DE19628927C2 - Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit Polymerelektrolyten und lithierter Kathode - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit Polymerelektrolyten und lithierter Kathode

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit Polymerelektrolyten und lithierter Kathode.
Batterien mit Polymerelektrolyten und Lithium-Gehalten sind bekannt (G. B. Appetecchi, G. Dautzenberg und B. Scrosati in J. Electrochem. Soc., Vol. 143, Nr. 1, Januar 1996, S. 6-­ 12, Ch. W. Walker und M. Salomon in J. Elektrochem. Soc., Vol. 140, Nr. 12, Dezember 1993, S. 3409-3412).
Diese Klasse der Polymerelektrolyten hat eine sehr hohe ionische Leitfähigkeit, einen akzeptablen Lithiumtransport und eine hohe elektrochemische Stabilität. Trotzdem weisen die bekannten Polymerelektrolyten bestimmte Nachteile auf.
Auf Grund 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. Auf Grund dessen ist der Ladungs- oder Entladungsprozess unterbrochen. Ein Beispiel für dieses Phänomen der Überpotentialkonzentration ist in Fig. 1 dargestellt. Derartige 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, Kondensatoren in der Größe des A4-Format hergestellt werden, deren Flächenareal zwischen der positiven und negativen Elektrode 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.
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, wird in Fig. 2, 1-8 dargestellt. 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-kondensators, der aus einer Kollektor-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, wobei in den vorherigen Poren neue Poren kleiner Radien sind. Außer dem Überstand der Kollektor-Folie (C1) wird sie von Karbon oder Graphite (C6) umgeben, und ein Kollektor (C2) ist auf das Karbon oder Graphite C6 aufgesetzt.
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, sie 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 Kollektor-Folie (C1) eine Aluminium-Folie ist.
Die Kollektor-Folie (C1) stabilisiert erfindungsgemäß das DCM-Kathodenmaterial mechanisch. Auf oder unter dieser Anordnung wird vorzugsweise ein Kollektor-Film (C2) aufgebracht, der aus Korrosionsgründen bei Nutzung von LCM-Kathodenmaterial aus Kupfer oder Nickel bzw aus Verbindungen daraus besteht.
Die überstehende Kollektor-Folie (C1) dient zum vorteilhaften Anschluss und zur Verbindung. Verbindet man diese mit dem oder den Kollektor(en), besteht ein lade-/entladefähiges System. Die Kollektor-Folie (C1) kann erfindungsgemäß nicht direkt mit dem Kollektor 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
LiA = 1 mA/cm2.A = 1.10-3 A/cm2.106 cm = 2,5.103 A = 2500 A,
die dem System maximal entnehmbar sind, bei einer Spannung von ungefähr 2,0-2,5 V. Die Masse einer solchen Nanobatterie oder -kondensators beträgt etwa 100 g, sie ist im Grunde abhängig vom Kollektormaterial und differiert daher. Sie wird erfindungsgemäß mit 80-125 g angegeben.
Die Leistung P = 1.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 Strecker gespeist werden, sind diese Stecker/Kupplungen dann entbehrlich.
Die Kollektor-Folie (C1) sowie die Kathodenmaterial-Folie gem. Fig. 2, 1 werden beliebig über- oder untereinander zusammengeführt.
Das Kathodenmaterial 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 an sich 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 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 Zyllinders 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 Kollektor-Folie (C1) freibleibt.
Das Ausführungsbeispiel beschränkt sich auf die Schaffung eines Zylinders.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit Polymerelektrolyten und lithiertem Kathodenmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kollektor-Folien (C1) sowie Kathodenmaterial- Folien, die 10 nm-1 mm stark sind, zylinderförmige Poren von 1 nm-1 µm erzeugt werden, Polyethylenoxid in die Poren und um die Folien gebracht und behandelt, dann innerhalb der vorherigen Poren neue Poren geschaffen werden, die mit Graphit ausgefüllt und beschichtet werden und ein Kollektor-Film (C2) aufgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren mittels Elektrodenstrahls oder sonstiger Lithographietechnologie hergestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des Polyethylenoxid-Films durch an sich bekannte Polymerisation erfolgt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenareal zwischen der positiven und negativen Elektrode von ≧ 250 m2 erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche gekennzeich­ net, dass das Kathodenmaterial durch die Kollektor-Folie (C1) mechanisch stabilisiert wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie in Größe und Aussehen einer A4-Seite hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung faltbar, wickelbar oder in sonstiger Weise gestaltet wird.
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