DE19628927A1 - Nanobatterien und -condensatoren und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Nanobatterien und -condensatoren und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Nanobatterien und -condensatoren und Verfahren zu ihrer Herstellung.
Aufgrund der Mobilität der geladenen Spezies in konventiellen Polymerelektrolyten kann beim
Stromtransport eine Überpotentialkonzentration auftreten.
Dieses Phänomen wird Gradienten in der Salzkonzentration hervorbringen.
Ist ein hoher Strom gegeben, werden diese Gradienten lokal 0. Aufgrund dessen ist der Ladungs-
und Entladungsvorgang unterbrochen.
Anordnungen sind regelmäßig instabil.
Aufgabengemäß sollten Anordnungen und deren Herstellung erreicht werden, die stabil sind und
die genannten Nachteile überwunden haben.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß nach Maßgabe der Patentansprüche gelöst.
Unter Nutzung verschiedener Arten von Techniken können Batterien, Condensatoren in der
Größe des A4 Format hergestellt werden, deren Flächenareal zwischen der positiven und
negativen Elektrode dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ein Äquivalent 250 m² ergeben und
dadurch extrem hohe Energiedichten hervorbringen.
Geeignete Technologien, die erfindungsgemäß besonders vorteilhaft angesehen werden, sind
verschiedene Arten von Plasma- und E-Beam Lithographie Techniken.
Aufgrund der Mobilität der geladenen Spezies in konventionellen Polymerelektrolyten kann beim
Stromtransport eine Überpotentialkonzentration auftreten.
Dieses Phänomen wird Gradienten in der Salzkonzentration hervorbringen.
Ist ein hoher Strom gegeben, werden diese Gradienten lokal 0. Aufgrund dessen ist der Ladungs-
oder Entladungsprozeß unterbrochen. Um dies zu vermeiden, wird die Stromdichte auf maximal 1
mA cm² limitiert, die Konduktivität beträgt vorschlagsgemäß 10-3 S · cm-1 und die typische
Elektrodenstärke ist 0,1 mm.
Ein Beispiel für dieses Phänomen der Überpotentialkonzentration ist in Fig. 1 dargestellt.
Wenn das Flächenareal zwischen den Elektroden groß ist, dann wird die limitierte Stromdichte
vom Areal ausgeglichen und ein hoher Strom kann dem System entnommen werden.
Ein Beispiel, wie man ein großes Flächenareal gestalten kann, wurde in Fig. 2, 1-8, dargesellt.
Das System erreicht eine große Oberfläche und kann im A4-Format gestaltet sein, wobei eine
Oberfläche von 250 m² erreicht wird und somit eine große Energiedichte resultiert. Die Batterie,
der Kondensator ist falt- und wickelbar oder im Design in sonstiger Weise variabel.
Wenn im 2 Volt Bereich gearbeitet und ein Strom < 2500 A entnommen wird, ist das System
stabil.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt und einen Ausschnitt einer Nanobatterie-condensators, der aus einer
Collector-Folie, einem Kathodenfilm in Stärke 10 nm-1 mm in denen sich vorzugsweise 1 nm-1
µm Poren befinden, gefüllt und umhüllt von Polyethylenoxid-PEO-Film, wo in den vorherigen
Poren neue Poren kleiner Radien sind, was außer dem Überstand der Collector-Folie, C1 von
Karbon oder Graphite C₆ umgeben wird und ein Collector 2 auf das Karbon oder Graphite C₆
aufgesetzt ist.
Erfindungsgemäß ist der Einsatz eines DCM-Films, Discharged-Cathodic-Material-Film, von
besonderem Vorteil. Erfindungsgemäß ist auch die Verwendung einer LCM-Folie, Liciathed-
Cathodic-Material-Folie.
Die Poren sind vorteilhaft zylindrisch ausgestaltet, so können leicht, vorzugsweise mit einer
geeigneten Lithographie Technologie, vorzugsweise zentriert, in den mit Polyethylenoxid-PEO-
Film ausgefüllten vorherigen Poren neue Poren mit vorzugsweise kleineren Radien eingebracht
werden.
Von besonderem Vorteil ist es erfindungsgemäß, wenn die Collector-Folie 1 eine AL-Folie,
Aluminium-Folie, ist.
Die Collector-Folie, C1, stabilisiert erfindungsgemäß das DCM-Cathodenmaterial mechanisch.
Auf oder unter dieser Anordnung wird vorzugsweise ein Collector-Film, C2, aufgebracht, der aus
Korrosionsgründen bei Nutzung von LCM-Cathodenmaterial aus Kupfer oder Nickel, bzw. aus
Verbindungen daraus besteht.
Die überstehende Collector-Folie, C1, dient zum vorteilhaften Anschluß und zur Verbindung.
Verbindet man diese mit dem oder den Collector(en), besteht ein lade-/entladefähiges System. Die
Collector-Folie, C1, kann erfindungsgemäß nicht direkt mit dem Collector schließen, da das
Karbon oder Graphite C₆ dies verhindert.
Der Ausschnitt zeigt, daß somit auf dem Flächenäquivalent etwa 4 · 10⁹ Stück . . . angeordnet
werden können.
Der Strom beträgt ungefähr 1 mA/cm². Bei einem so erreichten Oberflächenverhältnis, welches
etwa die Dimension einer A4-Seite ausmacht, folgt
Li A = 1 mA/cm² · A
= 1 · 10-3 A/cm² · 2,5 · 10⁶cm²
= 2,5 · 10³A = 2500 A,
= 1 · 10-3 A/cm² · 2,5 · 10⁶cm²
= 2,5 · 10³A = 2500 A,
die dem System maximal entnehmbar sind, bei einer Spannung von ungefähr 2,0- 2,5 V.
Die Masse einer solchen Nanobatterie oder -condensators beträgt etwa 100 g, sie ist im Grunde
abhängig vom Collectormaterial und differiert daher. Sie wird erfindungsgemäß mit 80-125 g
angegeben.
Die Leistung, P = I · A ⌀ = 2500 A · 2,0 V und ergibt somit 5000 W auf etwa 100 g.
Für die Energiekapazität folgt
im Vergleich zu einer bekannten Bleibatterie mit etwa 0,11 kW/kg um ein mehrfaches höher liegt.
Für viele Verbrauchernutzungen, die heute über Kupplungen und Stecker gespeist werden, sind
diese Stecker/Kupplungen dann entbehrlich.
Die Collector-Folie, C1, sowie die Cathodenmaterial-Folie gem. Fig. 2,1. werden beliebig über-
oder untereinander zusammengeführt.
Das Cathodenmaterial hat eine Stärke von 10 nm oder bis 1 mm.
Unter Nutzung einer vorzugsweise E-beam Lithographietechnologie werden Poren
erfindungsgemäß vorteilhaft in Zylinderform in Größenordnung 1 nm oder bis 1 µm erzeugt, wie
dies Fig. 2, 2. zeigt und Fig. 2, 3. zweidimensional wiedergibt.
Diese Lithographietechnologien sind bekannt.
Fig. 2, 4. ist das Ausgangsmaterial Polyethylenoxid-PEO-Film in den nach Fig. 2, 2.
geschafften Zylinder und dem Ausgangsmaterial der Kathoden eingebracht, was erfindungsgemäß
vorteilhaft über einen Membranprozeß realisiert wird und vorzugsweise mittels einer geeigneten
E-beam Technologie Moleküle geformt werden.
Die Polymerisation des Polyethylenoxid-PEO kann erfindungsgemäß auch durch andere
Technologien erfolgen.
Das polymerisierte Polyethylenoxid-PEO ist in Fig. 2, 5. schraffiert dargestellt. Fig. 2, 6. zeigt
die Schaffung eines konzentrierten Zylinders mit kleinerem Radius, welcher in Fig. 2, 7.
dargestellt ist. Dieser wird gemäß Fig. 2, 8. mit Karbon oder Graphite C₆ -Material ausgefüllt
und die geschaffene Anordnung ebenso, wobei ein Teil der in Fig. 2, 1. gezeigten Collector-
Folie, C1, freibleibt.
Das Ausführungsbeispiel beschränkt sich auf die Schaffung eines Zylinders.
Claims (34)
1. Nanobatterie-condensator ist dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenareal die limitierte
Stromdichte ausgleicht.
2. Nanobatterie-condensator ist dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenareal zwischen der
positiven und negativen Elektrode 250 m² ergibt.
3. Nanobatterie-condensator dadurch gekennzeichnet, wobei das Flächenareal die limitierte
Stromdichte ausgleicht und das Flächenareal zwischen der positiven und negativen Elektrode
250 m² ergibt.
4. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren Ansprüchen oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß sie in Größe und Aussehen einer A4-Seite hergestellt sind.
5. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren Ansprüchen oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stromdichte auf maximal 1 mA cm² limitiert ist.
6. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren Ansprüchen oder 3, dadurch
gekennzeichnet, wobei die Stromdichte auf maximal 1 mA cm² limitiert ist, die Konduktivität
10-3 s · cm-1 beträgt sowie die typische Elektrodenstarke 0,8-1,2 nm ist.
7. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren Ansprüchen oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß Materialien oder Kombinationen verwendet werden, die 2-2,5 V sichern.
8. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß maximal 2500 A entnehmbar sind.
9. Nanobatterie-condensator nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, wobei die
Masse 80-125 g beträgt.
10. Nanobatterie-condensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, wobei die Anordnung
faltbar, wickelbar oder ins sonstiger Weise gestaltbar ist.
11. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
gekennzeichnet, wobei das Cathodenmaterial eine Stärke von 10 nm-1 mm aufweist.
12. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
gekennzeichnet, wobei Poren in Größe von 1 nm-1 µm im Cathodenmaterial und in der
Collector-Folie, C1, vorhanden sind.
13. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
gekennzeichnet, wobei Poren in Größe von 1 nm-1 µm im Cathodenmaterial und Collector-
Folie, C1, sind sowie das Cathodenmaterial eine Stärke von 10 nm-1 mm aufweist.
14. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Poren zylinderförmig sind.
15. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß aus einer Collector-Folie, C1, einem Kathodenfilm in Stärke
10 nm-1 mm besteht, in denen sich 1 nm-1 µm Poren befinden, gefüllt und umhüllt von
Polyethylenoxid-PEO-Film ist, wo in den vorherigen Poren neue Poren kleinerer Radien sind,
was außer dem Überstand der Collector-Folie, C1, von Karbon oder Graphite C₆ umgeben
wird und ein Collector, C2, auf das Karbon oder Graphite, C₆ aufgesetzt ist.
16. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
gekennzeichnet, wobei die Collector-Folie, C1, ein DCM-Film, Discharged-Cathodic-Material-
Film ist.
17. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
gekennzeichnet, wobei die Collector-Folie, C1, eine LCM-Film, ein Lithiated-Cathodic-
Material-Film ist.
18. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
gekennzeichnet, wobei in den vorherigen mit Polyethylenoxid-PEO ausgefüllten Poren neue
Poren sind.
19. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß zentriert in den vorherigen mit Polyethylenoxid-PEO ausgefüllten Poren
neue Poren angeordnet sind.
20. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
gekennzeichnet, wobei in den vorherigen mit Polyethylenoxid-PEO ausgefüllten Poren neue
Poren mit kleineren Radien angeordnet sind.
21. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
gekennzeichnet, wobei die Collector-Folie, C1, eine AL-Folie, Aluminiumfolie ist.
22. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß die Collector-Folie, C1, ebenso auf dem DCM-Film oder der
Cathodenmaterial-Folie aufgebracht werden kann.
23. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
gekennzeichnet, wobei die Collector-Folie, C1, das Cathodenmaterial mechanisch stabilisiert.
24. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß die Collector-Folie, C2, auf oder unterhalb der Anordnung ist.
25. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Nutzung von LCM-Cathodenmaterial dieses aus Kupfer oder Nickel
oder Verbindungen daraus besteht.
26. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß die überstehende Collector-Folie, C1, zum Anschluß und zur Verbindung
dient.
27. Nanobatterie-condensator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß die Collector-Folie, C1, aufgrund des Graphit, C₆, nicht mit der
Collector-Folie 2 schließt.
28. Verfahren zur Herstellung einer Nanobatterie-condensator dadurch gekennzeichnet, daß die
Folien, Collector-Folien, C1, sowie Cathodenmaterial-Folien 10 nm-1 mm stark, Poren von
1 nm-1 µm erzeugt werden, das Polyethylenoxid-PEO in die Poren und um die Folien
gebracht und behandelt, wo innerhalb der vorherigen Poren neue Poren geschaffen werden, die
außer die Überstände der Collector-Folien, C1, mit Graphit ausgefüllt bzw. beschichtet
werden.
29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Collector-Folie, C1, sowie Cathodenmaterial-Folien
beliebig über- oder untereinander zusammengeführt sind.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei die Poren mittels einer E-beam oder sonstigen
Lithographietechnologie hergestellt werden.
31. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei das Polyethylenoxid-PEO mittels eines
Membranverfahrens in die Poren eingebracht wird.
32. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei aus dem Ausgangsmaterial Polyethylenoxid-
PEO-Film mittels einer E-beam Technologie Moleküle geformt werden.
33. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei die Polymerisation des Polyethylenoxid-PEO-
Films durch geeignete Polymerisationstechnologien erfolgt.
34. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei mittels einer E-beam oder sonstigen
Lithographietechnologie mit kleinerem Radius Poren in den vorherigen Poren hergestellt
werden.
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DE (1) | DE19628927C2 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10151240A1 (de) * | 2001-10-17 | 2003-05-08 | Dilo Trading Ag Zug | Elektrochemisches Element mit einem Polymerzellenverbund und Verfahren zur Ausbildung eines Verbundkörpers zur Einhausung |
DE102006035468A1 (de) * | 2006-11-29 | 2008-06-05 | Dilo Trading Ag | Modifizierte Elektroden für elektrische Energiespeicher |
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1996
- 1996-07-18 DE DE19628927A patent/DE19628927C2/de not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (3)
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---|
JP 3-2 25 765 in Patents Abstracts of Japan, E-1149, December 25, 1991, Vol. 15/No. 510 * |
US-Zeitschrift, J. Electrochem. Soc., Vol. 140, No. 12, December 1993, S. ,3409-3412 * |
US-Zeitschrift, J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No. 1, January 1996, S. 6-12 * |
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DE10151240A1 (de) * | 2001-10-17 | 2003-05-08 | Dilo Trading Ag Zug | Elektrochemisches Element mit einem Polymerzellenverbund und Verfahren zur Ausbildung eines Verbundkörpers zur Einhausung |
DE102006035468A1 (de) * | 2006-11-29 | 2008-06-05 | Dilo Trading Ag | Modifizierte Elektroden für elektrische Energiespeicher |
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Free format text: NIELSEN, DENNIS W.DIPL.-ING., 99734 NORDHAUSEN, DE WINTERBERG, FRANZ W. DR.H.C., 99734 NORDHAUSEN, DE HUNDRUP, BENT, DIPL.-ING.(FH), 99734 NORDHAUSEN, DE |
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