DE112022002193T5

DE112022002193T5 - Elektrodenanordnung und sekundärbatterie

Info

Publication number: DE112022002193T5
Application number: DE112022002193.4T
Authority: DE
Inventors: Wuyuan Zou; Yanlin HAN; Wujun ZOU; Zhexun YU
Original assignee: Jiangsu Zenergy Battery Tech Co Ltd; Jiangsu Zenergy Battery Technologies Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Zenergy Battery Tech Co Ltd; Jiangsu Zenergy Battery Technologies Co Ltd
Priority date: 2021-06-24
Filing date: 2022-06-23
Publication date: 2024-05-02
Also published as: WO2022268153A1; CN113488611A

Abstract

Die vorliegende Erfindung gehört zum technischen Gebiet von Elektrodenanordnungen und betrifft insbesondere eine Elektrodenanordnung und eine Sekundärbatterie. Die Elektrodenanordnung umfasst ein positives Polstück, ein negatives Polstück und eine Trennmembran, wobei das positive Polstück die Beziehung erfüllt: 2,2 < (a2- 0,68a + 1)*b/5c < 31,2, und/oder das negative Polstück die Beziehung erfüllt: 0,6 < (d2- 0,86d + 1)*e/1 00f < 8,2. Bei der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung wird eine angemessene Anpassung entsprechend der Porosität einer positiven Aktivbeschichtung und/oder einer negativen Aktivbeschichtung, den Partikelgrößen der Partikel der Aktivsubstanz und dem Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs durchgeführt, so dass die vorbereitete Elektrodenanordnung und Batterie eine lange Lebensdauer haben und gleichzeitig auch kontinuierlich eine hohe Ausgangsleistung liefern können.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung gehört zum Gebiet der Batterietechnik und betrifft insbesondere eine Elektrodenanordnung und eine Sekundärbatterie.
STAND DER TECHNIK
Da die weltweiten Abgasemissionsanforderungen steigen, ist die Umgestaltung des Energie- und Stromversorgungssystems der Automobilindustrie im 21. Jahrhundert unerlässlich, und Elektrofahrzeuge sind zu einer unvermeidlichen Wahl für die Umgestaltung des Energie- und Stromversorgungssystems geworden. Hybridfahrzeuge werden aufgrund der Berücksichtigung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen in relativ langer Zeit zum Mainstream der Entwicklung in der Zukunft. Die in Hybridfahrzeugen verwendeten Hochleistungsbatterien sind zum Schlüssel für die Entwicklung der Branche geworden. Vor diesem Hintergrund ist es notwendig, eine Batterie bereitzustellen, die eine lange Lebensdauer beibehält und gleichzeitig auch eine hohe Leistungsabgabe liefern kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das erste Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, angesichts der Mängel im Stand der Technik eine Elektrodenanordnung bereitzustellen, bei der eine angemessene Anpassung entsprechend der Porosität einer positiven Aktivbeschichtung oder einer negativen Aktivbeschichtung, den Partikelgrößen der Partikel der positiven Aktivsubstanz oder der negativen Aktivsubstanz sowie dem Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der positiven Aktivbeschichtung oder der negativen Aktivbeschichtung durchgeführt wird, so dass in der angepassten Elektrodenanordnung die Leistung jeder Komponente voll ausgenutzt werden kann, wodurch die vorbereitete Batterie eine lange Lebensdauer hat und gleichzeitig auch kontinuierlich eine hohe Ausgangsleistung liefern kann.
Um das oben genannten Ziel zu erreichen, wendet die vorliegende Erfindung die folgenden technischen Lösungen an:
Eine Elektrodenanordnung, die ein positives Polstück, ein negatives Polstück und eine Trennmembran umfasst, wobei die Trennmembran zwischen dem positiven Polstück und dem negativen Polstück angeordnet ist und die Trennmembran zum Trennen des positiven Polstücks und des negativen Polstücks verwendet wird, wobei das positive Polstück einen positiven Stromkollektor und eine positive Aktivbeschichtung umfasst, die auf die Oberfläche des positiven Stromkollektors aufgetragen ist, wobei die positive Aktivbeschichtung eine positive Aktivsubstanz, ein Bindemittel und einen elektrisch leitfähigen Kohlenstoff umfasst, wobei das negative Polstück einen negativen Stromkollektor und eine negative Aktivbeschichtung umfasst, die auf die Oberfläche des negativen Stromkollektors aufgetragen ist, wobei die negative Aktivbeschichtung eine negative Aktivsubstanz, ein Bindemittel, ein Dispergiermittel und einen elektrisch leitfähigen Kohlenstoff umfasst,
wobei das positive Polstück die folgende Beziehung erfüllt: $2,2 < (a^{2} - 0,68 a + 1) * b / 5 c < 31,2;$
wobei:
a die Porosität der positiven Aktivbeschichtung darstellt,
b die Partikelgröße der positiven Aktivsubstanz in der positiven Aktivbeschichtung darstellt, mit der Einheit um,
c den Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der positiven Aktivbeschichtung darstellt;
und/oder
wobei das negative Polstück die folgende Beziehung erfüllt: $0,6 < (d^{2} - 0,86 d + 1) * e / 100 f < 8,2;$
wobei:
d die Porosität der negativen Aktivbeschichtung darstellt,
e die Partikelgröße der negativen Aktivsubstanz in der negativen Aktivbeschichtung darstellt, mit der Einheit um,
f den Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der negativen Aktivbeschichtung darstellt.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung erfüllt das positive Polstück die folgende Beziehung: 2,6 < (a² - 0,68a + 1)*b/5c < 22,6.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung erfüllt das positive Polstück die folgende Beziehung: 5,1 < (a² - 0,68a + 1)*b/5c < 17,7.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von a: 25 % ≤ a ≤ 40 %.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von a: 30 % ≤ a ≤ 35 %.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von b: 1 um ≤ b ≤ 7 um.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von b: 2 um ≤ b ≤ 5 um.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von c: 4 % ≤ c ≤ 8 %.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von c: 5 % ≤ c ≤ 7 %.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung erfüllt das negative Polstück die folgende Beziehung: 0,7 < (d² - 0,43d + 1)*e/100f < 7,8.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung erfüllt das negative Polstück die folgende Beziehung: 1,0 < (d² - 0,43d + 1)*e/100f < 3,8.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von d: 35 % ≤ d ≤ 49 %.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von d: 38 % ≤ d ≤ 42%.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von e: 3 um ≤ b ≤ 10 um.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von e: 4 um ≤ b ≤ 7 um.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von f: 1 % ≤ f ≤ 4 %.
Als Verbesserung der Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung beträgt der Wert von f: 1,5 % ≤ f ≤ 3 %.
Das zweite Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, angesichts der Mängel im Stand der Technik eine Sekundärbatterie bereitzustellen, bei der alle Komponenten in der Batterie angemessen angepasst werden, so dass die Leistung jeder Komponente voll ausgenutzt werden kann, wodurch kontinuierlich eine hohe Ausgangsleistung geliefert werden kann und die Lebensdauer lang ist.
Um das oben genannten Ziel zu erreichen, wendet die vorliegende Erfindung die folgenden technischen Lösungen an:

Eine Sekundärbatterie, die die oben erwähnte Elektrodenanordnung umfasst.

Im Vergleich zum Stand der Technik bestehen die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung darin: 1. Der Erfinder hat durch umfangreiche Forschung herausgefunden, dass in der Elektrodenanordnung die Porosität einer positiven Aktivbeschichtung oder einer negativen Aktivbeschichtung, die Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz oder der negativen Aktivsubstanz sowie der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der positiven Aktivbeschichtung oder der negativen Aktivbeschichtung einen großen Einfluss auf die Batterieleistung haben; durch die angemessene Anpassung und Design der oben genannten Komponenten kann die Batterieleistung effektiv verbessert werden. 2. Durch eine große Anzahl von Experimenten hat der Erfinder zwei wichtige empirische Formeln im Zusammenhang mit dem Design von Elektrodenanordnungen zusammengefasst und vorgeschlagen: 2,2 < (a² - 0,68a + 1)*b/5c < 31,2, 0,6 < (d² - 0,43d + 1)*e/100f < 8,2. Beim Design der Elektrodenanordnung werden unter Verwendung dieser empirischen Formel als Leitfaden für das positive Polstück und/oder das negative Polstück die Porosität einer positiven Aktivbeschichtung oder einer negativen Aktivbeschichtung, die Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz oder der negativen Aktivsubstanz und der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der positiven Aktivbeschichtung oder der negativen Aktivbeschichtung in der Elektrodenanordnung ausgewählt und vorgesehen werden, so dass die entworfene Batterie sowohl ausgezeichnete Leistungsfähigkeiten als auch eine hervorragende Lebensdauer aufweist. 3. Bei der Herstellung und dem Design von Batterien kann auf der Grundlage der oben genannten empirischen Formel eine große Anzahl von DOE-Experimenten vermieden werden, wodurch Zeit und Kosten für die Batterieentwicklung gespart werden.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Elektrodenanordnung umfasst ein positives Polstück, ein negatives Polstück und eine Trennmembran, wobei die Trennmembran zwischen dem positiven Polstück und dem negativen Polstück angeordnet ist und die Trennmembran zum Trennen des positiven Polstücks und des negativen Polstücks verwendet wird. Das positive Polstück umfasst einen positiven Stromkollektor und eine positive Aktivbeschichtung, die auf die Oberfläche des positiven Stromkollektors aufgetragen ist, wobei die positive Aktivbeschichtung eine positive Aktivsubstanz, ein Bindemittel und einen elektrisch leitfähigen Kohlenstoff umfasst. Das negative Polstück umfasst einen negativen Stromkollektor und eine negative Aktivbeschichtung, die auf die Oberfläche des negativen Stromkollektors aufgetragen ist, wobei die negative Aktivbeschichtung eine negative Aktivsubstanz, ein Bindemittel, ein Dispergiermittel und einen elektrisch leitfähigen Kohlenstoff umfasst.
Dabei erfüllt das positive Polstück die folgende Beziehung: $2,2 < (a^{2} - 0,68 a + 1) * b / 5 c < 31,2;$
wobei:
a die Porosität der positiven Aktivbeschichtung darstellt,
b die Partikelgröße der positiven Aktivsubstanz in der positiven Aktivbeschichtung darstellt, mit der Einheit um,
c den Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der positiven Aktivbeschichtung darstellt;
und/oder
das negative Polstück erfüllt die folgende Beziehung: $0,6 < (d^{2} - 0,86 d + 1) * e / 100 f < 8,2;$
wobei:
d die Porosität der negativen Aktivbeschichtung darstellt,
e die Partikelgröße der negativen Aktivsubstanz in der negativen Aktivbeschichtung darstellt, mit der Einheit um,
f den Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der negativen Aktivbeschichtung darstellt.
Die Porosität eines Polstücks umfasst die Porosität der positiven Aktivbeschichtung und die Porosität der negativen Aktivbeschichtung. Die Porosität eines Polstücks ist das Verhältnis des Gesamtvolumens winziger Hohlräume in einem Polstück zum Gesamtvolumen des Polstücks. Die Größe der Porosität spiegelt direkt die Dichte des Materials wider. Gleichzeitig stehen die Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz oder der negativen Aktivsubstanz sowie der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der positiven Aktivbeschichtung oder der negativen Aktivbeschichtung in engem Zusammenhang mit der Porosität des Polstücks. Der Erfinder hat durch umfangreiche Forschung herausgefunden, dass in der Elektrodenanordnung die Porosität eines Polstücks, die Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz oder der negativen Aktivsubstanz sowie der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der positiven Aktivbeschichtung oder der negativen Aktivbeschichtung einen großen Einfluss auf die Batterieleistung haben; durch die angemessene Anpassung und Design der oben genannten Komponenten kann die Batterieleistung effektiv verbessert werden. Durch eine große Anzahl von Experimenten hat der Erfinder zwei wichtige empirische Formeln im Zusammenhang mit dem Design von Elektrodenanordnungen zusammengefasst und vorgeschlagen: 2,2 < (a² - 0,68a + 1)*b/5c < 31,2, 0,6 < (d² - 0,43d + 1)*e/1 00f < 8,2. Beim Design der Elektrodenanordnung werden unter Verwendung dieser empirischen Formel als Leitfaden für das positive Polstück und/oder das negative Polstück die Porosität eines Polstücks, die Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz oder der negativen Aktivsubstanz und der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der positiven Aktivbeschichtung oder der negativen Aktivbeschichtung in der Elektrodenanordnung ausgewählt und vorgesehen werden, so dass die entworfene Batterie sowohl ausgezeichnete Leistungsfähigkeiten als auch eine hervorragende Lebensdauer aufweisen kann. Bei der Herstellung und dem Design von Batterien kann auf der Grundlage der oben genannten empirischen Formel eine große Anzahl von DOE-Experimenten vermieden werden, wodurch Zeit und Kosten für die Batterieentwicklung gespart werden.
Insbesondere ist a in der obigen Formel die Porosität des positiven Polstücks der Elektrodenanordnung, d.h. die Porosität der positiven Aktivbeschichtung. Beim Laden und Entladen der Elektrodenanordnung werden Lithiumionen in den positiven und negativen Elektrodenmaterialien eingebracht oder aus denen freigesetzt. Dieser Einbring- und Freisetzvorgang der Lithiumionen hängt eng mit der Porosität des positiven Polstücks zusammen. Einerseits wird das elektronische Leitungsnetzwerk in der Elektrode perfektioniert und der Innenwiderstand wird verringert, wenn die Porosität des positiven Polstücks verringert wird. Bei einer zu niedrigen Porosität kann es jedoch dazu führen, dass die Partikel in der positiven Aktivsubstanz in engem Kontakt miteinander stehen, die elektrochemische Reaktionsschnittstelle verringert wird und der Ladungsübertragungswiderstand erhöht wird. Gleichzeitig wird bei einer zu niedrigen Porosität eines Polstücks die Flüssigkeitsabsorptionsleistung verringert, so dass die Ratenleistung und die Zyklusleistung der Batterie schlecht werden. Andererseits ist Elektrolytbenetzbarkeit gut, wenn sich die Porosität des positiven Polstücks erhöht. Eine zu hohe Porosität führt jedoch dazu, dass sich das elektrisch leitfähige Netzwerk des Polstücks verschlechtert und der Innenwiderstand der Batterie zunimmt. Daher wird a auf einen Wertebereich zwischen 25 % und 40 % und bevorzugter auf 30 % ≤ a ≤ 35 % eingestellt.
Insbesondere ist b in der obigen Formel die Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz. Durch die Reduzierung der Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz kann die Übertragungsentfernung von Ionen effektiv verringert und die Leistung der Batterie verbessert werden. Wenn die Partikelgröße jedoch zu klein ist, gibt es technische Hindernisse und die Schwierigkeit, die Aufschlämmung zu dispergieren, nimmt zu. Daher wird b auf einen Wertebereich zwischen 1 µm und 7 µm und bevorzugter auf 2 µm ≤ b ≤ 5 µm eingestellt.
Insbesondere ist c in der obigen Formel der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der positiven Aktivbeschichtung. Wenn einerseits der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs zu niedrig ist, ist das elektrisch leitfähige Netzwerk in der Elektrode unvollständig, der Innenwiderstand steigt und die Leistung wird schlechter. Andererseits kann ein zu hoher Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs dazu führen, dass Lithiumionen irreversibel verbraucht werden und der Anteil der positiven Aktivsubstanz eingenommen werden und die Energiedichte der Batterie einbüßt. Daher wird c auf einen Wertebereich zwischen 4 % und 8 % und bevorzugter auf 5 % ≤ c ≤ 7 % eingestellt.
Insbesondere ist d in der obigen Formel die Porosität des negativen Polstücks der Elektrodenanordnung, d.h. die Porosität der negativen Aktivbeschichtung. Einerseits wird das elektronische Leitungsnetzwerk in der Elektrode perfektioniert und der Innenwiderstand wird verringert, wenn die Porosität des negativen Polstücks verringert wird. Bei einer zu niedrigen Porosität kann es jedoch dazu führen, dass die Partikel in der negativen Aktivsubstanz in engem Kontakt miteinander stehen, die elektrochemische Reaktionsschnittstelle verringert wird und der Ladungsübertragungswiderstand erhöht wird. Gleichzeitig wird bei einer zu niedrigen Porosität eines Polstücks die Flüssigkeitsabsorptionsleistung verringert, so dass die Ratenleistung und die Zyklusleistung der Batterie schlecht werden. Andererseits ist Elektrolytbenetzbarkeit gut, wenn sich die Porosität des positiven Polstücks erhöht. Eine zu hohe Porosität führt jedoch dazu, dass sich das elektrisch leitfähige Netzwerk des Polstücks verschlechtert und der Innenwiderstand der Batterie zunimmt. Daher wird d auf einen Wertebereich zwischen 35 % und 49 % und bevorzugter auf 38 % ≤ d ≤ 42 % eingestellt.
Insbesondere ist e in der obigen Formel die Partikelgröße der Partikel der negativen Aktivsubstanz in der Elektrodenanordnung. Durch die Reduzierung der Partikelgröße der Partikel der negativen Aktivsubstanz kann die Übertragungsentfernung von Ionen effektiv verringert und die Leistung der Batterie verbessert werden. Wenn die Partikelgröße jedoch zu klein ist, gibt es technische Hindernisse und die Schwierigkeit, die Aufschlämmung zu dispergieren, nimmt zu. Daher wird e auf einen Wertebereich zwischen 3 µm und 10 µm und bevorzugter auf 4 µm ≤ e ≤ 7 µm eingestellt.
Insbesondere ist f in der obigen Formel der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der negativen Aktivbeschichtung. Wenn einerseits der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs zu niedrig ist, ist das elektrisch leitfähige Netzwerk in der Elektrode unvollständig, der Innenwiderstand steigt und die Leistung wird schlechter. Andererseits kann ein zu hoher Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs dazu führen, dass Lithiumionen irreversibel verbraucht werden und der Anteil der negativen Aktivsubstanz eingenommen werden und die Energiedichte der Batterie einbüßt. Daher wird f auf einen Wertebereich zwischen 1 % und 4 % und bevorzugter auf 1,5 % ≤ f ≤ 3 % eingestellt.
Vorzugsweise erfüllt das positive Polstück die folgende Beziehung: 2,6 < (a² - 0,68a + 1)*b/5c < 22,6.
Vorzugsweise erfüllt das positive Polstück die folgende Beziehung: 5,1 < (a² - 0,68a + 1)*b/5c< 17,7.
Vorzugsweise beträgt der Wert von a: 30 % ≤ a ≤ 35 %.
Vorzugsweise beträgt der Wert von a: 25 % ≤ a ≤ 40 %.
Vorzugsweise beträgt der Wert von b: 1 um ≤ b ≤ 7 um.
Vorzugsweise beträgt der Wert von b: 2 um ≤ b ≤ 5 um.
Vorzugsweise beträgt der Wert von c: 4 % ≤ c ≤ 8 %.
Vorzugsweise beträgt der Wert von c: 5 % ≤ c ≤ 7 %.
Vorzugsweise erfüllt das negative Polstück die folgende Beziehung: 0,7 < (d² - 0,43d + 1)*e/1 00f < 7,8.
Vorzugsweise erfüllt das negative Polstück die folgende Beziehung: 1,0 < (d² - 0,43d + 1 )*e/1 00f < 3,8
Vorzugsweise beträgt der Wert von d: 35 % ≤ d ≤ 49 %.
Vorzugsweise beträgt der Wert von d: 38 % ≤ d ≤ 42 %.
Vorzugsweise beträgt der Wert von e: 3 um ≤ b ≤ 10 um.
Vorzugsweise beträgt der Wert von e: 4 um ≤ b ≤ 7 um.
Vorzugsweise beträgt der Wert von f: 1 % ≤ f ≤ 4 %.
Vorzugsweise beträgt der Wert von f: 1,5 % ≤ f ≤ 3 %.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Struktur der Elektrodenanordnung um eine von einer Batterie mit quadratischem Gehäuse, einer zylindrischen Batterie oder einer Softpack-Batterie. Die Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung kann je nach den Umständen in verschiedenen Strukturen hergestellt werden, und die Batteriestruktur ist nicht beschränkt.
Vorzugsweise wird die Elektrodenanordnung gewickelt oder laminiert hergestellt. Die Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung kann je nach den Umständen gewickelt oder laminiert werden, und das Herstellungsverfahren ist nicht beschränkt.
In der obigen Elektrodenanordnung umfasst das positive Polstück eine positive Aktivsubstanz, ein leitfähiges Mittel, ein Bindemittel und einen positiven Stromkollektor. Die Arten der positiven Aktivsubstanz, des leitfähigen Mittels, des Bindemittels und des positiven Stromkollektors unterliegen keinen besonderen Einschränkungen und können je nach tatsächlichem Bedarf ausgewählt werden. Beispielsweise kann die positive Aktivsubstanz aus Lithiumkobaltoxid, Lithiumnickeloxid, Lithiummanganoxid, Lithiumnickelmanganoxid, Lithiumnickelkobaltmanganoxid, Lithiumnickelkobaltaluminiumoxid, lithiumhaltiges Phosphat mit Olivinstruktur usw. ausgewählt werden; der positive Stromkollektor kann aus Aluminiumfolie, kohlenstoffbeschichteter Aluminiumfolie, Nickelnetz usw. ausgewählt werden.
In der obigen Elektrodenanordnung umfasst das negative Polstück eine negative Aktivsubstanz, ein leitfähiges Mittel, ein Bindemittel, ein Dispergiermittel und einen negativen Stromkollektor. Die Arten der negativen Aktivsubstanz, des leitfähigen Mittels, des Bindemittels, des Dispergiermittels und des negativen Stromkollektors unterliegen keinen besonderen Einschränkungen und können je nach tatsächlichem Bedarf ausgewählt werden. Die negative Aktivsubstanz kann beispielsweise aus Graphit, Weichkohlenstoff, Hartkohlenstoff, Mesokohlenstoff-Mikrokügelchen, Materialien auf Siliziumbasis usw. ausgewählt werden.
Bei der oben erwähnten Elektrodenanordnung ist der Typ der Trennmembran nicht besonders eingeschränkt und kann entsprechend den tatsächlichen Anforderungen ausgewählt werden. Beispielsweise kann die Trennmembran aus Polyethylenfolie, Polypropylenfolie, Polyvinylidenfluoridfolie, Vliesstoff usw. ausgewählt werden; gleichzeitig kann die Trennmembran unterschiedliche Beschichtungsschichten aufweisen, wie z.B. Aluminiumoxidbeschichtung, Böhmitbeschichtung, PVDF-Beschichtung usw.
Eine Sekundärbatterie umfasst die oben erwähnte Elektrodenanordnung, sowie einen Elektrolyten und ein Gehäuse.
Vorzugsweise versorgt der Elektrolyt die Batterie mit Lithiumionen, die eingebracht oder freigesezt werden können, und die Lithiumionen bewegen sich während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie zwischen dem positiven Polstück und dem negativen Polstück und stellen so elektrische Energie für die Außenwelt bereit. Der Elektrolyt umfasst Lithiumsalz als Gelöste und Lösungsmittel. Die Arten von Lithiumsalzen und Lösungsmitteln unterliegen keinen besonderen Einschränkungen und können je nach tatsächlichem Bedarf ausgewählt werden. Z.B. kann der Lithiumsalz aus LiPF₆, LiTFSI, LiBF₄ usw. ausgewählt werden.
Das Material des Gehäuses umfasst Aluminium-Kunststofffolie, Aluminiumblech und Zinnblech, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand spezifischer Ausführungsformen ausführlicher beschrieben, und die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand einer quadratischen Gehäuse-Elektrodenanordnung als Beispiel und spezifischer Ausführungsformen weiter erläutert. Die Ausführungsbeispiele werden alle gemäß den folgenden Methoden hergestellt und getestet.
Ausführungsbeispiel 1
1. Herstellung eines negativen Polstücks
Die negative Aktivsubstanz nämlich Graphit, der elektrisch leitfähige Kohlenstoff SP, das Bindemittel LA133 und das Dispergiermittel CMC werden entsprechend einem bestimmten Massenverhältnis gemischt, und dann wird das entionisierte Wasser hinzugefügt und eine gleichmäßig gemischte und stabile Aufschlämmung wird durch Rühren mit einem Homogenisator gebildet; die resultierende Aufschlämmung wird gleichmäßig auf den negativen Stromkollektor Kupferfolie aufgetragen, und getrocknet, kaltgepresst und beiseite gestellt.
2. Herstellung eines positiven Polstücks
Die positive Aktivsubstanz nämlich NCM111, der elektrisch leitfähige Kohlenstoff SP und das Bindemittel PVDF werden entsprechend einem bestimmten Massenverhältnis gemischt, und dann wird NMP (N-Methylpyrrolidon) hinzugefügt und eine gleichmäßig gemischte und stabile Aufschlämmung wird durch Rühren mit einem Homogenisator gebildet; die resultierende Aufschlämmung wird gleichmäßig auf den Stromkollektor Aluminiumfolie aufgetragen, und getrocknet, kaltgepresst und beiseite gestellt.
3. Herstellung eines Elektrolyten
Ethylencarbonat (EC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Diethylcarbonat (DEC) werden in einem Volumenverhältnis von 1: 1: 1 gemischt, um ein organisches Lösungsmittel zu erhalten, und dann wird das vollständig getrocknete Lithiumsalz LiPF₆ in dem gemischten organischen Lösungsmittel gelöst, um eine Elektrolytlösung mit einer Konzentration von 1,2 mol/L vorzubereiten.
4. Auswahl und Herstellung einer Trennmembran
Als Trennmembran wird eine 16 µm dicke Polypropylenfolie gewählt.
5. Herstellung einer Elektrodenanordnung
Das oben erwähnte positive Polstück, die oben erwähnte Trennmembran und das oben erwähnte negative Polstück werden einer Reihe nach so gestapelt, dass sich die Trennmembran zwischen dem positiven Polstück und dem negativen Polstück befindet und eine isolierende Rolle spielt und sie werden dann aufgewickelt, um eine Batteriezelle zu erhalten. Die Batteriezelle wird in ein äußeres Verpackungsgehäuse eingesetzt, und nach Trocknen wird der Elektrolyt eingespritzt; und anschließend wird durch Prozesse wie Vakuumverpackung, Stehen, Formation und Formen wird eine 8-Ah-Elektrodenanordnung erhalten.

Unter Verwendung von Ausführungsbeispiel 1 als Referenz werden die Ausführungsbeispiele 2 bis 8 hergestellt. Die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel 1 bestehen in Parametern, wie der Porosität des positiven Polstücks, der Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz und dem Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs. Die spezifischen Einstellungen sind in der Tabelle 1 aufgeführt. Ein Leistungstest wird an der in den Ausführungsbeispielen 1 bis 8 hergestellten Elektrodenanordnung durchgeführt. Die Testmethode lautet: vollständiges Aufladen der Elektrodenanordnung bei 25°C mit konstantem Strom und konstanter Spannung unter Verwendung eines Stroms von 1 C; Stehenlassen für 5 Minuten und dann Entladen unter Verwendung eines Stroms von 1 C für 48 Minute; Stehenlassen für 5 Minuten und dann Aufzeichnen der Ausgangsentladezeit beim Entladen auf 2,5 V mit 1045 W. Die spezifischen Datenparameter und Testergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1

Ausführun gsbeispiel	Porosität a des positiven Polstücks	Partikelgröße b der Partikel der positiven Aktivsubstanz	Massenprozentsatz c des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs	(a² - 0,68a + 1)*b/5c	1045W DC/s
1	35,5 %	2,45	5,5 %	7,88	8
2	34,3 %	2,31	6,5 %	6,29	11,4
3	34,6 %	2,31	6,0 %	6,81	10,5
4	31,8 %	2,42	5,5 %	7,79	10,3
5	29,5 %	2,42	5,5 %	7,80	9,4
6	27,2 %	2,42	5,5 %	7,82	8,5
7	33,1 %	2,42	4,5 %	9,51	7,4
8	31,0 %	2,42	6,5 %	6,59	10,6

Aus der obigen Tabelle 1 ist ersichtlich, dass im Ausführungsbeispiel 1 die Entladezeit, die beim Entladen auf 2,5 V bei einer hohen Leistung von 1045 W aushalten kann, 8 Sekunden beträgt und die Ausgangszeit bei hoher Leistung kurz ist. Daraus kann geschlossen werden, dass im Ausführungsbeispiel 1 das Design und die Anpassung der Porosität des positiven Polstücks, der Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz und des Massenprozentsatzes des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs nicht angemessen genug sind, und der Wert der Porosität des positiven Polstücks zu hoch ist, so dass sich das elektrisch leitfähige Netzwerk des Polstücks verschlechtert und der Innenwiderstand der Lithiumbatterie steigt, was zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Elektrodenanordnung führt. Aus den gleichen Gründen beträgt im Ausführungsbeispiel 6 die Entladezeit, die beim Entladen auf 2,5 V bei einer hohen Leistung von 1045 W aushalten kann, 8,5 Sekunden und die Ausgangszeit bei hoher Leistung ist kurz. Daraus kann geschlossen werden, dass im Ausführungsbeispiel 6 das Design und die Anpassung der Porosität des positiven Polstücks, der Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz und des Massenprozentsatzes des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs nicht angemessen genug sind, und der Wert der Porosität des positiven Polstücks zu niedrig ist, so dass der Ladungsübertragungswiderstand des Polstücks steigt, was zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Elektrodenanordnung führt. Im Ausführungsbeispiel 7 beträgt die Entladezeit, die beim Entladen auf 2,5 V bei einer hohen Leistung von 1045 W aushalten kann, 7,4 Sekunden und die Ausgangszeit bei hoher Leistung ist kurz. Daraus kann geschlossen werden, dass im Ausführungsbeispiel 7 das Design und die Anpassung der Porosität des positiven Polstücks, der Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz und des Massenprozentsatzes des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs nicht angemessen genug sind, und der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs zu niedrig ist, so dass sich das elektrisch leitfähige Netzwerk des Polstücks verschlechtert und der Innenwiderstand der Lithiumbatterie steigt, was zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Elektrodenanordnung führt. Wenn die Porosität des positiven Polstücks, die Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz und der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs wie im Ausführungsbeispiel 2 eingestellt werden, d.h. wenn die Porosität des positiven Polstücks 34,3 % beträgt, die Partikelgröße der Partikel der positiven Aktivsubstanz 2,31 µm beträgt, und der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs 6,5 % beträgt, beträgt die Entladezeit, die beim Entladen auf 2,5 V bei einer hohen Leistung von 1045 W aushalten kann, 11,4 Sekunden und die Ausgangszeit bei hoher Leistung ist länger, mit einer 54%igen Erhöhung der Hochleistungsentladungszeit im Vergleich zum Ausführungsbeispiel 7, was einen signifikanten Fortschritt darstellt.
Vorzugsweise wird durch Vergleich verschiedener Porositäten des positiven Polstücks, verschiedener Partikelgrößen der Partikel der positiven Aktivsubstanz und verschiedenes Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs die Beziehung zwischen den drei sinnvoll gestaltet, so dass die Beziehung zwischen den drei die Formel 5,1 < (a² - 0,68a + 1)*b/5c < 17,7 erfüllt, wie in den Ausführungsbeispielen 2, 3, 4 und 8, wodurch die Leistungsfähigkeiten der Elektrodenanordnung erheblich verbessert werden können.
Ausführungsbeispiel 9: Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel 1 besteht darin, dass in der vorliegenden Erfindung die Parameter des negativen Polstücks geändert werden.

Die Ausführungsbeispiele 10 bis 16 werden gemäß dem Herstellungsverfahren vom Ausführungsbeispiel 9 hergestellt. Die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel 9 sind die Parameter, wie die Porosität des negativen Polstücks, die Partikelgröße der Partikel der negativen Aktivsubstanz und der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs. Ein Leistungstest wird an der in den Ausführungsbeispielen 9 bis 16 hergestellten Elektrodenanordnung durchgeführt. Die Testmethode lautet: vollständiges Aufladen der Elektrodenanordnung bei 25 °C mit konstantem Strom und konstanter Spannung unter Verwendung eines Stroms von 1 C; Stehenlassen für 5 Minuten und dann Entladen unter Verwendung eines Stroms von 1 C für 48 Minute; Stehenlassen für 5 Minuten und dann Aufzeichnen der Ausgangsentladezeit beim Entladen auf 2,5 V mit 1045 W. Die spezifischen Datenparameter sind in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2

Ausführun gsbeispiel	Porosität d des negativen Polstücks	Partikelgröße e der Partikel der negativen Aktivsubstanz	Massenprozentsatz f des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs	(d² - 0,86a + 1)*e/1 00f	1045W DC/s
9	38,0 %	8,00	2,0 %	3,27	8,6
10	38,3 %	6,13	2,0 %	2,51	11,4
11	41,0 %	6,13	1,5 %	3,33	9,0
12	40,5 %	6,63	2,0 %	2,70	10,3
13	42,7 %	6,63	2,0 %	2,70	9,4
14	42,7 %	6,63	2,0 %	2,70	8,5
15	46,0 %	6,16	2,0 %	2,51	8,7
16	42,7 %	5,5	2,5 %	1,79	12,0

Aus der obigen Tabelle 2 ist ersichtlich, dass im Ausführungsbeispiel 9 die Entladezeit, die beim Entladen auf 2,5 V bei einer hohen Leistung von 1045 W aushalten kann, 8,6 Sekunden beträgt und die Ausgangszeit bei hoher Leistung kurz ist. Daher sind das Design und die Anpassung der Porosität des negativen Polstücks, der Partikelgröße der Partikel der negativen Aktivsubstanz und des Massenprozentsatzes des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs nicht angemessen, und die Partikelgröße der Partikel der negativen Aktivsubstanz ist zu groß, so dass der Ionenübertragungspfad verlängert, was zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Elektrodenanordnung führt. Im Ausführungsbeispiel 15 beträgt die Entladezeit, die beim Entladen auf 2,5 V bei einer hohen Leistung von 1045 W aushalten kann, 8,7 Sekunden und die Ausgangszeit bei hoher Leistung ist kurz. Daher sind das Design und die Anpassung der Porosität des negativen Polstücks, der Partikelgröße der Partikel der negativen Aktivsubstanz und des Massenprozentsatzes des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs nicht angemessen, und der Wert der Porosität des negativen Polstücks ist zu hoch, so dass sich das elektrisch leitfähige Netzwerk des Polstücks verschlechtert und der Innenwiderstand der Batterie steigt, was zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Elektrodenanordnung führt. Wenn die Porosität des negativen Polstücks, die Partikelgröße der Partikel der negativen Aktivsubstanz und der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs wie im Ausführungsbeispiel 16 eingestellt werden, d.h. wenn die Porosität des negativen Polstücks 42,7 % beträgt, die Partikelgröße der Partikel der negativen Aktivsubstanz 5,5 µm beträgt, und der Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs 2,5 % beträgt, beträgt die Entladezeit, die beim Entladen auf 2,5 V bei einer hohen Leistung von 1045 Waushalten kann, 12 Sekunden und die Ausgangszeit bei hoher Leistung ist länger, mit einer 37,9%igen Erhöhung der Hochleistungsentladungszeit im Vergleich zum Ausführungsbeispiel 15, was einen signifikanten Fortschritt darstellt. Durch Vergleich verschiedener Porositäten des negativen Polstücks, verschiedener Partikelgrößen der Partikel der negativen Aktivsubstanz und verschiedenes Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in den Ausführungsbeispielen 9-16 aus der obigen Tabelle 2 wird die Beziehung zwischen den drei sinnvoll gestaltet, so dass die Beziehung zwischen den drei die Formel 1,0 < (d² - 0,43d + 1)*e/1 00f < 3,8 erfüllt, wie in den Ausführungsbeispielen 10, 12 und 16, wodurch die Leistungsfähigkeiten der Elektrodenanordnung erheblich verbessert werden können.
Gemäß der Offenbarung und Lehre der obigen Beschreibung kann der Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die Erfindung gehört, auch die obigen Ausführungsformen ändern und modifizieren. Daher ist die Erfindung nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt. Alle offensichtlichen Verbesserungen, Ersetzungen oder Änderungen, die von dem Fachmann auf dem Gebiet auf der Grundlage der Erfindung vorgenommen werden, fallen in den Schutzumfang der Erfindung. Darüber hinaus werden in dieser Beschreibung zwar einige bestimmte Begriffe verwendet, aber diese dienen nur zur einfacheren Beschreibung und stellen keine Einschränkung der Erfindung dar.

Claims

Elektrodenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung ein positives Polstück, ein negatives Polstück und eine Trennmembran umfasst, wobei die Trennmembran zwischen dem positiven Polstück und dem negativen Polstück angeordnet ist und die Trennmembran zum Trennen des positiven Polstücks und des negativen Polstücks verwendet wird, wobei das positive Polstück einen positiven Stromkollektor und eine positive Aktivbeschichtung umfasst, die auf die Oberfläche des positiven Stromkollektors aufgetragen ist, wobei die positive Aktivbeschichtung eine positive Aktivsubstanz, ein Bindemittel und einen elektrisch leitfähigen Kohlenstoff umfasst, wobei das negative Polstück einen negativen Stromkollektor und eine negative Aktivbeschichtung umfasst, die auf die Oberfläche des negativen Stromkollektors aufgetragen ist, wobei die negative Aktivbeschichtung eine negative Aktivsubstanz, ein Bindemittel, ein Dispergiermittel und einen elektrisch leitfähigen Kohlenstoff umfasst, wobei das positive Polstück die folgende Beziehung erfüllt: $2,2 < (a^{2} - 0,68 a + 1) * b / 5 c < 31,2;$
wobei: a die Porosität der positiven Aktivbeschichtung darstellt, b die Partikelgröße der positiven Aktivsubstanz in der positiven Aktivbeschichtung darstellt, mit der Einheit um, c den Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der positiven Aktivbeschichtung darstellt; und/oder das negative Polstück die folgende Beziehung erfüllt: $0,6 < (d^{2} - 0,86 d + 1) * e / 100 f < 8,2;$
wobei: d die Porosität der negativen Aktivbeschichtung darstellt, e die Partikelgröße der negativen Aktivsubstanz in der negativen Aktivbeschichtung darstellt, mit der Einheit um, f den Massenprozentsatz des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffs in der negativen Aktivbeschichtung darstellt.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das positive Polstück die folgende Beziehung erfüllt: 2,6 < (a² - 0,68a + 1)*b/5c < 22,6.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das positive Polstück die folgende Beziehung erfüllt: 5,1 < (a² - 0,68a + 1)*b/5c < 17,7.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von a beträgt: 25 % ≤ a ≤ 40 %.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von b beträgt: 1 um ≤ b ≤ 7 um.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von c beträgt: 4 % ≤ c ≤ 8 %.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das negative Polstück die folgende Beziehung erfüllt: 0,7 < (d² - 0,43d + 1)*e/100f < 7,8.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das negative Polstück die folgende Beziehung erfüllt: 1,0 < (d² - 0,43d + 1)*e/100f < 3,8.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von d beträgt: 35 % ≤ d ≤ 49 %.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von e beträgt: 3 µm ≤ b ≤ 10 µm.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von f beträgt: 1 % ≤ f ≤ 4 %.
Sekundärbatterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärbatterie eine Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1-11 umfasst.