DE112018007342T5 - Hybridelektroden und elektrochemische zellen und module, die diese verwenden - Google Patents

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Abstract

Hybride elektrochemische Zellen und Module enthalten einen zweiseitigen Anodenstromkollektor, der in einem oder mehreren Anodenbereich(en) mit Wirtsmaterial beschichtet ist, und einen zweiseitigen Kathodenstromkollektor, der in einem oder mehreren Kathodenbereich(en) mit aktivem Material beschichtet ist, und einer oder mehrere der Anodenstromkollektoren und Kathodenstromkollektoren sind in einem oder mehreren getrennten, sich nicht überlappenden Kondensatorbereichen mit Kondensatormaterial beschichtet. Eine hybride Anode und/oder Kathode kann Lücken zwischen Kondensatorbereichen und Anodenbereichen und Kathodenbereichen enthalten. Das auf eine Elektrode aufgebrachte Kondensatormaterial unterscheidet sich vom Wirts- oder aktiven Material der Elektrode. Das aktive Material enthält Lithium-Metalloxide und Lithium-Metallphosphate wie LiFePO4, Li(NixMnyCoz)O2 und/oder LiMn2O4; das Wirtsmaterial enthält Graphit, Silicium, Silicium-Li/Sn/Cu-Legierungen, Si/Co/Fe/TiSn-Oxide und Kohlenstoff mit geringer Oberfläche; und das Kondensatormaterial enthält Aktivkohle, Metalloxide und Metallsulfide.

Description

  • EINLEITUNG
  • Lithiumionen-Batterien beschreiben eine Klasse von wiederaufladbaren Batterien, bei denen sich Lithiumionen zwischen einer negativen Elektrode (d.h. Anode) und einer positiven Elektrode (d.h. Kathode) bewegen. Flüssige und Polymerelektrolyte können die Bewegung von Lithiumionen zwischen Anode und Kathode erleichtern. Lithiumionen-Batterien erfreuen sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihrer Fähigkeit, aufeinanderfolgende Lade- und Entladezyklen zu durchlaufen, zunehmender Beliebtheit für Anwendungen in den Bereichen Verteidigung, Automobilbau und Luft- und Raumfahrt.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine hybride elektrochemische Zelle wird bereitgestellt und umfasst eine Anode, die einen zweiseitigen Stromkollektor aufweist, wobei jede Seite des Stromkollektors in einem oder mehreren Anodenbereichen mit einem Anodenwirtsmaterial und in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit einem Kondensatormaterial beschichtet sein kann, und eine Kathode, die einen zweiseitigen Stromkollektor aufweist, wobei jede Seite des Stromkollektors in einem oder mehreren Kathodenbereichen mit einem kathodenaktiven Material und in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit einem Kondensatormaterial beschichtet sein kann. Der eine oder die mehreren Kondensatorbereiche der Anode können von dem einen oder den mehreren Anodenbereichen verschieden sein und diese(n) nicht überlappen, und/oder der eine oder die mehreren Kondensatorbereiche der Kathode können von dem einen oder den mehreren Kathodenbereichen verschieden sein und diese(n) nicht überlappen. Die Anode kann Lücken zwischen dem einen oder den mehreren Kondensatorbereichen und dem einen oder den mehreren Anodenbereichen enthalten, und/oder die Kathode kann Lücken zwischen dem einen oder den mehreren Kondensatorbereichen und dem einen oder den mehreren Kathodenbereichen enthalten. Das Kondensatormaterial kann aus einem oder mehreren von Aktivkohle, Graphit, Kohlenstoff-Aerogel, von Karbid abgeleitetem Kohlenstoff, Graphen, Graphenoxid, Kohlenstoff-Nanoröhren, Bleioxid, Germaniumoxid, Kobaltoxid, Nickeloxid, Kupferoxid, Eisenoxid, Manganoxid, Rutheniumoxid, Rhodiumoxid, Palladiumoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Nioboxid, TiS2, NiS, Ag4Hf3S8, CuS, FeS und FeS2 gebildet sein. Das auf den Anodenstromkollektor aufgebrachte Kondensatormaterial kann sich vom Anodenwirtsmaterial unterscheiden, und das auf den Kathodenstromkollektor aufgebrachte Kondensatormaterial kann sich vom kathodenaktiven Material unterscheiden. Das Anodenwirtsmaterial kann eines oder mehrere von Lithiumtitanat, TiNb2O7, Silicium, eine oder mehrere Silicium-Lithium-Legierungen, eine oder mehrere Silicium-Zinn-Legierungen, eine oder mehrere Silicium-Kupfer-Legierungen, ein oder mehrere Siliciumoxide, ein oder mehrere Kobaltoxide, ein oder mehrere Eisenoxide, ein oder mehrere Titanoxide, Zinn, ein oder mehreren Zinnoxide, Hartkohle bzw. harten Kohlenstoff, Weichkohle bzw. weichen Kohlenstoff und Graphit enthalten. Das kathodenaktive Material kann ein oder mehrere Lithium-Metalloxide enthalten. Das kathodenaktive Material kann eines oder mehrere von Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid und Lithium-Manganoxid mit Spinellstruktur enthalten, das Anodenwirtsmaterial kann eines oder mehrere von Graphit-, Silicium- und ein oder mehrere Siliciumoxide enthalten, und das Kondensatormaterial kann Aktivkohle enthalten.
  • Eine hybride elektrochemische Zelle wird bereitgestellt und enthält eine Anode, die einen zweiseitigen Anodenstromkollektor enthält, wobei jede Seite des Anodenstromkollektors zumindest teilweise mit einem Anodenwirtsmaterial beschichtet sein kann, und eine Kathode, die einen zweiseitigen Stromkollektor enthält, wobei jede Seite des Stromkollektors zumindest teilweise mit einem kathodenaktiven Material beschichtet sein kann. Der Anodenstromkollektor und/oder der Kathodenstromkollektor können in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit Kondensatormaterial beschichtet sein. Sowohl der Anodenstromkollektor als auch der Kathodenstromkollektor können in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit Kondensatormaterial beschichtet sein. Das Kondensatormaterial, mit dem der Kathodenstromkollektor beschichtet ist, kann eines oder mehrere von Aktivkohle, Graphit, Kohlenstoff-Aerogel, von Karbid abgeleitetem Kohlenstoff, Graphen, Graphenoxid, Kohlenstoff-Nanoröhren, Bleioxid, Germaniumoxid, Kobaltoxid, Nickeloxid, Kupferoxid, Eisenoxid, Manganoxid, Rutheniumoxid, Rhodiumoxid, Palladiumoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Nioboxid, TiS2, NiS, Ag4Hf3S8, CuS, FeS, FeS2, Poly(3-Methylthiophen), Polyanilin, Polypyrrol, Poly(paraphenylen), Polyacen, Polythiophen und Polyacetylen enthalten. Das kathodenaktive Material kann eines oder mehrere von Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid und Lithium-Manganoxid mit Spinellstruktur enthalten, das Anodenwirtsmaterial kann eines oder mehrere von Graphit, Silicium und ein oder mehrere Siliciumoxide enthalten, und das Kondensatormaterial kann Aktivkohle enthalten. Das Anodenwirtsmaterial kann Lithiumtitanat, TiNb2O7, Silicium, eine oder mehrere Silicium-Lithium-Legierungen, eine oder mehrere Silicium-Zinn-Legierungen, eine oder mehrere Silicium-Kupfer-Legierungen, ein oder mehrere Siliciumoxide, ein oder mehrere Kobaltoxide, ein oder mehrere Eisenoxide, ein oder mehrere Titanoxide, Zinn, ein oder mehrere Zinnoxide, harten Kohlenstoff, weichen Kohlenstoff und Graphit enthalten. Das kathodenaktive Material kann ein oder mehrere Lithium-Metalloxide enthalten.
  • Es wird ein hybrides elektrochemisches Modul bereitgestellt, das eine Vielzahl von gestapelten oder gewickelten Elektrodenpaaren enthält. Jedes Elektrodenpaar enthält eine Anode mit einem zweiseitigen Anodenstromkollektor, wobei jede Seite des Anodenstromkollektors zumindest teilweise mit einem Anodenwirtsmaterial beschichtet sein kann, und eine Kathode mit einem zweiseitigen Stromkollektor, wobei jede Seite des Stromkollektors zumindest teilweise mit einem kathodenaktiven Material beschichtet sein kann. Der Anodenstromkollektor und/oder der Kathodenstromkollektor jedes Elektrodenpaares kann in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit Kondensatormaterial beschichtet sein. Das Kondensatormaterial kann eines oder mehrere von Aktivkohle, Graphit, Kohlenstoff-Aerogel, von Karbid abgeleiteten Kohlenstoff, Graphen, Graphenoxid, Kohlenstoff-Nanoröhren, Bleioxid, Germaniumoxid, Kobaltoxid, Nickeloxid, Kupferoxid, Eisenoxid, Manganoxid, Rutheniumoxid, Rhodiumoxid, Palladiumoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Nioboxid, TiS2, NiS, Ag4Hf3S8, CuS, FeS und FeS2 enthalten. Die Dicke des Kondensatormaterials und des Anodenwirtsmaterials und/oder des Kathodenwirtsmaterials kann etwa 20 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer betragen. Die Breite des einen oder der mehreren Anodenbereiche und/oder des einen oder der mehreren Kathodenbereiche kann etwa 25 Millimeter bis etwa 500 Millimeter betragen, und die Breite des einen oder der mehreren Kondensatorbereiche kann etwa 5 Millimeter bis etwa 400 Millimeter betragen. Der Anodenstromkollektor und der Kathodenstromkollektor jedes Elektrodenpaares können in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit Kondensatormaterial beschichtet sein. Das kathodenaktive Material kann Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid oder Lithium-Manganoxid mit Spinellstruktur enthalten, das Anodenwirtsmaterial kann Graphit, Silicium und ein oder mehrere Siliciumoxide enthalten, und das Kondensatormaterial kann Aktivkohle enthalten.
  • Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der exemplarischen Ausführungsformen werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung der exemplarischen Ausführungsformen und den begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine hybride elektrochemische Zelle nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 2A zeigt eine schematische Darstellung einer Hybridelektrode nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 2B zeigt eine perspektivische Ansicht eines prismatischen hybriden elektrochemischen Moduls nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 3A zeigt eine schematische Darstellung einer Hybridelektrode nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 3B zeigt eine perspektivische Ansicht eines prismatischen hybriden elektrochemischen Moduls nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 4A zeigt eine Seitenansicht einer Hybridanode nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 4B zeigt eine Draufsicht einer Hybridanode nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 4C zeigt eine Seitenansicht einer Hybridkathode nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 4D zeigt eine Draufsicht auf eine Hybridkathode nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 4E zeigt eine perspektivische Ansicht eines gewickelten hybriden elektrochemischen Moduls nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 5A zeigt eine Seitenansicht einer Hybridanode nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 5B zeigt eine Draufsicht einer Hybridanode nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 5C zeigt eine Seitenansicht einer Hybridkathode nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 5D zeigt eine Draufsicht einer Hybridkathode nach einer oder mehreren Ausführungsformen; und
    • 5E zeigt eine perspektivische Ansicht eines gewickelten hybriden elektrochemischen Moduls nach einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bzw. Erfindung werden hier beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage für die Lehre für einen einschlägigen Fachmann, die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise anzuwenden. Wie durchschnittliche Fachleute verstehen werden, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf eine der Figuren gezeigt und beschrieben werden, mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Figuren gezeigt sind, kombiniert werden, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht ausdrücklich gezeigt oder beschrieben sind. Die Kombinationen der dargestellten Merkmale liefern repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
  • Hier werden hybride elektrochemische Zellen bereitgestellt, die eine oder mehrere Hybridelektroden mit Anoden- und/oder Kathodenmaterialien für Lithiumionen-Batterien in verschiedenen Kombinationen mit kompatiblen Kondensatormaterialien verwenden. Die hybriden elektrochemischen Zellen weisen vorteilhafte Eigenschaften sowohl von Lithiumionen-Batterien als auch von Kondensatoren auf, wie z.B. erhöhte Energiedichten (Wh/kg) und Leistungsdichten (W/kg). Die Energiedichte- und Leistungsdichteeigenschaften einer bestimmten Hybridzelle können je nach Menge, Zusammensetzung und Verhältnis von Batterie-Elektrodenmaterialien und Kondensator-Elektrodenmaterialien, die auf die Vielzahl von Hybridzellenelektroden aufgebracht werden, variieren. Im Allgemeinen wird die Energiedichte durch Erhöhung des Inhalts an Batteriematerial und/oder durch Auswahl von Batterie-Elektrodenmaterialien mit hoher spezifischer Energie verbessert, während die Leistungsdichte der hybriden elektrochemischen Zelle durch Erhöhung des Gehalts an Kondensator-Elektrodenmaterial und/oder durch Auswahl von Kondensatorzusammensetzungen mit hoher spezifischer Leistungsdichte erhöht wird.
  • 1 zeigt eine elektrochemische Hybridzelle bzw. hybride elektrochemische Zelle 1, die eine negative Elektrode (d.h. die Anode) 10, eine positive Elektrode (d.h. die Kathode) 20, einen Elektrolyten 3, der operativ zwischen der Anode 10 und der Kathode 20 angeordnet ist, und einen Separator 2 umfasst. Anode 10, Kathode 20 und Elektrolyt 3 können in Behälter 4 eingekapselt sein, der z.B. eine harte (z.B. metallische) Hülle oder ein weicher (z.B. Polymer) Beutel sein kann. Die Anode 10 und die Kathode 20 befinden sich auf entgegengesetzten Seiten des Separators 2, der ein mikroporöses Polymer oder ein anderes geeignetes Material, das Lithiumionen leiten kann, und wahlweise Elektrolyt 3 (d.h. flüssigen Elektrolyt) enthalten kann.
  • Die hybride elektrochemische Zelle 1 arbeitet im Allgemeinen durch den reversiblen Durchgang von Lithiumionen zwischen Anode 10 und Kathode 20. Lithiumionen bewegen sich während des Ladens von Kathode 20 zu Anode 10 und während des Entladens von Anode 10 zu Kathode 20. Zu Beginn einer Entladung enthält die Anode 10 eine hohe Konzentration eingelagerter Lithiumionen, während die Kathode 20 relativ verarmt ist, und die Herstellung eines geschlossenen externen Stromkreises zwischen Anode 10 und Kathode 20 führt unter solchen Umständen dazu, dass eingelagerte Lithiumionen von Anode 10 extrahiert werden. Die extrahierten Lithiumatome werden in Lithiumionen und Elektronen aufgespalten, wenn sie einen Interkalations- bzw. Einlagerungswirt an einer Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche verlassen. Die Lithiumionen werden durch den ionisch leitenden Elektrolyten 3 durch die Mikroporen des Separators 2 von Anode 10 zur Kathode 20 transportiert, während gleichzeitig die Elektronen durch den externen Stromkreis von Anode 10 zur Kathode 20 übertragen werden, um die gesamte elektrochemische Zelle auszugleichen. Dieser Elektronenfluss durch den externen Stromkreis kann nutzbar gemacht und einer Lastvorrichtung zugeführt werden, bis das Niveau des eingelagerten Lithiums in der negativen Elektrode unter ein arbeitsfähiges Niveau sinkt oder der Leistungsbedarf aufhört. Die Pfeile zeigen an, dass Strom aus der Anode 10 herausfließt und dass Strom in die Kathode 20 fließt, so dass die Hybridzelle 10 in einem Ladezustand dargestellt wird.
  • Die hybride elektrochemische Zelle 1 kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität wieder aufgeladen werden. Um die hybride elektrochemische Zelle 1 aufzuladen oder wieder mit Strom zu versorgen, wird eine externe Stromquelle (nicht abgebildet) an die positive und die negative Elektrode angeschlossen, um die elektrochemischen Reaktionen der Entladung der hybriden elektrochemischen Zelle 1 in umgekehrter Richtung zu steuern. Das heißt, während des Ladens extrahiert die externe Stromquelle die in Kathode 20 vorhandenen Lithiumionen, um Lithiumionen und Elektronen zu erzeugen. Die Lithiumionen werden durch den Elektrolyten 3 durch den Separator 2 zurückgeführt, und die Elektronen werden durch den externen Stromkreis A zurückgeleitet, beide zur Anode 10 hin. Die Lithiumionen und Elektronen werden schließlich an der Anode 10 rekombiniert, wodurch diese für eine zukünftige Entladung der Zelle wieder mit eingelagertem Lithium aufgefüllt wird.
  • Die hybride elektrochemische Zelle 1 oder ein Modul oder eine Packung mit einer Vielzahl von hybriden elektrochemischen Zellen 1, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, kann verwendet werden, um eine zugehörige Lastvorrichtung reversibel mit Strom und Energie zu versorgen. Hybride elektrochemische Zellen können auch in verschiedenen Geräten der Unterhaltungselektronik (z.B. Laptops, Kameras und Handys/Smartphones), Militärelektronik (z.B. Funkgeräte, Minendetektoren und thermische Waffen), Flugzeugen und Satelliten u.a. verwendet werden. Hybride elektrochemische Zellen, Module und Packungen können in ein Fahrzeug wie z.B. ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), ein batterie-elektrisches Fahrzeug (BEV), ein Plug-in-HEV oder ein Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite (EREV) eingebaut werden, um genügend Strom und Energie für den Betrieb eines oder mehrerer Systeme des Fahrzeugs zu erzeugen. Beispielsweise können die hybriden elektrochemischen Zellen, Module und Packungen in Kombination mit einem Benzin- oder Dieselverbrennungsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden (wie in Hybrid-Elektrofahrzeugen) oder allein zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden (wie in batteriebetriebenen Fahrzeugen).
  • Anode 10 enthält einen zweiseitigen Stromkollektor 11, und Kathode 20 enthält einen zweiseitigen Stromkollektor 21. Die Stromkollektoren 11 und 21 werden im Allgemeinen aus dünnen Metallfolien unterschiedlicher Größe und Geometrie hergestellt. Die den beiden Elektroden 10 und 20 zugeordneten Stromkollektoren 11 und 21 sind durch einen externen Stromkreis A verbunden, der einen elektrischen Stromfluss zwischen den Elektroden ermöglicht, um die damit verbundene Migration von Lithiumionen elektrisch auszugleichen. Der Anodenstromkollektor 11 kann Kupfer, Aluminium, rostfreien Stahl, beschichtete Folie oder jedes andere geeignete elektrisch leitende Material enthalten, das Fachleuten bekannt ist. Der Kathodenstromkollektor 21 kann Aluminium, rostfreien Stahl oder jedes andere geeignete elektrisch leitfähige Material enthalten, das Fachleuten bekannt ist, und kann in Folien- oder Gitterform ausgebildet sein. Die Stromkollektoren 11 und 21 können in einigen Ausführungsformen eine Dicke von etwa 4 Mikrometern bis etwa 25 Mikrometern aufweisen.
  • Der Anodenstromkollektor 11 weist ein Lithiumeinlagerungs-Wirtsmaterial 13 auf, das auf jeder Seite davon in einem oder mehreren Anodenbereichen aufgebracht ist, und der Kathodenstromkollektor 21 weist ein aktives Material 23 auf Lithiumbasis auf, das auf jeder Seite davon in einem oder mehreren Kathodenbereichen aufgebracht ist. Das aktive Material 23 kann Lithiumionen auf einem höheren elektrischen Potential speichern als das Einlagerungs-Wirtsmaterial 13. Die Anode 10 und/oder die Kathode 20 ist eine Hybridelektrode und enthält ferner ein Kondensatormaterial 12 bzw. 22, das auf jeder Seite seines jeweiligen Stromkollektors 11 bzw. 21 in einem oder mehreren Kondensatorbereichen aufgebracht ist. Dementsprechend kann die hybride elektrochemische Zelle 1 eine Hybridanode 10, eine Hybridkathode 20 oder eine Hybridanode 10 und eine Hybridkathode 20 umfassen. Bei einer gegebenen Hybridanode 10 unterscheidet sich das auf den Anodenstromkollektor 11 aufgebrachte Kondensatormaterial 12 vom Anodenwirtsmaterial 13. In ähnlicher Weise unterscheidet sich bei einer gegebenen
  • Hybridkathode 20 das auf den Kathodenstromkollektor 21 aufgebrachte Kondensatormaterial 22 von dem kathodenaktiven Material 23. Im Allgemeinen sind die Stromkollektoren 11 und 21 auf beiden Seiten mit porösen Schichten aus einzelnen Elektrodenmaterialien (Wirtsmaterial 13, aktives Material 23 und Kondensatormaterial 12 und 22) in jeweils unterschiedlichen bzw. getrennten, nicht überlappenden Bereichen beschichtet. In einigen Ausführungsformen weisen die Anode 10 und/oder die Kathode 20 Spalte bzw. Lücken zwischen dem/den Anodenbereich(en) bzw. Kathodenbereich(en) und dem/den Kondensatorbereich(en) des Stromkollektors 11 bzw. 21 auf. Zu solchen Lücken gehören unbeschichtete (d.h. nackte) Bereiche des Stromkollektors 11 oder 21, die eine Ausdehnung des Wirtsmaterials 13, des aktiven Materials 23 und des Kondensatormaterials 12 und 22, die während des Ladens und Entladens der Hybridzelle auftreten können, ermöglichen. Die Dicken der Beschichtungsschichten können variiert werden, um die Kapazität der Schicht zur Aufnahme und Abgabe von Lithiumionen und Anionen der Lithium-Elektrolytlösung abzustimmen. Die Schichtdicken sind nicht notwendigerweise auf jeder Seite des Stromkollektors gleich.
  • Wirtsmaterial 13 kann jegliches Lithium-Wirtsmaterial enthalten, das ausreichend Lithiumioneneinlagerung, -auslagerung und -legierung ertragen kann, während es als negativer Anschluss der hybriden elektrochemischen Zelle 1 fungiert. In einer Ausführungsform enthält das Wirtsmaterial 13 Lithiumtitanat. In einigen Ausführungsformen enthält das Wirtsmaterial 13 Lithiumtitanat („LTO“), Silicium, Silicium-Lithium-Legierungen, Silicium-Zinn-Legierungen, Silicium-Kupfer-Legierungen, Siliciumoxid, Zinn, Zinnoxide, Kobaltoxide, Eisenoxide, Titanoxide (z.B. TiO2), TiNb2O7 und Kohlenstoffmaterial mit geringer Oberfläche, einschließlich hartem Kohlenstoff, weichem Kohlenstoff und Graphit. Während der Zellenentladung werden Elektronen aus dem Wirtsmaterial 13 in den externen Stromkreis A, der elektrische Energie benötigt, und Lithiumionen in einen wasserfreien, Lithiumionen leitenden Elektrolyten 3 freigesetzt (ausgelagert bzw. de-interkaliert). Eine kleine Menge leitfähigkeitssteigernder Kohlenstoffpartikel kann in einigen Ausführungsformen mit dem Wirtsmaterial 13 vermischt sein.
  • Aktives Material 23 kann jedes aktive Material auf Lithium-Basis umfassen, das ausreichend Lithium-Einlagerung und -auslagerung durchlaufen kann, während es als positiver Anschluss der hybriden elektrochemischen Zelle 1 fungiert. In einer Ausführungsform enthält das aktive Material 23 Lithium-Manganoxid. In einigen Ausführungsformen enthält das aktive Material 23 Lithium-Metalloxide und Lithium-Metallphosphate, zu denen unter anderem Lithium-Manganoxid, Lithium-Nickeloxid, Lithium-Kobaltoxid, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid oder Lithium-Eisenphosphate gehören. Zu den spezifischen Lithium-Metalloxiden gehören Lithium-Aluminium-Manganoxid (z.B. LixAlyMn1-yO2) und Lithium-Übergangsmetalloxide wie Lithium-Manganoxid mit Spinellstruktur LiMn2O4 („LMO“), Lithium-Kobaltoxid (z.B. LiCoO2) Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (z.B. Li(NixMnyCoz)O2, wobei x + y + z = 1) („NMC“), Lithium-Nickeloxid (z.B. LiNiO2), Lithium-Vanadiumoxid (z.B. LiV2O5) oder ein Lithium-Eisen-Polyanionoxid wie Lithium-EisenPhosphat LiFePO4 („LFP“) oder Lithium-Eisen-Fluorphosphat (Li2FePO4F). Aktives Material 23 kann auch ein polymeres Bindematerial enthalten, um das aktive Material auf Lithiumbasis strukturell zusammenzuhalten.
  • Kondensatormaterial 12 und/oder 22 umfasst in einigen Ausführungsformen Kohlenstoffmaterialien mit großer Oberfläche oder Aktivkohlematerialien („AC“). In einigen Ausführungsformen enthält das Kondensatormaterial 12 und/oder 22 AC, Graphit, Kohlenstoff-Aerogel, von Karbid abgeleiteten Kohlenstoff, Graphen, Graphenoxid, Kohlenstoff-Nanoröhren, Oxide von Blei, Germanium, Kobalt, Nickel, Kupfer, Eisen, Mangan, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Chrom, Molybdän, Wolfram oder Niob, Metallsulfide (z.B. TiS2, NiS, A4Hf3S8, CuS, FeS oder FeS2). AC kann z.B. AC-Partikel oder AC-Fasern enthalten. In einigen Ausführungsformen kann Kondensatormaterial 22 beliebige der oben genannten Materialien und zusätzlich oder alternativ eines oder mehrere von Poly(3-Methylthiophen), Polyanilin, Polypyrrol, Poly(paraphenylen), Polyacen, Polythiophen und Polyacetylen enthalten. Die kohlenstoffhaltigen Kondensatormaterialien 12 und/oder 22 sind oberflächenmodifiziert, um große Materialoberflächen bereitzustellen. Beispielsweise kann im Falle von Graphit ein Anodenwirtsmaterial 13 Graphit mit geringer Oberfläche enthalten, das die Einlagerung/Auslagerung von Lithiumionen (über chemische Mechanismen) unterstützt, während ein Kondensatormaterial 12 und/oder 22 Graphit mit großer Oberfläche enthalten kann, das die Adsorption/Desorption von Anionen oder Kationen (über physikalische Mechanismen) unterstützt. Der vorstehende Graphitvergleich gilt in ähnlicher Weise für die anderen hier beschriebenen kohlenstoffhaltigen Anodenwirtsmaterialien 13 und Kondensatormaterialien 12 und/oder 22. In einigen Ausführungsformen kann das kathodenaktive Material 23 eine Oberfläche von etwa 0,2 m2/Gramm bis etwa 30 m2/Gramm aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Anodenwirtsmaterial 13 eine Oberfläche von etwa 0,5 m2/Gramm bis etwa 50 m2/Gramm aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die Kondensatormaterialien 12 und/oder 22 eine Oberfläche von etwa 1.000 m2/Gramm bis etwa 3.000 m2/Gramm aufweisen.
  • In einer Ausführungsform enthält die Kathode 20 aktives LFP-Material 23 und AC-Kondensatormaterial 22, die auf einer oder beiden Seiten des Kathodenstromkollektors 21 aufgebracht sind, und die Anode 10 enthält Graphit-Wirtsmaterial 13, das auf einer oder beiden Seiten des Anodenstromkollektors 11 aufgebracht ist. In einer Ausführungsform enthält die Kathode 20 das aktive NMC-Material 23 und das AC-Kondensatormaterial 22, die auf einer oder beiden Seiten des Kathodenstromkollektors 21 angebracht sind, und die Anode 10 enthält das Graphit-Wirtsmaterial 13, das auf einer oder beiden Seiten des Anodenstromkollektors 11 angebracht ist. In einer Ausführungsform enthält die Kathode 20 das aktive LMO-Material 23 und das AC-Kondensatormaterial 22, die auf einer oder beiden Seiten des Kathodenstromkollektors 21 angebracht sind, und die Anode 10 enthält das LTO-Wirtsmaterial 13, das auf einer oder beiden Seiten des Anodenstromkollektors 11 angebracht ist. In einer Ausführungsform enthält die Kathode 20 das aktive NMC-Material 23 und das AC-Kondensatormaterial 22, die auf einer oder beiden Seiten des Kathodenstromkollektors 21 angebracht sind, und die Anode 10 enthält das LTO-Wirtsmaterial 13, das auf einer oder beiden Seiten des Anodenstromkollektors 11 angebracht ist. In einer Ausführungsform enthält die Kathode 20 aktives LFP-Material 23 und AC-Kondensatormaterial 22, die auf einer oder beiden Seiten des Kathodenstromkollektors 21 aufgebracht sind, und die Anode 10 enthält Graphit und Silicium oder Siliciumoxid-Wirtsmaterial 13, die auf einer oder beiden Seiten des Anodenstromkollektors 11 aufgebracht sind. In einer Ausführungsform enthält die Kathode 20 aktives NMC-Material 23 und AC-Kondensatormaterial 22, die auf einer oder beiden Seiten des Kathodenstromkollektors 21 aufgebracht sind, und die Anode 10 enthält Graphit und Silicium oder Siliciumoxid-Wirtsmaterial 13, das auf einer oder beiden Seiten des Anodenstromkollektors 11 aufgebracht ist.
  • Anodenwirtsmaterial 13, kathodenaktives Material 23 und Kondensatormaterial 12 und/oder 22 können ferner ein Polymer-Bindemittelmaterial enthalten, um jedes Material an seinem zugehörigen Stromkollektor zu befestigen. Zu den geeigneten Polymerbindemittelmaterialien gehören eines oder mehrere von aus Polyvinylidenfluorid (PVdF), einem Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethoxylcellulose (CMC) und Styrol-1,3-Butadien-Polymer (SBR) oder Polytetrafluorethylen (PTFE). Die Bindemittel sind im Idealfall nicht elektrisch leitend und sollten in einer minimalen geeigneten Menge verwendet werden, um eine dauerhafte Beschichtung aus porösem Elektrodenmaterial zu erhalten, ohne die Oberflächen der Materialpartikel vollständig zu bedecken.
  • Jede geeignete Elektrolytlösung, die Lithiumionen zwischen Anode 10 und Kathode 20 leiten kann, kann in der Hybridzelle 10 verwendet werden. In einer Ausführungsform kann die Elektrolytlösung eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz enthält, das in einem organischen Lösungsmittel oder einer Mischung organischer Lösungsmittel gelöst ist. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst werden können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst LiClO4, LiAlCl4 Lil, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiPF6 und Mischungen davon. Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln gelöst werden, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, zyklische Carbonate (Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat), azyklische Carbonate (Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat), aliphatische Carbonsäureester (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (y-Butyrolacton, y-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Mischungen davon. Polymerelektrolyte 3 können ein oder mehrere Polymere, wie z.B. Polyethylenoxid (PEO) oder Polyacrylnitril u.a., und ein oder mehrere Lithiumsalze, wie z.B. LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiSICON oder LiPON u.a., enthalten.
  • Der Separator 2 wird verwendet, um einen direkten elektrischen Kontakt zwischen der Anode 10 und der Kathode 20 zu verhindern, und ist so geformt und dimensioniert, dass er dieser Funktion dient. Bei der Montage der hybriden elektrochemischen Zelle 1 werden die beiden Elektroden gegen die gegenüberliegenden Seiten des Separators 3 gedrückt, und ein Elektrolyt 3 wird dazwischen angeordnet. Zum Beispiel kann ein flüssiger Elektrolyt 3 in die Poren des Separators 2 und in die Schichten des Elektrodenmaterials injiziert werden. Der mikroporöse Polymerseparator 2 kann in einer Ausführungsform ein Polyolefin enthalten. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, entweder linear oder verzweigt. Wenn ein Heteropolymer verwendet wird, das von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich jene eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Dasselbe gilt, wenn das Polyolefin ein Heteropolymer ist, das sich von mehr als zwei Monomerbestandteilen ableitet. In einer Ausführungsform kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP sein. Separator 2 kann optional keramisch beschichtet werden mit Materialien, die unter anderem ein oder mehrere keramische Aluminiumoxide (z.B. Al2O3) und lithiumhaltige Oxide vom Zeolithtyp enthalten. Lithiierte Oxide vom Zeolithtyp können die Sicherheit und die Lebensdauer von Lithiumionen-Batterien, wie z.B. der Hybridzelle 10, verbessern.
  • Der mikroporöse Polymerseparator 2 kann eine einzelne Schicht oder ein mehrschichtiges Laminat sein, das entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt wird. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins die Gesamtheit des mikroporösen Polymerseparators 2 bilden. Als ein anderes Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen in den mikroporösen Polymerseparator 2 eingebaut werden. Der mikroporöse Polymerseparator 2 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere enthalten, wie z.B., aber nicht ausschließlich, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF) und/oder ein Polyamid (Nylon). Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können darüber hinaus als faserige Schicht in den mikroporösen Polymerseparator 2 aufgenommen werden, um dem mikroporösen Polymerseparator 2 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen. Fachleute kennen und verstehen zweifellos die vielen verfügbaren Polymere und kommerziellen Produkte, aus denen der mikroporöse Polymerseparator 2 hergestellt werden kann, sowie die vielen Herstellungsmethoden, die zur Herstellung des mikroporösen Polymerseparators 2 verwendet werden können.
  • Wirtsmaterial 13, aktives Material 23 und Kondensatormaterial 12 und/oder 22 können auf eine oder mehrere Elektroden einer Hybridzelle in unterschiedlichen Mengen und Geometrien aufgebracht werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Im Allgemeinen können Wirtsmaterial 13, aktives Material 23 und Kondensatormaterial 12 und/oder 22 auf jeder der beiden Seiten einer oder mehrerer Elektroden in Dicken von etwa 20 µm bis etwa 200 µm aufgebracht werden, obwohl auch andere Dicken praktikabel sind. Die Hybridelektroden (z.B. Anode 10 und Kathode 20) können in verschiedenen Zellkonfigurationen verwendet werden, einschließlich prismatisch/gestapelt und gewickelt (z.B. zylindrisch oder Beutel). Für eine gegebene Hybridelektrode können die Anoden- oder Kathodenbereich(e) und die Kondensatorbereich(e) als alternierende Streifen angeordnet werden, wie in den 2A, 3A, 4A-4D und 5A-5D gezeigt. In einigen Ausführungsformen kann ein Anoden- oder Kathodenbereich eine Breite von etwa 25 Millimeter bis etwa 500 Millimeter und ein Kondensatorbereich eine Breite von etwa 5 Millimeter bis etwa 400 Millimeter aufweisen.
  • 2A und 3A zeigen eine schematische Darstellung einer Hybridelektrode (d.h. Anode 10 oder Kathode 20), die durch eine Länge L und eine Breite W gekennzeichnet ist und einen oder mehrere Kondensatorbereiche aufweist, in denen Kondensatormaterial 12, 22 auf den Stromkollektor 11, 21 aufgebracht ist. Die übrigen Abschnitte des Stromkollektors 11, 21 enthalten Wirtsmaterial 13 oder aktives Material 23, das in Anodenbereichen bzw. Kathodenbereichen aufgebracht ist. Die Elektrode 10, 20 kann wahlweise Lücken 14, 24 zwischen dem/den Anodenbereich(en) oder Kathodenbereich(en) und dem/den Kondensatorbereich(en) des Stromkollektors 11 oder 21 enthalten. Die Lücken können in einigen Ausführungsformen eine Breite (gemessen zwischen dem Anoden- oder Kathodenbereich bzw. den Kathodenbereichen und dem Kondensatorbereich) von etwa 0,01 bis etwa 5 mm aufweisen. Ein Elektrodenstreifen 17, 27 erstreckt sich vom Stromkollektor 11, 21 aus in Längsrichtung. Die Elektrode 10, 20 von 2A umfasst Anodenbereiche oder Kathodenbereiche und Kondensatorbereiche, die sich in Längsrichtung über die Elektrode erstrecken, während die Elektrode 10, 20 von 3A Anodenbereiche oder Kathodenbereiche und Kondensatorbereiche umfasst, die sich in Breitenrichtung über die Elektrode erstrecken. 2B zeigt eine perspektivische Ansicht eines prismatischen hybriden elektrochemischen Moduls 30, das eine Vielzahl der in 2A dargestellten Elektroden 10, 20 umfasst, und 3B zeigt eine perspektivische Ansicht eines prismatischen hybriden elektrochemischen Moduls 30, das eine Vielzahl der in 3A dargestellten Elektroden 10, 20 umfasst. In 2B und 3B sind die Elektroden jeweils durch abwechselnde Anoden 10 und Kathoden 20 gestapelt. Die Separatoren 2, der Elektrolyt 3 und andere zugehörige Komponenten solcher hybriden elektrochemischen Zellen wurden der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Eine Anodensammelschiene 31 verbindet elektrisch die Elektrodenstreifen 17 einer oder mehrerer Anoden 10, und eine Kathodensammelschiene 32 verbindet elektrisch die Elektrodenstreifen 27 einer oder mehrerer Kathoden 20.
  • 4A und 4B zeigen eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht einer Hybridanode 10. 5A und 5B zeigen in ähnlicher Weise eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht einer Hybridanode 10. Die Anoden 10 sind durch eine Länge L und eine Breite W gekennzeichnet und umfassen einen oder mehrere Kondensatorbereiche, in denen Kondensatormaterial 12 auf den Stromkollektor 11 aufgebracht ist. Die übrigen Teile des Stromkollektors 11 bestehen aus Wirtsmaterial 13, das in einem oder mehreren Anodenbereichen aufgebracht ist. Die Anoden 10 können optional Lücken (nicht abgebildet) zwischen dem/den Anodenbereich(en) und dem/den Kondensatorbereich(en) des Stromkollektors 11 enthalten. Ein Elektrodenstreifen 17 erstreckt sich vom Stromkollektor 11 aus in Längsrichtung. Die Anode 10 von 4A-B umfasst einen oder mehrere Anodenbereiche und einen oder mehrere Kondensatorbereiche, die sich in der Breitenrichtung über die Anode 10 erstrecken, während die Anode 10 von 5A-B einen oder mehrere Anodenbereiche und einen oder mehrere Kondensatorbereiche umfasst, die sich in Längsrichtung über die Anode 10 erstrecken.
  • 4C und 4D zeigen eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht einer Hybridkathode 20, die in geeigneter Weise in Kombination mit der Anode 10 von 4A-B zur Bildung einer hybriden elektrochemischen Zelle 1 verwendet werden kann. 5C und 5D zeigen in ähnlicher Weise eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht einer Hybridkathode 20, die in geeigneter Weise in Kombination mit der Anode 10 der 5A-B zur Bildung einer hybriden elektrochemischen Zelle 1 verwendet werden kann. Die Kathoden 20 sind durch eine Länge L und eine Breite W gekennzeichnet und umfassen einen oder mehrere Kondensatorbereiche, in denen Kondensatormaterial 22 auf den Stromkollektor 21 aufgebracht ist. Die übrigen Abschnitte des Stromkollektors 21 enthalten aktives Material 23, das in einem oder mehreren Kathodenbereichen aufgebracht ist. Die Kathoden 20 können wahlweise Lücken (nicht dargestellt) zwischen dem/den Kathodenbereich(en) und dem/den Kondensatorbereich(en) des Stromkollektors 21 enthalten. Ein Elektrodenstreifen 27 erstreckt sich vom Stromkollektor 21 aus in Längsrichtung. Die Kathode 20 von 4C-D umfasst einen oder mehrere Kathodenbereiche und einen oder mehrere Kondensatorbereiche, die sich in der Breitenrichtung über die Kathode 20 erstrecken, während die Kathode 20 von 5C-D einen oder mehrere Kathodenbereiche und einen oder mehrere Kondensatorbereiche umfasst, die sich in Längsrichtung über die Kathode 20 erstrecken.
  • 4E zeigt eine perspektivische Ansicht eines gewickelten hybriden elektrochemischen Moduls 40, das ein oder mehrere Elektrodenpaare umfasst, die aus der in 4A-D dargestellten Anode 10 und Kathode 20 gebildet sind, und 5E zeigt eine perspektivische Ansicht eines gewickelten hybriden elektrochemischen Moduls 40, das ein oder mehrere Elektrodenpaare umfasst, die aus der in 5A-D dargestellten Anode 10 und Kathode 20 gebildet sind. Das gewickelte hybride elektrochemische Modul 40 sowohl in 4E als auch in 5E sind so dargestellt, dass sie ein einzelnes Elektrodenpaar (d.h. Anode 10 und Kathode 20) enthalten, aber jedes Modul 40 kann eine Vielzahl von Elektrodenpaaren umfassen. Die Separatoren 2, Elektrolyt 3 und andere zugehörige Komponenten solcher hybriden elektrochemischen Zellen sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Lücken 15 der Beschichtung durch Wirtsmaterial 13 können optional an den Längsenden der Anoden 10 auftreten, um das Wickeln der Elektroden 10, 20 zum gewickelten hybriden elektrochemischen Modul 40 zu erleichtern.
  • Während oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst werden. Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind eher beschreibende als einschränkende Worte, und es wird davon ausgegangen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder gezeigt sind. Während verschiedene Ausführungsformen hinsichtlich eines oder mehrerer gewünschter Merkmale als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik hätten beschrieben werden können, ist Fachleuten klar, dass bei einem oder mehreren Merkmalen oder Eigenschaften Kompromisse eingegangen werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Zu diesen Attributen können unter anderem Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. gehören, ohne darauf beschränkt zu sein. Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, sind als solche nicht außerhalb des Geltungsbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims (20)

  1. Hybride elektrochemische Zelle, umfassend: eine Anode mit einem zweiseitigen Stromkollektor, wobei jede Seite des Stromkollektors in einem oder mehreren Anodenbereichen mit einem Anodenwirtsmaterial und in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit einem Kondensatormaterial beschichtet ist; und eine Kathode mit einem zweiseitigen Stromkollektor, wobei jede Seite des Stromkollektors in einem oder mehreren Kathodenbereichen mit einem kathodenaktiven Material und in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit einem Kondensatormaterial beschichtet ist.
  2. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Kondensatorbereiche der Anode von dem einen oder den mehreren Anodenbereichen verschieden sind und diese(n) nicht überlappen, und/oder der eine oder die mehreren Kondensatorbereiche der Kathode von dem einen oder den mehreren Kathodenbereichen verschieden sind und diese(n) nicht überlappen.
  3. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Anode Lücken zwischen dem einen oder den mehreren Kondensatorbereichen und dem einen oder den mehreren Anodenbereichen aufweist und/oder die Kathode Lücken zwischen dem einen oder den mehreren Kondensatorbereichen und dem einen oder den mehreren Kathodenbereichen aufweist.
  4. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Kondensatormaterial eines oder mehrere von Aktivkohle, Graphit, Kohlenstoff-Aerogel, von Karbid abgeleitetem Kohlenstoff, Graphen, Graphenoxid, Kohlenstoff-Nanoröhren, Bleioxid, Germaniumoxid, Kobaltoxid, Nickeloxid, Kupferoxid, Eisenoxid, Manganoxid, Rutheniumoxid, Rhodiumoxid, Palladiumoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Nioboxid, TiS2, NiS, Ag4Hf3S8, CuS, FeS und FeS2 enthält.
  5. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, wobei das auf den Anodenstromkollektor aufgebrachte Kondensatormaterial sich von dem Anodenwirtsmaterial unterscheidet und das auf den Kathodenstromkollektor aufgebrachte Kondensatormaterial sich von dem kathodenaktiven Material unterscheidet.
  6. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Anodenwirtsmaterial eines oder mehrere von Lithiumtitanat, TiNb2O7, Silicium, eine oder mehrere Silicium-Lithium-Legierungen, eine oder mehrere Silicium-Zinn-Legierungen, eine oder mehrere Silicium-Kupfer-Legierungen, ein oder mehrere Siliciumoxide, ein oder mehrere Kobaltoxide, ein oder mehrere Eisenoxide, ein oder mehrere Titanoxide, Zinn, ein oder mehrere Zinnoxide, hartem Kohlenstoff, weichem Kohlenstoff und Graphit enthält.
  7. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das kathodenaktive Material ein oder mehrere Lithium-Metalloxide enthält.
  8. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das kathodenaktive Material eines oder mehrere von Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid und Lithium-Manganoxid mit Spinellstruktur enthält, das Anodenwirtsmaterial eines oder mehrere von Graphit, Silicium und eines oder mehrere Siliciumoxide enthält und das Kondensatormaterial Aktivkohle enthält.
  9. Hybride elektrochemische Zelle, umfassend: eine Anode mit einem zweiseitigen Anodenstromkollektor, wobei jede Seite des Anodenstromkollektors zumindest teilweise mit einem Anodenwirtsmaterial beschichtet ist; und eine Kathode mit einem zweiseitigen Stromkollektor, wobei jede Seite des Stromkollektors zumindest teilweise mit einem kathodenaktiven Material beschichtet ist; wobei der Anodenstromkollektor und/oder der Kathodenstromkollektor in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit Kondensatormaterial beschichtet ist.
  10. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, wobei sowohl der Anodenstromkollektor als auch der Kathodenstromkollektor in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit Kondensatormaterial beschichtet ist.
  11. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, wobei das Kondensatormaterial, mit dem der Kathodenstromkollektor beschichtet ist, eines oder mehrere von Aktivkohle, Graphit, Kohlenstoff-Aerogel, von Karbid abgeleiteter Kohlenstoff, Graphen, Graphenoxid, Kohlenstoff-Nanoröhren, Bleioxid, Germaniumoxid, Kobaltoxid, Nickeloxid, Kupferoxid, Eisenoxid, Manganoxid, Rutheniumoxid, Rhodiumoxid, Palladiumoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Nioboxid, TiS2, NiS, Ag4Hf3S8, CuS, FeS, FeS2, Poly(3-Methylthiophen), Polyanilin, Polypyrrol, Poly(paraphenylen), Polyacen, Polythiophen und Polyacetylen enthält.
  12. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, wobei das kathodenaktive Material eines oder mehrere von Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid und Lithium-Manganoxid mit Spinellstruktur enthält, das Anodenwirtsmaterial eines oder mehrere von Graphit, Silicium und eines oder mehrere Siliciumoxide enthält und das Kondensatormaterial Aktivkohle enthält.
  13. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, wobei das Anodenwirtsmaterial eines oder mehrere von Lithiumtitanat, TiNb2O7, Silicium, eine oder mehrere Silicium-Lithium-Legierungen, eine oder mehrere Silicium-Zinn-Legierungen, eine oder mehrere Silicium-Kupfer-Legierungen, ein oder mehrere Siliciumoxide, ein oder mehrere Kobaltoxide, ein oder mehrere Eisenoxide, ein oder mehrere Titanoxide, Zinn, ein oder mehrere Zinnoxide, hartem Kohlenstoff, weichem Kohlenstoff und Graphit enthält.
  14. Hybride elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, wobei das kathodenaktive Material ein oder mehrere Lithium-Metalloxide enthält.
  15. Hybrides elektrochemisches Modul, umfassend: eine Vielzahl von gestapelten oder gewickelten Elektrodenpaaren, wobei jedes Elektrodenpaar umfasst: eine Anode mit einem zweiseitigen Anodenstromkollektor, wobei jede Seite des Anodenstromkollektors zumindest teilweise mit einem Anodenwirtsmaterial beschichtet ist; und eine Kathode mit einem zweiseitigen Stromkollektor, wobei jede Seite des Stromkollektors zumindest teilweise mit einem kathodenaktiven Material beschichtet ist; wobei der Anodenstromkollektor und/oder der Kathodenstromkollektor jedes Elektrodenpaares in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit Kondensatormaterial beschichtet ist.
  16. Hybrides elektrochemisches Modul nach Anspruch 15, wobei das Kondensatormaterial eines oder mehrere von Aktivkohle, Graphit, Kohlenstoff-Aerogel, von Karbid abgeleitetem Kohlenstoff, Graphen, Graphenoxid, Kohlenstoff-Nanoröhren, Bleioxid, Germaniumoxid, Kobaltoxid, Nickeloxid, Kupferoxid, Eisenoxid, Manganoxid, Rutheniumoxid, Rhodiumoxid, Palladiumoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Nioboxid, TiS2, NiS, Ag4Hf3S8, CuS, FeS und FeS2 enthält.
  17. Hybrides elektrochemisches Modul nach Anspruch 15, wobei die Dicke des Kondensatormaterials und des Anodenwirtsmaterials und/oder des Kathodenwirtsmaterials etwa 20 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer beträgt.
  18. Hybrides elektrochemisches Modul nach Anspruch 15, wobei die Breite des einen oder der mehreren Anodenbereiche und/oder des einen oder der mehreren Kathodenbereiche etwa 25 Millimeter bis etwa 500 Millimeter und die Breite des einen oder der mehreren Kondensatorbereiche etwa 5 Millimeter bis etwa 400 Millimeter beträgt.
  19. Hybrides elektrochemisches Modul nach Anspruch 15, wobei der Anodenstromkollektor und der Kathodenstromkollektor jedes Elektrodenpaares in einem oder mehreren Kondensatorbereichen mit Kondensatormaterial beschichtet ist.
  20. Hybrides elektrochemisches Modul nach Anspruch 15, wobei das kathodenaktive Material eines oder mehrere von Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid und Lithium-Manganoxid mit Spinellstruktur enthält, das Anodenwirtsmaterial eines oder mehrere von Graphit, Silicium und eines oder mehrere Siliciumoxide enthält und das Kondensatormaterial Aktivkohle enthält.
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