DE112012004444T5 - Hochspannungs-Lithium-Polymer-Batterien für tragbare elektronische Vorrichtungen - Google Patents

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Abstract

Die offenbarten Ausführungsformen stellen eine Lithium-Polymer-Batteriezelle bereit. Die Lithium-Polymer-Batteriezelle umfasst eine Anode und eine Kathode, welche Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel enthält, welche mit einem Dotiermittel dotiert sind. Die Lithium-Polymer-Batteriezelle umfasst auch eine Tasche, welche die Anode und die Kathode umschließt, wobei die Tasche flexibel ist. Die Kathode kann es einer Ladespannung der Lithium-Polymer-Batteriezelle erlauben größer als 4,25 V zu sein.

Description

  • Hintergrund
  • Gebiet
  • Die vorliegenden Ausführungsformen beziehen sich auf Batterien für tragbare elektronische Vorrichtungen. Genauer beziehen sich die vorliegenden Ausführungsform auf das Design und die Herstellung von Hochspannungs-Lithium-Polymer-Batterien für tragbare elektronische Vorrichtungen.
  • Verwandte Technik
  • Wiederaufladbare Batterien werden derzeit verwendet zum Bereitstellen von Leistung an eine breite Vielzahl von tragbaren elektronischen Vorrichtungen einschließlich Laptop Computern, Tablet Computern, Mobiltelefonen, persönlichen digitalen Assistenten (PDAs), tragbaren Mediaplayern und/oder Digitalkameras. Der am häufigsten verwendete Typ von wiederaufladbarer Batterie ist eine Lithiumbatterie, welche eine Lithiumionen- oder Lithium-Polymer-Batterie umfassen kann.
  • Lithium-Polymer-Batterien umfassen oft Zellen, welche in flexible Taschen gepackt sind. Solche Taschen sind typischerweise leicht und günstig herzustellen. Außerdem können diese Taschen zugeschnitten werden auf verschiedene Zelldimensionen, was es Lithium-Polymer-Batterien erlaubt, in raumbeschränkten tragbaren elektronischen Vorrichtungen verwendet zu werden, wie beispielsweise Mobiltelefonen, Laptop-Computern und/oder Digitalkameras. Zum Beispiel kann eine Lithium-Polymer-Batterie eine Packeffizienz von 90 bis 95% erreichen durch Umschließen gerollter Elektroden und Elektrolyten in einer aluminisierten laminierten Tasche. Mehrere Taschen können dann Seite-an-Seite innerhalb einer tragbaren elektronischen Vorrichtung platziert werden und elektrisch in Serie und/oder parallel gekoppelt werden, um eine Batterie für die tragbare elektronische Vorrichtung zu bilden.
  • Während des Betrieb kann die Kapazität einer Lithium-Polymer-Batterie im Zeitverlauf abnehmen durch eine Erhöhung in der internen Impedanz, durch Elektroden- und/oder Elektrolytverschlechterung, durch exzessive Hitze und/oder durch abnormale Verwendung. Zum Beispiel kann Oxidation des Elektrolyten und/oder Verschlechterung des Kathoden- und Anodenmaterials innerhalb einer Batterie verursacht werden durch wiederholte Lade-Entladezyklen und/oder Alter, was wiederum eine graduelle Reduktion der Kapazität der Batterie verursachen kann. Da die Batterie fortfährt zu altern und sich zu verschlechtern, kann sich die Rate der Reduktion der Kapazität erhöhen, insbesondere, wenn die Batterie kontinuierlich bei einer hohen Ladespannung geladen wird und/oder bei einer hohen Temperatur betrieben wird.
  • Die fortgesetzte Verwendung einer Lithium-Polymer-Batterie im Zeitverlauf kann auch ein Anschwellen der nicht-starren Zellen der Batterie erzeugen und eventuell die Batterie veranlassen, die bestimmten maximalen physischen Dimensionen der tragbaren elektronischen Vorrichtung zu überschreiten. Außerdem können konventionelle Batterieüberwachungsmechanismen keine Funktionalität umfassen zum Verwalten des Anschwellens der Batterie. Als ein Ergebnis kann ein Benutzer der Vorrichtung so lange nichts von dem Anschwellen und/oder der Verschlechterung der Batterie wissen, bis das Anschwellen in physischem Schaden der Vorrichtung resultiert.
  • Daher ist das, was benötigt wird, ein Mechanismus zum Minimieren des Anschwellens und zum Verbessern der Kapazitätserhaltung bei Hochspannungs-Lithium-Polymer-Batterien für tragbare elektronische Vorrichtungen.
  • Zusammenfassung
  • Die offenbarten Ausführungsformen stellen eine Lithium-Polymer-Batteriezelle bereit. Die Lithium-Polymer-Batteriezelle umfasst eine Anode und eine Kathode, welche Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel enthalten, welche mit einem Dotiermittel dotiert sind. Die Lithium-Polymer-Batteriezelle umfasst auch eine Tasche, welche die Anode und die Kathode umschließt, wobei die Tasche flexibel ist. Die Kathode kann einer Ladespannung der Lithium-Polymer-Batteriezelle erlauben, größer als 4,25 V zu sein.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Dotiermittel ein Element oder eine Verbindung von Magnesium, Titan, Zink, Silizium, Aluminium, Zirkonium, Vanadium, Mangan oder Niobium. Die Verbindung kann einem Oxid, einem Phosphat und/oder einem Fluorid entsprechen. Der kombinierte Inhalt des Dottermittels und der Schutzchemikalie in der Kathode kann größer als 0,02% und geringer als 0,8% sein, unter Verwendung einer Technik, wie beispielsweise einer induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometer-(ICP-MS)-Technik.
  • In einigen Ausführungsformen haben die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel eine mittlere Partikelgröße (D50) von zwischen 5 μm und 25 μm.
  • In einigen Ausführungsformen sind die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel weiter mit einer Schutzchemikalie beschichtet.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Schutzchemikalie ungefähr 200 nm dick. Die Schutzchemikalie kann auch ein Oxid, ein Phosphat und Fluorid umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Batteriezelle auch ein Elektrolyt, welches Elektrolytadditive enthält. Die Elektrolytadditive können Ethylenkarbonat, Vinylacetat, Vinylethylenkarbonat, Thiophen, 1,3-Propansulton, Bernsteinsäureanhydrid und ein Dinitriladditiv umfassen.
  • Das Dinitriladditiv kann Malononitril, Succinonitril, Glutanonitril, Adiponitril und/oder Phthalonitril sein.
  • In einigen Ausführungsformen ist der Inhalt der Dinitriladditive weniger als 5 Gew.-% des Elektrolyts.
  • In einigen Ausführungsformen ist der Wasseranteil in der Zelle weniger als 200 parts per million (ppm), vorzugsweise weniger als 20 ppm.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Tasche weniger als 120 μm dick.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Ansicht von oben nach unten einer Batteriezelle gemäß den offenbarten Ausführungsformen.
  • 2 zeigt einen Satz von Schichten für eine Batteriezelle gemäß den offenbarten Ausführungsformen.
  • 3 zeigt ein Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel für eine Kathode einer Batteriezelle gemäß den offenbarten Ausführungsformen.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm, welches den Prozess des Herstellens einer Batteriezelle gemäß den offenbarten Ausführungsformen zeigt.
  • 5 zeigt eine tragbare elektronische Vorrichtung gemäß den offenbarten Ausführungsformen.
  • In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Figurenelemente.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die folgende Beschreibung wird dargestellt, um einem Fachmann zu ermöglichen, die Ausführungsformen herzustellen und zu verwenden, und ist im Zusammenhang mit einer speziellen Anwendung und ihren Erfordernissen bereitgestellt. Verschiedene Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen werden sogleich dem Fachmann klar sein und die hierin definierten allgemeinen Prinzipien können auf andere Ausführungsformen und Anwendungen angewendet werden, ohne von dem Geist und dem Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Somit ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt auf die gezeigten Ausführungsformen, sondern wird dem weitesten Geltungsbereich zuteil, konsistent mit den Prinzipien und den Merkmalen, welche hierin offenbart sind.
  • Die Datenstrukturen und der Code, welche in dieser detaillierten Beschreibung beschrieben sind, werden typischerweise auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert, welches irgendeine Vorrichtung oder irgendein Medium sein kann, welches Code und/oder Daten zur Verwendung durch ein Computersystem speichern kann. Das computerlesbare Speichermedium umfasst, aber ist nicht beschränkt auf, flüchtigen Speicher, nicht-flüchtigen Speicher, magnetische und optische Speichervorrichtungen, wie beispielsweise Festplattenlaufwerke, magnetische Bandlaufwerke, CDs (Compact Discs), DVDs (Digital Versatile Discs oder Digital Video Discs), oder andere Medien, welche fähig sind, Code und/oder Daten zu speichern, welche nun bekannt sind oder später entwickelt werden.
  • Die Verfahren und Prozesse, welche in dem detaillierten Beschreibungsabschnitt beschrieben sind, können als Code und/oder Daten verkörpert sein, welche in einem computerlesbaren Speichermedium, wie oben beschrieben, gespeichert werden können. Wenn ein Computersystem den Code und/oder die Daten liest und ausführt, welche auf dem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sind, führt das Computersystem die Verfahren und Prozesse, welche als Datenstrukturen und Code verkörpert sind und innerhalb des computerlesbaren Speichermediums gespeichert sind, aus.
  • Des Weiteren können die hierin beschriebenen Verfahren und Prozesse in Hardwaremodulen oder Geräten umfasst sein. Diese Module oder Geräte können umfassen, aber sind nicht beschränkt auf, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis-(application specific integrated circuit, ASIC)-Chip, ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), einen dedizierten oder geteilten Prozessor, welcher ein spezielles Softwaremodul oder einen Teil von Code zu einer speziellen Zeit ausführt, und/oder andere programmierlogische Vorrichtungen, welche nun bekannt sind oder später entwickelt werden. Wenn die Hardwaremodule oder Geräte aktiviert werden, führen sie die Verfahren und Prozesse, welche innerhalb von ihnen umfasst sind, aus.
  • Die offenbarten Ausführungsformen beziehen sich auf das Design und die Herstellung einer Lithium-Polymer-Batteriezelle. Die Batteriezelle kann einen Satz von Schichten enthalten, einschließlich einer Kathode, einem Separator und einer Anode. Die Schichten können gewickelt sein, um eine Jelly Roll zu erzeugen und in eine flexible Tasche abgedichtet sein, um die Batteriezelle zu bilden.
  • Genauer beziehen sich die offenbarten Ausführungsformen auf das Design und die Herstellung einer Hochspannungs-Lithium-Polymer-Batteriezelle für tragbare elektronische Vorrichtungen, wie beispielsweise Laptop Computer, Tablet Computer, Mobiltelefone, tragbare Mediaplayer und/oder Digitalkameras. Die Hochspannungs-Lithium-Polymer-Batteriezelle kann eine Ladespannung von größer als 4,25 V aufweisen.
  • Um ein Anschwellen und Kapazitätsverlust zu verhindern, welche mit der gesteigerten Ladespannung assoziiert sind, kann die Kathode der Hochspannungs-Lithium-Polymer-Batteriezelle Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel umfassen, welche mit einem Dotiermittel dotiert sind, um die kristalline Struktur der Partikel zu stabilisieren. Das Dotiermittel kann ein Element und/oder eine Verbindung von Magnesium, Titan, Zink, Silizium, Aluminium, Zirkonium, Vanadium, Mangan und/oder Niobium umfassen. Die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel können auch mit einer Schutzchemikalie beschichtet sein, wie beispielsweise einem Oxid, einem Fluorid und/oder einem Phosphat. Der kombinierte Anteil der Schutzchemikalie und/oder des Dottermittels in der Kathode kann zwischen 0,02% und 0,8% sein unter Verwendung einer Technik, wie beispielsweise einer induktiv-gekoppelten Plasmamassenspektrometer-(ICP-MS)-Technik. Die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel können eine mittlere Partikelgröße (D50) von zwischen 5 μm und 25 μm aufweisen, und die Beschichtung der Schutzchemikalie kann ungefähr 200 Nanometer dick sein.
  • Um das Anschwellen und/oder die Verschlechterung, welche mit einer höheren Ladespannung assoziiert sind, wettzumachen, kann das Elektrolyt der Hochspannungs-Lithium-Polymer-Batteriezelle Elektrolytadditive enthalten, wie beispielsweise Ethylenkarbonat, Vinylacetat, Vinylethylenkarbonat, Thiophen, 1,3-Propansultone, Bernsteinsäureanhydrid, und/oder Dinitriladditive (z. B. Malonitril, Succinonitril, Glutanonitril, Adiponitril und/oder Phthalonitril usw.). Der Dinitrilanteil des Elektrolyts kann geringer als 5 Gew.-% des Elektrolyts sein. Außerdem kann der Wasseranteil in der Zelle geringer als 200 parts per million (ppm) sein, vorzugsweise geringer als 20 ppm. Die Kombination der Kathoden- und Elektrolytmaterialien in der Hochspannungs-Lithium-Polymer-Batteriezelle können die Anschwellrate und den Kapazitätsverlust der Batteriezelle bei der höheren Ladespannung reduzieren, selbst wenn die Batteriezelle bei hohen Temperaturen betrieben wird und/oder gelagert wird.
  • 1 zeigt eine Ansicht von oben nach unten einer Batteriezelle 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Batteriezelle 100 kann einer Lithium-Polymer-Batteriezelle entsprechen, welche verwendet wird, um eine tragbare elektronische Vorrichtung mit Leistung zu versorgen. Die Batteriezelle 100 umfasst eine Jelly Roll 102, welche eine Anzahl von Schichten enthält, die zusammengewickelt sind, einschließlich einer Kathode mit einer aktiven Beschichtung, einem Separator und einer Anode mit einer aktiven Beschichtung. Genauer kann die Jelly Roll 102 einen Streifen von Kathodenmaterial (z. B. Aluminiumfolie, welche mit einer Lithiumverbindung beschichtet ist) und einen Streifen von Anodenmaterial (z. B. Kupferfolie, welche mit Karbon beschichtet ist) getrennt durch einen Streifen von separatem Material (z. B. leitendes Polymerelektrolyt). Die Kathoden-, Anoden- und die Separatorschichten können dann auf einer Spindel gewickelt werden, um eine spiralförmig gewickelte Struktur zu bilden. Jelly Rolls sind in der Technik wohl bekannt und werden nicht weiter beschrieben werden.
  • Während des Zusammensetzens der Batteriezelle 100 wird die Jelly Roll 102 in einer flexiblen Tasche umschlossen, welche gebildet wird durch Falten eines flexiblen Blechs entlang einer Faltlinie 112. Zum Beispiel kann das flexible Blech aus Aluminium mit einem Polymerfilm hergestellt sein, wie beispielsweise Polypropylen. Nachdem das flexible Blech gefaltet worden ist, kann das flexible Blech abgedichtet werden, z. B. durch Anwenden von Hitze entlang einer Seitenabdichtung 110 und entlang einer terrassenförmigen Abdichtung 108. Die flexible Tasche kann geringer als 120 μm dick sein, um die Packeffizienz und/oder die Energiedichte der Batteriezelle 100 zu verbessern.
  • Die Jelly Roll 102 umfasst auch einen Satz von leitfähigen Flachsteckern 106, welche mit der Kathode und der Anode gekoppelt sind. Die leitfähigen Flachstecker 106 können sich durch die Abdichtungen in der Tasche erstrecken, z. B. gebildet unter Verwendung von Abdichtungstape 104, um Anschlüsse für die Batteriezelle 100 bereitzustellen. Die leitfähigen Flachstecker 106 können dann zum elektrischen Koppeln der Batteriezelle 100 mit ein oder mehreren anderen Batteriezellen verwendet werden, um ein Batteriesatz (battery pack) zu bilden. Zum Beispiel kann der Batteriesatz durch Koppeln der Batteriezellen in Serie, parallel oder in einer Serien- und Parallel-Konfiguration gebildet werden. Die gekoppelten Zellen können in einer Hartschale (hard case) umschlossen sein, um den Batteriesatz zu vervollständigen, oder die gekoppelten Zellen können innerhalb des Gehäuses einer tragbaren elektronischen Vorrichtung eingebettet sein, wie beispielsweise einem Laptop Computer, Tablet Computer, Mobiltelefon, persönlichen digitalen Assistenten (PDA), Digitalkamera und/oder tragbaren Mediaplayer.
  • Dem Fachmann ist klar, dass Reduktionen der Batteriekapazität aus Faktoren resultieren können, wie beispielsweise Alter, Verwendung, Defekten, Hitze und/oder Schaden. Des Weiteren kann eine Verringerung der Batteriekapazität über eine bestimmte Schwelle hinaus (z. B. unter 80% der ursprünglichen Kapazität) begleitet werden durch ein Anschwellen der Batterie, welches die tragbare elektronische Vorrichtung beschädigt oder verzerrt.
  • Insbesondere kann das Laden und Entladen der Batteriezelle 100 eine Reaktion der Elektrolyte mit dem Kathodenmaterial verursachen, was zu der Oxidation der Elektrolyte und/oder der Verschlechterung des Kathodenmaterials führt. Die Reaktion kann sowohl die Kapazität der Batteriezelle 100 verringern als auch ein Anschwellen verursachen durch Vergrößerung der Kathode und/oder von Gas, welches innerhalb der Batteriezelle 100 gebildet wird. Außerdem kann die Reaktion beschleunigt werden, wenn die Batteriezelle 100 bei hohen Temperaturen betrieben wird und/oder kontinuierlich bei hohen Ladespannungen geladen wird. Zum Beispiel kann eine Lithium-Polymer-Batteriezelle 100, welche bei 25° Celsius betrieben wird und/oder bei 4.2 V geladen wird, 80% der ursprünglichen Kapazität erreichen und sich in der Dicke um 8% vergrößern, nach 1050 Lade-Entladezylden. Jedoch kann die Verwendung der gleichen Batteriezelle 100 bei 45° Celsius und/oder einer Ladespannung von 4,3 V die Kapazität auf 70% der ursprünglichen Kapazität verringern und das Anschwellen auf 10% erhöhen nach 1050 Lade-Entladezyklen.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen entspricht die Batteriezelle 100 einer Hochspannungs-Lithium-Polymer-Batteriezelle mit einer Ladespannung von größer als 4,25 V. Des Weiteren können die Kathoden- und Separator-(z. B. Elektrolyt)-Materialien der Batteriezelle 100 ausgewählt werden, um ein Anschwellen und Kapazitätsverlust in der Batteriezelle 100 bei höheren Ladespannungen zu minimieren und können weiter den Betrieb und/oder die Lagerung der Batteriezelle 100 bei hohen Temperaturen ermöglichen. Die Materialien der Batteriezelle 100 werden weiter detailliert unten beschrieben werden.
  • 2 zeigt einen Satz von Schichten für eine Batteriezelle (z. B. Batteriezelle 100 der 1) gemäß den offenbarten Ausführungsformen. Die Schichten können einen Kathodenstromsammler 202, ein aktive Beschichtung 204 der Kathode, einen Separator 206, eine aktive Beschichtung 208 der Anode und einen Anodenstromsammler 210 umfassen. Der Kathodenstromsammler 202 und die aktive Beschichtung 204 der Kathode können eine Kathode für die Batteriezelle bilden und der Anodenstromsammler 210 und die aktive Beschichtung 208 der Anode können eine Anode für die Batteriezelle bilden. Die Schichten können gewickelt werden, um eine Jelly Roll für die Batteriezelle zu bilden, wie beispielsweise Jelly Roll 102 der 1.
  • Wie oben erwähnt kann der Kathodenstromsammler 202 Aluminiumfolie sein, die aktive Beschichtung 204 der Kathode kann eine Lithium-Verbindung sein, der Anodenstromsammler 210 kann Kupferfolie sein, die aktive Beschichtung 208 der Anode kann Kohlenstoff sein und der Separator 206 kann ein leitendes Polymerelektrolyt umfassen. Genauer kann die aktive Beschichtung 204 der Kathode Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel umfassen, welche mit einer Schutzchemikalie beschichtet sind. Die Schutzchemikalie kann das Anschwellen und/oder den Kapazitätsverlust abschwächen, welche durch die Reaktion der aktiven Beschichtung 204 der Kathode mit dem Elektrolyt in dem Separator 206 während des Ladens und/oder des Entladens der Batteriezelle verursacht werden. Die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel können zusätzlich mit einem Dottermittel dotiert sein, um die kristalline Struktur der Partikel zu stabilisieren. Die Schutzchemikalie und/oder das Dottermittel können ein Element und/oder eine Verbindung von Magnesium, Titan, Zink, Silizium, Aluminium, Zirkonium, Vanadium, Mangan und/oder Niobium umfassen. Die Verbindung kann einem Oxid, einem Fluorid und/oder einem Phosphat entsprechen. Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel zur Verwendung in Kathoden von Lithium-Polymer-Batteriezellen werden detaillierter unten mit Verweis auf 3 diskutiert.
  • Das Elektrolyt im Separator 206 kann Elektrolytadditive enthalten, wie beispielsweise Ethylenkarbonat, Vinylacetat, Vinylethylenkarbonat, Thiophen, 1,3-Propansulton und/oder Bernsteinsäureanhydrid. Um die Verschlechterung weiter auszugleichen, welche mit dem Laden und/oder Entladen der Batteriezelle assoziiert ist, kann das Elektrolyt auch ein Dinitriladditiv enthalten (z. B. Malonitril, Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril, Phthalonitril, usw.), welches die Temperaturstabilität der Batteriezelle erhöht. Zum Beispiel kann das Einbeziehen von weniger als 5 Gew.-% eines Dinitriladditivs in dem Elektrolyt und weniger als 200 ppm Wasser (z. B. weniger als 20 ppm) in der Batteriezelle das Anschwellen und/oder den Kapazitätsverlust in der Batteriezelle innerhalb akzeptabler Schranken halten, selbst wenn die Batteriezelle bei hohen Temperaturen (z. B. 45°C) betrieben wird und/oder bei hohen Temperaturen (z. B. 65° bis 85°C) gelagert wird.
  • Die Materialien in den Schichten der Batteriezelle können somit der Batteriezelle erlauben, sicher bei höheren Ladespannungen als konventionelle Lithium-Polymer-Batteriezellen betrieben zu werden. Zum Beispiel kann die Kombination der beschichteten und/oder dotierten Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel in der Kathode, die Dinitriladditive in dem Elektrolyt und/oder der Wasseranteil in der Zelle das Anschwellen in der Batteriezelle auf weniger als 10% unter Lagerbedingungen von 60°C für 500 Stunden bei 100% Ladezustand und/oder 85°C für sechs Stunden bei 100% Ladezustand halten. Die gleiche Batteriezelle kann mehr als 80% Kapazitätserhalt und weniger als 10% Anschwellen nach 1000 Lade-Entladezyklen bei 25°C umfassen.
  • 3 zeigt ein Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel 302 für eine Kathode einer Batteriezelle gemäß den offenbarten Ausführungsformen. Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel 302 kann eine D50 haben von zwischen 5 μm und 25 μm. Wie in 3 gezeigt kann das Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel 302 mit einem Dotiermittel 306 dotiert sein. Das Dotiermittel 306 kann die kristalline Struktur des Lithium-Kobalt-Oxid-Partikels 302 während des Ladens und/oder Entladens der Batteriezelle stabilisieren.
  • Das Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel 302 kann auch mit einer Schutzchemikalie 304 beschichtet sein (z. B. unter Verwendung einer Lösungsphasenreaktion, Solid-State-Beschichtung, mechanischem Schleifen usw.). Die Schutzchemikalie 304 kann ungefähr 200 Nanometer dick sein und die Rate reduzieren, bei welcher das Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel 302 mit Elektrolyt während des Ladens und/oder Entladen der Batteriezelle reagiert.
  • Das Dottermittel 306 und/oder die Schutzchemikalie 304 können die Elemente und/oder Verbindungen von Magnesium, Titan, Zink, Silizium, Aluminium, Zirkonium, Vanadium, Mangan und/oder Niobium umfassen. Die Verbindungen können Oxiden, Metallfluoriden und/oder Metallphosphaten entsprechen. Zusätzlich kann der kombinierte Anteil des Dotiermittels 306 und der Schutzchemikalie 304 in dem Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel 302 größer als 0,02%, aber weniger als 0,8% sein, wie gemessen durch eine Messtechnik, wie beispielsweise induktivgekoppelte Plasmamassenspektrometrie (ICP-MS).
  • Die Einbeziehung der Schutzchemikalie 304 und/oder des Dotiermittels 306 in dem Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel 302 kann die Verwendung des Lithium-Kobalt-Oxid-Partikels 302 in der Kathode einer Hochspannungs-Lithium-Polymer-Batteriezelle ermöglichen durch Ausgleichen des erhöhten Anschwellens und/oder des Kapazitätsverlusts, welcher mit einer höheren Ladespannung der Batteriezelle assoziiert ist. Zusätzlich können die Schutzchemikalie 304 und/oder das Dotiermittel 306 nicht dieselben Batterieleistungsvorteile mit anderen Typen von aktivem Material der Kathode bereitstellen, wie beispielsweise Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid oder Nickel-Lithium-Aluminium-Oxid. In anderen Worten können Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel (z. B. Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel 302), welche mit Schutzchemikalien beschichtet sind (z. B. Schutzchemikalie 304) und/oder mit Dotiermitteln dotiert sind (z. B. Dotiermittel 306) der einzige Typ von aktivem Material der Kathode sein, welches ausreichenden Schutz gegen Anschwellen und/oder Kathodenverschlechterung bereitstellt, welche mit hohen Ladespannungen in Lithium-Polymer-Batteriezellen assoziiert sind.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm, welches den Prozess des Herstellens einer Batteriezelle gemäß den offenbarten Ausführungsformen zeigt. In einer oder mehreren Ausführungsformen können ein oder mehrere der Schritte weggelassen, wiederholt und/oder in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden. Entsprechend sollten die spezifischen Anordnungen der Schritte, welche in 4 gezeigt sind, nicht als den Geltungsbereich der Ausführungsformen beschränkend ausgelegt werden.
  • Zunächst werden eine Kathode und eine Anode erhalten (Operation 402). Die Kathode kann Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel, welche mit einer Schutzchemikalie beschichtet sind und/oder mit einem Dotiermittel dotiert sind, enthalten. Die Schutzchemikalie und/oder das Dotiermittel können die Elemente und/oder Verbindungen von Magnesium, Titan, Zink, Silizium, Aluminium, Zirkonium, Vanadium, Mangan und/oder Niobium umfassen. Die Verbindungen können Oxiden, Metallfluoriden und/oder Metallphosphaten entsprechen. Außerdem kann der kombinierte Anteil des Dotiermittels und der Schutzchemikalie in der Kathode größer als 0,02%, aber geringer als 0,8% sein. Als nächstes werden die Kathode und die Anode in eine Tasche platziert (Operation 404). Die Tasche kann eine Schicht von entweder Polypropylen oder Polyethylen umfassen. Zusätzlich kann die Tasche eine Dicke von weniger als 120 μm haben.
  • Die Tasche wird dann mit Elektrolyt gefüllt, welches Elektrolytadditive enthält (Operation 406). Die Elektrolytadditive können Ethylenkarbonat, Vinylacetat, Vinylethylenkarbonat, Thiophen, 1,3-Propansulton, Bernsteinsäureanhydrid und/oder Dinitriladditive umfassen. Die Dinitriladditive können Nitril, Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril und Phthalonitril entsprechen und weniger als 5 Gew.-% des Elektrolyts ausmachen. Zusätzlich kann der Wasseranteil in der Zelle weniger als 200 ppm sein (z. B. vorzugsweise weniger als 20 ppm). Schließlich werden die Kathode und die Anode in der Tasche abgedichtet, um die Batteriezelle zu bilden (Operation 408). Eine Ladespannung von größer als 4,25 V kann dann mit der Batteriezelle verwendet werden, um eine Leistungsversorgung einer tragbaren elektronischen Vorrichtung von der Batteriezelle zu ermöglichen.
  • Die oben beschriebene wiederaufladbare Batteriezelle kann im Allgemeinen in jedem Typ einer elektronischen Vorrichtung verwendet werden. Zum Beispiel zeigt 5 eine tragbare elektronische Vorrichtung 500, welche einen Prozessor 502, einen Speicher 504 und eine Anzeige 508 umfasst, welche alle durch eine Batterie 506 mit Leistung versorgt werden. Die tragbare elektronische Vorrichtung 500 kann einem Laptop Computer, Mobiltelefon, PDA, Tablet Computer, tragbaren Mediaplayer, Digitalkamera und/oder anderem Typ von batteriebetriebener elektronischer Vorrichtung entsprechen. Die Batterie 506 kann einem Batteriesatz entsprechen, welcher ein oder mehrere Batteriezellen umfasst. Jede Batteriezelle kann eine Anode und eine Kathode, welche in einer flexiblen Tasche abgedichtet sind, umfassen. Die Kathode kann Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel enthalten, welche mit einer Schutzchemikalie beschichtet sind und/oder mit einem Dottermittel dotiert sind. Die Batteriezelle kann auch ein Elektrolyt umfassen, welches Elektrolytadditive enthält, wie z. B. Ethylenkarbonat, Vinylacetat, Vinylethylenkarbonat, Thiophen, 1,3-Propansulton, Bernsteinsäureanhydrid und/oder Dinitriladditive. Die Dinitriladditive können Malononitril, Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril und Phthalonitril umfassen. Zusätzlich kann die Batteriezelle weniger als 200 ppm Wasser enthalten.
  • Die vorangegangenen Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen sind nur zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt worden. Sie sollen nicht abschließend sein oder die vorliegende Erfindung auf die offenbarten Formen beschränken. Entsprechend werden dem Fachmann viele Modifikationen und Variationen klar sein. Zusätzlich soll die obige Offenbarung nicht die vorliegende Erfindung beschränken.

Claims (28)

  1. Lithium-Polymer-Batteriezelle aufweisend: eine Anode; eine Kathode, welche Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel aufweist, welche mit einem Dotiermittel dotiert sind; und eine Tasche, welche die Anode und die Kathode umschließt, wobei die Tasche flexibel ist, wobei eine Ladespannung der Lithium-Polymer-Batteriezelle größer als 4,25 V ist.
  2. Lithium-Polymer-Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei das Dotiermittel ein Element oder eine Verbindung aufweist von: Magnesium; Titan; Zink; Silizium; Aluminium; Zirkonium; Vanadium; Mangan; oder Niobium.
  3. Lithium-Polymer-Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel weiter mit einer Schutzchemikalie beschichtet sind.
  4. Lithium-Polymer-Batteriezelle nach Anspruch 3, wobei die Schutzchemikalie zumindest eines von einem Oxid, einem Phosphat und einem Fluorid ist.
  5. Lithium-Polymer-Batteriezelle nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: ein Elektrolyt, welches Elektrolytadditive aufweist, wobei die Elektrolytadditive zumindest eines von Ethylenkarbonat, Vinylacetat, Vinylethylenkarbonat, Thiophen, 1,3-Propansulton, Bernsteinsäureanhydrid, und ein Dinitriladditiv aufweisen, und wobei das Dinitriladditiv zumindest eines von Malononitril, Bernsteinsäurenitril, Glutaronitril, Adiponitril und Phthalonitril ist.
  6. Lithium-Polymer-Batteriezelle nach Anspruch 5, wobei ein Anteil des Dinitriladditivs weniger als 5 Gew.-% des Elektrolyts ist.
  7. Lithium-Polymer-Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei ein Wasseranteil in der Zelle weniger als 200 parts per million (ppm) ist.
  8. Lithium-Polymer-Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Tasche weniger als 120 μm dick ist.
  9. Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, aufweisend: Erhalten einer Kathode und einer Anode, wobei die Kathode Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel aufweist, welche mit einem Dotiermittel dotiert sind; und Abdichten der Kathode und der Anode in einer Tasche, um die Batteriezelle zu bilden, wobei die Tasche flexibel ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Dotiermittel ein Element oder eine Verbindung aufweist von: Magnesium; Titan; Zink; Silizium; Aluminium; Zirkonium; Vanadium; Mangan; oder Niobium.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel eine mittlere Partikelgröße (D50) von zwischen 5 μm und 25 μm haben.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel weiter mit einer Schutzchemikalie beschichtet sind.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schutzchemikalie ungefähr 200 Nanometer dick ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schutzchemikalie mindestens eines aus einem Oxid, Phosphat und einem Fluorid ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin aufweisend: Füllen der Tasche mit einem Elektrolyt, welches Elektrolytadditive aufweist, vor dem Abdichten der Kathode und Anode in der Tasche, wobei die Elektrolytadditive zumindest eines von Ethylenkarbonat, Vinylacetat, Vinylethylenkarbonat, Thiophen, 1,3-Propansulton, Bernsteinsäureanhydrid und einem Dinitriladditiv aufweisen, und wobei das Dinitriladditiv zumindest eines von Malononitril, Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril und Phthalonitril ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein Anteil des Dinitriladditivs weniger als 5 Gew.-% des Elektrolyts ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein Wasseranteil in der Zelle weniger als 200 parts per million (ppm) ist.
  18. Tragbare elektronische Vorrichtung aufweisend: einen Satz von Komponenten, welcher durch einen Batteriesatz mit Leistung versorgt wird; und der Batteriesatz umfasst: eine Lithium-Polymer-Batteriezelle mit einer Ladespannung von größer als 4.25 V, aufweisend: eine Anode; eine Kathode, welche Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel aufweist, die mit einem Dottermittel dotiert sind; und eine Tasche, welche die Anode und die Kathode umschließt, wobei die Tasche flexibel ist.
  19. Tragbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Dotiermittel ein Element oder eine Verbindung aufweist von: Magnesium; Titan; Zink; Silizium; Aluminium; Zirkonium; Vanadium; Mangan; oder Niobium.
  20. Tragbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel eine mittlere Partikelgröße (D50) von zwischen 5 μm und 25 μm haben.
  21. Tragbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel weiter mit einer Schutzchemikalie beschichtet sind.
  22. Tragbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Schutzchemikalie mindestens eines aus einem Oxid, Phosphat und einem Fluorid ist.
  23. Tragbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Batteriezelle weiterhin aufweist: ein Elektrolyt, welches Elektrolytadditive aufweist, wobei die Elektrolytadditive zumindest eines von Ethylenkarbonat, Vinylacetat, Vinylethylenkarbonat, Thiophen, 1,3-Propansulton, Bernsteinsäureanhydrid und einem Dinitriladditiv aufweisen, und wobei das Dinitriladditiv zumindest eines von Malononitril, Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril und Phthalonitril ist.
  24. Tragbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei ein Anteil des Dinitriladditivs weniger als 5 Gew.-% des Elektrolyts ist.
  25. Tragbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei ein Wasseranteil in der Zelle weniger als 200 parts per million (ppm) ist.
  26. Lithium-Polymer-Batteriezelle aufweisend: eine Anode; eine Kathode, welche Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel aufweist, welche mit einer Schutzchemikalie beschichtet sind oder mit einem Dotiermittel dotiert sind, wobei die Schutzchemikalie oder das Dotiermittel ein Element oder eine Verbindung von Magnesium, Titan, Zink, Silizium, Aluminium, Zirkonium, Vanadium, Mangan oder Niobium aufweist; und eine Tasche, welche die Anode oder die Kathode umschließt, wobei die Tasche flexibel ist, wobei eine Ladespannung der Lithium-Polymer-Batteriezelle größer als 4,25 V ist.
  27. Lithium-Polymer-Batteriezelle nach Anspruch 26, wobei die Verbindung zumindest eines aus einem Oxid, einem Phosphat und einem Fluorid ist.
  28. Lithium-Polymer-Batteriezelle nach Anspruch 26, wobei ein kombinierter Anteil der Schutzchemikalie und des Dottermittels in der Kathode größer als 0,02% und geringer als 0,8% ist unter Verwendung einer induktiv-gekoppelten Plasmamassenspektrometrie-(ICP-MS)-Technik.
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