DE60130302T2

DE60130302T2 - Vielfach gestapelte elektrochemische zelle und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE60130302T2
Application number: DE60130302T
Authority: DE
Inventors: Hyang-Mok LG Chem. Sat LEE; Soon-Ho Lucky-Hana A Ahn; Kyung-Joon Kim; Jae-Hyun Lee
Original assignee: LG Chemical Co Ltd
Current assignee: LG Corp
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2021-02-09
Also published as: CN1363122A; KR100497147B1; EP1201005A4; CN1212687C; EP1201005B1; US6726733B2; DE60130302D1; WO2001059870A1; US20020160258A1; MY129011A; JP4018388B2; KR20010082060A; EP1201005A1; JP2003523061A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(a) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches Element und ein Verfahren zur Herstellung desselben, insbesondere ein elektrochemisches Element mit verbesserter Energiedichte, das mehrfach gestapelte elektrochemische Zellen umfasst, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
(b) Beschreibung der zugehörigen Technik
Es besteht wachsendes Interesse an Energiespeichertechnologie. Das Einsatzgebiet der Batterie wurde auf Mobiltelefone, Camcorder und Notebooks ausgedehnt, wobei unlängst auch noch Elektrofahrzeuge in diese Liste mit aufgenommen wurden. Aufgrund dieser Ausweitung wurde zunehmend auf dem Gebiet der Batterien geforscht und entwickelt, mit sichtbarem Ergebnis. In dieser Hinsicht ist die Forschung im Bereich elektrochemischer Elemente eines der Gebiete, denen viel Aufmerksamkeit gewidmet wurde, wobei ein zentrales Thema wiederaufladbare Batterien sind. Jüngste Entwicklungen haben dazu geführt, dass neue Batterien und Elektroden entwickelt wurden, um Kapazität und spezifische Energie zu verbessern.
Unter den im Einsatz befindlichen Sekundärbatterien ist die in den 90er Jahren entwickelte Lithiumionenbatterie zunehmend populär geworden, weil sie eine höhere Betriebsspannung und Energiedichte hat als Ni-MH-, Ni-Cd- und Schwefelsäure-Blei-Batterien, bei denen eine wässrige Lösung als Elektrolyt verwendet wird. Bei diesen Lithiumionenbatterien gibt es jedoch Sicherheitsprobleme aufgrund der Verwendung eines organischen Elektrolyten, der die Batterien entflammbar und explosiv macht. Außerdem haben Lithiumionenbatterien den Nachteil eines schwierigen Herstellungsverfahrens. Die neuerdings verwendeten Lithiumionenpolymerbatterien haben diese Mängel der Lithiumionenbatterien überwunden und sollen die Batterien der nächsten Generation werden. Verglichen mit Lithiumionenbatterien, haben diese Lithiumionenpolymerbatterien jedoch eine relativ niedrige Kapazität und vor allem eine unzureichende Entladekapazität bei niedrigen Temperaturen; und sind somit verbesserungsbedürftig.
Die Kapazität der Batterien ist proportional zur Menge der aktiven Elektrodenmaterialien. So ist es extrem wichtig, eine Zellenstruktur zu entwickeln, die in dem begrenzten Raum des Batteriegehäuses mit möglichst viel Elektrodenmaterial gefüllt werden kann. Die am weitesten verbreitete und bekannteste Art von Zellenstruktur ist eine gelrollenartige Struktur, wie sie bei einer zylindrischen oder einer prismatischen Batterie verwendet wird. Eine solche Struktur wird durch ein Verfahren des Auftragens und Aufpressens von aktivem Elektrodenmaterial auf eine Metallfolie hergestellt, die als Stromkollektor verwendet wird und anschließend zu einem Streifen mit einer vorbestimmten Breite und Länge geschnitten wird; dann werden Anode und Kathode mit Hilfe der Trennfolie getrennt und spiralförmig aufgewickelt. Eine solche Gelrollenstruktur ist bei der Herstellung von zylindrischen Batterien weit verbreitet. Diese Struktur hat jedoch einen kleinen Krümmungsradius im mittleren Abschnitt der Spirale, was oft in extremen Spannungen an der Biegefläche der Elektrode resultiert und oft zum Abblättern der Elektrode führt. Dies erleichtert das Abscheiden von Lithiummetall auf dem mittleren Abschnitt der Elektrode während des wiederholten Auf- und Entladens der Batterie, was die Lebensdauer der Batterie verkürzen und gleichzeitig die Sicherheit der Batterie herabsetzen kann.
Im Allgemeinen umfasst das weithin bekannte und verwendete Verfahren zur Herstellung einer dünnen prismenförmigen Batterie den oben genannten Vorgang des Wickelns der spiralförmigen Gelrolle zu einer ovalen Form und dann des Komprimierens derselben, wobei sie anschließend in einen rechteckigen Behälter eingesetzt wird. Dieses Verfahren ist nicht frei von den oben genannten Problemen einer geringeren Lebensdauer und Sicherheit, sondern hat vielmehr verstärkt Probleme infolge des durch die ovale Form bedingten kleineren Krümmungsradius. Außerdem ist das Problem einer geringeren Leistung größer, weil die Herstellung einer engen Spiralstruktur von Haus aus unmöglich ist. Ferner wird durch die Diskrepanz zwischen der ovalen Form der Gelrolle und der rechteckigen Form des Behälters der Umfang des genutzten Volumens reduziert. Damit werden bekanntlich ungefähr 20% der gewichtsbezogenen Energiedichte und 25% der volumenbezogenen Energiedichte reduziert, wenn der Behälter berücksichtigt wird. In Wirklichkeit hat eine prismatische Lithiumionenbatterie Berichten zufolge eine niedrigere Kapazitätsdichte und spezifische Energie als eine zylindrische.
In jüngster Zeit werden verschiedene Patente und Technologien veröffentlicht, die einen Vorschlag zur Lösung der Probleme der spiralförmigen Gelrollenstruktur machen und Zellenstrukturen bereitstellen, die für einen prismatischen Behälter geeignet sind. Diese Vorschläge bieten jedoch nur eine teilweise Lösung der Probleme oder führen zu anderen Problemen, die noch schwieriger zu lösen sind, so dass sie keine praktische Lösung darstellen. Das US-Patent Nr. 5,552,239 beschreibt zum Beispiel ein Verfahren, bei dem zunächst eine Trennschicht bzw. ein Polymerelektrolyt zwischen Kathode und Anode angeordnet und laminiert wird, dann zu einem Streifen mit einer vorbestimmten Länge und Breite geschnitten wird und dann anschließend allmählich eine Zelle mit einer Schichtstruktur aus Anode/Trennschicht/Kathode zu einer quadratischen Form gefaltet wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben versucht, ein solches Verfahren nachzubilden, haben aber herausgefunden, dass es schwierig ist, die Zellen für einen solchen Gebrauch herzustellen. Die laminierten Zellen waren so steif, dass sie schwer zu falten waren, und beim Falten unter Kraftaufwand kam es in dem gefalteten Bereich zu einem Problem, weil es ähnlich wie bei gelrollenartigen Zellen zum Bruch kam.
Bei dem in dem US-Patent Nr. 5,300,373 beschriebenen Fächerfaltverfahren werden Druck und Spannungen an der inneren Schicht des sich abrupt biegenden Abschnitts auf die äußere Schicht übertragen und verteilt, so dass es zu einem Verdrehen und Dehnen kommt, was schließlich in einer "hundknochenartigen" Zelle resultiert. So kommt es auch häufig zu den Problemen des Abblätterns, Reißens, Zerbröckelns oder Zerspringens, wie sie bei der gelrollenartigen Struktur auftreten. Außerdem neigen die Zellen bei dieser Struktur von Haus aus zum Zerspringen; und daher besteht nur eine sehr geringe Möglichkeit, eine praktisch anwendbare Batterie herzustellen.
Mittlerweile hat das US-Patent Nr. 5,498,489 versucht, solche Probleme bei den sich biegenden Abschnitten zu lösen und zu verbessern. Es bietet eine grundlegende Möglichkeit, das Abblättern der Elektroden zu vermeiden, indem die Elektroden an den Faltabschnitten weggelassen werden und Verbindungen nur durch die Verwendung von Stromkollektoren und Trennschichten oder Polymerelektrolytabschnitten bereitgestellt werden. Der Aufbau einer solchen Zelle ist jedoch schwierig. Ferner werden zu viele Stromkollektoren verwendet, und die Struktur vergeudet zu viel Elektrolyt. Somit ist die Struktur nicht sehr praktisch, weil sie viele ineffiziente Faktoren hat.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrochemisches Element mit elektrochemischen Zellen bereitzustellen, die mehrfach gestapelt sind, wobei es leicht herzustellen ist und eine Struktur besitzt, die eine effiziente Nutzung des verfügbaren Raums ermöglicht, und ein Verfahren zur Herstellung desselben unter Berücksichtigung des Standes der Technik.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrochemisches Element und ein Verfahren zur Herstellung desselben bereitzustellen, das den Anteil an aktivem Elektrodenmaterial maximieren kann und leicht herzustellen ist.
Diese und andere Aufgaben können gelöst werden durch ein elektrochemisches Element mit elektrochemischen Zellen, die mehrfach gestapelt sind, wobei die durch Stapeln von Vollzellen gebildeten elektrochemischen Zellen nacheinander als Grundeinheit eine Kathode, eine Trennschicht und eine Anode aufweisen, und mit einer jeweils zwischen den gestapelten Vollzellen angeordneten Trennfolie, wobei
die Trennfolie eine Einheitslänge hat, die zum Umwickeln der elektrochemischen Zellen bestimmt ist, und jede Einheitslänge nach außen umgeklappt [bzw. umgefaltet] wird, um ausgehend von der elektrochemischen Zellen an einem ersten Punkt bis zu der elektrochemischen Zelle am letzten Punkt kontinuierlich Z-förmig um jede elektrochemische Zelle gefaltet zu werden, während die verbleibende Trennfolie um einen äußeren Abschnitt der gestapelten Zelle gewickelt ist.
Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Elements unter Verwendung der Vollzelle bereit, mit den folgenden Schritten:

a) eine Vollzelle wird kontinuierlich oder abwechselnd auf und unter der Trennfolie platziert;
b) die platzierten Vollzellen und die Trennfolie von Schritt a) werden laminiert; und
c) die laminierten Vollzellen und die Trennfolie von Schritt b) werden zu der an die erste Vollzelle angrenzenden Vollzelle hin nach außen umgeklappt, um Z-förmig um jede Vollzelle gefaltet zu werden, und die verbleibende Trennfolie wird um einen äußeren Abschnitt der gestapelten Vollzelle mindestens einmal herumgewickelt, so dass jede Vollzelle gestapelt ist.

Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein elektrochemisches Element mit elektrochemischen Zellen bereit, die mehrfach gestapelt sind, wobei die elektrochemischen Zellen gebildet sind, indem Folgendes gestapelt wird:

i) eine Eizelle, die nacheinander als Grundeinheit eine Kathode, eine Trennschicht, eine Anode, eine weitere Trennschicht und eine weitere Kathode aufweist; oder
ii) eine Eizelle, die nacheinander als Grundeinheit eine Anode, eine Trennschicht, eine Kathode, eine weitere Trennschicht und eine weitere Anode aufweist;

Weiter noch stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Elements unter Verwendung der Eizelle bereit, mit den folgenden Schritten:

a) eine Eizelle wird kontinuierlich oder abwechselnd auf und unter der Trennfolie platziert;
b) die platzierten Eizellen und die Trennfolie von Schritt a) werden laminiert; und
c) die laminierten Eizellen und die Trennfolie von Schritt b) werden zu der an die erste Eizelle angrenzenden Eizelle nach außen umgeklappt, um Z-förmig um jede Eizelle gefaltet zu werden, und die verbleibende Trennfolie wird mindestens einmal um einen äußeren Abschnitt der gestapelten Eizelle herumgewickelt, so dass jede Eizelle gestapelt ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Schichtstruktur einer Vollzelle mit einer beidseitig beschichteten Kathode, einer Anode und einer Trennschicht.
2 zeigt eine Schichtstruktur der Zelle, bei der mehrere Vollzellen gestapelt sind und eine Trennfolie zwischen den gestapelten Zellen angeordnet ist.
3 zeigt eine Schichtstruktur einer Zelle mit mehrfach gestapelten Vollzellen, bei der eine einzige Seite einer äußersten Elektrode einer äußersten Vollzelle beschichtet und als Folie belassen ist und bei der eine Trennfolie zwischen den Vollzellen angeordnet ist.
4a zeigt eine Schichtstruktur einer Eizelle, bei der eine mittlere Schicht eine Anode ist und beide äußere Seiten Kathoden sind.
4b zeigt eine Schichtstruktur einer Eizelle, bei der eine mittlere Schicht eine Kathode ist und beide äußere Seiten Anoden sind.
5 zeigt eine Schichtstruktur einer Zelle, bei der zwei Arten von Eizellen abwechselnd gestapelt sind, wobei zwischen den Eizellen eine Trennfolie angeordnet ist.
6 zeigt eine Schichtstruktur einer Zelle mit Eizellen, bei der eine einzige Seite einer äußersten Elektrode einer äußersten Eizelle beschichtet und als Folie belassen ist und zwei Arten von Eizellen abwechselnd gestapelt sind, wobei zwischen den Vollzellen eine Trennfolie angeordnet ist.
7 ist eine Entwicklungsdarstellung einer Batterie, wo Vollzellen nacheinander auf einer zugeschnittenen Trennfolie platziert und dann so laminiert werden, dass die Vollzellen zum Stapeln genau ausgerichtet sind.
8 ist eine graphische Darstellung einer Lade- und Entladekennlinie des elektrochemischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Entwicklungsdarstellung einer Batterie, wo Vollzellen nacheinander auf einer zugeschnittenen Trennfolie platziert und dann so laminiert werden, dass die Vollzellen zum Stapeln genau ausgerichtet sind.
10 ist eine Entwicklungsdarstellung einer Batterie, wo Eizellen nacheinander auf einer zugeschnittenen Trennfolie platziert und dann so laminiert werden, dass die Eizellen zum Stapeln genau ausgerichtet sind.
11 zeigt eine Zykluskennlinie eines elektrochemischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Entwicklungsdarstellung einer Batterie, wo Eizellen nacheinander auf einer zugeschnittenen Trennfolie platziert und dann so laminiert werden, dass die Eizellen zum Stapeln genau ausgerichtet sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
[Funktionsweise]
Die vorliegende Erfindung stellt eine Zellenstruktur und ein Verfahren zur Herstellung derselben bereit, das leichter herzustellen ist und im Vergleich zu herkömmlichen Zellen den Platz effizienter nutzt. Die vorliegende Erfindung bietet eine einzigartige, aber einfache Möglichkeit zur Maximierung des Anteils an aktivem Elektrodenmaterial in einer prismatischen Batterie, wobei gleichzeitig die verschiedenen Mängel der verschiedenen oben erläuterten, herkömmlichen Zellenstrukturen behoben werden. Im Prinzip nutzt die vorliegende Erfindung keine in Längsrichtung zugeschnittenen Elektroden, wie sie zum spiralförmigen Wickeln oder Falten verwendet werden, sondern nutzt vielmehr das Verfahren des Stapelns von in einer vorbestimmten Form zugeschnittenen Elektroden.
Die elektrochemischen Zellen gemäß der vorliegenden Erfindung werden mit einer Vollzelle oder einer Eizelle als Grundeinheit gestapelt.
Die Vollzelle der vorliegenden Erfindung hat eine Struktur, wo eine Schichtkonstruktion aus einer Kathode 7, einer Anode 8 und einer Trennschicht 15 zu einer regelmäßigen Form und regelmäßigen Größe geschnitten und dann wie in 1 gezeigt gestapelt wird. Bei allen Elektroden werden Stromkollektoren 11 und 12 verwendet, die auf beiden Seiten mit aktivem Elektrodenmaterial 13 und 14 beschichtet sind. Eine solche Struktur wird als eine einzige Elementarzelle behandelt, aus der durch Stapeln eine Batterie gebildet wird. Dazu müssen die Elektroden und die Trennfolien aneinander befestigt werden. Bei einer wiederaufladbaren Lithiumzelle ist zum Beispiel der Hauptbestandteil des Kathodenmaterials 14 ein Lithiumeinlagerungsmaterial wie zum Beispiel Lithiummanganoxid, Lithiumcobaltoxid, Lithiumnickeloxid oder ein aus einer Kombination der genannten Oxide gebildetes komplexes Oxid, wobei das Kathodenmaterial auf den Kathodenstromkollektor 12 aufgebracht ist, d.h. auf eine aus Aluminium, Nickel oder einer Kombination davon hergestellte Folie, um eine Kathode 8 zu bilden. Außerdem ist der Hauptbestandteil des Anodenmaterials 13 Lithiummetal oder Lithiumlegierung sowie Lithiumeinlagerungsmaterialien wie Kohlenstoff, Erdölkoks, Aktivkohle, Graphit oder sonstige Kohlenstoffe, wobei das Anodenmaterial 13 auf den Anodenstromkollektor 11 aufgebracht ist, d.h. auf eine aus Kupfer, Gold, Nickel, Kupferlegierung oder einer Kombination davon hergestellte Folie, um eine Anode 7 zu bilden.
Die Trennschicht 15 umfasst eine mikroporöse Polyethylenfolie, eine mikroporöse Polypropylenfolie oder eine durch eine Kombination davon hergestellte mehrlagige Folie oder eine Polymerfolie für einen festen Polymerelektrolyten oder einen gelartigen Polymerelektrolyten wie zum Beispiel Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Polyacrylnitril oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer. Ferner ist es sehr effizient, eine Polymerfolie für einen Polymerelektrolyten zu verwenden, die eine primäre mikroporöse Polymerschicht und eine sekundäre gelierende Polymerschicht aus Polyvinylidenfluorid-Chlortrifluorethylen-Copolymer umfasst, wie dies beschrieben ist in KR-A-2001055968 . Ein wichtiges, für die Trennschicht 15 erforderliches Merkmal ist eine aus dem Laminieren resultierende Bindungseigenschaft, um eine Elementarzelle zu bilden, die eine Vollzelle ist.
Die Einheitsstruktur der in 1 dargestellten Vollzelle 17 setzt sich nacheinander aus einer Kathode, einer Trennschicht und einer Anode zusammen. Die Trennschicht 15 ist natürlich in der Mitte der Zelle angeordnet. Mehrere dieser Elementarzellen können in einer gewünschten Zahl gestapelt werden, um eine Batterie mit einer praktischen Kapazität zu realisieren. 2 zeigt zum Beispiel fünf aufeinander gestapelte Vollzellen. Die Art, wie eine polymere Trennschicht oder eine polymere Trennfolie mit Mikroporosität für den Polymerelektrolyten dazwischen angeordnet wird, ist extrem wichtig, wie oben für die Trennschicht 15 erläutert, und 2 zeigt die Vorgehensweise bei der vorliegenden Erfindung.
Die Vollzellen 17 der vorliegenden Erfindung werden gestapelt, indem die in Längsrichtung geschnittene Trennfolie 19 ausgehend von einer Vollzelle Z-förmig gefaltet und dann nacheinander gestapelt wird. Eine solche Struktur wird zu einer sehr effizienten Struktur, weil das bei einer Elementarzelle nicht verwendete äußere aktive Beschichtungsmaterial mit dem gegenüberliegenden aktiven Elektrodenbeschichtungsmaterial einer weiteren benachbarten Elementarzelle geteilt wird. Die Trennfolie 19 wird fertiggestellt, indem ein Band 27 fixiert wird, nachdem das Falten und einmalige Umwickeln der Vollzellen beendet wurde. Ferner kann zur Fertigstellung nicht nur mit einem Band umwickelt, sondern auch heißverschmolzen werden. Das heißt, die Trennfolie selbst wird fixiert und durch Heißsiegeln verklebt, was mit Hilfe einer Thermoschweißmaschine, einer Heizplatte, etc. durchgeführt wird, die mit der Trennfolie in Kontakt steht. Die Zahl der zu stapelnden Vollzellen richtet sich nach der gewünschten Kapazität der fertigen Batterie.
Bei der vorliegenden Erfindung hat die Struktur 44 von 2 eine weitere Bedeutung. Gemäß der Erfahrung der Erfinder der vorliegenden Erfindung sind die Flächen zwischen den Trennfolien, wie zum Beispiel der Polymerelektrolytfolie oder der polymeren Trennschicht, und den Elektroden wichtig. Wenn die Batterie nach dem Einspritzen von flüssigem Elektrolyt und nach dem Verpacken tatsächlich verwendet wird, unterliegt sie zahlreichen Lade- und Entladezyklen. Wenn der Kontakt der Fläche nicht konstant aufrechterhalten wird und instabil wird, fällt die Leistung der Batterie plötzlich ab, und die tatsächliche Kapazität der Batterie nimmt ab. Je nach Aufbau der Batterie kann dieser Effekt von Anfang an sichtbar sein oder kann sich im Verlauf der Zeit zeigen. Es ist daher notwendig, Druck auszuüben, um die Flächen konstant beizubehalten. Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Zellenstruktur und ein neues Verfahren zum Zusammenbauen bereit als Möglichkeit, den Druck aufrechtzuerhalten, wobei das obige Problem grundlegend gelöst wird. In diesem Kontext hat 2 noch eine weitere Bedeutung.
Wie bei der Struktur 44 von 2 erkennbar ist, werden bei einer Art des Stapelns der aus Vollzellen bestehenden Elementarzellen unter Z-förmigem Falten der Trennfolie 19 die Elektroden zwischen den Vollzellen effizient genutzt. Der durch das einmalige Umwickeln der Vollzellen nach dem Falten entstehende Druck beaufschlagt die Flächen zwischen der Polymerfolie des Polymerelektrolyten oder der polymeren Trennschicht und den durch alle Zellen gebildeten Elektroden. Eine Endbearbeitung mit einem Band 27 ist eine Maßnahme, um einen solchen Druck konstant aufrechtzuerhalten, was einen stabilen und konstanten Kontakt zwischen den Flächen erlaubt.
Für eine Trennschicht 15 und eine Trennfolie 19 kann ein unterschiedliches Material oder dasselbe Material der polymeren Trennschicht oder der Polymerfolie für den Polymerelektrolyten verwendet werden. Die Trennschicht 15 muss eine aus dem Laminieren resultierende Bindungseigenschaft haben, um eine Elementarzelle zu bilden, die eine Vollzelle ist, aber die Trennfolie 19 muss keine solche Eigenschaft haben, weil es möglich ist, zur Montage die Vollzellen 17 mit der Trennfolie 19 zu umwickeln. Bei einer anderen Art der Montage unter Verwendung einer bei der Struktur 44 von 2 gezeigten Zelllenstruktur wird aber vorzugsweise die Trennfolie 19 verwendet, die ebenfalls die Bindungseigenschaft hat. In dieser Hinsicht kann es höchst angebracht sein, für die Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung die Polymerfolie für den Polymerelektrolyten als Trennfolie 19 zu verwenden, die eine erste mikroporöse Polymerschicht und eine zweite gelierende Polymerschicht aus Polyvinylidenfluorid-Chlortrifluorethylen-Copolymer umfasst. Wenn die neue Polymerfolie als Trennfolie 19 verwendet wird, kann es bei der Struktur 44 von 2 viele verschiedene Montageverfahren geben. Das heißt, jede Vollzelle 17 hat zwei mögliche Richtungen, nämlich die obere Richtung und die untere Richtung zum Verkleben mit der Trennfolie 19. Wenn es fünf Vollzellen gibt wie in 2, dann kann es 2⁵ Arten der Montage geben. Bei einem solchen Verfahren werden nach dem Ausbreiten der Trennfolie 19 in Längsrichtung Vollzellen auf einer Ober- oder Unterseite der Trennfolie 19 in einer der 2⁵ Arten angeordnet und dann laminiert und anschließend einfach Z-förmig gefaltet und einmal herumgewickelt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass dieses Montageverfahren leicht zu konzipieren und durchzuführen ist.
3 zeigt eine Struktur 45, bei der das unbenutzte äußerste aktive Elektrodenmaterial von der Struktur 44 von 2 weggelassen wird, so dass bei dieser Struktur am meisten Platz gespart wird. Wenn eine weitere Vollzelle 17' als Vollzellenstruktur mit einer auf beiden Seiten aufgetragenen Elektrode und einer weiteren, auf einer einzigen Seite aufgetragenen Elektrode definiert ist, verwendet die Struktur 45 von 3 eine solche Vollzelle 17' dahingehend, dass das nicht verwendete äußerste aktive Elektrodenmaterial als Folie belassen wird, wie bei der Struktur 44 von 2 gezeigt. Dies resultiert in einer weiteren Verringerung der Dicke, ohne Kapazität einzubüßen, so dass die Platzersparnis noch weiter erhöht wird. Wenn aber die gestapelten Zellen zunehmen, ergibt sich kein großer Unterschied in der Platzersparnis im Vergleich zu der Struktur 44 von 2. Dennoch ist die Struktur 45 von 3 bei einer unlängst erörterten kartenartigen Batterie mit einer sehr dünnen Schicht wirksam.
Wenn bei der vorliegenden Erfindung mehrere Eizellen als Elementarzelle gestapelt werden, wird die platzsparende Zellenstruktur in einer mit dem obigen Verfahren identischen Weise angewandt. Dazu werden jeweils zwei Arten von Eizellen 23 und 24 definiert, die beide eine beidseitig beschichtete Elektrode verwenden, wie in 4a und 4b gezeigt. Bei der Eizelle 23 ist in der Mitte eine Anode angeordnet, und auf beiden Außenseiten sind Kathoden angeordnet, während bei der Eizelle 24 in der Mitte eine Kathode angeordnet ist und auf beiden Außenseiten Anoden angeordnet sind. Das nutzbare aktive Elektrodenmaterial und die polymere Trennschicht oder Polymerfolie für den Polymerelektrolyten als Trennschicht 15 ist im Einzelnen mit der oben bei den Vollzellen erläuterten identisch.
Die Struktur 46 von 5 zeigt eine Möglichkeit zur Bildung einer Batterie unter Verwendung von zwei Arten von Eizellen als zugrundeliegende Elementarzellen. Wenn die Eizellen 23 und 24 abwechselnd gestapelt werden und die oben genannte polymere Trennschicht oder Trennfolie 19, wie zum Beispiel die Polymerfolie für den Polymerelektrolyten, Z-förmig gefaltet zwischen die Eizellen eingefügt wird, wird natürlich das in einer Eizelle nicht verwendete äußere aktive Beschichtungsmaterial mit einer angrenzenden Eizelle einer anderen Art von entgegengesetzter Polarität geteilt, so dass eine neue Vollzelle entsteht, die eine sehr effiziente Struktur hat. Wie bei der Struktur 46 von 5 erkennbar ist, wird die Polarität der Batterie natürlich ohne Diskrepanz gebildet, wenn die Trennfolien 19 kontinuierlich zwischen den Zellen angeordnet werden und die Eizellen abwechselnd gestapelt werden. Die äußerste gestapelte Eizelle der Batterie kann entweder die Eizelle 23 oder die Eizelle 24 sein, wobei der einzige Unterschied darin besteht, ob das unbenutzte Elektrodenmaterial eine Anode oder eine Kathode ist. Der Anteil solcher unbenutzten Elektroden nimmt mit zunehmender Zahl der Stapel ab und hat bei einer Elektrode mit einer praktischen Dicke nur wenig Einfluss. Bei einer anderen Struktur 46 sind Art und Weise des Einfügens der Trennfolie 19 in allen Einzelheiten identisch wie bei einer Vollzelle, und die Trennfolie 19 und das Band 27, die bei einer solchen Struktur funktionieren, haben ebenfalls dieselbe Bedeutung.
6 zeigt eine Struktur 47, bei der das äußerste aktive Elektrodenmaterial bei der Struktur 46 von 5 weggelassen wurde, so dass die Struktur maximale Platzersparnis bietet. Wenn die Striche (') Strukturen bezeichnen, wo nur eine von zwei äußeren Elektroden der Bizelle als Folie belassen ist, wird bei einer Struktur, wo eine Eizelle 23' als äußerste Eizelle der Batterie gestapelt ist (es spielt keine Rolle, ob die äußerste Eizelle die Eizelle 23' oder die Eizelle 24' ist), wie bei der Struktur 47 von 6, der unbenutzte Abschnitt des äußersten aktiven Elektrodenmaterials als Folie belassen, so dass die Dicke unter Beibehaltung der Platzersparnis weiter verringert wird. Dies ermöglicht den Vorteil eines direkten Zusammenhangs mit der Platzersparnis. Wenn die Schichten der gestapelten Eizellen zunehmen, ist hinsichtlich der Platzersparnis nicht viel Unterschied gegenüber der Struktur 46 von 5 festzustellen. Bei einer kartenartigen Dünnschichtbatterie jedoch ist die Struktur der gestapelten Zelle 47 von 6 wirksam.
Die bei der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Batteriestruktur ist sehr wirksam bei einer prismatischen Batterie. Im Allgemeinen wird beim Verpacken flüssiger Elektrolyt eingespritzt. Dazu kann eine prismatische Aluminiumdose oder eine Aluminiumlaminatfolie als Behälter verwendet werden. Der flüssige Elektrolyt ist ein in einem organischen Lösungsmittel gelöstes oder dissoziiertes Salz von A⁺B^–, wobei A⁺ ein Alkalimetallkation wie zum Beispiel Li⁺, Na⁺ oder K⁺ oder eine Kombination davon umfasst; B^– umfasst ein Anion PF₆ ^–, BF₄ ^–, Cl^–, Br^–, I^–, ClO₄ ^–, ASF₆ ^–, CH₃CO₂ ^–, CF₃SO₃ ^–, N(CF₃SO₂)₂ ^– oder C(CF₂SO₂)₃ ^– oder eine Kombination davon, und das organische Lösungsmittel umfasst Propylencarbonat (PC), Ethylencarbonat (EC), Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC), Dipropylcarbonat (DPC), Dimethylsulfoxid, Acetonitril, Dimethoxyethan, Diethoxyethan, Tetrahydrofuran, N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Ethylmethylcarbonat (EMC) oder γ-Butyrolacton oder eine Kombination davon. Im Gegensatz zu einer Gelrolle einer Lithiumionenbatterie, haben die Bestandteile der Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung eine Form, die mit der Form des viereckigen Behälters zusammenfällt, so dass es keinen ungenutzten Raum in dem Behälter geben wird. Die Energiedichte der Batterie kann daher stark erhöht werden, um eine hochintegrierte Batterie mit maximierter räumlicher Effizienz der aktiven Materialien zu realisieren.
Das elektrochemische Element der vorliegenden Erfindung kann auf die verschiedenen Gebiete wie zum Beispiel Superkondensatoren, Ultrakondensatoren, Primärbatterien, Sekundärbatterien, Brennstoffzellen, Sensoren, Elektrolysegeräte, elektrochemische Reaktoren etc. neben sekundären Lithiumbatterien angewandt werden.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der Beispiele näher erläutert. Diese Beispiele sollten jedoch in keiner Weise als den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränkend interpretiert werden.
[Beispiele]
Beispiel 1
Herstellung einer gestapelten Zelle mit einer Vollzelle als Grundeinheit (Herstellung einer Kathode)
LiCoO₂:Kohleschwarz:PVDF mit einem Gewichtsverhältnis von 95:2,5:2,5 wurde in NMP dispergiert, um einen Brei herzustellen, und der Brei wurde dann auf eine Aluminiumfolie aufgetragen. Nach ausreichendem Trocknen bei 130°C wurde die Kathode durch Pressen hergestellt.
Eine Kathode der Vollzelle wurde hergestellt durch Auftragen des Breis auf beide Seiten der Aluminiumfolie. Das heißt, die Kathode besteht aus einem auf beide Seiten des aus Aluminium bestehenden Kathodenstromkollektors aufgetragenen kathodischen Material. Die Dicke der beidseitig beschichteten Kathode betrug 140 μm.
(Herstellung einer Anode)
Graphit:Acetylenschwarz:PVDF mit einem Gewichtsverhältnis von 93:1:6 wurde in NMP dispergiert, um einen Brei herzustellen, und der Brei wurde dann auf eine Kupferfolie aufgetragen. Nach ausreichendem Trocknen bei 130°C wurde die Anode durch Pressen hergestellt.
Eine Anode der Vollzelle wurde herstellt durch Auftragen des Breis auf beide Seiten der Kupferfolie. Das heißt, die Anode besteht aus einem auf beide Seiten des aus Kupfer bestehenden Anodenstromkollektors aufgetragenen anodischen Material. Die Dicke der beidseitig beschichteten Anode betrug 135 μm.
(Herstellung einer Trennschicht; einer Trennfolie; einer Polymerfolie für einen Polymerelektrolyten)
Es wurde eine mehrlagige Polymerfolie hergestellt, wobei eine Polypropylenfolie mit einer mikroporösen Struktur und einer Dicke von 16 μm eine erste polymere Trennschicht war und das Polyvinylidenfluorid-Chlortrifluorethylen-Copolymer 32008 (Solvay) ein zweites gelierendes Polymer war. 6 g des Copolymers 32008 wurden in 194 g Aceton gegeben und bei 50°C gerührt. Nach 1 Stunde wurde die vollständig gelöste transparente 32008-Lösung durch ein Tauchbeschichtungsverfahren auf die erste polymere Trennschicht aus Polypropylen aufgebracht. Die Dicke des aufgebrachten 32008 betrug 1 μm, und die Dicke der fertigen mehrlagigen Polymerfolie betrug 18 μm. Hier wurde für die Trennschicht und die Trennfolie dasselbe Material verwendet.
(Herstellung einer Vollzelle)
Sieben Vollzellen 17 von 1 wurden hergestellt durch Schneiden der Kathode mit dem auf beiden Seiten eines Kathodenstromkollektors aufgetragenen kathodischen Material zu einem Rechteck der Größe 2,9 cm × 4,3 cm, mit Ausnahme des Bereichs, wo eine Kontaktfahne zu bilden war (der Bereich, wo eine Kontaktfahne zu bilden war, sollte nicht mit Elektrodenmaterial beschichtet werden), Schneiden der Anode mit dem auf beiden Seiten eines Anodenstromkollektors aufgetragenen anodischen Material zu einem Rechteck der Größe 3,0 cm × 4,4 cm, mit Ausnahme des Bereichs, wo eine Kontaktfahne zu bilden war (der Bereich, wo die Kontaktfahne zu bilden war, sollte nicht mit Elektrodenmaterial beschichtet werden), Schneiden einer in der oben genannten Weise hergestellten mehrlagigen Polymerfolie zu einer Größe von 3,1 cm × 4,5 cm, Anordnen der obigen Folie zwischen der Anode und der Kathode, und Hindurchführen derselben durch einen Walzenlaminator von 100°C, um die Elektroden und die Trennschicht zu laminieren.
(Stapeln von Vollzellen)
Nach Herstellung der Polymerfolie 19 für den gemäß obiger Beschreibung hergestellten Polymerelektrolyten durch Schneiden in Längsrichtung wurden die sieben Vollzellen abwechselnd auf und unter der Trennfolie 19 angeordnet, wie in 7a gezeigt. 7b ist eine Zeichnung, die die Seite von 7a zeigt. Die Zwischenräume zwischen den jeweiligen Zellen waren gleich groß, aber ausreichend, damit die Zellen gestapelt werden konnten und durch die Z-förmig verlaufende Trennfolie getrennt werden konnten. Die Polarität der Kontaktfahne entsprach der in 7a und 7b, so dass sie mit den Polaritäten der benachbarten Vollzellen zusammenfiel. Das heißt, die Richtung der Elektroden der auf und unter der Trennfolie 19 angeordneten ersten Vollzellen verlief in der Reihenfolge Kathode und dann Anode, und die Richtung der Elektroden der zweiten Vollzelle und der nächsten Vollzelle verlief in umgekehrter Reihenfolge abwechselnd unter und auf der Trennfolie.
Die Polymerfolie 19 mit den darauf angeordneten Vollzellen wurde durch einen Walzenlaminator hindurchgeführt, so dass die Vollzellen auf und unter der Polymerfolie 19 verklebt wurden.
Die verklebte Vollzelle 17 der ersten Stelle wurde Z-förmig gefaltet. Nach Beendigung des Faltens wurde die übrige Trennfolie 19 einmal um die Außenseite der gestapelten Vollzellen gewickelt und mit einem Band 27 fixiert und fest angebracht.
(Herstellung einer Batterie)
Die in obiger Weise hergestellte, aus gestapelten Vollzellen bestehende Batterie wurde in das Aluminiumlaminatgehäuse eingesetzt. Dann wurde der flüssige Elektrolyt aus EC/EMC von 1-molarem LiPF₆ im Gewichtsverhältnis 1:2 eingespritzt und verpackt.
(Bewertung)
Die Bewertung der Zykluskennlinie der Batterie unter Verwendung des Lade- und Entladeversuchs ist in 8 dargestellt. Das Bezugszeichen 102 zeigt die Zykluskennlinie der hergestellten Batterie, wo für 0,2C geladen und für 0,2C entladen wird.
Beispiel 2
Herstellung einer gestapelten Zelle mit einer Vollzelle als Grundeinheit
(Herstellung einer Kathode)
Jede Kathode wurde in einer mit Beispiel 1 identischen Weise hergestellt.
(Herstellung einer Anode)
Jede Anode wurde in einer mit Beispiel 1 identischen Weise hergestellt.
(Herstellung einer Trennschicht; einer Trennfolie; einer Polymerfolie für einen Polymerelektrolyten)
Jede Trennschicht und Polymerfolie für den Polymerelektrolyten für eine Trennfolie wurde in einer mit Beispiel 1 identischen Weise hergestellt.
(Herstellung einer Vollzelle)
Die acht Vollzellen 17 von 1 wurden hergestellt, indem sie durch einen Walzenlaminator von 100°C hindurchgeführt wurden, um die Elektroden und die Trennschicht wie in Beispiel 1 zu laminieren.
(Stapeln von Vollzellen)
Nach Herstellung der Polymerfolie 19 für den gemäß obiger Beschreibung hergestellten Polymerelektrolyten durch Schneiden in Längsrichtung wurden die acht Vollzellen auf oder unter der Trennfolie 19 angeordnet, wie in 9a gezeigt. 9b ist eine Zeichnung, die die Seite von 9a zeigt. Die Zwischenräume zwischen den jeweiligen Zellen waren gleich groß, aber ausreichend, damit die Zellen gestapelt und durch die Z-förmig verlaufende Trennfolie getrennt werden konnten, wobei der Abstand der Breite plus Dicke der Vollzelle entsprach. Die Polarität der Kontaktfahne entsprach der in 9a und 9b, so dass sie mit den Polaritäten der benachbarten Vollzellen zusammenfiel. Das heißt, die Richtung der Elektroden der auf und unter der Trennfolie 19 angeordneten ersten Vollzellen verlief identisch in der Reihenfolge Kathode und dann Anode, und die Richtung der Elektroden der zweiten Vollzelle und der nächsten Vollzelle verlief in umgekehrter Reihenfolge abwechselnd unter und auf der Trennfolie 19.
Die Polymerfolie 19 mit den darauf angeordneten Vollzellen wurde durch einen Walzenlaminator hindurchgeführt, so dass die Vollzellen auf und unter der Polymerfolie 19 verklebt wurden.
Die verklebte Vollzelle 17 der ersten Stelle wurde Z-förmig gefaltet. Nach Beendigung des Faltens wurde die übrige Trennfolie 19 einmal um die Außenseite der gestapelten Vollzellen gewickelt und mit einem Band 27 fixiert und fest angebracht.
(Herstellung einer Batterie)
Die in obiger Weise hergestellte, aus gestapelten Vollzellen bestehende Batterie wurde in das Aluminiumlaminatgehäuse eingesetzt. Dann wurde der flüssige Elektrolyt aus EC/EMC von 1-molarem LiPF₆ im Gewichtsverhältnis 1:2 eingespritzt und verpackt.
(Bewertung)
Die Bewertung der Zykluskennlinie der Batterie unter Verwendung des Lade- und Entladeversuchs ist in 8 dargestellt. Das Bezugszeichen 103 zeigt die Zykluskennlinie der hergestellten Batterie, wo für 0,2C geladen und für 0,2C entladen wird.
Beispiel 3
Herstellung einer gestapelten Zelle mit einer Eizelle als Grundeinheit
(Herstellung einer Kathode)
Jede Kathode wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 oben hergestellt.
Eine Kathode der Eizelle wurde hergestellt durch Auftragen des Breis auf beide Seiten der Aluminiumfolie. Das heißt, die Kathode besteht aus einem auf beide Seiten des aus Aluminium bestehenden Kathodenstromkollektors aufgetragenen kathodischen Material. Die Dicke der beidseitig beschichteten Kathode betrug 140 μm.
(Herstellung einer Anode)
Jede Anode wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 oben hergestellt.
Eine Anode der Eizelle wurde herstellt durch Auftragen des Breis auf beide Seiten einer Kupferfolie. Das heißt, die Anode besteht aus einem auf beide Seiten des aus Kupfer bestehenden Anodenstromkollektors aufgetragenen anodischen Material. Die Dicke der beidseitig beschichteten Anode betrug 135 μm.
(Herstellung einer Trennschicht; einer Trennfolie; einer Polymerfolie für einen Polymerelektrolyten)
Die Trennschichten, Trennfolien und die Polymerfolie für den Polymerelektrolyten wurden in einer mit Beispiel 1 identischen Weise hergestellt.
(Herstellung einer Eizelle)
Die Kathode mit dem auf beide Seiten des Kathodenstromkollektors aufgetragenen kathodischen Material wurde zu einem Rechteck der Größe 2,9 cm × 4,3 cm geschnitten, mit Ausnahme des Bereichs, wo eine Kontaktfahne zu bilden war. Die Anode mit dem auf beide Seiten des Anodenstromkollektors aufgetragenen anodischen Material wurde zu einem Rechteck der Größe 3,0 cm × 4,4 cm geschnitten, mit Ausnahme des Bereichs, wo eine Kontaktfahne zu bilden war.
Vier Eizellen 23 von 4a wurden hergestellt durch Anordnen der beidseitig beschichteten Anode in der Mitte und der beidseitig beschichteten Kathoden an beiden Außenseiten, wobei eine in der oben genannten Weise hergestellte mehrlagige Polymerfolie, die zu einer Größe von 3,1 cm × 4,5 cm geschnitten war, zwischen jeder Anode und jeder Kathode angeordnet wurde, und dies wurde dann durch einen Walzenlaminator von 100°C hindurchgeführt, um die Elektroden und die Trennschicht thermisch zu verschmelzen. Weitere Eizellen, d.h. drei Eizellen 24 von 4b, wurden hergestellt durch Anordnen der beidseitig beschichteten Kathode in der Mitte und der beidseitig beschichteten Anoden an beiden Außenseiten, wobei eine in der oben genannten Weise hergestellte mehrlagige Polymerfolie, die zu einer Größe von 3,1 cm × 4,5 cm geschnitten war, zwischen jeder Anode und jeder Kathode angeordnet wurde, und dies wurde dann durch einen Walzenlaminator von 100°C hindurchgeführt, um die Elektroden und die Trennschicht zu laminieren.
(Stapeln von Bizellen)
Nach Herstellung der Polymerfolie 19 für den gemäß obiger Beschreibung hergestellten Polymerelektrolyten durch Schneiden in Längsrichtung wurden vier Eizellen 23 und drei Eizellen 24, die wie oben hergestellt worden waren, auf der Trennfolie 19 bzw. unter der Folie angeordnet. 10b ist eine Zeichnung, die die Seite von 10a zeigt. Die Zwischenräume zwischen den jeweiligen Zellen waren gleich groß, aber ausreichend, damit die Zellen gestapelt und durch die Z-förmig verlaufende Trennfolie getrennt werden konnten. Die Polarität der Kontaktfahne entsprach der in 10a und 10b, so dass sie mit den Polaritäten der benachbarten Eizellen zusammenfiel. Das heißt, die Richtung der Elektroden der auf der Trennfolie 19 angeordneten ersten Eizelle verlief in der Reihenfolge Kathode und dann Anode, und die Richtung der Elektroden der zweiten Eizelle und der nächsten Eizellen verlief in umgekehrter Reihenfolge abwechselnd unter und auf der Trennfolie 19.
Die Polymerfolie 19 mit den darauf angeordneten Eizellen wurde durch einen Walzenlaminator hindurchgeführt, so dass die Eizellen auf und unter der Polymerfolie 19 verklebt wurden.
Die verklebte Eizelle 23 der ersten Stelle wurde Z-förmig gefaltet. Nach Beendigung des Faltens wurde die übrige Trennfolie 19 einmal um die Außenseite der gestapelten Eizellen gewickelt und mit einem Band 27 fixiert und fest angebracht.
(Herstellung einer Batterie)
Die in obiger Weise hergestellte, aus gestapelten Eizellen bestehende Batterie wurde in das Aluminiumlaminatgehäuse eingesetzt. Dann wurde der flüssige Elektrolyt aus EC/EMC von 1-molarem LiPF₆ im Gewichtsverhältnis 1:2 eingespritzt und verpackt.
(Bewertung)
Die Bewertung der Zykluskennlinie der Batterie unter Verwendung des Lade- und Entladeversuchs ist in 11 dargestellt. Das Bezugszeichen 104 zeigt die Zykluskennlinie der hergestellten Batterie, wo für 0,2C ein erstes und ein zweites Mal geladen und entladen wird und anschließend ein drittes Mal für 0,5C geladen und für 1C entladen wird, was in der Graphik dargestellt ist.
Beispiel 4
Herstellung einer gestapelten Zelle mit einer Eizelle als Grundeinheit
(Herstellung einer Kathode)
Jede Kathode wurde nach demselben Verfahren wie oben in Beispiel 1 hergestellt.
(Herstellung einer Anode)
Jede Anode wurde nach demselben Verfahren wie oben in Beispiel 1 hergestellt.
(Herstellung einer Trennschicht; einer Trennfolie; einer Polymerfolie für einen Polymerelektrolyten)
Die Trennschichten und die Trennfolie, d.h. die Polymerfolie für den Polymerelektrolyten, wurden in einer mit Beispiel 1 identischen Weise hergestellt.
(Herstellung einer Eizelle)
Vier Eizellen 23 und vier Eizellen 24 wurden wie in Beispiel 3 hergestellt.
(Stapeln von Eizellen)
Nach Herstellung der Polymerfolie 19 für den gemäß obiger Beschreibung hergestellten Polymerelektrolyten durch Schneiden in Längsrichtung wurden vier Eizellen 23 und vier Eizellen 24, die wie oben hergestellt worden waren, auf derselben Stelle der Trennfolie 19 angeordnet, die Eizelle 23 auf der Oberseite und die Eizelle 24 auf der Unterseite, so dass die Eizelle 23 und die Eizelle 24 abwechselnd angeordnet waren, wie in 12a gezeigt. 12b ist eine Zeichnung, die die Seite von 12a zeigt. Die Zwischenräume zwischen den jeweiligen Zellen waren gleich groß, aber ausreichend, damit die Zellen gestapelt und durch die Z-förmig verlaufende Trennfolie getrennt werden konnten, wobei der Abstand der Breite plus Dicke der Eizelle entsprach. Die Polarität der Kontaktfahne entsprach der in 12a und 12b, so dass sie mit den Polaritäten der benachbarten Eizellen zusammenfiel. Das heißt, die Richtung der Elektroden der auf und unter der Trennfolie 19 angeordneten ersten Eizellen verlief identisch in der Reihenfolge Kathode und dann Anode, und die Richtung der Elektroden der zweiten Eizelle und der nächsten Eizellen verlief in umgekehrter Reihenfolge unter und auf der Trennfolie 19.
Die Polymerfolie 19 mit den darauf angeordneten Eizellen wurde durch einen Walzenlaminator hindurchgeführt, so dass die Eizellen auf und unter der Polymerfolie 19 verklebt wurden.
Die verklebte Eizelle 17 der ersten Stelle wurde Z-förmig gefaltet. Nach Beendigung des Faltens wurde die übrige Trennfolie 19 einmal um die Außenseite der gestapelten Eizellen gewickelt und mit einem Band 27 fixiert und fest angebracht.
(Herstellung einer Batterie)
Die in obiger Weise hergestellte, aus gestapelten Eizellen bestehende Batterie wurde in das Aluminiumlaminatgehäuse eingesetzt. Dann wurde der flüssige Elektrolyt aus EC/EMC von 1-molarem LiPF₆ im Gewichtsverhältnis 1:2 eingespritzt und verpackt.
(Bewertung)
Die Bewertung der Zykluskennlinie der Batterie unter Verwendung des Lade- und Entladeversuchs ist in 11 dargestellt. Das Bezugszeichen 105 zeigt die Zykluskennlinie der hergestellten Batterie, wo für 0,2C ein erstes und ein zweites Mal geladen und entladen wird und anschließend ein drittes Mal für 0,5C geladen und für 1C entladen wird, was in der Graphik dargestellt ist.
Das mit Vollzellen oder Eizellen als Elementarzelle mehrfach gestapelte elektrochemische Element gemäß der vorliegenden Erfindung ist leicht herzustellen, hat eine Struktur, die den verfügbaren Platz effizient nutzt, und kann insbesondere den Anteil an aktivem Elektrodenmaterial maximieren, so dass eine hochintegrierte Batterie realisiert werden kann.

Claims

Elektrochemisches Element mit elektrochemischen Zellen, die mehrfach gestapelt sind, wobei die elektrochemischen Zellen durch Stapeln von Vollzellen gebildet sind, die nacheinander als Grundeinheit eine Kathode, eine Trennschicht und eine Anode aufweisen, und mit einer jeweils zwischen den gestapelten Vollzellen angeordneten Trennfolie, wobei die Trennfolie eine Einheitslänge hat, die zum Umwickeln der elektrochemischen Zellen bestimmt ist, und jede Einheitslänge nach außen umgefaltet wird, so dass sie ausgehend von der elektrochemischen Zelle an einem ersten Punkt bis zu der elektrochemischen Zelle am letzten Punkt um jede elektrochemische Zelle kontinuierlich Z-förmig gefaltet ist, während die verbleibende Trennfolie um einen äußeren Abschnitt der gestapelten Zelle gewickelt ist.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 1, wobei ein äußerstes Ende der Trennfolie durch Umwickeln mit einem Band fixiert ist.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 1, wobei ein äußerstes Ende der Trennfolie durch Heißsiegeln fixiert ist.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 1, wobei die Trennfolie ausgewählt ist aus der aus einer mikroporösen Polyethylenfolie, einer mikroporösen Polypropylenfolie oder einer durch eine Kombination davon hergestellten mehrlagigen Folie bestehenden Gruppe, und aus einer Polymerfolie für einen Polymerelektrolyten aus Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Polyacrylnitril oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 4, wobei die Polymerfolie für einen Polymerelektrolyten eine primäre mikroporöse Polymerschicht und eine sekundäre gelierende Polymerschicht aus Polyvinylidenfluorid-Chlortrifluorethylen-Copolymer umfasst.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 1, wobei jede Kathode der Vollzelle eine auf beiden Seiten eines Kathodenstromkollektors mit einem kathodischen Material beschichtete Elektrode ist und jede Anode eine auf beiden Seiten eines Anodenstromkollektors mit einem anodischen Material beschichtete Elektrode ist.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 1, wobei jede auf der äußersten Seite der elektrochemischen Zelle angeordnete Vollzelle eine auf einer einzigen Seite eines Kathodenstromkollektors mit einem kathodischen Material beschichtete Kathode oder eine auf einer einzigen Seite eines Anodenstromkollektors mit einem anodischen Material beschichtete Anode umfasst und wobei auf der äußersten Seite eine Stromkollektorfolie angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Elements mit elektrochemischen Zellen, die mehrfach gestapelt sind und in ein Batteriegehäuse eingefüllt sind, wobei die elektrochemischen Zellen durch Stapeln von Vollzellen gebildet werden, die nacheinander als Grundeinheit eine Kathode, eine Trennschicht und eine Anode aufweisen, und mit einer Trennfolie, die eine Einheitslänge hat, die zum Umwickeln der elektrochemischen Zellen bestimmt ist, und jede Einheitslänge nach außen umgefaltet wird, so dass sie ausgehend von der elektrochemischen Zelle an einem ersten Punkt bis zu der elektrochemischen Zelle am letzten Punkt um jede elektrochemische Zelle kontinuierlich Z-förmig gefaltet ist, während die verbleibende Trennfolie um einen äußeren Abschnitt der gestapelten Zelle gewickelt ist, wobei die Trennfolie jeweils zwischen den gestapelten Vollzellen angeordnet ist, mit den folgenden Schritten: a) eine Vollzelle wird kontinuierlich oder abwechselnd auf und unter der Trennfolie platziert; b) die platzierten Vollzellen und die Trennfolie von Schritt a) werden laminiert; und c) die laminierten Vollzellen und die Trennfolie von Schritt b) werden zu der an die erste Vollzelle angrenzenden Vollzelle hin nach außen umgefaltet, so dass sie um jede Vollzelle Z-förmig gefaltet sind, und die verbleibende Trennfolie wird um einen äußeren Abschnitt der gestapelten Vollzelle mindestens einmal herumgewickelt, so dass jede Vollzelle gestapelt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner einen Schritt d) umfasst, bei dem das Ende der Trennfolie durch Umwickeln mit einem Band fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner einen Schritt e) umfasst, bei dem das Ende der Trennfolie durch Heißsiegeln fixiert wird, das mittels einer Thermoschweißmaschine oder mittels einer mit der Trennfolie in Kontakt stehenden Heizplatte durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem jede Vollzelle von Schritt a) auf oder unter der Trennfolie platziert wird.
Elektrochemisches Element mit elektrochemischen Zellen, die mehrfach gestapelt sind, wobei die elektrochemischen Zellen gebildet sind, indem Folgendes gestapelt wird: i) eine Eizelle, die nacheinander als Grundeinheit eine Kathode, eine Trennschicht, eine Anode, eine weitere Trennschicht und eine weitere Kathode aufweist; oder ii) eine Eizelle, die nacheinander als Grundeinheit eine Anode, eine Trennschicht, eine Kathode, eine weitere Trennschicht und eine weitere Anode aufweist; und mit einer jeweils zwischen den gestapelten Eizellen angeordneten Trennfolie, wobei die Trennfolie eine Einheitslänge hat, die zum Umwickeln der elektrochemischen Zellen bestimmt ist, und jede Einheitslänge nach außen umgefaltet wird, so dass sie ausgehend von der elektrochemischen Zelle an einem ersten Punkt bis zu der elektrochemischen Zelle am letzten Punkt um jede elektrochemische Zelle kontinuierlich Z-förmig gefaltet ist, während die verbleibende Trennfolie um einen äußeren Abschnitt der gestapelten Zelle gewickelt ist.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 12, wobei ein äußerstes Ende der Trennfolie durch Umwickeln mit einem Band fixiert ist.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 12, wobei ein äußerstes Ende der Trennfolie durch Heißsiegeln fixiert ist.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 12, wobei die Trennfolie ausgewählt ist aus der aus einer mikroporösen Polyethylenfolie, einer mikroporösen Polypropylenfolie oder einer durch eine Kombination davon hergestellten mehrlagigen Folie bestehenden Gruppe und aus einer Polymerfolie für einen Polymerelektrolyten aus Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Polyacrylnitril oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 15, wobei die Polymerfolie für den Polymerelektrolyten eine primäre mikroporöse Polymerschicht und eine sekundäre gelierende Polymerschicht aus Polyvinylidenfluorid-Chlortrifluorethylen-Copolymer umfasst.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 12, wobei die elektrochemischen Zellen gebildet sind, indem abwechselnd Folgendes gestapelt wird: i) eine Eizelle, die nacheinander eine Kathode, eine Trennschicht, eine Anode, eine weitere Trennschicht und eine weitere Kathode aufweist; und ii) eine Eizelle, die nacheinander eine Anode, eine Trennschicht, eine Kathode, eine weitere Trennschicht und eine weitere Anode aufweist.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 12, wobei jede Kathode der Eizelle eine auf beiden Seiten eines Kathodenstromkollektors mit einem kathodischen Material beschichtete Elektrode ist und jede Anode eine auf beiden Seiten eines Anodenstromkollektors mit einem anodischen Material beschichtete Elektrode ist.
Elektrochemisches Element nach Anspruch 12, wobei jede auf der äußersten Seite der elektrochemischen Zelle angeordnete Eizelle eine auf einer einzigen Seite eines Kathodenstromkollektors mit einem kathodischen Material beschichtete Kathode oder eine auf einer einzigen Seite eines Anodenstromkollektors mit einem anodischen Material beschichtete Anode umfasst und auf der äußersten Seite eine Stromkollektorfolie angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Elements mit elektrochemischen Zellen, die mehrfach gestapelt sind, wobei die elektrochemischen Zellen gebildet sind, indem abwechselnd Folgendes gestapelt wird: i) eine Eizelle, die nacheinander als Grundeinheit eine Kathode, eine Trennschicht, eine Anode, eine weitere Trennschicht und eine weitere Kathode aufweist; oder ii) eine Eizelle, die nacheinander als Grundeinheit eine Anode, eine Trennschicht, eine Kathode, eine weitere Trennschicht und eine weitere Anode aufweist; und eine Trennfolie mit einer Einheitslänge, die zum Umwickeln der elektrochemischen Zellen bestimmt ist, und bei der jede Einheitslänge nach außen umgefaltet wird, so dass sie ausgehend von der elektrochemischen Zelle an einem ersten Punkt bis zu der elektrochemischen Zelle am letzten Punkt um jede elektrochemische Zelle kontinuierlich Z-förmig gefaltet ist, während die verbleibende Trennfolie um einen äußeren Abschnitt der gestapelten Zelle gewickelt ist, wobei die Trennfolie jeweils zwischen den gestapelten Eizellen angeordnet ist, mit den folgenden Schritten: a) eine Eizelle wird kontinuierlich oder abwechselnd auf und unter der Trennfolie platziert; b) die platzierten Eizellen und die Trennfolie von Schritt a) werden laminiert; und c) die laminierten Eizellen und die Trennfolie von Schritt b) werden zu der an die erste Eizelle angrenzenden Eizelle nach außen umgefaltet, so dass sie um jede Eizelle Z-förmig gefaltet sind, und die verbleibende Trennfolie wird mindestens einmal um einen äußeren Abschnitt der gestapelten Eizelle herumgewickelt, so dass jede Eizelle gestapelt ist.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner einen Schritt d) umfasst, bei dem das Ende der Trennfolie durch Umwickeln mit einem Band fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner einen Schritt e) umfasst, bei dem das Ende der Trennfolie durch Heißsiegeln fixiert wird, das mittels einer Thermoschweißmaschine oder mittels einer mit der Trennfolie in Kontakt stehenden Heizplatte durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem jede Eizelle von Schritt a) auf oder unter der Trennfolie platziert wird.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die elektrochemischen Zellen gebildet werden, indem abwechselnd Folgendes gestapelt wird: i) eine Eizelle, die nacheinander eine Kathode, eine Trennschicht, eine Anode, eine weitere Trennschicht und eine weitere Kathode aufweist; und ii) eine Eizelle, die nacheinander eine Anode, eine Trennschicht, eine Kathode, eine weitere Trennschicht und eine weitere Anode aufweist.