DE202015104569U1 - Ein neuer auf Anode- und Kathodeverbundstoff basierender Zellenkondensator - Google Patents
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Abstract
Ein neuer auf Anoden- und Kathodenverbundstoff basierender Zellenkondensator, dadurch gekennzeichnet, dass der so genannte Zellenkondensator eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, leitfähiger Mittel, Bindemittel, Elektrolyten, Separator und Aluminium-Ätzenfolie umfasst, die positive Elektrode bildet sich aus Verbundstoffen von Lithium-Manganoxid und Aktivkohle, die negative Elektrode bildet sich aus Verbundstoffen von Lithium-Titanat und Aktivkohle.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Energiespeichereinrichtung, insbesondere einen neuen auf Anoden- und Kathodenverbundstoff basierender Zellenkondensator.
- Lithium-Titanat (Li4Ti5O12) weist eine lithiumreiche Spinell-Struktur auf. Im Vergleich zur negativen Graphitelektrode weist Lithium-Titanat eine niedrige theoretische Kapazität (170 mAh/g) und höhere Spannung (1,5 V vs Li), diese zwei Faktoren verringern offenbar die spezifische Energie von Lithium-Titanat, doch viele seiner Vorteile machen ihn zu einem attraktiven Alternativ-Kathodenmaterial. Vor allem wegen seiner ganz geringen Verformung bei dem Zyklus, damit weist Li4Ti5O12 eine hervorragende Zyklenfestigkeit auf; außerdem gibt es keine Zersetzung des Elektrolyt und somit keine SEI Filmbildung; er hat sehr gute Rate-Performance, Tieftemperatur-Ladungs-Entladungs-Leistung und Wärmebeständigkeit.
- Im Vergleich zum Graphit/Lithiumkobaltoxid System auf dem Markt, umfassend die Vorteile des Lithium-Titanat/Mangan-Lithium Systems: Ausgezeichnete Sicherheitsleistung, hohe Zykluslebensdauer, schnelles Laden und Entladen, Kostengünstig usw.
- Die elektrische Leitfähigkeit von Lithiumtitanat und Lithiummanganoxid sind jedoch relativ gering, zudem gibt es Mängel wie Luftblasen und Lösung von Mangan in Elektrolyten bei den dauerhaften Auf- und Entladenzyklen, somit ist das Leistungsverhalten und Zyklenlebensdauer wesentlich beschränkt, die Bedürfnisse der grünen Energiebranche wie elektrischen Pkw, z. B. schnelles Auf und Entladen, langjährige Nutzungsdauer können nicht getroffen werden.
- Die Erfindung hat zur Aufgabe, das oben genannte Problem zu lösen und einen neuen auf Anoden- und Kathodenverbundstoff basierenden Zellenkondensator bereitzustellen. Dieser Kondensator liegt hoher spezifischer Energie und hoher Sicherheitsleistung zugrunde und erhöht wesentlich das Leistungsverhalten und die Zyklenlebensdauer.
- Um das oben genannte Ziel zu erreichen, benutzt die vorliegende Erfindung das folgende technische Konzept:
Ein neuer auf Anoden- und Kathodenverbundstoff basierender Zellenkondensator, der so genannte Zellenkondensator umfassend eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, leitfähiges Mittel, Bindemittel, Elektrolyten, Separator und Aluminium-Ätzenfolie, die positive Elektrode bildet sich aus Verbundstoffen von Lithium-Manganoxid und Aktivkohle, die negative Elektrode bildet sich aus Verbundstoffen von Lithiumtitanat und Aktivkohle. - Vorteilhaft ist der so genannte Lithium-Manganoxid ein von einem oder mehreren Komponenten aus Kohlenstoff, Metall, Metalloxid überdeckter oder dotierter Lithium-Manganoxid, der so genannte Lithium-Titanat ein von einem oder mehreren Komponenten aus Kohlenstoff oder Graphit überdeckter, dotierter sowie Sphäroidisierter Lithium-Titanat, vorteilhaft werden die Nanosynthese-Lithium-Manganoxid bzw. Nanosynthese-Lithium-Titanat ausgewählt, die aus den Nanometalloxidvorläufern mit dotierten Elementen synthetisiert, die Teilchengröße soll kleiner als 500 nm.
- Vorteilhaft ist das so genannte leitfähige Mittel leitfähiger Kohlenschwarz, Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Singleschicht-Graphit, der so genannte Bindemittel Polyvinylidenfluorid oder Polytetrafluorethylen.
- Vorteilhaft umfasst der gelöste Stoff des so genannten Elektrolytes mindestens eine Komponente von Lithiumperchlorat, Lithiumhexafluorarsenat, Lithiumtetrafluorborat, Lithiumhexafluorphosphat, das Lösungsmittel des Elektrolyts ein oder mehrere Komponenten von Acetonitril, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, das Elektrolytzusatzmittel enthält eine oder mehrere Komponenten von Tri(pentafluorophenyl)bor, Trimethylphosphat, Triphenylphosphat, Distickstoffphenylketon.
- Vorteilhaft ist der so genannte Separator eine aus Polypropylen und Polyethylen gebildete Einschicht- oder Mehrschichtfolie.
- Vorteilhaft umfassend die Herstellung des oben genannten Zellenkondensators folgende Schritte:
- (1) Die gesamte Masse des Anodenmaterials gilt als 100%, dann werden 65–91% Lithium-Manganoxid, 2–15% Aktivkohle, 4–10% Bindemittel, 3% bis 10% leitfähiges Mittel in N-Methylpyrrolidon oder demineralisiertes Wasser zugegeben, durch Rühren mit hoher Geschwindigkeit bildet sich Anodenaufschlämmung, diese Aufschlämmung wird mit Beschichtungseinrichtung gleichmäßig auf den beiden Seiten der Aluminium-Ätzenfolie beschichtet, durch Walzen und Stanz in einer Dichte von 2.9–3.2 g/cm3 bildet sich das Anodenpolstück.
- (2) Die gesamte Masse des Kathodenmaterials gilt als 100%, dann werden 65–90% Lithium-Manganoxid, 2–15% Aktivkohle, 5–10% Bindemittel, 3% bis 10% leitfähiges Mittel N-Methylpyrrolidon oder demineralisiertes Wasser zugegeben, durch Rühren mit hoher Geschwindigkeit bildet sich Kathodeaufschlämmung, diese Aufschlämmung wird mit Beschichtungseinrichtung gleichmäßig auf den beiden Seiten der Aluminium-Ätzenfolie beschichtet, durch Walzen und Stanz in einer Dichte von 1.8–2.2 g/cm3 bildet sich das Kathodepolstück;
- (3) Die Elektroden werden in einem Masseverhältnis von Anodenaktivmaterial zu Kathodenaktivmaterial von 1–2:1 gefertigt, der elektrische Kern wird Z-förmig gefaltet und produziert, nach Trocken und Einkapselung ist das Endprodukt zu erhalten.
- Die Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber der bekannten Technik wie folgt:
- 1. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung durch Nutzung einer Verbundelektrode aus Lithium-Titanat und Mangan-Lithium sind das, dass die Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials und bestimmte Spezifikationen im Bezug auf Energiespeicherleistung durch Einführung der Aktivkohlen sich wesentlich erhöhen, die Rate-Performance des Produktes ist verbessert und somit wird Hochstromladen und -Entladen im Anspruch genommen.
- 2. Die Überdeckung und Dotierungsbehandlung an Lithium-Titanat und Mangan-Lithium beseitigen das Problem von Luftblasen und Lösung, somit erhöht sich die Zyklenlebensdauer;
- 3. Die Nutzung des Verbundleitmittels dient zum besseren Aufbau des Leitnetzes, somit erhöht sich weiterhin die Leistungsdichte.
-
1 : Schematische Darstellung des elektrischen Kerns gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. - Im Folgenden wird durch detaillierte Ausführungsbeispiele das technische Lösungskonzept vorliegender Erfindung näher betrachtet.
- Ohne spezifische Angaben sind alle Werkstoffe, die in folgenden Ausführungsbeispielen eingesetzt werden, allgemein angewendete Werkstoffe in der Branche, eben die in folgenden Ausführungsbeispielen eingesetzten Verfahren sind allgemein anerkannt in der Branche.
- Ausführungsbeispiel 1:
- Die
1 gilt als vereinfachtes Schema des elektrischen Kerns, dient nur zur schematischen Darstellung der vorliegenden Erfindung. Der neue Zellenkondensator in1 umfassend ein positives Polstück1 und ein negatives Polstück2 . Die Vorder- und Rückseite beider Polstücke werden mit einer Ausschlämmung beschichtet, die aus Mangan-Lithium (Lithium-Titanat), Aktivkohle, Bindemittel und Leitfähigem Mittel gemischt wird. Der Separator3 hat in einer Z-Form das positive und negative Polstück vollständig umhüllt und voneinander getrennt, der Elektrolyt4 füllt sich in die Innenstruktur des Kondensators und infiltriert das positive und negative Polstück sowie Separator. - Der Herstellungsprozess der vorliegenden Erfindung wie folgt:
Es werden Lithium-Mangan-Oxid, Aktivkohle, leitfähiger Mittel (SuperP® + Graphit), Bindemittel (PVDF) in einem Masseverhältnis von 88:5:3:4 abgewogen und danach in N-Methylpyrrolidon gelöst, 4 Stunden lang unter Vakuumbedingung mit einem Hochgeschwindigkeitsrührwerk gerührt, um eine homogene Aufschlämmung zu bilden, diese Aufschlämmung wird unter Verwendung von Beschichtungsvorrichtung gleichmäßig auf den beiden Seiten der Aluminium-Ätzenfolie beschichtet, während der Beschichtung wird ein stufenweises Trocknen vorgenommen, die getrocknete Elektrode wird in einer Dichte von 2.1 g/cm3 gewälzt, dann sind Anodenpolstücke unter Verwendung von Stanzmaschine zu erhalten. - Es werden Lithium-Mangan-Oxid, Aktivkohle, leitfähiger Mittel (SuperP® + Graphit + Kohlennanoröhrchen), Bindemittel (PVDF) in einem Masseverhältnis von 85:5:5:5 abgewogen und danach in N-Methylpyrrolidon gelöst, 4 Stunden lang unter Vakuumbedingung mit einem Hochgeschwindigkeitsrührwerk gerührt, um eine homogene Aufschlämmung zu bilden, diese Aufschlämmung wird unter Verwendung von Beschichtungsvorrichtung gleichmäßig auf den beiden Seiten der Aluminium-Ätzenfolie beschichtet, während der Beschichtung wird ein stufenweises Trocknen vorgenommen, die getrocknete Elektrode wird in einer Dichte von 2.1 g/cm3 gewälzt, dann sind Kathodenpolstücke unter Verwendung von Stanzmaschine zu erhalten.
- Es wird der Separator C480 aus US Unternehmen Celgard verwendet, bei dem Elektrolyt werden 1 M LiPF6 und 0.5 M SBP als gelöste Stoffe, EC, DEC, DMC in einem Volumenverhältnis 1:1:1 verwendet. Die positive und negative Elektrodenaktivmaterialien, die eine bestimmte Dicke aufweisen, werden im Verhältnis von 1.5:1 zur Herstellung der positiven und negativen Polstücke dosiert, positives und negatives Polstück werden durch einen Separator voneinander getrennt und bilden sich elektrischer Kern, nach 24 h Trocken unter Vakuumbedingung wird Elektrolyt ins Glove-Box eingespritzt dann in die Alu-Folie eingekapselt, nach 12 h Stilllegung wird es chemischer Bildung und sekundärer Einkapselung unterzogen und somit ist das Produkt erhalten. Unter einem Konstantstrom in Dichte von 80 mA/g wird eine Laden- und Entladungstest durchgeführt, daraus ergibt sich die spezifische Kapazität von 60 mAh/g, nach 20000 Zyklen beträgt die Rückhalterate 80%.
- Mithilfe der idealen Ausführungsbeispiele und der obigen Angaben der vorliegenden Erfindung sind die betroffenen Mitarbeiter völlig bewilligt, eine Modifikation oder Veränderung vorzunehmen, sobald der technische Umfang der Idee vorliegender Erfindung nicht abweicht. Der technische Umfang der vorliegenden Erfindung beschränkt sich nicht nur auf den Beschreibungsinhalt, sondern durch den Umfang der Ansprüche definiert.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- positives Polstück
- 2
- negatives Polstück
- 3
- Separator
- 4
- Elektrolyt
Claims (5)
- Ein neuer auf Anoden- und Kathodenverbundstoff basierender Zellenkondensator, dadurch gekennzeichnet, dass der so genannte Zellenkondensator eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, leitfähiger Mittel, Bindemittel, Elektrolyten, Separator und Aluminium-Ätzenfolie umfasst, die positive Elektrode bildet sich aus Verbundstoffen von Lithium-Manganoxid und Aktivkohle, die negative Elektrode bildet sich aus Verbundstoffen von Lithium-Titanat und Aktivkohle.
- Ein neuer auf Anoden- und Kathodenverbundstoff basierender Zellenkondensator nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der so genannte Lithium-Manganoxid ein von einem oder mehreren Komponenten aus Kohlenstoff, Metall, Metalloxid überdeckter oder dotierter Lithium-Manganoxid ist, der so genannte Lithium-Titanat ein von einem oder mehreren Komponenten aus Kohlenstoff oder Graphit überdeckter, dotierter sowie Sphäroidisierter Lithium-Titanat ist, vorteilhaft werden die Nanosynthese-Lithium-Manganoxid bzw. Nanosynthese-Lithium-Titanat ausgewählt, die aus den Nanometalloxidvorläufern mit dotierten Elementen synthetisiert, die Teilchengröße soll kleiner als 500 nm.
- Ein neuer auf Anoden- und Kathodenverbundstoff basierender Zellenkondensator nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der so genannte leitfähige Mittel leitfähiges Kohlenschwarz, Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Einschicht-Graphit ist, der so genannte Bindemittel Polyvinylidenfluorid oder Polytetrafluorethylen ist.
- Ein neuer auf Anoden- und Kathodenverbundstoff basierender Zellenkondensator nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gelöste Stoff des so genannten Elektrolyts mindestens eine Komponente von Lithiumperchlorat, Lithiumhexafluorarsenat, Lithiumtetrafluorborat, Lithiumhexafluorphosphat, Lithiumtrifluormethansulfonat, Tetrafluoroborat, Tetraethylammoniumsalz enthält, das Lösungsmittel des Elektrolyts eine oder mehrere Komponenten von Acetonitril, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat enthält, das Elektrolytzusatzmittel eine oder mehrere Komponenten von Tri(pentafluorophenyl)bor, Trimethylphosphat, Triphenylphosphat, Distickstoffphenylketon enthält.
- Ein neuer auf Anoden- und Kathodenverbundstoff basierender Zellenkondensator nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der so genannte Separator eine aus Polypropylen und Polyethylen enthaltende Einschicht- oder Mehrschichtfolie ist.
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