehr davon. Bei dem Lithiumsalz des Elektrolyten kann es sich um ein beliebiges Salz handeln, das beim Bau von Lithiumbatterien verwendet wird, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Lithiumperchlorat, Lithiumhexafluorophosphat, Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid, Lithiumbis(trifluorsulfonyl)imid oder eine Mischung aus zwei oder mehr davon. Zusätzlich kann das Salz in dem Elektrolyten von mehr als 0 M bis etwa 5 M oder zum Beispiel zwischen etwa 0,05 bis 2 M oder etwa 0,1 bis 2 M vorhanden sein.
9 stellt ein veranschaulichendes Beispiel einer Querschnittsansicht einer zylindrischen Batteriezelle 900 dar. Die zylindrische Batteriezelle kann Schichten (z. B. folienartige Schichten) aus Anodenschichten 901, Separator- und/oder Elektrolytschichten 902 und Kathodenschichten 903 einschließen.
Eine Batteriezelle kann mindestens eine Anodenschicht einschließen, die innerhalb des Hohlraums des Gehäuses/der Ummantelung angeordnet sein kann. Die Batteriezelle kann auch mindestens eine Kathodenschicht einschließen. Die mindestens eine Kathodenschicht kann auch innerhalb des Gehäuses/der Ummantelung angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen gibt die mindestens eine Anodenschicht beim Entladen der Batteriezelle (d. h. beim Bereitstellen von elektrischem Strom) Ionen (z. B. Lithium-Ionen) an die mindestens eine Kathodenschicht ab und erzeugt einen Elektronenstrom von einer Seite zur anderen. Umgekehrt kann in einigen Ausführungsformen beim Laden der Batteriezelle die mindestens eine Kathodenschicht Ionen freisetzen und die mindestens eine Anodenschicht kann diese Ionen empfangen.
Diese Schichten (Kathode, Anode, Separator-/Elektrolytschichten) können in einen Hohlraum eines zylinderförmigen Gehäuses 904 (z. B. einer Metalldose) sandwichartig angeordnet, aufgerollt und/oder gepackt werden. Die Ummantelungen/Gehäuse können steif sein, wie sie z. B. aus Metall oder Hartplastik hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Separatorschicht (und/oder Elektrolytschicht) 902 zwischen einer Anodenschicht 901 und einer Kathodenschicht 903 angeordnet werden, um die Anodenschicht 902 und die Kathodenschicht 903 zu trennen. In einigen Ausführungsformen können sich die Schichten in der Batteriezelle abwechseln, sodass eine Separatorschicht (und/oder Elektrolytschicht) eine Anodenschicht von einer Kathodenschicht trennt. Mit anderen Worten, die Schichten der Batterieelektrode können (in dieser Reihenfolge) Separatorschicht, Anoden-/Kathodenschicht, Separatorschicht, gegenüberliegende Anoden-/Kathodenschicht und so weiter sein. Die Separatorschicht (und/oder Elektrolytschicht) 902 kann den Kontakt zwischen der Anoden- und der Kathodenschicht verhindern und gleichzeitig den Transport von Ionen (z. B. Lithium-Ionen) in der Zelle erleichtern. Die Batteriezelle kann auch mindestens einen Anschluss 905 einschließen. Der mindestens eine Anschluss kann ein elektrischer Kontakt sein, der unter Verwendung eines Verbrauchers oder eines Ladegeräts mit einer Batteriezelle verbunden wird. So kann der Anschluss zum Beispiel aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, um elektrischen Strom von der Batteriezelle zu einem elektrischen Verbraucher, wie einer Komponente oder einem System eines Elektrofahrzeugs, wie hierin weiter erläutert, zu leiten.
10 stellt ein veranschaulichendes Beispiel einer Querschnittsansicht einer prismatischen Batteriezelle 1000 dar. Die prismatische Batteriezelle kann Schichten (z. B. folienartige Schichten) aus Anodenschichten 901, Separator- und/oder Elektrolytschichten 902 und Kathodenschichten 903 einschließen. Ähnlich wie bei der zylindrischen Batteriezelle können die Schichten einer prismatischen Batteriezelle sandwichartig angeordnet, gewalzt und/oder gepresst werden, sodass sie in eine quaderförmige (z. B. hyperrechteckige) Ummantelung/Gehäuse 904 hineinpassen. In einigen Ausführungsformen können die Schichten nicht durch Jelly Roll, sondern durch Stapeln der Schichten zusammengefügt werden. In einigen Ausführungsformen kann das Gehäuse steif sein, wie aus Metall und/oder Hartplastik hergestellt. In einigen Ausführungsformen kann die prismatische Batteriezelle 1000 mehr als einen Anschluss 905 einschließen. Für einige Ausführungsformen kann einer dieser Anschlüsse der Pluspol und der andere der Minuspol sein. Diese Anschlüsse können verwendet werden, um einen Verbraucher oder ein Ladegerät mit der Batteriezelle zu verbinden.
11 stellt ein veranschaulichendes Beispiel einer Querschnittsansicht einer Pouch-Batteriezelle 1100 dar. Die Pouch-Batteriezellen weisen keine steife Ummantelung auf und verwenden stattdessen ein flexibles Material für die Ummantelung bzw. das Gehäuse 904. Dieses flexible Material kann zum Beispiel eine versiegelte flexible Folie sein. Die Pouch-Batteriezelle kann Schichten (z. B. folienartige Schichten) aus Anodenschichten 901, Separator- und/oder Elektrolytschichten 902 und Kathodenschichten 903 einschließen. In einigen Ausführungsformen sind diese Schichten in der Ummantelung/dem Gehäuse gestapelt. In einigen Ausführungsformen kann die Pouch-Batteriezelle 1100 mehr als einen Anschluss 905 einschließen. Für einige Ausführungsformen kann einer dieser Anschlüsse der Pluspol und der andere der Minuspol sein. Diese Anschlüsse können verwendet werden, um einen Verbraucher oder ein Ladegerät mit der Batteriezelle zu verbinden.
Das Gehäuse von Batteriezellen kann ein oder mehrere Materialien mit verschiedener elektrischer Leitfähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit oder eine Kombination davon einschließen. In einigen Ausführungsformen kann das elektrisch leitfähige und wärmeleitfähige Material für das Gehäuse der Batteriezelle unter anderem ein metallisches Material wie Aluminium, eine Aluminiumlegierung mit Kupfer, Silizium, Zinn, Magnesium, Mangan oder Zink (z. B. Aluminium der Serien 1000, 4000 oder 5000), Eisen, eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung (z. B. Stahl), Silber, Nickel, Kupfer und eine Kupferlegierung einschließen. In einigen Ausführungsformen kann das elektrisch leitfähige und wärmeleitfähige Material für das Gehäuse der Batteriezelle ein keramisches Material (z. B. Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Titankarbid, Zirkoniumdioxid, Berylliumoxid u. a.) und/oder ein thermoplastisches Material (z. B. Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid oder Nylon) einschließen.
Bei Schritt 804 kann die Batteriezelle fertiggestellt werden. In einigen Ausführungsformen schließt dieser Schritt den Formgebungsprozess ein, bei dem der erste Lade- und Entladevorgang für die Batteriezelle stattfindet. In einigen Ausführungsformen kann diese anfängliche Ladung und Entladung eine feste Elektrolytgrenzfläche zwischen dem Elektrolyten und den Elektroden bilden. In einigen Ausführungsformen kann dieser Schritt dazu führen, dass einige der Zellen Gas erzeugen, das in einem Entgasungsprozess aus der Batteriezelle entfernt werden kann. In einigen Ausführungsformen schließt dieser Schritt das Altern der Batteriezelle ein. Das Altern kann das Überwachen der Zelleigenschaften und der Leistung über einen festen Zeitraum einschließen. In einigen Ausführungsformen kann dieser Schritt auch das Testen der Zellen in einem End-of-Line-Teststand (EOL-Teststand) einschließen. Der EOL-Test kann das Entladen der Batteriezellen bis zum Versandzustand, das Messen von Impulsen, das Testen von Innenwiderstandsmessungen, das Testen von OCV, das Testen auf Leckagen und/oder die optische Inspektion der Batteriezellen auf Mängel einschließen.
Eine Vielzahl von Batteriezellen (900, 1000 und/oder 1100) kann in einem Gehäuse, Rahmen oder in derselben Umhäusung zusammengebaut oder verpackt werden, um ein Batteriemodul und/oder Batteriepack zu bilden. Die Batteriezellen eines Batteriemoduls können elektrisch verbunden werden, um eine bestimmte Menge an elektrischer Energie zu erzeugen. Diese mehreren Batteriezellen können durch eine einheitliche Begrenzung mit der Außenseite des Gehäuses, des Rahmens oder der Ummantelung verbunden werden. Die Batteriezellen des Batteriemoduls können parallel, in Reihenschaltung oder in einer Reihen-Parallel-Kombination von Batteriezellen angeordnet sein. Das Gehäuse, der Rahmen oder die Ummantelung kann die Batteriezellen vor zahlreichen Gefahren schützen (z. B. vor äußeren Einflüssen, Hitze, Vibrationen usw.). 12 veranschaulicht zylindrische Batteriezellen 900, die in einen Rahmen eingesetzt werden, um ein Batteriemodul 810 zu bilden. 13 veranschaulicht prismatische Batteriezellen 1000, die in einen Rahmen eingesetzt werden, um ein Batteriemodul 810 zu bilden. 14 veranschaulicht Pouch-Batteriezellen 1100, die in einen Rahmen eingesetzt werden, um ein Batteriemodul 810 zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann das Batteriepack keine Module einschließen. Zum Beispiel kann das Batteriepack eine „modulfreie“ oder „Zelle-zu-Pack“-Konfiguration aufweisen, wobei die Batteriezellen direkt in einem Batteriepack ohne Anordnung in einem Modul angeordnet sind.
Eine Vielzahl der Batteriemodule 810 kann innerhalb eines anderen Gehäuses, Rahmens oder einer Umhäusung angeordnet sein, um ein Batteriepack 820 zu bilden, wie in 12 bis 14 gezeigt. In einigen Ausführungsformen kann eine Vielzahl von Batteriezellen in einem Gehäuse, Rahmen oder einer Ummantelung zu einem Batteriepack (nicht gezeigt) zusammengesetzt, verpackt oder angeordnet werden. In derartigen Ausführungsformen kann das Batteriepack kein Batteriemodul einschließen (z. B. modulfrei). Zum Beispiel kann das Batteriepack eine „modulfreie“ oder „Zelle-zu-Pack“-Konfiguration aufweisen, wobei die Batteriezellen direkt in einem Batteriepack ohne Anordnung in einem Batteriemodul angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen können die Batteriezellen des Batteriepacks elektrisch verbunden sein, um eine Menge elektrischer Energie zu erzeugen, die einem anderen System (z. B. einem Elektrofahrzeug) bereitgestellt wird.
Die Batteriemodule eines Batteriepacks können elektrisch verbunden sein, um eine Menge elektrischer Energie zu erzeugen, die einem anderen System (z. B. einem Elektrofahrzeug) bereitgestellt wird. Das Batteriepack kann auch verschiedene Steuerungs- und/oder Schutzsysteme einschließen, wie ein Wärmetauschersystem (z. B. ein Kühlsystem), das konfiguriert ist, um die Temperatur des Batteriepacks (und der einzelnen Module und Batteriezellen) zu regeln, und ein Batteriemanagementsystem, das konfiguriert ist, um z. B. die Spannung des Batteriepacks zu steuern. In einigen Ausführungsformen kann ein Batteriepackgehäuse, ein Rahmen oder eine Ummantelung eine Abschirmung an der Unterseite oder unterhalb der Batteriemodule einschließen, um die Batteriemodule vor äußeren Einflüssen zu schützen. In einigen Ausführungsformen kann ein Batteriepack mindestens einen Wärmetauscher einschließen (z. B. eine Kühlleitung, die konfiguriert ist, um Fluid durch das Batteriepack oder eine Kühlplatte als Teil einer Wärme-/Temperatursteuerung oder eines Wärmeaustauschs zu verteilen).
In einigen Ausführungsformen können Batteriemodule Strom oder elektrische Leistung von den einzelnen Batteriezellen, aus denen die Batteriemodule bestehen, sammeln und den Strom oder die elektrische Leistung als Ausgangsleistung des Batteriepacks bereitstellen. Die Batteriemodule können eine beliebige Anzahl von Batteriezellen einschließen und das Batteriepack kann eine beliebige Anzahl von Batteriemodulen einschließen. Zum Beispiel kann das Batteriepack ein, zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf oder eine andere Anzahl von Batteriemodulen aufweisen, die in dem Gehäuse/Rahmen/der Ummantelung angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann ein Batteriemodul mehrere Submodule einschließen In einigen Ausführungsformen können diese Submodule durch einen Wärmetauscher getrennt sein, der konfiguriert ist, um die Temperatur des einzelnen Batteriemoduls zu regeln oder zu steuern. Zum Beispiel kann ein Batteriemodul ein oberes Batterie-Submodul und ein unteres Batterie-Submodul einschließen. Diese Submodule können durch einen Wärmetauscher wie eine Kühlplatte zwischen dem oberen und dem unteren Batterie-Submodul getrennt sein.
Die Batteriepacks sind in allen Formen und Größen erhältlich. Zum Beispiel veranschaulicht 12 bis 14 drei unterschiedlich geformte Batteriepacks 820. Wie in 12 bis 14 gezeigt, können die Batteriepacks 820 eine Vielzahl von Bereichen, Schlitzen, Haltern, Behältern usw. zum Positionieren der Batteriemodule einschließen oder definieren. Die Batteriemodule sind in allen Formen und Größen erhältlich. Zum Beispiel können die Batteriemodule quadratisch, rechteckig, rund, dreieckig, symmetrisch oder asymmetrisch sein. In einigen Beispielen können Batteriemodule in einem einzelnen Batteriepack unterschiedlich geformt sein. Ähnlich kann das Batteriemodul eine Vielzahl von Bereichen, Schlitzen, Haltern, Behältern usw. für die Vielzahl von Batteriezellen einschließen oder definieren.
15 veranschaulicht ein Beispiel einer Querschnittsansicht 1500 eines Elektrofahrzeugs 1505, das mindestens ein Batteriepack 820 einschließt. Elektrofahrzeuge können, ohne darauf beschränkt zu sein, Elektro-Trucks, Elektro-SUVs (Sport Utility Vehicles), Elektro-Lieferwagen, Elektro-Automobile, Elektroautos, Elektromotorräder, Elektroroller, Elektro-Pkw, Elektro-Pkw oder -Nutzfahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder andere Fahrzeuge wie See- oder Lufttransportfahrzeuge, Flugzeuge, Hubschrauber, U-Boote, Boote oder Drohnen einschließen. Elektrofahrzeuge können vollelektrisch oder teilweise elektrisch sein (z. B. Plug-in-Hybrid), und ferner können Elektrofahrzeuge vollständig autonom, teilweise autonom oder unbemannt sein. Zusätzlich können Elektrofahrzeuge auch von Menschen betrieben werden oder nicht autonom sein.
Elektrofahrzeuge 1505 können mit einem Batteriepack 820 ausgestattet sein, das Batteriemodule 810 mit Batteriezellen (900, 1000 und/oder 1100) zur Versorgung der Elektrofahrzeuge einschließt. Das Elektrofahrzeug 1505 kann ein Chassis 1525 (z. B. einen Rahmen, einen inneren Rahmen oder eine Stützstruktur) einschließen. Das Chassis 1525 kann verschiedene Komponenten des Elektrofahrzeugs 1505 stützen. In einigen Ausführungsformen kann sich das Chassis 1525 über einen vorderen Abschnitt 1530 (z. B. einen Motor- oder Kühlerhaubenabschnitt), einen Karosserieabschnitt 1535 und einen hinteren Abschnitt 1540 (z. B. einen Kofferraum-, Nutzlast- oder Gepäckraumabschnitt) des Elektrofahrzeugs 1505 ziehen. Das Batteriepack 820 kann innerhalb des Elektrofahrzeugs 1505 installiert oder platziert sein. Zum Beispiel kann das Batteriepack 820 an dem Chassis 1525 des Elektrofahrzeugs 1505 innerhalb eines oder mehrerer des vorderen Abschnitts 1530, des Karosserieabschnitts 1535 oder des hinteren Abschnitts 1540 installiert sein. In einigen Ausführungsformen kann das Batteriepack 820 mindestens eine Sammelschiene, z. B. ein Stromabnehmerelement, einschließen oder mit dieser verbunden sein. Zum Beispiel können die erste Sammelschiene 1545 und die zweite Sammelschiene 1550 elektrisch leitendes Material einschließen, um das Batteriepack 820 (und/oder die Batteriemodule 810 oder die Batteriezellen 900, 1000 und/oder 1100) mit anderen elektrischen Komponenten des Elektrofahrzeugs 1505 zu verbinden oder anderweitig elektrisch zu koppeln, um verschiedene Systeme oder Komponenten des Elektrofahrzeugs 1505 mit elektrischer Leistung zu versorgen. In einigen Ausführungsformen kann das Batteriepack 820 zudem als Energiespeicherungssystem zur Versorgung eines Gebäudes, z. B. eines Wohn- oder Geschäftshauses, anstelle eines Elektrofahrzeugs oder zusätzlich zu diesem verwendet werden.
Sofern nicht anders definiert, haben alle Begriffe der Technik, Notationen und andere technische und wissenschaftliche Begriffe oder Terminologien, die hierin verwendet werden, dieselbe Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich der beanspruchte Gegenstand bezieht, gemeinhin verstanden wird. In einigen Fällen werden hierin Begriffe mit allgemein verständlicher Bedeutung aus Gründen der Klarheit und/oder zur leichteren Bezugnahme definiert, und die Aufnahme solcher Definitionen ist nicht notwendigerweise so auszulegen, dass sie einen wesentlichen Unterschied zu dem darstellen, was im Allgemeinen im Stand der Technik verstanden wird.
Die Bezugnahme auf „etwa“ einen Wert oder Parameter schließt hierin Variationen ein (und beschreibt sie), die sich auf diesen Wert oder Parameter an sich beziehen. Zum Beispiel schließt die Beschreibung unter Bezugnahme auf „etwa X“ die Beschreibung von „X“ ein. Darüber hinaus bedeutet die Bezugnahme auf die Ausdrücke „kleiner als“, „größer als“, „höchstens“, „mindestens“, „kleiner als oder gleich“, „größer als oder gleich“ oder andere vergleichbare Ausdrücke, auf die eine Reihe von Werten oder Parametern folgt, dass der Ausdruck auf jeden Wert oder Parameter in der Reihe von Werten oder Parametern angewendet wird.
Diese Anmeldung offenbart mehrere numerische Bereiche im Text und in den Figuren. Die offenbarten numerischen Bereiche unterstützen grundsätzlich jeden Bereich oder Wert innerhalb der offenbarten numerischen Bereiche, einschließlich der Endpunkte, auch wenn eine genaue Einschränkung des Bereichs in der Patentschrift nicht wörtlich angegeben ist, da diese Offenbarung in allen offenbarten numerischen Bereichen praktiziert werden kann.
Hierin ist „oder“ einschließend und nicht ausschließend, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angezeigt wird oder sich aus dem Kontext etwas anderes ergibt. Daher bedeutet „A oder B“ hierin „A, B oder beides“, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angezeigt wird oder sich aus dem Kontext etwas anderes ergibt. Außerdem bedeutet „und“ sowohl zusammen als auch einzeln, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angezeigt wird oder sich aus dem Kontext etwas anderes ergibt. Daher bedeutet „A und B“ hierin „A und B, zusammen oder einzeln“, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angezeigt wird oder sich aus dem Kontext etwas anderes ergibt.
Der Schutzumfang dieser Offenbarung umfasst alle Änderungen, Substitutionen, Variationen, Abwandlungen und Modifikationen der hierin beschriebenen oder veranschaulichten Ausführungsformen, die ein Durchschnittsfachmann verstehen würde. Der Schutzumfang dieser Offenbarung ist nicht auf die hierin beschriebenen oder veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt. Auch wenn diese Offenbarung die jeweiligen Ausführungsformen hierin so beschreibt und veranschaulicht, dass sie bestimmte Komponenten, Elemente, Merkmale, Funktionen, Vorgänge oder Schritte einschließen, kann jede dieser Ausführungsformen zudem jede beliebige Kombination oder Permutation beliebiger der hierin beschriebenen oder veranschaulichten Komponenten, Elemente, Merkmale, Funktionen, Vorgänge oder Schritte einschließen, die ein Durchschnittsfachmann verstehen würde. Außerdem umfasst die Bezugnahme in den beigefügten Ansprüchen auf eine Einrichtung oder ein System oder eine Komponente einer Einrichtung oder eines Systems, die/das dazu angepasst, eingerichtet, in der Lage, konfiguriert, befähigt, betreibbar oder betriebsbereit ist, eine bestimmte Funktion durchzuführen, diese Einrichtung, dieses System, diese Komponente, unabhängig davon, ob es/sie oder diese bestimmte Funktion aktiviert, eingeschaltet oder entsperrt ist oder nicht, solange diese Einrichtung, dieses System oder diese Komponente dazu angepasst, eingerichtet, in der Lage, konfiguriert, befähigt, betreibbar oder betriebsbereit ist. Auch wenn diese Offenbarung bestimmte Ausführungsformen so beschreibt oder veranschaulicht, dass sie bestimmte Vorteile bereitstellen, können bestimmte Ausführungsformen zudem keine, einige oder alle dieser Vorteile bereitstellen.

Claims

Lithium-Ionen-Batterie, umfassend: eine positive Elektrode, umfassend ein erstes leitendes Mittel, umfassend eine oder mehrere oxidhaltige Funktionsgruppen.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei das erste leitende Mittel umfasst: Graphen, Graphit, Graphenoxid, Graphitoxid, reduziertes Graphenoxid, einwandige Nanoröhren, mehrwandige Nanoröhren oder eine Kombination davon.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode ein zweites leitendes Mittel umfasst.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 3, wobei ein Gewichtsverhältnis des zweiten leitenden Mittels zu dem ersten leitenden Mittel 2:1 bis 9:1 beträgt.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 3, wobei das erste leitende Mittel mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren umfasst, das zweite leitende Mittel mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren umfasst, oder eine Kombination davon.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 3, wobei das erste leitende Mittel einzelwandige Kohlenstoffnanoröhren umfasst, das zweite leitende Mittel einzelwandige Kohlenstoffnanoröhren umfasst, oder eine Kombination davon.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei das erste leitende Mittel funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhrchen umfasst.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 7, wobei eine Flockengröße von Graphenoxid, die zum Bilden der funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhrchen des ersten leitenden Mittels verwendet wird, von 0,1 bis 25 µm beträgt.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 7, wobei eine Flockengröße von Graphenoxid, die zum Bilden der funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhrchen des ersten leitenden Mittels verwendet wird, von 0,1 bis 2 µm beträgt.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 7, wobei ein Verhältnis zwischen Flockengröße von Graphenoxid, das zum Bilden der funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhrchen des ersten leitenden Mittels verwendet wird, und einer Teilchengröße eines aktiven Materials 2:1 bis 40:1 beträgt.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren oxidhaltigen Funktionsgruppen konfiguriert sind, um mit Manganionen zu reagieren.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren oxidhaltigen Funktionsgruppen konfiguriert sind, um mit Restwasser zu reagieren.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren oxidhaltigen Funktionsgruppen konfiguriert sind, um mit Fluorwasserstoff zu reagieren.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren oxidhaltigen Funktionsgruppen konfiguriert sind, um mit Stickstoffionen, Phosphorionen, Schwefelionen oder einer Kombination davon zu reagieren.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode LMFP, LMO, LiMO₂, Li_1+xM_1-xO₂ und Li₂MnO₃ oder eine Kombination davon umfasst.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren oxidhaltigen Funktionsgruppen eine Carbonyl-Funktionsgruppe, eine Carboxyl-Funktionsgruppe, eine Epoxid-Funktionsgruppe, eine Hydroxyl-Funktionsgruppe oder eine Kombination davon umfassen.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode 90 bis 99 Gew.-% aktives Material, 0,5 bis 5 Gew.-% leitendes Mittel und 0,5 bis 5 Gew.-% Bindemittel umfasst.
Elektrofahrzeugsystem, umfassend die Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1.
Verfahren zum Herstellen einer Kathode, wobei das Verfahren umfasst: Mischen eines ersten leitenden Mittels, eines Bindemittels, eines Lösungsmittels, eines aktiven Materials und eines zweiten leitenden Mittels, um eine Elektrodenaufschlämmung zu bilden, wobei das erste leitende Mittel eine oder mehrere oxidhaltige Funktionsgruppen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das erste leitende Mittel der Mischung nach dem Mischen des zweiten leitenden Mittels, des Bindemittels, dann des Lösungsmittels und des aktiven Materials hinzugegeben wird.