DE112016006935T5

DE112016006935T5 - Lithium-Ionen-Batterie mit Drähte enthaltenden Elektroden

Info

Publication number: DE112016006935T5
Application number: DE112016006935.9T
Authority: DE
Inventors: Xiaochao Que; Haijing Liu; Wentian Gu; Meiyuan Wu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2019-04-04
Also published as: WO2017219235A1; CN109314223A; US20190288328A1

Abstract

Die elektrische Leistungsfähigkeit und strukturelle Integrität von Elektroden von Lithium-Batterien, die aus Teilchen aktiver Elektrodenmaterialien gebildet sind, werden verbessert, indem elektrisch leitfähige Drähte (Metalldrähte, Kohlenstofffasern und/oder dergleichen, einschließlich chemisch reduzierter Metalloxidteilchen) mit den Teilchen des aktiven Elektrodenmaterials gemischt werden. Beispielweise können Kupferdrähte mit Anodenteilchen in porösen Anodenschichten innig gemischt werden, welche mit Harz an Seiten einer Stromkollektorfolie aus Kupfer gebunden werden. Aluminiumdrähte können auch mit Kathodenteilchen in porösen Kathodenschichten gemischt werden, die mit Harz an einen Stromkollektor aus Aluminium gebunden werden. Die Drähte können verwendet werden, um sowohl die Leitfähigkeit von Elektronen und Lithium-Ionen als auch die Flexibilität der Elektrodenschicht zu erhöhen, wenn die Elektroden mit einer Lösung eines Lithiumsalz-Elektrolyten infiltriert bzw. durchsetzt werden. Die praktikable Dicke jeder Elektrodenschicht kann somit erhöht und deren Leistungsfähigkeit gesteigert werden, um eine kostengünstigere und bessere Batterie herzustellen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Verbindungen bzw. Zusammensetzungen von Elektrodenmaterialien für Lithium-Batterien. Die Zusammensetzungen umfassen eine Mischung aus Teilchen aktiver Elektrodenmaterialien, die mit geeignet großen und geformten leitfähigen Metalldrähten, -röhren, -streifen oder -stäben gemischt oder mit Kohlenstofffasern oder -röhren (auf die alle als Drähte verwiesen wird) gemischt sind. Die Teilchen/Drahtmischung, die oft elektrisch leitfähige Füllstoffteilchen enthält, ist als eine poröse Schicht mittels Harz an einen Stromkollektor einer Elektrode gebondet bzw. gebunden. Die aktiven Materialschichten der Anode oder Kathode (oder beider) jeder Batteriezelle bestehen aus solchen Mischungen aus Teilchen und Drähten. Das Vorhandensein der Drähte gestattet die Verwendung dickerer Elektrodenschichten mit einer höheren Energiekapazität und mit einer verbesserten Elektronen- und lonenleitfähigkeit in der Elektrode.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das als Hintergrundinformation in diesem Abschnitt der Beschreibung präsentierte Material ist nicht notwendigerweise Stand der Technik.
Lithium-Ionen-Batterien sind für Anwendungen in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen und Hybridfahrzeugen geeignet, die sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Elektromotor nutzen, um das Fahrzeug anzutreiben. Andere, nicht auf Fahrzeuge bezogene Anwendungen nutzen ebenfalls Lithium-Batterien aus verschiedenen Kombinationen von Elektrodenmaterialien, um elektrische Leistung zu liefern.
In einem gängigen Design der Zellen einer Lithium-Ionen-Batterie sind die Elektroden aus einer porösen Schicht aus Teilchen in Mikrometergröße eines aktiven Anodenmaterials oder eines aktiven Kathodenmaterials gebildet, die an eine oder beide Seiten einer dünnen, elektrisch leitfähigen Metallfolie gebunden ist. Die Metallfolie dient als Stromkollektor für die Elektrode. In einer Gruppe von Batteriestrukturen sind die Elektroden als verhältnismäßig dünne rechteckige Bauteile ausgebildet. Gleich große Anoden und Kathoden sind mit einer dünnen porösen Separatorschicht zwischen jedem Satz gegenüberliegender poröser Schichten teilchenförmiger Anoden- und Kathodenmaterialien abwechselnd gestapelt. Die Poren jeder Separatorschicht und jeder Schicht eines Elektrodenmaterials sind mit einer Elektrolytlösung eines (von) Lithiumsalzes(en) gefüllt, das (die) in einem nichtwässrigen Lösungsmittel gelöst ist (sind). Das DC-Potential jeder Zelle liegt typischerweise im Bereich von etwa zwei bis vier Volt. Die elektrischen Strom erzeugende Energie (Wh) einer Zelle hängt im Wesentlichen von den Zusammensetzungen und Mengen von Elektrodenmaterialien ab, die in der Herstellung bzw. Präparation und Funktion jeder Elektrode angepasst werden können. Es besteht ein ständiger Bedarf an Elektrodenzusammensetzungen für Lithium-Batterien, die eine erhöhte elektrische Energie und Leistung, und bei niedrigeren Kosten, liefern können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Zusammensetzungen und die Präparation von Elektrodenmaterialien für Anoden und Kathoden elektrochemischer Zellen, in denen Lithium-Ionen an den porösen Elektroden, welche mit einer nichtwässrigen Elektrolytlösung eines oder mehrerer Lithiumsalze infiltriert bzw. durchsetzt sind, interkaliert und de-interkaliert bzw. ausgelöst werden. Beispielsweise können Graphitteilchen in Mikrometergröße als das aktive Anodenmaterial einer Lithium-Ionen-Batterie genutzt werden, und Teilchen gleicher Größe aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (LiNi_xMn_yCO(_1-x-y)O₂, NMC) können als das aktive Kathodenmaterial einer Lithium-Ionen-Batterie genutzt werden. Um die Kapazität jeder Elektrode und deren Leitfähigkeit von Ionen und Elektronen zu erhöhen, werden die jeweiligen Teilchen aktiver Elektrodenmaterialien mit elektrisch leitfähigen Metalldrähten und/oder Kohlenstofffasern mit Durchmessern im Mikrometermaßstab (worauf hierin als Drähte verwiesen wird) gemischt, und die Mischung wird als eine poröse Schicht von im Wesentlichen gleichmäßiger Dicke an einen kompatiblen Stromkollektor aus einer Metallfolie gebondet bzw. gebunden. Anodenelektrodenmaterialien können zum Beispiel aus einer Mischung aus Graphitteilchen und Kupferdrähten mit kleinem Durchmesser gebildet werden, und die Mischung kann als eine poröse Schicht mittels eines Harzes an eine Stromkollektorfolie aus Kupfer gebunden werden. Ähnlich können Kathodenmaterialien aus einer Mischung aus NMC-Teilchen und Aluminiumdrähten mit kleinem Durchmesser gebildet werden, und die Mischung kann als eine poröse Schicht mittels eines Harzes an eine Stromkollektorfolie aus Aluminium gebunden werden. Teilchen eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs, wie etwa Teilchen aus leitfähigem Kohlenstoff, sind ebenfalls vorzugsweise in den mit Harz gebundenen Mischungen von Elektrodenmaterialien enthalten.
Die Elektroden herkömmlicher Lithium-Ionen-Zellen werden oft gebildet, indem Teilchen aus aktiven Elektrodenmaterialen, die eine größte Abmessung im Bereich von etwa 0,5 bis 30 Mikrometer aufweisen, an eine kompatible Stromkollektorfolie aus Metall mit einer Dicke von etwa 5 bis 30 Mikrometer gebunden werden. Wie bemerkt wurde, ist die Form des Stromkollektors oft rechteckig mit seitlichen Abmessungen, die eine Oberfläche vorsehen, um zu ermöglichen, dass sie eine vorbestimmte Menge eines Elektrodenmaterials für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle trägt. Jede Seite der Stromkollektorfolie kann mit einer porösen Schicht aus Teilchen eines Elektrodenmaterials beschichtet sein; aber die tragbare Dicke jeder Schicht ist gewöhnlich auf etwa 15 µm bis 150 µm begrenzt. Diese Begrenzung der Menge an Elektrodenmaterial, die auf diesem Typ einer Elektrodenstruktur tragbar ist, begrenzt auch das Leistungs- und Energiedichtepotential jeder Zelle, die solch ein Elektrodendesign nutzt. Die Verwendung kleiner Metall- oder Kohlenstoffdrähte, die mit den Teilchen aus aktiven Elektrodenmaterialien geeignet vermischt sind, ermöglicht die Verwendung dickerer poröser Elektrodenbeschichtungen (z.B. bis zu etwa zwei Millimeter) auf jeder Seite der Stromkollektorfolie. Die kleinen Stücke elektrisch leitfähiger Drähte, die zu einem der Anoden- und Kathodenmaterialien oder beiden beigemengt werden, verbessern auch die Leistungsfähigkeit der Energieerzeugung dieser neuen Batteriezelle.
In praktischen Umsetzungen dieser Erfindung soll der Begriff „Draht“ kleine leitfähigen Drähte, Fäden, Fasern, Stücke oder dergleichen aus Kohlenstoff oder Metall (einschließlich elementarer Metalle oder Legierungen) mit einer Länge umfassen, die im Wesentlichen größer als ihre Breite oder ihr Durchmesser ist. Die Längen der Metall- oder Kohlenstoffdrähte liegen vorzugsweise im Bereich von einem Mikrometer bis zehn Millimeter. Die Metall- oder Kohlenstoffdrähte oder -fäden haben im Allgemeinen einen runden, massiven Querschnitt mit einem Durchmesser, viel kleiner als ihre Länge, im Bereich von 0,05 µm bis 100 µm. Metallstäbe mit kleinem Durchmesser gleicher Abmessungen können ebenfalls zum Mischen mit Teilchen aktiver Elektrodenmaterialien geeignet sein. Alternativ dazu können die Metall- oder Kohlenstoffdrähte in der Form von Röhren mit Längen und Außendurchmessern wie jenen, die für Drähte angegeben wurden, vorliegen. Oder die Metall- oder Kohlenstoffstücke können in der Form von Streifen mit Längen von 1 µm bis 10 mm, Breiten von 1 µm bis 100 µm und Dicken von 0,05 µm bis etwa 50 µm vorliegen. Der Begriff „Drähte“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll alle derartigen leitfähigen Metall- oder leitfähigen Kohlenstoffformen mit einer Länge einschließen, die im Wesentlichen länger als die Abmessung ihres externen Querschnitts ist. Die Oberflächen der leitfähigen Metalldrähte können unter Verwendung eines geeigneten Polymerbindemittels auch mit leitfähigen Kohlenstoffteilchen beschichtet sein. Die harzgebundene Beschichtung leitfähiger Kohlenstoffteilchen kann etwa 0,5 bis 5 µm dick sein. Die Menge an Polymerbindemittel wird so gesteuert, dass die Drähte nicht beschichtete Bereiche aufweisen, welche zu einem flüssigen Elektrolyten in einer zusammengebauten Batteriezelle freigelegt sein werden.
Somit haben die Drähte, die mit den kleinen Elektrodenteilchen gemischt werden sollen, Längen, die größer als die größten Abmessungen der Elektrodenteilchen sind. Es ist beabsichtigt, dass in einer Draht-Teilchen-Mischung einige Teilchen mit jedem Draht in Kontakt sind und viel mehr Elektrodenmaterialteilchen mit jedem Drahtstück in Beinahe-Kontakt sind. Einige Drähte in der Mischung können sich durch die Dicke einer fertiggestellten porösen Elektrodenschicht erstrecken, und einige Drähte können die Oberfläche des Stromkollektors berühren, an den eine poröse Schicht der Elektrodenmischung gebunden ist. Im Allgemeinen wird bevorzugt, dass die Längen der Drähte nicht länger als etwa das Zehnfache der beabsichtigten Dicke der porösen Elektrodenschicht betragen.
Im Allgemeinen wird bevorzugt, dass die Kohlenstoff- oder Metallzusammensetzung der Drähte, die in einer Elektrodenteilchenmischung genutzt werden, mit der Metallzusammensetzung der Stromkollektorfolie, an die die Mischung mittels Harz gebunden wird, chemisch und elektrisch kompatibel ist. Beispielsweise wird eine Stromkollektorfolie aus Aluminium oft bei der Ausbildung von Kathoden für viele Lithium-Ionen-Batterien verwendet. In solchen Kathodenmaterialien können die Metalldrähte, die mit Teilchen in Mikrometergröße eines Kathodenmaterials gemischt sind, Drähte aus elementarem Aluminium oder Aluminiumlegierungen, Golddrähte, Palladiumdrähte, Platindrähte, Titandrähte oder Drähte aus rostfreiem Stahl umfassen. Kohlenstofffasern (worauf hierin manchmal als Drähte verwiesen wird) sind ebenfalls mit Stromkollektoren aus Aluminium kompatibel. In Anodenbauteilen, in denen der Stromkollektor aus Kupfer gebildet ist, können die mit Teilchen in Mikrometergröße gemischten Metalldrähte aus Drähten aus elementarem Kupfer oder Kupferlegierungen oder Drähten aus rostfreiem Stahl, Silber, Gold, Palladium, Platin, Titan, Eisen, Kobalt, Nickel, Magnesium oder Aluminium ausgewählt werden. Ferner sind Kohlenstofffasern oder -fäden (Drähte) mit Stromkollektoren aus Kupfer kompatibel.
Viele derartige Zusammensetzungen aus Metall- und Kohlenstoffdrähten sind im Handel in Durchmessern oder Breiten im Bereich geringer Mikrometergrößen und mit Längen im Bereich von Mikrometer bis wenige Millimeter erhältlich.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann ferner bevorzugt werden, mit kleinen langgestreckten Teilchen, Drähten oder Fasern eines Metalloxids wie etwa Kupferoxid oder Silberoxid zu beginnen. Wurden einmal solche Metalloxidteilchen mit kompatiblen Elektrodenteilchen geeignet gemischt, wird die Mischung als eine poröse, harzgebundene Elektrodenschicht an eine der oder beide Oberflächen einer Stromkollektorfolie aufgebracht. Die Oxidteilchen in der gebundenen porösen Elektrodenschicht werden durch eine Reaktion mit Wasserstoff bei einer Temperatur von etwa 120° bis 150°C zu Drähten aus elementarem Metall chemisch reduziert. Die poröse Elektrodenschicht besteht dann aus einer Mischung aus Elektrodenmaterialteilchen und Drähten aus elementarem Metall einer gewünschten Form und Größe. Oft erfahren derartige Metalloxidteilchen in Abhängigkeit von ihrer ursprünglichen Teilchengröße eine erhebliche Schrumpfung (z.B. 30 - 50 Vol.-%), während sie chemisch reduziert werden. Die chemisch reduzierten drahtähnlichen Strukturen enthalten oft Kanäle, welche eine lonenleitfähigkeit in einer zusammengebauten Lithium-Ionen-Zelle erhöhen.
In einem veranschaulichenden Beispiel kann eine Mischung aus Kohlenstoffelektrodenteilchen (Graphit) und Kupferdrähten als ein Anodenmaterial präpariert bzw. hergestellt werden. Die typische Abmessung von Kohlenstoffteilchen beträgt etwa zehn bis zwanzig Mikrometer, und der Durchmesser der Kupferdrähte beträgt ebenfalls etwa zehn Mikrometer. Die Längen der Kupferdrähte betragen geeigneterweise etwa dreihundert Mikrometer. Das aktive Anodenmaterial wird dann aus etwa 20 Gew.-% Kupferdrähten und dem Rest aus Graphit gebildet. Die Graphit/Kupferdrahtmischung wird dann mit einer Lösung aus zum Beispiel Polyvinylidendifluorid in einem N-Methyl-2-pyrrolidon- (NMP) Lösungsmittel geschlämmt und die lösungsmittelfeuchte Mischung in gleichmäßigen Schichten, jede etwa dreihundert Mikrometer dick, sorgfältig auf jede Seite einer Stromkollektorfolie aus Kupfer aufgebracht. Das Lösungsmittel wird verdampft, um poröse Schichten eines Anodenmaterials in jeder Seite des Stromkollektors zurückzulassen.
Eine Kathode kann unter Verwendung von gleich großen Teilchen aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid und Aluminiumdrähten in einer ähnlichen Weise hergestellt werden.
Lithium-Ionen-Zellen, die Drähte enthaltende Elektroden gemäß dieser Erfindung nutzen, können in Lithium-Batterien zum Antreiben von Elektromotoren in Kraftfahrzeugen genutzt werden, welche allein von einem Elektromotor oder von der Hybridkombination aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor angetrieben werden.
Andere praktische Umsetzungen und Vorteile der Erfindung werden aus weiteren veranschaulichenden Beispielen ersichtlich werden, die im Folgenden in dieser Beschreibung präsentiert werden.
Figurenliste

1 ist eine vergrößerte schematische Veranschaulichung eines räumlich getrennten Aufbaus aus drei massiven Bauteilen einer elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle. Kleine Bereiche von Elektrodenschichten sind herausgebrochen und vergrößert, um die poröse Mischung aus kleinen Elektrodenteilchen und leitfähigen Drähten zu zeigen. Die drei massiven Bauteile sind in dieser Veranschaulichung räumlich getrennt, um ihre Struktur besser darzustellen. Diese Veranschaulichung enthält keine Elektrolytlösung, deren Zusammensetzung und Funktion im weiteren Verlauf dieser Beschreibung detaillierter beschrieben werden wird.
2 ist eine vergrößerte, herausgebrochene schematische Veranschaulichung einer porösen Schicht aus Teilchen eines Kathodenmaterials, gemischt mit Aluminiumdrähten und gebunden an einen Stromkollektor aus einer Aluminiumfolie, und einer porösen Schicht aus Anodenteilchen, gemischt mit Kupferdrähten und gebunden an eine Stromkollektorfolie aus Kupfer. Die nicht gebundenen Seiten der porösen Elektrodenschichten sind gegen entgegengesetzte Seiten eines flächengleichen porösen Polymer-Separatorbauteils gepresst.
3 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer Anoden-Stromkollektorfolie, die auf beiden Hauptseiten mit einer Mischung aus Teilchen eines aktiven Anodenmaterials und Metalldrähten für eine Anode einer Lithium-Ionen-Batterie beschichtet ist, und einer Kathoden-Stromkollektorfolie, die auf beiden Seiten mit einer Mischung aus Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials und Metalldrähten für eine Kathode einer Lithium-Ionen-Batterie beschichtet ist. Die beiden Elektroden haben eine rechteckige Form (in dieser Seitenansicht nicht sichtbar; aber wie in 1 veranschaulicht). Die gegenüberliegenden Hauptflächen der Anode und Kathode sind durch eine poröse rechteckige Polymer-Separatorschicht physisch getrennt, die von der ganz außen gelegenen Oberfläche der Kathode aus, um einen Rand der Kathode, um die Innenfläche der Kathode vollständig zu bedecken und sie von der angrenzenden Fläche der Anode zu trennen, und um den Rand der Anode, um die Außenfläche der Anode zu bedecken, gewunden ist. Die beiden Elektroden mit ihren Drähte enthaltenden und teilchenförmigen Elektrodenmaterialien sind innerhalb eines räumlich gedrängt bzw. eng eingerichteten Taschenbehälters platziert. Die Tasche (engl. pouch) enthält eine nichtwässrige Elektrolytlösung, welche die Poren des Separators und der jeweiligen aktiven Anoden- und Kathodendeckschichten durchdringt und füllt. Die jeweiligen Stromkollektorfolien weisen nicht beschichtete Laschen auf, die sich von ihren Oberseiten aus nach oben und durch die obere Oberfläche des Taschenbehälters erstrecken.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein aktives Material einer Lithium-Ionen-Zelle ist ein Element oder eine Verbindung, welche im Zyklus einer Entladung und Wiederaufladung der Zelle Lithium-Ionen akzeptiert bzw. annimmt oder interkaliert oder Lithium-Ionen freisetzt oder abgibt. Gemäß praktischen Umsetzungen dieser Erfindung liegen die jeweiligen Elektrodenmaterialien typischerweise anfangs in der Form von Teilchen in Submikrometer- bis Mikrometergröße, im Bereich von einigen zehn Nanometer bis einige zehn Mikrometer in ihren Durchmessern oder ihrer größten Abmessung, vor.
Einige wenige Beispiele geeigneter Elektrodenmaterialien für die Anodenelektrode (negative Elektrode während einer Entladung der Zelle) einer Lithium-Ionen-Zelle sind Graphit, einige andere Formen von Kohlenstoff, Silizium, Legierungen von Silizium mit Lithium oder Zinn, Siliziumoxide (SiO_x) und Lithiumtitanat. Während einer Zellenentladung werden Elektronen aus dem Anodenmaterial in die elektrische Leistung benötigende externe Schaltung freigesetzt, und Lithium-Ionen werden in eine wasserfreie, Lithium-Ionen leitende Elektrolytlösung freigesetzt (de-interkaliert). In praktischen Umsetzungen dieser Erfindung werden die kleinen Teilchen eines ausgewählten Anodenmaterials mit einer geeigneten Menge geeignet großer, elektrisch leitfähiger Metall- und/oder Kohlenstoffdrähte gemischt.
Beispiele positiver Elektrodenmaterialien (Kathode), die in Teilchenform genutzt werden, umfassen Lithium-Manganoxid, Lithium-Nickeloxid, Lithium-Kobaltoxid, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid und andere Lithium-Metalloxide. Andere Materialien sind bekannt und im Handel erhältlich. Eines oder mehrere dieser Materialien kann oder können in einer Elektrodenschicht verwendet werden. In praktischen Umsetzungen dieser Erfindung werden die kleinen Teilchen eines ausgewählten Kathodenmaterials mit einer geeigneten Menge geeignet großer, elektrisch leitfähiger Metall- und/oder Kohlenstoffdrähte gemischt.
Wie in dieser Beschreibung oben angegeben wurde, wird oft eine Stromkollektorfolie aus Aluminium bei der Ausbildung von Kathoden für viele Lithium-Ionen-Batterien verwendet. In solchen Kathodenmaterialien können Metalldrähte, die mit Teilchen in Mikrometergröße eines Kathodenmaterials gemischt sind, Drähte aus elementarem Aluminium oder Aluminiumlegierungen, Golddrähte, Palladiumdrähte, Platindrähte, Titandrähte oder Drähte aus rostfreiem Stahl umfassen. Kohlenstoffdrähte können mit Metalldrähten in Mischungen mit Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials gemischt oder anstelle von Metalldrähten verwendet werden. In Anodenbauteilen, in welchen der Stromkollektor aus Kupfer gebildet ist, können die Metalldrähte, die mit Teilchen in Mikrometergröße gemischt sind, aus Drähten aus elementarem Kupfer oder Kupferlegierungen oder Drähten aus rostfreiem Stahl, Silber, Gold, Palladium, Platin, Titan, Eisen, Kobalt, Nickel, Magnesium oder Aluminium ausgewählt werden. Kohlenstoffdrähte können mit Metalldrähten in Mischungen mit Teilchen eines aktiven Anodenmaterials gemischt oder anstelle von Metalldrähten verwendet werden.
Teilchen aus Lithiumtitanat (Li₄Ti₅O₁₂) werden als das aktive Anodenmaterial weithin verwendet. Es wird bevorzugt, Anodenteilchen aus Lithiumtitanat in Kombination mit Aluminiumdrähten oder Drähten aus Aluminiumlegierungen zu verwenden. Auch wenn das Anodenmaterial Litihiumtitanat-Teilchen nutzt, wird bevorzugt, dass die Mischung aus Lithiumtitanat-Teilchen/Aluminiumdrähten mittels Harz an eine Stromkollektorfolie aus Aluminium gebunden wird.
Viele Kupferdraht- und andere Metalldrahtzusammensetzungen sind in Durchmessern oder Breiten im niedrigen Mikrometer-Größenbereich und mit Längen im Mikrometer- bis niedrigen Millimeter-Bereich im Handel erhältlich.
1 ist eine vergrößerte schematische Veranschaulichung eines räumlich getrennten Aufbaus 10 aus drei massiven Bauteilen einer elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle. Die drei massiven Bauteile sind in dieser Veranschaulichung voneinander beabstandet bzw. räumlich getrennt, um ihre Struktur besser darzustellen. Die Veranschaulichung enthält keine Elektrolytlösung, deren Zusammensetzung und Funktion unten in dieser Beschreibung detaillierter beschrieben werden wird.
In 1 besteht eine negative Elektrode aus einem verhältnismäßig dünnen Stromkollektor 12 aus einer leitfähigen Metallfolie. Der Stromkollektor 12 der negativen Elektrode besteht typischerweise aus einer dünnen Schicht Kupfer. Die Dicke des Stromkollektors aus einer Metallfolie liegt oft im Bereich von etwa sechs bis fünfundzwanzig Mikrometer. Der Stromkollektor 12 hat eine gewünschte zweidimensionale Form für einen Aufbau bzw. eine Montage (z.B. Stapeln oder Winden bzw. Aufwickeln) mit anderen massiven Bauteilen einer Zelle. Der Stromkollektor 12 weist wie veranschaulicht entgegengesetzte Hauptoberflächen mit einer rechteckigen Form auf und ist ferner mit einer Verbinderlasche 12' für eine Verbindung mit anderen Elektroden in einer Gruppierung von Lithium-Ionen-Zellen versehen, um ein gewünschtes elektrisches Potential oder einen elektrischen Stromfluss vorzusehen.
Auf beiden Hauptflächen des Stromkollektors 12 der negativen Elektrode sind dünne, harzgebundene poröse Schichten 14 aus Teilchen eines geeigneten negativen Elektrodenmaterials, gemischt mit kompatiblen Metalldrähten, abgeschieden. Beispielsweise können Teilchen aus Kohlenstoff (Graphit) mit Kupferdrähten gemischt sein. Wie in 1 veranschaulicht ist, sind die Schichten des Materials 14 der negativen Elektrode in Form und Fläche typischerweise flächengleich mit den Hauptoberflächen ihres Stromkollektors 12. Ein kleiner Bereich der porösen Schicht 14 ist herausgebrochen und vergrößert, um eine geeignet gebundene poröse Mischung aus Kupferdrähten 13 und Graphitteilchen 15, welche die Schicht 14 der negativen Elektrode bilden, zu veranschaulichen. Falls erwünscht, können Füllstoffteilchen aus leitfähigem Kohlenstoff Kupferdrähten und Graphitteilchen hinzugefügt werden. Die Mischung aus teilchenförmigem Elektrodenmaterial und Metalldrähten hat eine ausreichende Porosität, um von einem flüssigen, nichtwässrigen, Lithium-Ionen enthaltenen Elektrolyten infiltriert bzw. durchsetzt zu werden. Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung kann die Dicke der rechteckigen Schichten aus Graphitteilchen und Kupferdrähten von einigen wenigen hundert Mikrometer bis zu etwa zwei Millimeter betragen, um so eine gewünschte Strom- und Leistungskapazität für die negative Elektrode vorzusehen. Die negative Elektrode ist während einer Entladung einer Batteriezelle die Anode und wird in dieser Beschreibung oft als Anode bezeichnet.
Dargestellt ist eine positive Elektrode, die eine positive Stromkollektorfolie 16 und auf jeder Hauptfläche eine flächengleiche, darüber liegende poröse Schicht 18 aus einem harzgebundenen, teilchenförmigen Material der positiven Elektrode, gemischt mit kompatiblen Metalldrähten, aufweist. Eine positive Stromkollektorfolie besteht oft aus Aluminium. Eine positive Stromkollektorfolie 16 weist auch eine Verbinderlasche 16' für eine elektrische Verbindung mit anderen Elektroden in einer Gruppierung von Lithium-Ionen-Zellen oder mit anderen Elektroden in anderen Zellen auf, die im Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie zusammengepackt werden können. Die positive Stromkollektorfolie 16 und ihre entgegengesetzten Deckschichten 18 aus Mischungen aus porösem Material der positiven Elektrode und Metalldrähten sind typischerweise in einer Größe und Form ausgebildet, die zu den Abmessungen einer zugehörigen negativen Elektrode komplementär sind. Ein Beispiel einer geeigneten Zusammensetzung einer positiven Elektrode ist eine Mischung aus NMC-Teilchen und Aluminiumdrähten. Leitfähige Füllstoffteilchen können in der harzgebundenen Mischung enthalten sein. Ein Bereich einer porösen Elektrodenschicht 18 ist herausgebrochen und vergrößert, um die Mischung aus Aluminiumdrähten 19 und NMC-Teilchen 17 besser schematisch zu veranschaulichen. Die positive Elektrode ist während einer Zellenentladung die Kathode und wird in dieser Beschreibung oft als die Kathode bezeichnet.
In der Veranschaulichung von 1 sind die beiden Elektroden in ihren Formen im Wesentlichen identisch und in einer Lithium-Ionen-Zelle zusammengebaut, wobei eine äußere Hauptoberfläche des Materials 14 der negativen Elektrode einer äußeren Hauptoberfläche des Materials 18 der positiven Elektrode gegenüberliegt. Die Dicken der rechteckigen positiven Stromkollektorfolie 16 und der rechteckigen Schicht des Materials 18 der positiven Elektrode sind typischerweise so bestimmt, dass sie das Material 14 der negativen Elektrode beim Herstellen der beabsichtigten elektrochemischen Kapazität der Lithium-Ionen-Zelle ergänzen. Die Dicken von Stromkollektorfolien liegen typischerweise im Bereich von etwa 6 bis 25 Mikrometer. Auch in praktischen Umsetzungen dieser Erfindung reichen die Dicken der jeweiligen Elektrodenmaterialien mit ihren darin gemischten Drähten typischerweise von 200 Mikrometer bis etwa zwei Millimeter.
Eine dünne poröse Separatorschicht 20 ist zwischen einer äußeren Hauptfläche der Schicht 14 der negativen Elektrode der Mischung aus Elektrodenmaterialteilchen und Drähten (wie in 1 veranschaulicht) und einer äußeren Hauptfläche der Teilchenmaterial/Drahtschicht 18 der positiven Elektrode angeordnet. Eine ähnliche Separatorschicht 20 könnte auch gegen jede der entgegengesetzten äußeren Schicht des Materials 14 der negativen Elektrode und der entgegengesetzten äußeren Schicht des Materials 18 der positiven Elektrode platziert werden, falls der veranschaulichte individuelle Zellenaufbau 10 mit gleichen Baugruppen von Zellenbauteilen kombiniert werden soll, um eine Batterie mit vielen Zellen, zum Beispiel vielen gestapelten Zellen, zu bilden.
In vielen Batteriekonstruktionen ist das Separatormaterial eine poröse Schicht eines Polyolefins wie etwa Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP). Oft weist das thermoplastische Material untereinander gebundene, zufällig orientierte Fasern aus PE oder PP auf. Die Faseroberflächen des Separators können mit Teilchen aus Aluminiumoxid oder einem anderen Isolatormaterial beschichtet sein, um den elektrischen Widerstand des Separators zu erhöhen, während die Porosität der Separatorschicht für eine Infiltration bzw. Durchsetzung mit einem flüssigen Elektrolyten und einen Transport von Lithium-Ionen zwischen den Zellenelektroden beibehalten wird. Die Separatorschicht 20 wird verwendet, um einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den gegenüberliegenden Materialschichten 14, 18 der negativen und positive Elektrode zu verhindern, und ist so geformt und bemessen, dass sie diese Funktion erfüllt. Im Aufbau der Zelle werden die gegenüberliegenden Hauptflächen der Material/Drahtschichten 14, 18 der Elektroden gegen die Hauptflächen der Separatormembran 20 gepresst. Ein flüssiger Elektrolyt wird typischerweise in die Poren der Separator- und Elektrodenmaterialschichten eingespritzt.
Der Elektroyt für die Lithium-Ionen-Zelle ist oft ein Lithiumsalz, das in einem oder mehreren organischen flüssigen Lösungsmitteln gelöst ist. Beispiele geeigneter Salze umfassen Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆) und Lithiumtrifluorethansulfonimid. Einige Beispiele von Lösungsmitteln, die verwendet werden können, um das Elektrolytsalz zu lösen, umfassen Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Methylethylcarbonat, Propylencarbonat. Es gibt andere Lithiumsalze, die verwendet werden können, und andere Lösungsmittel. Aber eine Kombination eines Lithiumsalzes und eines Lösungsmittels wird ausgewählt, um eine geeignete Mobilität und einen geeigneten Transport von Lithium-Ionen im Betrieb der Zelle vorzusehen. Der Elektrolyt wird sorgfältig in und zwischen eng beabstandeten Schichten der Elektrodenelemente und Separatorschichten verteilt. Der Elektrolyt ist in der ZeichnungsFig. nicht veranschaulicht, ist aber in 3 veranschaulicht.
2 ist eine vergrößerte schematische Veranschaulichung einer porösen Anodenschicht 214, die an einer ihrer Seiten an eine Fläche einer Stromkollektorfolie 212 aus Kupfer gebunden ist. Die andere Hauptfläche der porösen Anodenschicht 214 ist flächengleich gegen eine Seite eines porösen, elektrisch isolierenden Separators 220 platziert. Gegen die andere Fläche des Separators 220 ist eine Seite einer porösen Kathodenschicht 218 platziert. Die zweite Seite der porösen Kathodenschicht 218 ist an eine Stromkollektorfolie 216 aus Aluminium gebunden.
Wie in 2 schematisch veranschaulicht ist, umfasst die poröse Anodenschicht Teilchen in Mikrometergröße eines aktiven Anodenmaterials 215, gemischt mit Drähten 213 mit Querschnitten von Mikrometern. Wie oben in diesem Text vorgeschlagen wurde, können die Teilchen des aktiven Anodenmaterials 215 aus Graphit oder einer anderen geeigneten, Lithium-Ionen interkalierenden Form von Kohlenstoff bestehen. Einige andere geeignete Anodenmaterialien sind oben in dieser Beschreibung aufgelistet. In 2 sind die Teilchen des Anodenmaterials 215 als sphärisch ausgebildet veranschaulicht. Die Anodenmaterialien können andere Formen aufweisen; es wird aber bevorzugt, dass die Teilchen für ein Mischen und dichtes Packen um Drähte 213 herum geformt sind, während ein geeigneter Porenraum für eine Infiltration bzw. Durchsetzung mit dem flüssigen Elektrolyten gelassen wird, der in eine zusammengebaute Zelle eingeführt wird. Die Drähte 213 können beispielsweise aus Kupfer bestehen.
Eine poröse Kathodenschicht umfasst Teilchen in Mikrometergröße eines aktiven Kathodenmaterials 217, gemischt mit Drähten 219 und als eine poröse Schicht mit Harz an eine Stromkollektorfolie 216 aus Aluminium gebunden. Wie oben in diesem Text vorgeschlagen wurde, können die Teilchen des aktiven Kathodenmaterials 217 aus NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid) bestehen. Einige andere geeignete Kathodenmaterialen sind oben in dieser Beschreibung aufgelistet. In 2 sind die Teilchen des Kathodenmaterials 217 ebenfalls als sphärisch ausgebildet veranschaulicht. Die Kathodenmaterialien können aber andere Formen aufweisen, die zum Mischen und dichten Packen um die Drähte 219 herum geeignet sind, während ein geeigneter Porenraum für eine Durchsetzung mit dem flüssigen Elektrolyten gelassen wird, der in eine zusammengebaute Zelle eingeführt wird. Die Drähte 219 können beispielsweise aus Aluminium bestehen.
3 präsentiert eine vereinfachte, schematische seitliche Querschnittsansicht eines Aufbaus 300 einer einzelnen Zelle 301 aus Elektrodenmaterialien einer Lithium-lonen-Batterie, die in eine mit einem Polymer beschichtete Aluminiumfolientasche 324 zusammengefügt sind. Die Zelle 301 mit Elektrodenmaterialien umfasst eine Kathoden-Stromkollektorfolie 316, die auf beiden Hauptseiten mit einer porösen Schicht einer Mischung aktiver Materialteilchen 318 für eine Kathode einer Lithium-Ionen-Batterie beschichtet ist. Die Zelle 301 umfasst auch eine Anoden-Stromkollektorfolie 312, die auf beiden Seiten mit einer porösen Schichtmischung aktiver Materialteilchen 314 für eine Anode einer Lithium-Ionen-Batterie beschichtet ist. Die beiden Elektroden haben eine rechteckige Form (wie jene, die in 1 veranschaulicht sind). Die gegenüberliegenden Hauptflächen der Anode und Kathode sind durch eine poröse rechteckige Polymer-Separatorschicht 320 physisch getrennt, welche in einigen Ausführungsformen von einer ganz außen gelegenen Oberfläche der Kathode, um einen Rand der Kathode, um die angrenzende Fläche der Anode und der Kathode zu trennen, und um den Rand der Anode, um die äußere Fläche der Anode zu bedecken, gewunden sein kann. Die beiden Elektroden mit ihren gemischten Drähten und Elektrodenmaterialien werden in einem räumlich gedrängt bzw. eng eingerichteten Taschenbehälter 324 platziert. Die Tasche 324 enthält eine nichtwässrige Elektrolytlösung 322, welche die Poren des Separators 320 und der jeweiligen aktiven Anoden- und Kathodendeckschichten 314, 318 durchdringt und füllt. Die jeweiligen Stromkollektorfolien 312, 316 weisen nicht beschichtete Laschen 312', 316' auf, die sich von ihren Oberseiten aus nach oben und durch die obere Oberfläche des Taschenbehälters 324 erstrecken.
Zumindest eine der Anode und Kathode jeder Lithium-Ionen-Zelle, und vorzugsweise beide, werden gebildet, indem eine Mischung aus Teilchen eines geeigneten Elektrodenmaterials und kompatiblen, elektrisch leitfähigen Metall- oder Kohlenstoffdrähten oder drahtähnlichen Formen präpariert wird. Wie im Abschnitt der Zusammenfassung dieser Beschreibung beschrieben wurde, können die Metall- oder Kohlenstoffbauteile in anderen Formen als Drähte verwendet werden. Sie werden aber so ausgewählt, dass sie mit den Teilchen eines aktiven Elektrodenmaterials und mit dem Stromkollektor kompatibel sind, an den die Elektrodenmischung als eine poröse Schicht mittels Harz gebunden wird. In vielen Elektrodenschichten wird bevorzugt, dass die Länge der Drähte etwa ein Zehnfaches der Dicke der Schicht des Elektrodenmaterials beträgt. Die Drähte können zum Beispiel drei bis fünf Faltungen in der Elektrodenschicht erfahren. Die Drähte werden oft mit den Teilchen eines Elektrodenmaterials in Mengen gemischt, so dass die Drähte bis zu etwa 0,1 bis etwa 20 Gew.-% (oder 0,1 bis 30 Vol.-%) der Mischung aus Draht/Elektrodenmaterialteilchen ausmachen.
Die einzelnen Bauteile der Draht- und Teilchenmischung werden mit einer geeigneten Menge eines Bondingmaterials beschichtet oder auf andere Weise geeignet kombiniert. Beispielsweise kann die Teilchen- und Drahtmischung mit einer Lösung eines geeigneten Harzes wie etwa Polyvinylidendifluorid, gelöst in N-Methyl-2-pyrrolidon, verteilt oder geschlämmt und auf eine Oberfläche eines Stromkollektors in einer porösen Schicht ausgebreitet und aufgebracht werden. Andere geeignete Bindemittelharze umfassen Carboxymethylcellulose/Styrolbutadien-Kautschukharze (CMC/SBR). Die Bindemittel sind nicht elektrisch leitfähig und sollten in einer minimalen geeigneten Menge verwendet werden, um eine dauerhafte Beschichtung eines porösen Elektrodenmaterials zu erhalten, ohne die Oberflächen der Drähte und Teilchen des Elektrodenmaterials vollständig zu bedecken. Nachdem der Bondingvorgang oder die Reaktion abgeschlossen ist, ist eine poröse Schicht aus gemischten Drähten und Elektrodenmaterialteilchen auf dem Stromkollektor gebildet. Die gemischten Drähte und Elektrodenmaterialteilchen sind aneinander gebunden, und eine Seite der Schicht ist an den Stromkollektor gebunden.
Es wird bevorzugt, dass die porösen Schichten aus Elektrodenmaterialien eine im Allgemeinen gleichmäßig verteilte Porosität und ein Gesamtporenvolumen aufweisen, die durch die Porenräume zwischen den vermischten Drähten und Teilchen eines Elektrodenmaterials erzeugt werden. Eine solche Porosität und ein solches Porenvolumen gestatten, dass die Elektrodenschichten mit einem Volumen eines geeigneten flüssigen Elektrolyten im Wesentlichen gleichmäßig geeignet durchsetzt werden. Die Interaktion der Kombination des Volumens eines flüssigen Elektrolytmaterials und der Drähte und Teilchen aus Elektrodenmaterialien erzeugt die gewünschten Funktionen der Elektroden. In den meisten Elektrodenstrukturen liegt das Gesamtporenvolumen entsprechend im Bereich von etwa 15 bis 50 Prozent des Volumens der äußeren Oberfläche der aufgebrachten Elektrodenschicht.
Wie in 3 veranschaulicht ist, hat jede Anodenschicht 314 oder Kathodenschicht 318 eine an ihren Stromkollektor 312, 316 gebundene Oberfläche, und die andere Oberfläche liegt gegen eine benachbarte Oberfläche eines porösen Separators 320 an. Das Volumen und die Beschaffenheit der Gesamtzahl einzelner Poren zwischen den Drähten und Teilchen der Elektrode sollen gestatten, dass ein eingefügter flüssiger Elektrolyt 322 die Elektrodenschichten 314, 318 von der Separatorseite aus zur Stromkollektorseite der Anode oder Kathode durchdringt. Lithium-Ionen müssen zu den Oberflächen der Teilchen des Anoden- oder Kathodenmaterials Zugang haben bzw. gelangen können. Die Menge und Lagen der Drähte erhöhen auch die Leitung von Elektronen in den Stromkollektor. Ferner verstärken die unter den Elektrodenteilchen verteilten linearen Drähte die Elektrodenschicht und gestatten, dass eine dickere Schicht aus Elektrodenteilchen an den Stromkollektor gebunden und auf ihm getragen wird.
Verfahren zum Präparieren der Mischungen aus Elektrodenmaterialien und Drähten
Im Allgemeinen besteht der einfachste Weg, um die Mischungen aus Elektrodenteilchen und Drähten zu erhalten, darin, mit den Drähten aus elementarem Metall, Drähten aus Metalllegierungen oder Kohlenstoffdrähten zu beginnen und die Drähte mit den Teilchen eines ausgewählten Elektrodenmaterials zu vermengen und gleichmäßig zu mischen. In vielen Ausführungsformen der Erfindung wird bevorzugt, dass die Drähte etwa 5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der Mischung aus Drähten und Teilchen eines aktiven Elektrodenmaterials ausmachen. Falls erwünscht, kann eine geeignete geringe Menge leitfähiger Füllstoffteilchen aus Kohlenstoff der Mischung aus Drähten und Teilchen eines Elektrodenmaterials hinzugegeben werden. Anschließend kann ein geeignetes Harz oder eine ein Harz enthaltende Lösung der Mischung in einer Menge hinzugegeben werden, um die Draht/Teilchenmischung als eine poröse Schicht an eine Seite oder beide Seiten einer Stromkollektorfolie für die Elektrode zu binden.
Es mag aber Umstände geben, in denen es wünschenswert sein kann, Drahtformen zu erhalten, die in Metallform nicht ohne weiteres verfügbar sind. Es gibt Metalloxidformen, die in einer Mischung mit einem Elektrodenteilchen gut dienlich wären, falls die Metalloxide in elementares Metall umgewandelt würden. Kleine drahtähnliche oder stabähnliche Teilchen aus Kupferoxid, Silberoxid oder anderen Metalloxiden können eine Möglichkeit zur Verwendung in Elektrodenmischungen bieten. Beispielsweise können geeignet große langgestreckte Teilchen aus Kupferoxid mit Kohlenstoffteilchen als eine Anodenmischung gemischt werden, und die Mischung kann an eine Oberfläche eines Stromkollektors mit Harz gebunden werden. Die gebundene poröse Anodenmischung kann einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von z.B. 120° bis 150°C für eine kurze Zeit ausgesetzt werden, die geeignet ist, um die Kupferoxidteilchen zu Kupferdrähten oder dergleichen chemisch zu reduzieren. Silberoxidteilchen können in einer ähnlicher Weise genutzt werden.
Die Reduktion von CuO zu Cu hat (je nach dem Durchmesser der Kupferoxidteilchen oder -drähte) typischerweise eine dreißig- bis fünfzigprozentige Volumenabnahme der CuO-Teilchen und eine Abnahme des Durchmessers der resultierenden Kupferteilchen zur Folge. Dies kann den Zugang der Elektrodenmaterialteilchen aus Kohlenstoff zu den nun reduzierten Kupferteilchen in der harzgebundenen Schicht auf der Stromkollektoroberfläche verbessern. Die reduzierten Kupferteilchen erhöhen auch, wie eine ursprüngliche Nutzung von Kupferdrähten, eine Elektronenleitfähigkeit und verbessern die mechanische Festigkeit der Elektrodenschicht.
Vorteile der Mischung aus Draht/Elektrodenmaterialteilchen
Man stellt fest, dass die innige Mischung der Drähte mit Elektrodenteilchen ermöglicht, dass eine größere Dicke eines Elektrodenmaterials an den Stromkollektor gebunden wird. Das Vorliegen eines geeigneten Gehalts an Drähten gestattet, dass eine dickere Schicht, bis zu einer Gesamtdicke von etwa zwei Millimeter, auf jeder Seite des Stromkollektors ausgebildet wird. Das Vorhandensein der Drähte steigert sowohl die elektrochemische Funktion der dickeren Elektrodenschicht als es auch die Schicht verstärkt. Das Vorhandensein der vermischten Drähte mit den Elektrodenteilchen erhöht jeweils das Leistungsvermögen der Elektrode, die Energiedichte der Elektrode, ihre Lebensdauer und die Flexibilität der Elektrode, während sie geladen und entladen wird. Ferner werden die Kosten pro Kapazitätseinheit (€/Wh) der Elektrode reduziert.
Wenn die Metall- oder Kohlenstoffdrähte enthaltenden Elektroden mit ihren dazwischen angeordneten porösen Separatoren zusammengebaut bzw. montiert werden, werden die zusammengebauten Zellen mit einem Lithium-Ionen enthaltenden flüssigen Elektrolyten durchsetzt. Der flüssige Elektrolyt benetzt die Oberfläche der Drähte (Streifen, Fasern, Röhren usw.), um dünne (Nanometer bis Submikrometer große) Kanäle für eine Leitung von Lithium-Ionen (Li+) entlang der Oberfläche der Drähte zu erzeugen. Diese Leitung entlang den Oberflächen der Drähte ergänzt eine Lithium-Ionen-Leitung in dem kontinuierlichen und miteinander verbundenen flüssigen Elektrolyten, der auch die Poren zwischen den Teilchen des Elektrodenmaterials und den leitfähigen Drähten füllt. Desgleichen interagiert, wenn Metalloxidteilchen anfangs mit Teilchen eines Elektrodenmaterials gemischt werden, der anschließend hinzugegebene flüssige Elektrolyt mit den neu gebildeten Oberflächen der reduzierten Metalldrähte.
Veranschaulichende Beispiele
Zur Verwendung als Lithium-Ionen interkalierendes/de-interkalierendes Anodenmaterial für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle sind Graphitteilchen geeignet. Graphitteilchen können zum Beispiel als eine poröse Schicht eines Anodenmaterials mittels Harz an eine Seite einer Stromkollektorfolie aus Kupfer gebunden werden. In einem Beispiel, in welchem die Dicke der Graphitanodenschicht 50 Mikrometer betrug, betrug die Energiedichte der Anodenschicht 163,8 Wh/kg. Wenn die Dicke der Graphitanodenschicht auf 90 Mikrometer erhöht wurde, wurde die Energiedichte auf 180,3 Wh/kg erhöht. Die Materialkosten (€/Wh) wurden durch Verwendung der dickeren Anodenschicht etwa zehn Prozent reduziert. Es wurde aber nicht festgestellt, dass dickere Schichten von an Stromkollektorfolien gebundenen Graphitanodenschichten über geforderte Nutzungsdauern beständig waren.
Wenn Kupferdrähte mit den Graphitanodenteilchen gemischt wurden, konnten dickere Anodenschichten auf Stromkollektorfolien aus Kupfer, um signifikant höhere Energiedichten (Wh/kg) zu erreichen, und mit signifikant geringeren Materialkosten in €/Wh gebildet werden. Die Kupferdrähte hatten Durchmesser von etwa 10 µm und Längen von etwa 300 µm.

1. Es wurden Mischungen, die 3 Gew.-% Kupferdrähte und den Rest an Graphitteilchen enthielten, als poröse Elektrodenschichten auf einer Seite gleicher Stromkollektorfolien aus Kupfer in Dicken von 50 µm, 90 µm, 200 µm und 300 µm gebildet. Die entsprechenden Energiedichten (von der dünnsten Schicht zur dicksten Schicht) betrugen 160,4 Wh/kg, 179,4 Wh/kg, 205,1 Wh/kg bzw. 207,1 Wh/kg. Die Materialkosen €/Wh verringerten sich deutlich in den Anodenschichten mit einer Dicke von 200 µm und 300 µm.
2. Es wurden Mischungen, die 5 Gew.-% Kupferdrähte und den Rest an Graphitteilchen enthielten, als poröse Elektrodenschichten auf einer Seite gleicher Stromkollektorfolien aus Kupfer in Dicken von 50 µm, 90 µm, 200 µm und 300 µm gebildet. Die entsprechenden Energiedichten (von der dünnsten Schicht zur dicksten Schicht) betrugen 159,5 Wh/kg, 178,7 Wh/kg, 203,7 Wh/kg bzw. 205,6 Wh/kg. Die Materialkosen €/Wh nahmen in den Anodenschichten mit einer Dicke von 200 µm und 300 µm deutlich ab.
3. Es wurden Mischungen, die 8 Gew.-% Kupferdrähte und den Rest an Graphitteilchen enthielten, als poröse Elektrodenschichten auf einer Seite gleicher Stromkollektorfolien aus Kupfer in Dicken von 50 µm, 90 µm, 200 µm und 300 µm gebildet. Die entsprechenden Energiedichten (von der dünnsten Schicht zur dicksten Schicht) betrugen 158,5 Wh/kg, 177,0 Wh/kg, 201,9 Wh/kg bzw. 203,6 Wh/kg. Die Materialkosen €/Wh nahmen in den Anodenschichten mit einer Dicke von 200 µm und 300 µm deutlich ab.
4. Es wurden Mischungen, die 10 Gew.-% Kupferdrähte und den Rest an Graphitteilchen enthielten, als poröse Elektrodenschichten auf einer Seite gleicher Stromkollektorfolien aus Kupfer in Dicken von 50 µm, 90 µm, 200 µm und 300 µm gebildet. Die entsprechenden Energiedichten (von der dünnsten Schicht zur dicksten Schicht) betrugen 157,5 Wh/kg, 176,1 Wh/kg, 200,3 Wh/kg bzw. 201,9 Wh/kg. Die Materialkosen €/Wh nahmen in den Anodenschichten mit einer Dicke von 200 µm und 300 µm deutlich ab.
5. Es wurden Mischungen, die 15 Gew.-% Kupferdrähte und den Rest an Graphitteilchen enthielten, als poröse Elektrodenschichten auf einer Seite gleicher Stromkollektorfolien aus Kupfer in Dicken von 50 µm, 90 µm, 200 µm und 300 µm gebildet. Die entsprechenden Energiedichten (von der dünnsten Schicht zur dicksten Schicht) betrugen 155,2 Wh/kg, 172,7 Wh/kg, 196,3 Wh/kg bzw. 197,8 Wh/kg. Die Materialkosen €/Wh nahmen in den Anodenschichten mit einer Dicke von 200 µm und 300 µm deutlich ab.
6. Es wurden Mischungen, die 20 Gew.-% Kupferdrähte und den Rest an Graphitteilchen enthielten, als poröse Elektrodenschichten auf einer Seite gleicher Stromkollektorfolien aus Kupfer in Dicken von 50 µm, 90 µm, 200 µm und 300 µm gebildet. Die entsprechenden Energiedichten (von der dünnsten Schicht zur dicksten Schicht) betrugen 152,7 Wh/kg, 169,6 Wh/kg, 192,3 Wh/kg bzw. 193,4 Wh/kg. Die Materialkosen €/Wh nahmen in den Anodenschichten mit einer Dicke von 200 µm und 300 µm deutlich ab.

Das Vorhandensein der mit den Anodenteilchen aus Graphit gemischten Kupferdrähte gestattete die Bildung physikalisch stabiler und brauchbarer Elektrodenschichten größer Dicken mit zunehmender Gesamtelektrodenkapazität in Wh mit geringer Auswirkung auf die Energiedichte (Wh/kg) der Zelle. Das Vorhandensein der Kupferdrähte trug zu einer lonenleitfähigkeit und Elektronenleitfähigkeit durch die zunehmend dicken, an den Stromkollektor gebundenen Elektrodenschichten bei. Das Vorhandensein der Kupferdrähte trägt signifikant zur Festigkeit der Elektrodenschicht bei und ermöglicht eine größere Elektrodenkapazität.
Somit verbesserte der Einbau von Drähten oder ähnlich geformten Metall- und/oder Kohlenstoffteilchen in innigen, im Wesentlichen gleichmäßigen Mischungen mit Teilchen aus Anoden- oder Kathodenmaterialien die Kapazitäten und Leistungsfähigkeiten der Elektroden in Lithium-Ionen-Zellen und -Batterien.
Die obigen Darstellungen und Beispiele sollen Eigenschaften und Vorteile der Erfindung beschreiben und deren Umfang nicht begrenzen.

Claims

Lithium-Ionen-Batterie, umfassend eine Anode, eine Kathode und eine flüssige, Lithium-Ionen enthaltende Elektrolytlösung, wobei zumindest eine der Anode und Kathode eine poröse Elektrodenschicht aufweist, die aus einer Mischung aus Teilchen eines aktiven Elektrodenmaterials für die Anode oder Kathode und Stücken elektrisch leitfähiger Drähte gebildet ist, wobei die Mischung als die poröse Elektrodenschicht an einen Stromkollektor aus Metall für die Anode oder Kathode gebunden ist, wobei deren Poren mit der Elektrolytlösung durchsetzt sind, wobei die Dicke der porösen Elektrodenschicht auf dem Stromkollektor für die Anode oder Kathode im Bereich von sechzig Mikrometer bis zwei Millimeter liegt.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die elektrisch leitfähigen Drähte aus einem elementaren Metall, einer Metalllegierung oder Kohlenstoff gebildet sind, wobei die elektrisch leitfähigen Drähte Durchmesser oder Haupt-Querschnittsabmessungen im Bereich von 0,05 Mikrometer bis 100 Mikrometer und Längen im Bereich von einem Mikrometer bis 10 Millimeter aufweisen, wobei die elektrisch leitfähigen Drähte in einer Menge von 0,1 bis 20 Prozent des Gesamtgewichts der Mischung aus elektrisch leitfähigen Drähten und den Teilchen des aktiven Elektrodenmaterials vorliegen.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die Anode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Anodenmaterials, gemischt mit Drahtstücken, aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen des Anodenmaterials und den Drahtstücken als eine poröse Schicht mit Harz an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus Metall für die Anode gebunden ist.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die Anode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Anodenmaterials, gemischt mit Stücken eines Kupferdrahts, aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen des Anodenmaterials und den Kupferdrahtstücken als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Kupferfolie für die Anode gebunden ist.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die Anode eine Mischung aus Teilchen aus Lithiumtitanat Li₄Ti₅O₁₂, gemischt mit Stücken eines Aluminiumdrahts, aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen aus Lithiumtitanat und Aluminiumdrahtstücken als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Aluminiumfolie für die Anode gebunden ist.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die Anode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Anodenmaterials, gemischt mit Stücken eines Kupferdrahts, aufweist, wobei die Teilchen des aktiven Anodenmaterials durchschnittliche Abmessungen im Bereich von 0,5 bis 30 Mikrometer aufweisen und die Stücke von Kupferdrähten Durchmesser oder Breiten im Bereich von 0,05 bis 100 Mikrometer aufweisen, wobei die Mischung aus Teilchen des Anodenmaterials und Kupferdrahtstücken als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Kupferfolie für die Anode gebunden ist.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die Kathode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials, gemischt mit Drahtstücken, aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen des aktiven Kathodenmaterials und den Drahtstücken als eine poröse Schicht mit Harz an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus Metall für die Kathode gebunden ist.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die Kathode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials, gemischt mit Stücken eines Aluminiumdrahts, aufweist, wobei die Teilchen des aktiven Kathodenmaterials und Aluminiumdrahtstücke als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Aluminiumfolie für die Kathode gebunden sind.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die Kathode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials, gemischt mit Stücken eines Aluminiumdrahts, aufweist, wobei die Teilchen des aktiven Kathodenmaterials durchschnittliche Abmessungen im Bereich von 0,3 bis 30 Mikrometer aufweisen und die Stücke von Aluminiumdrähten Durchmesser oder Breiten im Bereich von 0,05 bis 100 Mikrometer aufweisen, wobei die Teilchen des aktiven Kathodenmaterials und des Aluminiumdrahts als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Aluminiumfolie für die Kathode gebunden sind.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die Anode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Anodenmaterials, gemischt mit Drahtstücken, aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen des Anodenmaterials und Drahtstücken als eine poröse Schicht mit Harz an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus Metall für die Anode gebunden ist, und die Kathode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials, gemischt mit Drahtstücken, aufweist, wobei die Teilchen des aktiven Kathodenmaterials und Drahtstücke als eine poröse Schicht mit Harz an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus Metall für die Kathode gebunden sind.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die Anode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Anodenmaterials und Stücken eines Kupferdrahts aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen des Anodenmaterials und Kupferdrahtstücken als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Kupferfolie für die Anode gebunden ist, und die Kathode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials und Stücken eines Aluminiumdrahts aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen des aktiven Kathodenmaterials und Aluminiumdrahtstücken als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Aluminiumfolie für die Kathode gebunden ist.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die Anode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Anodenmaterials und Stücken eines Kupferdrahts aufweist, wobei die Teilchen des aktiven Anodenmaterials durchschnittliche Abmessungen im Bereich von 0,5 bis 30 Mikrometer aufweisen und die Stücke von Kupferdrähten Durchmesser oder Breiten im Bereich von 0,05 bis 100 Mikrometer aufweisen, wobei die Mischung aus Teilchen des Anodenmaterials und Kupferdrahtstücken als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Kupferfolie für die Anode gebunden ist, und die Kathode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials, gemischt mit Drahtstücken, aufweist, wobei die Teilchen des aktiven Kathodenmaterials durchschnittliche Abmessungen im Bereich von 0,3 bis 30 Mikrometer aufweisen und die Stücke von Aluminiumdrähten Durchmesser oder Breiten im Bereich von 0,05 bis 100 Mikrometer aufweisen, wobei die Mischung aus Teilchen des aktiven Kathodenmaterials und Drahtstücken als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Aluminiumfolie für die Kathode gebunden ist.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in welcher die Anode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Anodenmaterials, gemischt mit Kohlenstoffdrähten, aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen des Anodenmaterials und Kohlenstoffdrähten als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus Metall für die Anode gebunden ist, und die Kathode eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials, gemischt mit Kohlenstoffdrähten, aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen des aktiven Kathodenmaterials und Kohlenstoffdrähten als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus Metall für die Kathode gebunden ist.
Verfahren zum Bilden einer Anode oder einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie, wobei die Anode oder Kathode aktive Elektrodenteilchen aufweist, die als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Metallfolie gebunden werden, wobei das Verfahren umfasst: Mischen einer vorbestimmten Menge von Teilchen in Mikrometergröße eines aktiven Elektrodenmaterials mit einer vorbestimmten Menge elektrisch leitfähiger Metalldrähte oder Kohlenstoffdrähte, wobei die elektrisch leitfähigen Drähte in einer Menge von 0,1 bis 20 Prozent des Gesamtgewichts der Mischung aus elektrisch leitfähigen Drähten und den Teilchen des aktiven Elektrodenmaterials vorhanden sind, und Binden der Mischung aus Teilchen des aktiven Elektrodenmaterials und elektrisch leitfähigen Metalldrähten oder Kohlenstoffdrähten als eine poröse Schicht eines Elektrodenmaterials an eine Oberfläche des Stromkollektors aus einer Metallfolie, wobei die Dicke der porösen Schicht eines Elektrodenmaterials im Bereich von zweihundert Mikrometer bis zu zwei Millimeter liegt.
Verfahren zum Bilden einer Anode oder einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 14, worin Teilchen in Mikrometergröße eines aktiven Anodenmaterials für eine Lithium-Ionen-Batterie mit Kupferdrähten gemischt werden und die Mischung an eine Stromkollektorfolie aus Kupfer gebunden wird, wobei die Durchmesser oder Querschnitte der Drähte nicht größer als das Doppelte der größten Abmessungen der Teilchen eines vermischten Elektrodenmaterials sind und die Längen der Drähte nicht größer als ein Zehnfaches der Dicke der gebundenen porösen Schicht eines Elektrodenmaterials sind.
Verfahren zum Bilden einer Anode oder einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 14, worin Teilchen in Mikrometergröße eines aktiven Anodenmaterials für eine Lithium-Ionen-Batterie mit Kupferfasern gemischt werden und die Mischung an eine Stromkollektorfolie aus Kupfer gebunden wird.
Verfahren zum Bilden einer Anode oder einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 14, worin Teilchen in Mikrometergröße eines aktiven Kathodenmaterials für eine Lithium-Ionen-Batterie mit Aluminiumdrähten gemischt werden und die Mischung an eine Stromkollektorfolie aus Aluminium gebunden wird, wobei die Durchmesser oder Querschnitte der Drähte nicht größer als das Doppelte der größten Abmessungen der Teilchen eines vermischten Elektrodenmaterials sind und die Längen der Drähte nicht größer als ein Zehnfaches der Dicke der gebundenen porösen Schicht des Elektrodenmaterials sind.
Verfahren zum Bilden einer Anode oder einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 14, worin Teilchen in Mikrometergröße aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid als ein Kathodenmaterial für eine Lithium-lonen-Batterie mit Kupferdrähten gemischt werden und die Mischung an eine Stromkollektorfolie aus Kupfer gebunden wird.
Verfahren zum Bilden einer Anode oder einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie, wobei die Anode oder Kathode aktive Elektrodenteilchen aufweist, die als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Metallfolie gebunden werden, wobei das Verfahren umfasst: Mischen einer vorbestimmten Menge von Teilchen in Mikrometergröße eines aktiven Elektrodenmaterials mit einer vorbestimmten Menge von Metalloxidteilchen drahtähnlicher Formen; Binden der Mischung aus Teilchen des aktiven Elektrodenmaterials und Metalloxidteilchen als eine poröse Schicht eines Elektrodenmaterials an eine Oberfläche des Stromkollektors aus einer Metallfolie, wobei die Dicke der porösen Schicht bis zu zwei Millimeter beträgt; und Platzieren der Stromkollektorfolie mit der gebundenen porösen Mischung aus Teilchen des aktiven Elektrodenmaterials und Metalloxidteilchen in einer Wasserstoffgasatmosphäre und Reagieren der Metalloxidteilchen mit Wasserstoff, um anstelle der Metalloxidteilchen elektrisch leitfähige Metalldrähte in der porösen gebundenen Schicht des Elektrodenmaterials zu bilden.
Verfahren zum Bilden einer Anode oder einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 19, worin eine vorbestimmte Menge aktiver Elektrodenteilchen mit Teilchen aus Kupferoxid oder Silberoxid gemischt wird und die Teilchen aus Kupferoxid oder Silberoxid durch eine Reaktion mit Wasserstoff zu Kupferdrähten oder Silberdrähten, vorbereitend auf die Bildung einer Elektrode für eine Lithium-Batterie, reduziert werden.
Verfahren zum Bilden einer Anode oder einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 19, worin eine vorbestimmte Menge aktiver Anodenteilchen mit Teilchen aus Kupferoxid oder Silberoxid gemischt wird und die Teilchen aus Kupferoxid oder Silberoxid durch eine Reaktion mit Wasserstoff zu Kupferdrähten oder Silberdrähten, vorbereitend auf die Bildung einer Anode für eine Lithium-Batterie, reduziert werden.
Eine Kombination einer Vorrichtung, die elektrische Energie benötigt, und einer Lithium-Ionen-Batterie, die so zusammengesetzt und bemessen ist, um die elektrische Energie für die Vorrichtung zu liefern, wobei die Lithium-Ionen-Batterie eine Anode, eine Kathode und eine flüssige, Lithium-Ionen enthaltende Elektrolytlösung aufweist, wobei zumindest eine der Anode und Kathode eine poröse Elektrodenschicht aufweist, die aus einer Mischung aus Teilchen eines aktiven Anodenmaterials für die Anode oder Kathode und Stücken elektrisch leitfähiger Drähte gebildet ist, wobei die Mischung als die poröse Elektrodenschicht an einen Stromkollektor aus Metall für die Anode oder Kathode gebunden ist, wobei deren Poren mit der Elektrolytlösung infiltriert bzw. durchsetzt sind, wobei die Dicke der porösen Elektrodenschicht auf dem Stromkollektor für die Anode oder Kathode im Bereich von sechzig Mikrometer bis zwei Millimeter liegt, wobei die elektrisch leitfähigen Drähte in einer Menge von 0,1 bis 20 Prozent des Gesamtgewichts der Mischung aus elektrisch leitfähigen Drähten und den Teilchen des aktiven Elektrodenmaterials vorliegen.
Kombination einer Vorrichtung und einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 22, worin die Vorrichtung ein Kraftfahrzeug mit Rädern ist, die zumindest zu einem Teil ihrer Betriebszeit von einem Elektromotor angetrieben werden, der durch die Lithium-Ionen-Batterie mit Energie versorgt wird.
Kombination einer Vorrichtung und einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 22, worin die elektrisch leitfähigen Drähte der Lithium-Ionen-Batterie aus einem elementaren Metall, einer Metalllegierung oder Kohlenstoff gebildet sind, wobei die elektrisch leitfähigen Drähte Durchmesser oder Haupt-Querschnittsabmessungen im Bereich von 0,05 Mikrometer bis 100 Mikrometer und Längen im Bereich von einem Mikrometer bis 10 Millimeter aufweisen.
Kombination einer Vorrichtung und einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 22, worin die Anode der Lithium-Ionen-Batterie eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Anodenmaterials, gemischt mit Drahtstücken, aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen des Anodenmaterials und den Drahtstücken als eine poröse Schicht mit Harz an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus Metall für die Anode gebunden ist.
Kombination einer Vorrichtung und einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 22, worin die Anode der Lithium-Ionen-Batterie eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Anodenmaterials, gemischt mit Stücken eines Kupferdrahts, aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen des Anodenmaterials und den Kupferdrahtstücken als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Kupferfolie für die Anode gebunden ist.
Kombination einer Vorrichtung und einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 22, worin die Anode der Lithium-Ionen-Batterie eine Mischung von Teilchen eines aktiven Anodenmaterials, gemischt mit Stücken eines Kupferdrahts, aufweist, wobei die Teilchen des aktiven Anodenmaterials durchschnittliche Abmessungen im Bereich von 0,5 bis 30 Mikrometer aufweisen und die Stücke von Kupferdrähten Durchmesser oder Breiten im Bereich von 0,05 bis 100 Mikrometer aufweisen, wobei die Mischung aus Teilchen des Anodenmaterials und Kupferdrahtstücken als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Kupferfolie für die Anode gebunden ist.
Kombination einer Vorrichtung und einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 22, worin die Kathode der Lithium-Ionen-Batterie eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials, gemischt mit Drahtstücken, aufweist, wobei die Mischung aus Teilchen des aktiven Kathodenmaterials und den Drahtstücken als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus Metall für die Kathode gebunden ist.
Kombination einer Vorrichtung und einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 22, worin die Kathode der Lithium-Ionen-Batterie eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials, gemischt mit Stücken eines Aluminiumdrahts, aufweist, wobei die Teilchen des aktiven Kathodenmaterials und Aluminiumdrahtstücke als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Aluminiumfolie für die Kathode gebunden sind.
Kombination einer Vorrichtung und einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 22, worin die Kathode der Lithium-Ionen-Batterie eine Mischung aus Teilchen eines aktiven Kathodenmaterials, gemischt mit Stücken eines Aluminiumdrahts, aufweist, wobei die Teilchen des aktiven Kathodenmaterials durchschnittliche Abmessungen im Bereich von 0,3 bis 30 Mikrometer aufweisen und die Aluminiumdrahtstücke Durchmesser oder Breiten im Bereich von 0,05 bis 100 Mikrometer aufweisen, wobei die Teilchen des aktiven Kathodenmaterials und Aluminiumdrahts als eine poröse Schicht an eine Oberfläche eines Stromkollektors aus einer Aluminiumfolie für die Kathode gebunden sind.