DE112018007443T5 - Hybride lithium-ionen-kondensator-batterie mit einer kohlenstoffbeschichtetenseparatorschicht und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Hybride lithium-ionen-kondensator-batterie mit einer kohlenstoffbeschichtetenseparatorschicht und verfahren zu deren herstellung Download PDF

Info

Publication number
DE112018007443T5
DE112018007443T5 DE112018007443.9T DE112018007443T DE112018007443T5 DE 112018007443 T5 DE112018007443 T5 DE 112018007443T5 DE 112018007443 T DE112018007443 T DE 112018007443T DE 112018007443 T5 DE112018007443 T5 DE 112018007443T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electrode
layer
separator
activated carbon
type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE112018007443.9T
Other languages
English (en)
Inventor
Qili Su
Dewen Kong
Yong Lu
Zhe Li
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of DE112018007443T5 publication Critical patent/DE112018007443T5/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/04—Hybrid capacitors
    • H01G11/06—Hybrid capacitors with one of the electrodes allowing ions to be reversibly doped thereinto, e.g. lithium ion capacitors [LIC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • H01G11/28—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features arranged or disposed on a current collector; Layers or phases between electrodes and current collectors, e.g. adhesives
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/52—Separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/043—Processes of manufacture in general involving compressing or compaction
    • H01M4/0435—Rolling or calendering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/42—Acrylic resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/426—Fluorocarbon polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • H01M50/434—Ceramics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/446—Composite material consisting of a mixture of organic and inorganic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/451—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising layers of only organic material and layers containing inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/457—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries

Abstract

Eine hybride Lithiumionen-Kondensatorbatterie und ein Verfahren zu deren Herstellung wird offenbart. Die hybride Lithiumionen-Kondensatorbatterie enthält eine positive Elektrode, die durch eine Separatorschicht von einer negativen Elektrode getrennt ist. Eine erste Aktivkohleschicht ist zwischen der Separatorschicht und einer der positiven und negativen Elektroden angeordnet. Die erste Aktivkohleschicht ist auf einer ersten Oberfläche der Separatorschicht aufgebracht. Eine zweite Aktivkohleschicht ist zwischen der Separatorschicht und der anderen der positiven und negativen Elektroden wird auf eine zweite Oberfläche der Separatorschicht aufgetragen. Ein erster Stromkollektor berührt koextensiv die erste Elektrode, und ein zweiter Stromkollektor berührt koextensiv die zweite Elektrode. Eine Elektrolytlösung trägt Lithiumkationen zwischen der positiven und negativen Elektrode durch die mit Aktivkohle beschichtete Separatorschicht.

Description

  • EINLEITUNG
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine kondensatorgestützte Batterie und im Besonderen auf eine hybride Lithiumionen-Kondensatorbatterie mit einem mit Aktivkohle beschichteten Separator sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • Wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien sind dafür bekannt, dass sie in Anwendungen der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden, von kleinen elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen bis hin zu größeren elektronischen Geräten wie Laptops. Eine typische Lithiumionen-Batterie besteht aus einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und einer Separatorschicht, die die Anodenschicht von der Kathodenschicht trennt. Die Lithiumionen-Batterie enthält auch einen Elektrolyten, der so formuliert ist, dass er Lithium-Kationen (Li+) zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht trägt, wenn die Lithiumionen-Batterie geladen oder entladen wird.
  • Aufgrund der wünschenswerten Eigenschaften von Lithiumionen-Batterien, wie z.B. der Fähigkeit, eine relativ hohe Energiedichte im Vergleich zu Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Cadmium- oder Blei-Säure-Batterien zu erzielen, und der Fähigkeit, über viele Zyklen ganz oder teilweise geladen und entladen zu werden, ohne einen Memory-Effekt aufzuweisen, wird die Verwendung von Lithiumionen-Batterien auf größere elektrische Geräte wie Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge ausgeweitet. Für solche größeren Anwendungen wird eine wiederaufladbare Batterie benötigt, die über Eigenschaften mit hoher Energie- und hoher Leistungsdichte verfügt.
  • Während also Lithiumionen-Batterien ihren Zweck erfüllen, sind sowohl eine hohe Energiedichte, die normalerweise mit Lithiumionen-Batterien verbunden ist, als auch eine hohe Leistungsdichte, wie sie für Kondensatoren typisch ist, sowie eine lange Betriebsdauer über zahlreiche Wiederaufladezyklen in den Bereichen der Verkehrstechnologien, in denen hohe Lade- und Entladeraten erforderlich sind, nötig.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Nach mehreren Aspekten wird eine Batterie offenbart. Die Batterie enthält eine Separatorschicht mit einer ersten Oberfläche, eine erste Elektrode, die von der ersten Oberfläche der Separatorschicht beabstandet ist, und eine erste Aktivkohleschicht, die zwischen dem Separator und der ersten Elektrode angeordnet ist.
  • In einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Offenbarung steht die Aktivkohleschicht in Kontakt mit der ersten Elektrode.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält die Batterie ferner einen ersten Stromabnehmer bzw. Stromkollektor mit einer leitfähigen Folie, die die erste Elektrode koextensiv berührt.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die erste Aktivkohleschicht auf die erste Oberfläche der Separatorschicht aufgetragen.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält die Batterie ferner eine Keramikschicht, die auf die erste Oberfläche der Separatorschicht aufgebracht ist. Die Aktivkohleschicht ist so auf die Keramikschicht aufgetragen, dass die Keramikschicht sandwichartig zwischen der Separatorschicht und der Aktivkohleschicht liegt.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält die Batterie ferner eine zweite Elektrode, die von einer zweiten Oberfläche des Separators beabstandet ist, wobei die zweite Oberfläche der Separatorschicht in eine der ersten Oberfläche entgegengesetzte Richtung weist, eine zweite Aktivkohleschicht, die zwischen der zweiten Elektrode und der zweiten Oberfläche der Separatorschicht angeordnet ist, und einen zweiten Stromkollektor mit einer leitenden Folie, die die zweite Elektrode koextensiv kontaktiert.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die zweite Aktivkohleschicht in Kontakt mit der zweiten Elektrode.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die zweite Aktivkohleschicht auf die zweite Oberfläche der Separatorschicht aufgetragen.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält die Batterie außerdem eine zweite Elektrode und eine zweite Aktivkohleschicht. Die erste Aktivkohleschicht ist auf die erste Oberfläche der Separatorschicht und in direktem Kontakt mit der ersten Elektrode aufgetragen. Die zweite Aktivkohleschicht ist auf eine zweite Oberfläche der Separatorschicht gegenüber der ersten Oberfläche und in direktem Kontakt mit der zweiten Elektrode aufgetragen.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält eine der ersten und zweiten Elektroden ein aktives Material auf Lithiumbasis und die andere der ersten und zweiten Elektrode einen Graphit.
  • Nach mehreren Aspekten wird eine beschichtete Separatorschicht für eine Batterie offenbart. Die beschichtete Separatorschicht umfasst eine Separatorfolie mit einem porösen inerten Polymermaterial mit einer ersten Oberfläche und einer Aktivkohlebeschichtung, die an die erste Oberfläche angrenzt.
  • In einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Aktivkohlebeschichtung in direktem Kontakt mit der ersten Oberfläche der Separatorfolie.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält die beschichtete Separatorschicht ferner eine Keramikbeschichtung auf der ersten Oberfläche der Separatorfolie. Die Aktivkohlebeschichtung befindet sich auf der Keramikschicht, so dass die Keramikbeschichtung zwischen der Aktivkohlebeschichtung und der Separatorfolie angeordnet ist.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist die Separatorfolie eine Dicke von etwa 20 Mikrometern, die Aktivkohlebeschichtung eine Dicke von etwa 0,5 bis 25 Mikrometern und die Keramikbeschichtung eine Dicke von etwa 0,5 bis 5 Mikrometern auf.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Separatorfolie eine Vielzahl von Segmenten der Aktivkohlebeschichtung entlang der Separatorfolie.
  • Nach mehreren Aspekten wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie offenbart. Das Verfahren umfasst die Schritte des Anordnens einer Elektrode von einem ersten Typ auf einer Stapelplattform, die um eine A-Achse drehbar ist; des Anordnens eines ersten Abschnitts einer Separatorfolie auf der Elektrode vom ersten Typ, wodurch die Elektrode vom ersten Typ bedeckt wird, wobei die Separatorfolie eine erste Oberfläche aufweist, die mit einer Aktivkohleschicht beschichtet ist; und des Wickelns der Elektrode vom ersten Typ und des ersten Abschnitts der Separatorfolie um die A-Achse, wodurch ein zweiter Abschnitt der Separatorfolie auf die Stapelplattform vorgeschoben wird.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Schritte des Anbringens einer ersten Elektrode von einem zweiten Typ auf einem zweiten Abschnitt der Separatorfolie; des Wickelns der ersten Elektrode vom zweiten Typ und des zweiten Abschnitts der Separatorfolie um die A-Achse, wodurch ein dritter Abschnitt der Separatorfolie auf die Stapelplattform vorgeschoben wird; des Anbringens einer zweiten Elektrode vom zweiten Typ auf einem dritten Abschnitt der Separatorfolie; und des Wickelns der zweiten Elektrode vom zweiten Typ und des dritten Abschnitts der Separatorfolie um die A-Achse, so dass die Elektrode vom ersten Typ sandwichartig innerhalb der ersten Elektrode vom zweiten Typ und der zweiten Elektrode vom zweiten Typ angeordnet ist.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die erste Oberfläche mit einer Vielzahl von Segmenten der Aktivkohleschicht entlang der Separatorfolie beschichtet.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung steht die Aktivkohleschicht in direktem Kontakt mit mindestens einer der Elektroden vom ersten Typ und der ersten Elektrode vom zweiten Typ.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Elektrode vom ersten Typ eine von Kathode und Anode, und die Elektrode vom zweiten Typ ist die andere von Kathode und Anode.
  • Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken sollen.
  • Figurenliste
  • Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einzuschränken.
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer hybriden Lithiumionen-Kondensatorbatterie nach einer beispielhaften Ausführungsform;
    • 2 ist eine schematische Darstellung der Zellstruktur einer laminierten Hybrid-Lithiumionen-Kondensatorbatterie nach einer beispielhaften Ausführungsform;
    • 3A-3C ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer hybriden Lithiumionen-Kondensatorbatterie nach einer beispielhaften Ausführungsform;
    • 4A-4B ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer hybriden Lithiumionen-Kondensatorbatterie;
    • 5A-5F ist eine schematische Darstellung einer anderen alternativen Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer hybriden Lithiumionen-Kondensatorbatterie;
    • 6A-6B ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Separatorschicht mit einer nicht kontinuierlichen Aktivkohlebeschichtung; und
    • 7A-7C ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer hybriden Lithiumionen-Kondensatorbatterie mit einem nicht-kontinuierlichen, mit Aktivkohle beschichteten Separator.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die gegenwärtige Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken. Die abgebildeten Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen offenbart, wobei gleiche Ziffern auf gleiche oder entsprechende Teile in den einzelnen Zeichnungen verweisen. Die Abbildungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, und einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Merkmale zu zeigen. Die spezifischen strukturellen und funktionellen Details, die offenbart werden, sind nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern als repräsentative Grundlage für die Unterweisung eines Fachmanns, wie die offenbarten Konzepte zu realisieren sind.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer hybriden Lithiumionen-Kondensatorbatterie nach einer beispielhaften Ausführungsform, die im Allgemeinen mit der Bezugszahl 100 bezeichnet ist. Die hybride Lithiumionen-Kondensatorbatterie, die auch als Hybridbatterie 100 bezeichnet wird, enthält eine positive Elektrode 102, die durch eine Separatorschicht 106 von einer negativen Elektrode 104 getrennt ist. Eine erste Aktivkohleschicht 109a ist zwischen der positiven Elektrode 102 und der Separatorschicht 106 angeordnet. Die erste Aktivkohleschicht 109a steht in direktem Kontakt mit der positiven Elektrode 102. Eine zweite Aktivkohleschicht 109b ist zwischen der Separatorschicht 106 und der negativen Elektrode angeordnet. Die zweite Aktivkohleschicht 109b steht in direktem Kontakt mit der negativen Elektrode 104. Eine Elektrolytlösung, wie z.B. Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einer geeigneten organischen Lösung, ist in der Hybridbatterie 100 vorgesehen, um Lithiumkationen (Li+) zwischen der positiven Elektrode 102 und der negativen Elektrode 104 durch die Separatorschicht 106 und die beiden Aktivkohleschichten 109a, 109b zu transportieren.
  • Die positive Elektrode 102 ist elektrisch mit einem Stromkollektor 108 der positiven Elektrode verbunden, der elektrisch mit einem positiven Polanschluss 110 verbunden ist. In ähnlicher Weise ist die negative Elektrode 104 elektrisch mit einem Stromkollektor 112 der negativen Elektrode verbunden, der elektrisch mit einem negativen Polanschluss 114 verbunden ist. Zur Verdeutlichung der Darstellung und Beschreibung sind die Anschlüsse 110, 114 mit positiver bzw. negativer Polarität elektrisch mit einem einfachen Stromkreis 116 verbunden, der eine umkehrbare Spannung V hat. Der Stromkreis 116 kann eine Strom verbrauchende und eine Stromerzeugungsvorrichtung enthalten. Eine Strom verbrauchende Vorrichtung ist eine Vorrichtung, die von der Hybridbatterie 100 gespeist wird, wie z.B. der Elektromotor eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, was zur Entladung der Hybridbatterie 100 führt. Umgekehrt ist eine Stromerzeugungsvorrichtung eine Vorrichtung, die die Hybridbatterie 100 wieder auflädt, wie z.B. eine Steckdose einer Ladeeinrichtung oder eine Lichtmaschine eines Hybridfahrzeugs.
  • Wenn die Hybridbatterie 100 zumindest teilweise geladen ist, enthält die negative Elektrode 104 eine größere Menge an eingelagerten Lithiumionen (Li+) als die positive Elektrode 102, und die zweite Aktivkohleschicht 109b enthält eine Menge an adsorbierten Lithiumionen (Li+), während die erste Aktivkohleschicht 109a eine Menge an adsorbiertem Anion wie z.B. Hexafluorophosphat-Anion (PF6 -) enthält. Während die Hybridbatterie 100 sich entlädt, treibt die elektrochemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Seite, die die positive Elektrode 102 und die erste Aktivkohleschicht 109a umfasst, und der negativen Seite, die die negative Elektrode 104 und die zweite Aktivkohleschicht 109b umfasst, die Oxidation von eingelagerten Lithiumionen (Li+), die in der negativen Elektrode 104 enthalten sind, und die De-Adsorption bzw. Desorption von Lithiumionen (Li+) und PF6 - von der Aktivkohle an. Freie Elektronen (e-), die durch diese Oxidationsreaktion und die Desorption von Li+ von der Aktivkohle 109b erzeugt werden, werden durch den Stromkollektor 112 der negativen Elektrode gesammelt und dem negativen Polanschluss 114 zugeführt. Ein Strom freier Elektronen (e-) wird nutzbar gemacht und durch den Stromkreis 116 von dem negativen Polanschluss 114 zum positiven Polanschluss 110 und schließlich über den Stromkollektor 108 der positiven Elektrode zur positiven Elektrode 102 und zur ersten Aktivkohleschicht 109a geleitet.
  • Gleichzeitig mit dem Strom der freien Elektronen (e-) von der negativen Elektrode 104 zur positiven Elektrode 102 durch den Stromkreis 116 werden, während sich die Hybridbatterie 100 entlädt, die Lithiumionen (Li+) von der zweiten Aktivkohleschicht 109b re-adsorbiert bzw. desorbiert und die PF6 - von der ersten Aktivkohleschicht 109a freigesetzt. Die Lithiumionen (Li+) werden von der flüssigen Elektrolytlösung durch die Separatorschicht 106 auf dem Weg zur positiven Elektrode 102 transportiert. Der Strom der freien Elektronen (e-) durch den Stromkreis 116 vom negativen Polanschluss 114 zum positiven Polanschluss 110 kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen, bis die negative Elektrode 104 von eingelagertem Lithium erschöpft ist und die Kapazität der Hybridbatterie 100 verbraucht ist.
  • Die Hybridbatterie 100 kann aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Spannung, die von der Stromerzeugungsvorrichtung stammt, an die Hybridbatterie 100 angelegt wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die während der Entladung auftreten. Die angelegte externe Spannung erzwingt die ansonsten nicht spontane Oxidation des in der positiven Elektrode 102 enthaltenen eingelagerten Lithiums, um freie Elektronen (e-) und Lithiumionen (Li+) zu erzeugen. Die freien Elektronen (e-) werden durch den Stromkollektor 108 auf der positiven Seite gesammelt und dem positiven Polanschluss 110 zugeführt. Ein Strom der freien Elektronen (e-) wird über den Stromkollektor der negativen Elektrode 112 zum negativen Polanschluss 114 und schließlich zur negativen Elektrode 104 geleitet. Die Lithiumionen (Li+) werden gleichzeitig durch die Separatorschicht 106 in der flüssigen Elektrolytlösung zur negativen Elektrode 104 zurückgeführt. Die Lithiumionen (Li+) und die freien Elektronen (e-) vereinigen sich schließlich wieder und füllen die negative Elektrode 104 mit eingelagertem Lithium auf, um die Hybridbatterie 100 für einen weiteres Entladevorgang vorzubereiten.
  • Wenn die obige Batterie geladen wird, verhalten sich die positive Elektrode 102 und die negative Elektrode 104 wie die herkömmliche Batterie, aber die erste Aktivkohleschicht 109a adsorbiert das Anion PF6 -, die freien Elektronen (e-) der ersten Aktivkohleschicht 109a werden durch den Stromkollektor 108 auf der positiven Seite gesammelt und dem positiven Polanschluss 110 zugeführt. Ein Strom der freien Elektronen (e-) wird über den Stromkollektor 112 der negativen Elektrode zum negativen Polanschluss 114 und schließlich zur zweiten Aktivkohleschicht 109b geleitet. Beim Entladungsvorgang werden freie Elektronen (e-), die durch von der zweiten Aktivkohleschicht 109b freigesetzte Lithiumionen (Li+) erzeugt werden, durch den Stromkollektor 112 der negativen Elektrode gesammelt und dem negativen Polanschluss 114 zugeführt. Ein Strom freier Elektronen (e-) wird nutzbar gemacht und durch den Stromkreis 116 vom negativen Polanschluss 114 zum Stromkollektor 108 der positiven Elektrode geleitet. Gleichzeitig wird das PF6 - von der ersten Aktivkohleschicht 109a desorbiert.
  • Mit anderen Worten werden, wenn die Aktivkohle als Teil der positiven Elektrode 102 arbeitet, Anionen im Elektrolyten wie PF6 - während der Aufladung an der Oberfläche der ersten Aktivkohleschicht 109a adsorbiert. Wenn die Aktivkohle jedoch als Teil der negativen Elektroden 104 arbeitet, werden Lithiumionen (Li+) während der Aufladung an der Oberfläche der zweiten Aktivkohleschicht 109b adsorbiert. Während Entladungsvorgängen werden PF6 - und Li+ von der Aktivkohle desorbiert. Obwohl beim Durchgang von Lithiumionen (Li+) durch die Aktivkohle nur ein recht kleiner Teil der Lithiumionen (Li+) an der Oberfläche adsorbiert werden kann, handelt es sich hierbei aufgrund der großen Oberfläche der Aktivkohle um einen physikalischen Prozess.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer im Allgemeinen mit der Bezugszahl 200 bezeichneten Hybridbatteriezelle der Hybridbatterie 100. Die Hybridbatteriezelle 200 enthält eine positive Elektrodenschicht 202, eine negative Elektrodenschicht 204 und eine beschichtete Separatorschicht 205, die zwischen der positiven Elektrodenschicht 202 und der negativen Elektrodenschicht 204 angeordnet ist. Ein Stromkollektor 208 der positiven Elektrode ist in der positiven Elektrodenschicht 202 und ein Stromkollektor 212 der negativen Elektrode ist in der negativen Elektrodenschicht 204 eingebettet. Die einzelnen Schichten sind ausreichend dünn, so dass die Schichten laminiert und gefaltet werden können, um eine gestapelte Hybridbatteriezelle zu bilden, wobei alternative Ausführungsformen von Verfahren zur Herstellung einer Hybridbatterie mit einer gestapelten Hybridbatteriezelle nachstehend im Detail offenbart werden.
  • Die positive Elektrodenschicht 202 enthält ein oder mehrere aktive Materialien auf Lithiumbasis, die in der Lage sind, eingelagertes Lithium zu speichern. Beispiele für solche aktiven Materialien auf Lithiumbasis sind unter anderem Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Manganoxid (LiMnXOY), Nickel-Mangan-Kobaltoxid [Li(NiXMnYCOz)O2], Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4), Lithium-Fluorphosphat (Li2FePO4F), Lithium-Nickeloxid (LiNiO2), Lithium-Aluminium-Manganoxid (LiXA-IYMn1-Y02) und Lithium-Vanadiumoxid (LiV2O5). Ein oder mehrere polymere Bindemittelmaterialien, wie Polyvinyldienfluorid (PVdF), ein Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk oder eine Carboxymethoxy-Zellulose (CMC) können mit dem aktiven Material auf Lithiumbasis vermengt werden, um der positiven Elektrode eine erhöhte strukturelle Festigkeit zu verleihen. Die positive Elektrodenschicht 202 kann hergestellt werden, indem Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid (LiNixCoyMnzO2) (d.h. ein anodenaktives Material), Ruß (d.h. ein leitfähiges Material) und PVDF (d.h. ein Bindemittel) mit einem NMP (N-Methylpyrrolidon)-Lösungsmittel gemischt werden, um dadurch eine Aufschlämmung zu erhalten, die Aufschlämmung auf den Stromkollektor 208 der positiven Elektrode aufgetragen und das Ergebnis getrocknet wird. Der Stromkollektor 208 der positiven Elektrode ist vorzugsweise eine Dünnschicht-Aluminiumfolie, die die positive Elektrodenschicht 202 koextensiv bzw. flächengleich berührt.
  • Die negative Elektrodenschicht 204 enthält ein oder mehrere Lithium-Host- bzw. - Wirtsmaterialien, die in der Lage sind, eingelagertes Lithium auf einem niedrigeren elektrochemischen Potential im Vergleich zur positiven Elektrodenschicht 202 zu speichern. Ein Beispiel für ein solches Lithium-Wirtsmaterial ist Graphit, ist aber nicht darauf beschränkt. Der Graphit kann mit einem oder mehreren polymeren Bindemitteln wie PVdF, EPDM-Gummi oder CMC vermengt werden, um die negative Elektrode mit erhöhter struktureller Festigkeit zu versehen. Die negative Elektrodenschicht 204 kann hergestellt werden, indem man eine Graphitaufschlämmung bildet und diese Aufschlämmung auf einen Stromkollektor 212 für die negative Elektrode aufträgt und das Ergebnis trocknet. Der Stromkollektor 212 für die negative Elektrode ist vorzugsweise eine Dünnfilm-Kupferfolie, die die negative Elektrodenschicht 202 koextensiv berührt.
  • Die beschichtete Separatorschicht 205 enthält eine Separatorschicht 206 mit zwei voneinander abgewandten Oberflächen 207a, 207b. Die Separatorschicht 206 wird aus einem oder mehreren porösen inerten Polymermaterialien gebildet. Beispiele für solche porösen inerten Polymermaterialien sind unter anderem Polyetherimid (PEI), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyacrylnitril (PAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM) und Mischungen davon. Die Separatorschicht 206 fungiert als elektrisch isolierende mechanische Sperrschicht, die die einander zugewandten inneren Stirnflächen der Elektroden 202, 204 physikalisch trennt, um einen Kurzschluss in der Hybridbatterie zu verhindern.
  • In der gezeigten Ausführungsform ist jede der beiden voneinander abgewandten Flächen 207a, 207b mit einer Aktivkohleschicht 209a bzw. 209b und einer Keramikschicht 211 beschichtet, wobei die Keramikschicht 211a, 211b zwischen der Separatorschicht 206 und der Aktivkohleschicht 209a bzw. 209b angeordnet ist. In alternativen Ausführungsformen kann mindestens eine der Oberflächen 207a. 207b sowohl mit einer Keramikschicht 211 als auch mit einer Aktivkohleschicht 209 beschichtet sein; oder mit einer Aktivkohleschicht 209 ohne Keramikschicht 211; oder eine Oberfläche ist mit einer Keramikschicht und die andere Oberfläche ist mit einer Aktivkohleschicht beschichtet. Die beschichtete Separatorschicht 205 ist ausreichend porös, um eine elektrolytische Lösung zu enthalten, die in Fluidverbindung mit den Aktivkohleschichten 209a, 209b und den positiven und negativen Elektroden 202, 204 steht. Die Dicke jeder der Aktivkohleschichten 209a, 209b liegt zwischen etwa 0,5 bis 25 Mikrometer, die der Keramikschichten 211a, 211b zwischen etwa 0,5 bis 5 Mikrometer und die der Separatorschicht 206 bei etwa 20 Mikrometer. Die Dicken werden von den jeweils gegenüberliegenden Oberflächen der Schichten aus gemessen.
  • Der Batteriezellenkern wird so zu einem kompakten Objekt verdichtet, dass die negative Elektrodenschicht 204 und/oder die positive Elektrodenschicht 202 in engem Kontakt mit der jeweiligen Aktivkohleschicht 209b, 209a steht. Die Aktivkohleschicht 209a, 209b und die entsprechende Elektrode 202, 204 teilen sich aufgrund des engen Kontakts miteinander, der relativ geringen Dicke der Aktivkohleschicht 209a, 209b und der guten Elektronenleitfähigkeit der Aktivkohleschicht 209a, 209b effektiv denselben positiven Stromkollektor 208, 212. Aufgrund der relativ geringen Dicke der Aktivkohleschicht 209a, 209b wird das Lithiumion (Li+) im Elektrolyten durch die Porosität oder den Spalt, der durch benachbarte Kohlenstoffteilchen in der Aktivkohleschicht 209a, 209b definiert ist, hindurchgehen.
  • 3A bis 3B zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines hybriden Batteriezellenstapels unter Verwendung einer Z-Stapelplattform (auch als Zickzack-Verfahren bekannt), die im Allgemeinen mit der Bezugszahl 300 bezeichnet ist. Das Zickzack-Verfahren von 300 umfasst das Stapeln einer Elektrode 302 vom ersten Typ, einer Elektrode 304 vom zweiten Typ und einer Separatorschicht 306, die die Elektroden 302, 304 vom ersten Typ bzw. vom zweiten Typ in einem Zickzackmuster trennt. Mindestens eine der beiden voneinander abgewandten Oberflächen 307a, 307b der Separatorschicht 306 wird mit einer Aktivkohleschicht 309 beschichtet. Das Verfahren 300 liefert einen Batteriezellenstapel mit einer Elektrode 302 vom ersten Typ und einer Elektrode 304 vom zweiten Typ, die abwechselnd gestapelt sind, wobei die Separatorschicht 306 dazwischen angeordnet ist. 3B zeigt einen Hybrid-Batteriezellenstapel 330a, bei dem die Elektrode 302 vom ersten Typ eine negative Elektrode und die Elektrode 304 vom zweiten Typ eine positive Elektrode ist. 3C zeigt einen Hybrid-Batteriezellenstapel 330b, bei dem die Elektrode 302 vom ersten Typ eine positive Elektrode und die Elektrode 304 vom zweiten Typ eine negative Elektrode ist.
  • Die Separatorschicht 306 kann mit einer Schicht Aktivkohle 309 beschichtet sein, wodurch eine beschichtete Separatorschicht 305 gebildet wird, und kann die des oben beschriebenen beschichteten Separators 205 sein. Die beschichtete Separatorschicht 305 wird kontinuierlich in wechselnden Richtungen in mehrere Z-Konfigurationen gefaltet. In jede aufeinanderfolgende Faltung wird abwechselnd eine Elektrode 302 vom ersten Typ und eine Elektrode 304 vom zweiten Typ eingesetzt. Der Batteriezellenstapel 330a, 330b wird dann zusammengepresst. Es ist bevorzugt, dass die Anzahl der Faltungen eine gerade Zahl ist, um eine gerade Anzahl von alternierenden Elektroden 302, 304 zu erhalten. Der Batteriezellenstapel 330a, 330b wird dann in einen Batteriebehälter, wie z.B. einen Batteriebeutel oder ein Batteriegehäuse, eingesetzt. Eine ausreichende Menge Elektrolyt, um die Elektroden 302, 304 und den beschichteten Separator 305 zu tränken, wird in den Behälter injiziert, und der Behälter wird dann unter Vakuum versiegelt.
  • 4A und 4B zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Batteriestapels, der im Allgemeinen mit der Bezugszahl 400 bezeichnet ist, durch Wickeln einer laminierten Batteriezelle (auch als Jelly-Rolling bekannt). Das Jelly-Rolling ist ein Verfahren zum Wickeln eines Laminats aus einer Elektrodenschicht 402 vom ersten Typ und einer Elektrodenschicht 404 vom zweiten Typ mit einer dazwischen angeordneten beschichteten Separatorschicht 405. Die beschichtete Separatorschicht 405 umfasst mindestens eine Oberfläche, die mit einer Aktivkohleschicht beschichtet ist, wodurch eine Batteriezelle ähnlich der oben offenbarten Hybridbatteriezelle 200 gebildet wird.
  • Gemäß 4A wird eine erste beschichtete Separatorschicht 405a zwischen eine Elektrodenschicht 402 vom ersten Typ und eine Elektrodenschicht 404 vom zweiten Typ eingelegt. Eine zweite beschichtete Separatorschicht 405b kann aufgebracht werden, um die Elektrodenschicht 404 vom zweiten Typ zwischen der ersten beschichteten Separatorschicht 405a und der zweiten beschichteten Separatorschicht 405b sandwichartig anzuordnen. Die ersten und zweiten beschichteten Separatorschichten 405a, 405b können ähnlich wie die oben beschriebene beschichtete Separatorschicht 205 sein. Die Elektrodenschicht 402 vom ersten Typ, die erste beschichtete Separatorschicht 405a, die Elektrodenschicht 404 vom zweiten Typ und die zweite beschichtete Separatorschicht 405b werden zu einer laminierten Stapelanordnung 410 gepresst.
  • Die Elektrodenschicht 402 vom ersten Typ ist eine positive oder eine negative Elektrodenschicht, und die Elektrodenschicht 404 vom zweiten Typ ist die andere aus einer positiven und einer negativen Elektrodenschicht. Die laminierte Stapelanordnung 410 wird auf einen Dorn aufgebracht und zu einem gerollten Batteriestapel 412 gewickelt. 4B zeigt eine schematische Ansicht eines Endes des gerollten Batteriestapels 412. Der Jelly-Roll-Batteriestapel 412 wird dann in einen Batteriebehälter, z. B. einen Batteriebeutel oder ein Batteriegehäuse, eingesetzt. Eine ausreichende Menge Elektrolyt zum Tränken des Jelly-Roll-Batteriestapels 412 wird in den Behälter injiziert, und der Behälter wird dann unter Vakuum versiegelt.
  • 5A bis 5E zeigen eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Hybrid-Batteriestapelzelle, die im Allgemeinen mit der Bezugszahl 500 bezeichnet ist. Gemäß 5A wird eine Elektrode 502 vom ersten Typ auf eine um eine A-Achse drehbare Stapelplattform 503 gelegt. Ein Abschnitt einer durchgehenden Folie des Separators 505 wird auf die erste Elektrode 502 gelegt und bedeckt so die erste Elektrode 502. Der Separator 505 enthält eine Aktivkohlebeschichtung, die sich durchgehend auf dem Separator 505 oder in mehreren Segmenten befinden kann, wie in 7A-7C dargestellt. Die Elektrode 502 vom ersten Typ und die Separatorfolie 505 werden um 180 Grad um die A-Drehachse gewickelt. Gemäß 5B wird eine Elektrode 504 vom zweiten Typ auf einem Abschnitt der Separatorfolie 505 platziert bzw. angeordnet, der von der Wicklung der Plattform in 5A vorgerückt ist. Die Elektrode 504 vom zweiten Typ und die Separatorfolie werden um 180 Grad um die A-Drehachse gewickelt. Gemäß 5C wird eine weitere Elektrode 504 vom zweiten Typ auf einem Abschnitt der Separatorfolie 505 angeordnet, der von der Wicklung der Plattform in 5B vorgerückt ist. Die Elektrode 504 vom zweiten Typ und die Separatorfolie werden um 180 Grad um die A-Drehachse gewickelt. Gemäß 5D wird eine Elektrode 502 vom ersten Typ auf einem Abschnitt des Separators angeordnet, der von der Wicklung der Plattform in 5C vorgerückt ist. Die Elektrode 502 vom ersten Typ und die Separatorfolie werden um 180 Grad um die A-Drehachse gewickelt. Gemäß 5E wird eine weitere Elektrode 502 vom ersten Typ auf einem Abschnitt des Separators angeordnet, der von der Wicklung der Plattform in 5D vorgerückt ist. Die Elektrode 502 vom ersten Typ und die Separatorfolie werden um 180 Grad um die A-Drehachse gewickelt. Mit anderen Worten wird eine Elektrode 502 vom ersten Typ zunächst neben der Separatorfolie 505 angeordnet. Für die nächsten zwei Umdrehungen (360 Grad) wird ein Paar von Elektroden 504 vom zweiten Typ gewickelt, wobei die zuvor gewickelte Elektrode vom ersten Typ 502 dazwischen angeordnet wird. Für die nächsten zwei Umdrehungen (360 Grad) wird ein Paar von Elektroden 502 vom ersten Typ gewickelt, wobei die zuvor gewickelten Elektroden 504 vom zweiten Typ dazwischen angeordnet werden. Der Wickelvorgang wird fortgesetzt etc., bis eine vorbestimmte Anzahl von Elektroden 502, 504 vom ersten bzw. zweiten Typ zwischen Lagen von gewickelter gesonderter Folie 505 gewickelt sind.
  • 5F zeigt eine Stirnansicht des gewickelten Batteriestapels 510. Die erste Wicklung umwickelt eine einzelne Elektrode 502 vom ersten Typ. Die zweite und dritte 180-Grad-Wicklung umschließt die einzelne Elektrode 502 vom ersten Typ mit einem Paar Elektroden 504vom zweiten Typ. Die vierte und fünfte 180-Grad-Wicklung umschließt die zuvor gewickelten Elektroden zwischen einem Paar Elektroden 502 vom ersten Typ. Die sechste und siebte 180-Grad-Wicklung umschließt die zuvor gewickelten Elektroden zwischen einem Paar Elektroden 504 vom zweiten Typ, etc. Die Elektrode 502 vom ersten Typ ist eine positive oder eine negative Elektrode, und die Elektrode 504 vom zweiten Typ ist die andere der positiven und der negativen Elektrode.
  • 6A und 6B zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer nicht kontinuierlich mit Aktivkohle beschichteten Separatorschicht. 6A zeigt eine Werkstückseparatorfolie 604, die sich entlang einer X-Achse erstreckt. Eine Vielzahl von Aktivkohlestreifen 608 wird in einer Richtung senkrecht zur X-Achse auf die Werkstückseparatorfolie 604 aufgetragen. Die Aktivkohlestreifen 608 sind durch Streifen von nicht beschichteten Flächen 610 getrennt. Eine Breite der Kohlenstoffstreifen 608 ist durch W und der Abstand zwischen den Kohlenstoffstreifen 608 durch D angegeben. 6B zeigt die Werkstückseparatorfolie 604, die in vier Folien oder beschichtete Kohlenstoffschichten 606a - 606d parallel zur X-Achse geschnitten ist.
  • 7A-7C zeigen eine schematische Darstellung eines im Allgemeinen mit der Bezugszahl 700 bezeichneten Verfahrens zur Herstellung einer Hybrid-Lithiumionen-Kondensatorbatterie mit einer nicht durchgehend beschichteten Separatorschicht 705. Das Verfahren zur Herstellung der Batteriezelle ist das gleiche wie das Verfahren 500. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Separatorschicht 705 ein nicht-durchgehend beschichtetes Segment 708 aus Aktivkohle umfasst. Die Separatorschicht 705 umfasst abwechselnd beschichtete Segmente 708 und nicht-beschichtete Segmente 710 entlang der Länge der Separatorschicht 705. Das in 7A bis 7C gezeigte, mit Aktivkohle beschichtete Segment 708 weist eine vorbestimmte Breite (W) und einen vorbestimmten Abstand (D) zwischen den beschichteten Segmenten 708 auf. Die Elektrode 716 weist eine Breite (E) auf. Durch die Variation des Abstands (D) zwischen beschichteten Protonen können die Oberflächen der Elektrode selektiv mit den Aktivkohlesegmenten 708 in Kontakt gebracht werden.
  • 7A zeigt die Aktivkohleschicht mit einer Breite W von 1xE und einem Abstand (D) von mehr als 4xE. In dieser Konfiguration befindet sich nur eine Fläche desselben Elektrodentyps in Kontakt mit der Aktivkohlebeschichtung.
  • 7B zeigt die Aktivkohleschicht mit einer Länge W = 2xE und einem Abstand D > 2xE. In dieser Konfiguration befinden sich beide Oberflächen einer Elektrode desselben Typs in Kontakt mit dem Aktivkohleschichtsegment 708.
  • 7C zeigt die Aktivkohleschicht mit einem W = 4xE und einem Abstand D, der die Eckbreite des Zellkerns darstellt, von kleiner als E. In dieser Konfiguration befinden sich nur Oberflächen einer Elektrode vom ersten Typ und vom zweiten Typ in Kontakt mit der Aktivkohlebeschichtung 708.
  • Es ist zu beachten, dass 7A-C nur eine Oberfläche der nicht durchgehenden Aktivkohlefolie zeigt, die selektiv mit einer Aktivkohleschicht beschichtet ist; es ist zu beachten, dass die gegenüberliegende Oberfläche ebenfalls selektiv mit Aktivkohle beschichtet sein kann. Die gezeigte Breite (W) und der Abstand (D) sind nicht als so begrenzt zu verstehen, sondern dienen der Beschreibung. Unterschiedliche Kombinationen von W und D sorgen für unterschiedliche Typen des Designs von hybriden Lithium-Kondensatorzellen und sollen in den Rahmen der Präsentation fallen.
  • Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich beispielhafter Natur, und Abweichungen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sollen in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung fallen. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.

Claims (20)

  1. Batterie, umfassend: eine Separatorschicht mit einer ersten Oberfläche; eine erste Elektrode, die von der ersten Oberfläche der Separatorschicht beabstandet ist; und eine erste Aktivkohleschicht, die zwischen der Separatorschicht und der ersten Elektrode angeordnet ist.
  2. Batterie nach Anspruch 1, wobei die erste Aktivkohleschicht in Kontakt mit der ersten Elektrode steht.
  3. Batterie nach Anspruch 2, ferner umfassend einen ersten Stromkollektor mit einer leitfähigen Folie, die die erste Elektrode koextensiv berührt.
  4. Batterie nach Anspruch 2, wobei die erste Aktivkohleschicht auf die erste Oberfläche der Separatorschicht aufgebracht ist.
  5. Batterie nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Keramikschicht, die auf die erste Oberfläche der Separatorschicht aufgebracht ist; wobei die erste Aktivkohleschicht so auf die Keramikschicht aufgebracht ist, dass die Keramikschicht zwischen der Separatorschicht und der ersten Aktivkohleschicht angeordnet ist.
  6. Batterie nach Anspruch 4, ferner umfassend: eine zweite Elektrode, die von einer zweiten Oberfläche der Separatorschicht beabstandet ist, wobei die zweite Oberfläche der Separatorschicht in eine von der ersten Oberfläche abgewandte Richtung weist; und eine zweite Aktivkohleschicht, die zwischen der zweiten Elektrode und der zweiten Oberfläche der Separatorschicht angeordnet ist.
  7. Batterie nach Anspruch 6, wobei die zweite Aktivkohleschicht in Kontakt mit der zweiten Elektrode steht.
  8. Batterie nach Anspruch 7, wobei die zweite Aktivkohleschicht auf die zweite Oberfläche der Separatorschicht aufgebracht ist.
  9. Batterie nach Anspruch 3, ferner umfassend eine zweite Elektrode und eine zweite Aktivkohleschicht; wobei die erste Aktivkohleschicht auf die erste Oberfläche der Separatorschicht und in direktem Kontakt mit der ersten Elektrode aufgebracht ist, wobei die zweite Aktivkohleschicht auf eine zweite Oberfläche der Separatorschicht gegenüber der ersten Oberfläche und in direktem Kontakt mit der zweiten Elektrode aufgebracht ist.
  10. Batterie nach Anspruch 9, wobei eine von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ein aktives Material auf Lithium-Basis und die andere von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode einen Graphit umfasst.
  11. Beschichtete Separatorschicht für eine Batterie, umfassend: eine Separatorfolie mit einem inerten Polymermaterial, das ausreichend porös ist, um eine elektrolytische Lösung zu enthalten, wobei die Separatorfolie eine erste Oberfläche aufweist; und eine Aktivkohlebeschichtung, die der ersten Oberfläche benachbart angeordnet ist.
  12. Beschichtete Separatorschicht nach Anspruch 11, wobei die Aktivkohlebeschichtung auf die erste Oberfläche der Separatorfolie aufgebracht ist.
  13. Beschichtete Separatorschicht nach Anspruch 11, die ferner eine Keramikbeschichtung umfasst, die auf der ersten Oberfläche der Separatorfolie angeordnet ist, wobei die Aktivkohlebeschichtung auf der Keramikbeschichtung so angeordnet ist, dass die Keramikbeschichtung zwischen der Aktivkohlebeschichtung und der Separatorfolie sandwichartig angeordnet ist.
  14. Beschichtete Separatorschicht nach Anspruch 13, wobei die Separatorfolie eine Dicke von etwa 20 Mikrometern, die Aktivkohlebeschichtung eine Dicke zwischen etwa 0,5 und 25 Mikrometern und die Keramikbeschichtung eine Dicke zwischen etwa 0,5 und 5 Mikrometern aufweist.
  15. Beschichtete Separatorschicht nach Anspruch 12, ferner umfassend eine Vielzahl von Segmenten einer Aktivkohlebeschichtung entlang einer Länge der Separatorfolie.
  16. Verfahren zur Herstellung einer Batterie, das die folgenden Schritte umfasst: Anordnen einer Elektrode vom ersten Typ auf einer um eine A-Achse drehbaren Stapelplattform; Anordnen eines ersten Abschnitts einer Separatorfolie auf der Elektrode vom ersten Typ, wodurch die Elektrode vom ersten Typ bedeckt wird, wobei die Separatorfolie eine mit einer Aktivkohleschicht beschichtete erste Oberfläche aufweist; Wickeln der Elektrode vom ersten Typ und des ersten Abschnitts der Separatorfolie um die A-Achse, wodurch ein zweiter Abschnitt der Separatorfolie auf die Stapelplattform vorgeschoben wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend die folgenden Schritte: Anordnen einer ersten Elektrode vom zweiten Typ auf dem zweiten Abschnitt der Separatorfolie; Wickeln der ersten Elektrode vom zweiten Typ und des zweiten Abschnitts der Separatorfolie um die A-Achse, wodurch ein dritter Abschnitt der Separatorfolie auf die Stapelplattform vorgeschoben wird; Anbringen einer zweiten Elektrode vom zweiten Typ auf dem dritten Abschnitt der Separatorfolie; und Wickeln der zweiten Elektrode vom zweiten Typ und des dritten Abschnitts der Separatorfolie um die A-Achse, so dass die Elektrode vom ersten Typ zwischen der ersten Elektrode vom zweiten Typ und der zweiten Elektrode vom zweiten Typ angeordnet ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Oberfläche mit einer Vielzahl von Segmenten der Aktivkohleschicht entlang der Separatorfolie beschichtet wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Aktivkohleschicht in direktem Kontakt mit der Elektrode vom ersten Typ und/oder der ersten Elektrode vom zweiten Typ steht.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Elektrode vom ersten Typ eine von Kathode und Anode ist, und die Elektrode vom zweiten Typ die andere von Kathode und Anode ist.
DE112018007443.9T 2018-05-18 2018-05-18 Hybride lithium-ionen-kondensator-batterie mit einer kohlenstoffbeschichtetenseparatorschicht und verfahren zu deren herstellung Pending DE112018007443T5 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2018/087398 WO2019218327A1 (en) 2018-05-18 2018-05-18 Hybrid lithium ion capacitor battery having a carbon coated separate layer and method of making the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE112018007443T5 true DE112018007443T5 (de) 2021-01-07

Family

ID=68539570

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112018007443.9T Pending DE112018007443T5 (de) 2018-05-18 2018-05-18 Hybride lithium-ionen-kondensator-batterie mit einer kohlenstoffbeschichtetenseparatorschicht und verfahren zu deren herstellung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11380939B2 (de)
CN (1) CN112602229B (de)
DE (1) DE112018007443T5 (de)
WO (1) WO2019218327A1 (de)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11479080B2 (en) 2018-10-19 2022-10-25 Systematic Power Manufacturing, Llc Hybrid energy power module for mobile electrical devices
CN112736298A (zh) 2019-10-15 2021-04-30 通用汽车环球科技运作有限责任公司 电压改变的混合型电化学电池设计
CN112670559A (zh) 2019-10-15 2021-04-16 通用汽车环球科技运作有限责任公司 固态电解质和制备其的方法
CN112820952A (zh) * 2019-11-15 2021-05-18 通用汽车环球科技运作有限责任公司 电容器辅助的电池模块和系统
US11784010B2 (en) 2019-11-15 2023-10-10 GM Global Technology Operations LLC Electrode including capacitor material disposed on or intermingled with electroactive material and electrochemical cell including the same
CN111341975B (zh) * 2020-03-16 2022-11-15 四川优源新能源有限公司 一种高效锂离子二次电池用隔膜及其制备方法
CN112661205A (zh) * 2020-12-31 2021-04-16 格林美股份有限公司 一种多氧化物包覆的三元锂离子电池正极材料、制备方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3997573B2 (ja) 1997-01-28 2007-10-24 三菱電機株式会社 リチウムイオン二次電池およびその製造方法
US6252762B1 (en) 1999-04-21 2001-06-26 Telcordia Technologies, Inc. Rechargeable hybrid battery/supercapacitor system
JP2007213948A (ja) * 2006-02-09 2007-08-23 Panasonic Ev Energy Co Ltd 角型電池用電極群の製造方法および角形電池用電極群
KR20100137290A (ko) 2009-06-22 2010-12-30 에너원코리아 주식회사 와인딩 방식의 전극적층체 제조방법 및 그에 의한 리튬이온 이차전지용 전극적층체
US9287540B2 (en) 2011-05-31 2016-03-15 GM Global Technology Operations LLC Separators for a lithium ion battery
WO2012165624A1 (ja) * 2011-06-03 2012-12-06 富士シリシア化学株式会社 セパレータ、電気化学素子、及びセパレータの製造方法
CN104103791A (zh) * 2013-04-08 2014-10-15 中国科学院金属研究所 一种电池复合隔膜及其制备方法
FR3016245B1 (fr) * 2014-01-03 2021-07-16 Commissariat Energie Atomique Cellule electrochimique, systeme de stockage et de restitution d'energie electrique comprenant une telle cellule electrochimique et vehicule comprenant un tel systeme
US20150318530A1 (en) * 2014-05-01 2015-11-05 Sila Nanotechnologies, Inc. Aqueous electrochemical energy storage devices and components
JPWO2016068156A1 (ja) * 2014-10-29 2017-08-17 昭和電工株式会社 電極用集電体、電極用集電体の製造方法、電極、リチウムイオン二次電池、レドックスフロー電池、電気二重層キャパシタ
EP3866244A1 (de) * 2014-12-05 2021-08-18 Celgard, LLC Verbesserte beschichtete separatoren für lithiumbatterien und zugehörige verfahren
CN105350054B (zh) * 2015-11-25 2017-12-08 哈尔滨工业大学 一种通过电泳沉积实现二次电池隔膜表面用纳米碳材料改性的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112602229A (zh) 2021-04-02
WO2019218327A1 (en) 2019-11-21
CN112602229B (zh) 2023-08-01
US11380939B2 (en) 2022-07-05
US20210012975A1 (en) 2021-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112018007443T5 (de) Hybride lithium-ionen-kondensator-batterie mit einer kohlenstoffbeschichtetenseparatorschicht und verfahren zu deren herstellung
DE102017201561A1 (de) Lithium-ionen-akku- und kondensatorhybridsystem in einem einzelnen beutel
DE102016103542B4 (de) Lithium-Ionen-Sekundärbatterie und diese verwendendes System
DE69738111T2 (de) Lithiumionensekundärbatterie und deren herstellung
EP3520163B1 (de) Verfahren zur herstellung einer elektrodeneinheit für eine batteriezelle und elektrodeneinheit
DE102017116964A1 (de) Hybridzellenkonstruktion von wechselweise gestapelten oder gewickelten lithium-ionen-batterien und kondensatorelektroden
DE102019111417A1 (de) Schutzbeschichtung für eine lithiumhaltige elektrode und verfahren zur herstellung derselben
DE102018119665A1 (de) Carbonatbasiertes elektrolytsystem zur verbesserung oder unterstützung der effizienz von elektrochemischen zellen mit lithiumhaltigen anoden
DE112018007342T5 (de) Hybridelektroden und elektrochemische zellen und module, die diese verwenden
DE102014220953A1 (de) Elektrode für eine Kombination aus Superkondensator und Batterie sowie Verfahren zu deren Herstellung
WO2018059967A1 (de) Verfahren zur herstellung eines elektrodenstapels für eine batteriezelle und batteriezelle
DE102021105975A1 (de) Vorlithiierung von batterieelektrodenmaterial
EP3300141B1 (de) Verfahren zur herstellung eines elektrodenstapels für eine batteriezelle und batteriezelle
DE102021114604A1 (de) Festkörperbatterie mit gleichmässig verteiltem elektrolyten und verfahren zu deren herstellung
DE102018117170A1 (de) Batteriezelle mit vergrössertem laschenbereich und verfahren und vorrichtung zum herstellen derselben
DE102013204226A1 (de) Ableiter für einen elektrochemischen Energiespeicher
DE102021130558A1 (de) Lithiumhaltige elektroden mit keramikteilchen und verfahren zu deren herstellung
DE102021114593A1 (de) Fertigungsverfahren zur herstellung von elektroden durch walzen
WO2016116317A1 (de) Elektrodenwickel für ein galvanisches element und verfahren zu dessen herstellung
DE102013209067A1 (de) Batteriezelle mit einem Elektrodenensemble sowie eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit der Batteriezelle
DE102022105203B3 (de) Gelgestützter bipolarer Hochleistungsfestkörperakkumulator
DE102016225221A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle und Batteriezelle
DE102016223992B4 (de) Hinzufügen von trockenen metalloxid- oder metallnitridpartikeln zur verbesserung der batteriezykluslebensdauer und der stromversorgungsleistung
DE102022118602A1 (de) Vorlithiierung, vorläuferelektroden und verfahren zur herstellung und verwendung derselben
DE102022126712A1 (de) Gemusterter stromkollektor für anodenlose elektrochemische batteriezellen

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed