DE69723425T2

DE69723425T2 - Elektrochemische zelle und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE69723425T2
Application number: DE69723425T
Authority: DE
Inventors: A. David VELASQUEZ; B. Douglas HOLMES; Lawrence E. GOGOLIN
Original assignee: Valence Technology Inc
Current assignee: Valence Technology Inc
Priority date: 1996-02-22
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2017-02-21
Also published as: EP1311016A2; AU2125197A; JP2000505585A; DE69723425D1; EP1311016A3; KR19990087154A; EP0882313B1; EP0882313A1; ATE244936T1; WO1997031400A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Vorrichtungen und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von festen, nicht-wässrigen elektrochemischen Zellen, die eine verbesserte Leistungsfähigkeit zeigen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Nicht-wässrige, elektrochemische Lithiumzellen umfassen typischerweise eine Anode, einen Lithiumelektrolyt, der aus einem Lithiumsalz, gelöst in einem oder mehreren organischen Lösungsmittel(n), und eine Kathode aus einem elektrochemisch aktiven Material, typischerweise aus einem Chalcogenid eines Übergangsmetalls. Während einer Entladung gehen Lithiumionen von der Anode durch den flüssigen Elektrolyten zu dem elektrochemisch aktiven Material der Kathode, wo die Ionen unter gleichzeitiger Freisetzung von elektrischer Energie aufgenommen werden. Während der Ladung ist der Ionenstrom umgekehrt, sodass Lithiumionen aus dem elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial durch den Elektrolyten gehen und wieder an der Lithiumanode abgeschieden werden.
Vor kurzem wurde die Lithiummetallanode durch eine Kohlenstoffanode, zum Beispiel Koks oder Graphit, das Lithiumionen unter Bildung von Li_xC eingelagert hat, ersetzt. Bei Betrieb der Zelle geht Lithium vom Kohlenstoff durch den Elektrolyten zur Kathode, wo es wie in einer Zelle mit einer metallischen Lithiumanode aufgenommen wird. Während der Wiederaufladung wird das Lithium zurück zur Anode transferiert, wo es sich in den Kohlenstoff einlagert. Da kein metallisches Lithium in der Zelle vorhanden ist, erfolgt selbst unter Fehlgebrauchsbedingungen kein Schmelzen der Anode. Da Lithium eher durch Interkalation als durch Plattieren in die Anode wieder eingebaut wird, tritt kein dentritisches oder schwammartiges Lithiumwachstum auf. Nicht-wässrige elektrochemische Lithiumzellen werden in den U.S.-Patenten Nr. 4 472 487, 4 668 595 und 5 028 500 diskutiert.
Trotz dieser Vorteile produzieren derzeitige Verfahren zur Herstellung elektrochemischer Zellen Zellen und Batterien, die für Kurzschlüsse anfällig sind. Dies geschieht zum Beispiel wenn ein Stromkollektor während der Herstellung Grate oder raue Ränder entwickelt. Diese Grate können mit einem anderen Stromkollektor in Kontakt kommen. Eine einfache Reduzierung der Größe der Stromkollektoren ist keine wünschenswerte Alternative, um Kurzschlüsse zu vermeiden, da dies auch den elektrischen Kontaktbereich zwischen dem Stromkollektor und dem Elektrodenmaterial reduziert. Außerdem kann diese Technik schwierig mit den derzeitigen Verfahren zur Herstellung elektrochemischer Zellen durchzuführen sein. Wenn zum Beispiel elektrochemische Zellen (oder Vorstufen davon) aus einer Bahn, die ein Drei-Schichten Laminat umfasst, welches (1) eine Anodenschicht, (2) eine Elektrolyt (oder Separator)-Schicht und (3) eine Kathodenschicht umfasst, die in Masse produziert werden (zum Beispiel auf Größe) geschnitten werden, wird es schwierig, die Größe der Stromkollektoren in der Anode und Kathode in diesem Verfahren zu reduzieren.
Kurzschlüsse werden auch durch falsche Anordnung oder falsche Ausrichtung während des Zusammenbaus verursacht. Bei der Anordnung jedes Komponententeil auf den darunter liegenden Teilen vor einer Laminierung oder einem Schweißen kann jede falsche Anordnung oder jedes Schiefsitzen des obersten Teils später zu einem Kurzschluss führen, wenn ein kleiner Teil des Randes einer Elektrode so positioniert wird, dass sie einen Teil der Gegenelektrode berührt, speziell durch Druck, Biegung oder Bewegung, die durch thermische Ausdehnung oder Kontraktion verursacht wird.
ZUSAMMFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung basiert zum Teil auf einem Verfahren zur Herstellung elektrochemische Zellen und Batterien, wobei die sukzessiven Anoden- und Kathodeschichten durch eine polymere Elektrolytschicht getrennt sind, die einen vorstehenden Polymerrand oder -Streife um ihren Umfang hat, der die Wahrscheinlichkeit eines versehentlichen Kontaktes zwischen benachbarten Anoden- und Kathoden-Stromkollektoren reduziert. Der Polymerrand funktioniert als nicht-leitende physikalische Barriere.
Nach einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer nicht-wässrigen elektrochemischen Lithiumzelle, umfassend die Stufen:

(a) Ausbilden eines Anodenfilms auf mindestens einer Oberfläche eines Anodenstromkollektors unter Bildung einer Anode;
(b) Ausbilden eines Kathodenfilms, der ein lithiiertes kathodisches Material umfasst, auf mindestens einer Oberfläche eines Kathodenstromkollektors unter Bildung einer Kathode; und
(c) Anordnen einer polymeren Schicht, die eine Elektrolytlösung enthält, zwischen der Anode und der Kathode, wobei die polymere Elektrolytschicht eine Oberfläche hat, die größer als die des Anodenfilms und Kathodenfilms ist, wobei die äußere Begrenzungslinie der polymeren Elektrolytschicht einen exponierten Streifen bildet, der als Barriere für einen direkten Kontakt zwischen dem Anodenstromkollektor und dem Kathodenstromkollektor dient, mit der Maßgabe, dass entweder
(i) bei der Bildung der Anode auf beiden Oberflächen des Stromkollektors ein Anodenfilm ausgebildet wird oder (ii) bei Bildung der Kathode auf beiden Oberflächen des Kathodenstromkollektors ein Kathodenfilm ausgebildet wird, oder (iii) sowohl bei der Bildung der Anode ein Anodenfilm auf beiden Oberflächen des Anodenstromkollektors ausgebildet wird als auch bei der Bildung der Kathode auf beiden Oberflächen des Kathodenstromkollektors ein Kathodenfilm ausgebildet wird, wobei die polymere Schicht eine Anfangsoberfläche, die größer ist als die des Anodenfilms und des Kathodenfilms vor der Einführung der Elektrolytlösung in die polymere Schicht, hat.

Nach einem anderen Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Verfahren zur Herstellung einer nicht-wässrigen elektrochemischen Lithiumzelle, umfassend die Stufen:

(a) Herstellen einer polymeren Schicht, die einen ersten Weichmacher umfasst;
(b) Bedecken mindestens einer Oberfläche eines Anodenstromkollektors mit einer Schicht Anodenmaterial, das ein erstes Polymer, ein Interkalations-Kohlenstoffmaterial und einen zweiten Weichmacher umfasst, unter Bildung einer Anodenvorstufe, wobei jede Schicht des Anodenmaterials eine Oberfläche hat, die kleiner ist als die der polymeren Schicht;
(c) Bedecken mindestens einer Oberfläche eines Kathodenstromkollektors mit einer Schicht Kathodenmaterial, das ein zweites Polymer, ein aktives Kathodenmaterial, das ein lithiiertes kathodisches Material umfasst, und eine dritten Weichmacher umfasst, unter Bildung einer Kathodenvorstufe, wobei jede Schicht des Kathodenmaterials eine Oberfläche hat, die kleiner ist als die der polymeren Schicht;
(d) Anordnen der polymeren Schicht zwischen der Anodenvorstufe und der Kathodenvorstufe, sodass sie äußere Begrenzung der polymeren Schicht einen exponierten Streifen bildet, der als Barriere für einen direkten Kontakt zwischen dem Anodenstromkollektor und dem Kathodenstromkollektor dient;
(e) Entfernen des ersten, zweiten und dritten Weichmachers; und
(f) Platzieren einer Elektrolytlösung, die ein Elektrolytlösungsmittel und ein anorganisches Salz umfasst, in die Anodenvorstufe, Kathodenvorstufe und die polymere Schicht, mit der Maßgabe, dass entweder (i) bei der Bildung der Anodenvorstufe eine Schicht Anodenmaterial beide Oberflächen des Anodenstromkollektors bedeckt oder (ii) bei der Bildung der Kathodenvorstufe eine Schicht Kathodenmaterial beide Oberflächen des Kathodenstromkollektors bedeckt oder (iii) bei der Bildung der Anodenvorstufe eine Schicht Anodenmaterial beide Oberflächen des Anodenstromkollektors bedeckt und bei der Bildung der Kathodenstufe eine Schicht Kathodenmaterial beide Oberflächen des Kathodenstromkollektors bedeckt,

In einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine nicht-wässrige elektrochemische Lithiumzelle, umfassend:

– eine Anodenschicht, die einen Anodenstromkollektor mit einem Anodenfilm an mindestens einer Seite des Anodenstromkollektors hat;
– eine Kathodenschicht, die einen Kathodenstromkollektor mit einem Kathodenfilm, der ein lithiiertes kathodisches Material umfasst, an mindestens einer Seite des Kathodenstromkollektors hat; und
– eine polymere Schicht, die eine Elektrolytlösung, welche ein Elektrolytlösungsmittel und ein Salz umfasst, enthält, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, wobei die polymere Schicht eine Oberfläche hat, die größer ist als die des Anodenfilms und des Kathodenfilms, wobei die äußere Begrenzungslinie der polymeren Elektrolytschicht einen exponierten Streifen bildet, der als Barriere für den direkten Kontakt zwischen dem Anodenstromkollektor und dem Kathodenstromkollektor dient, mit der Maßgabe, dass entweder (i) beide Seiten des Anodenstromkollektors mit einem Anodenfilm bedeckt sind oder (ii) beide Seiten des Kathodenstromkollektors mit einem Kathodenfilm bedeckt sind oder (iii) beide Seiten des Anodenstromkollektors mit einem Anodenfilm bedeckt sind und beide Seiten des Kathodenstromkollektors mit einem Kathodenfilm bedeckt sind,

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrochemischen Zelle;
2 ist eine schematische Draufsicht einer elektrochemischen Zelle;
3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführung einer Apparatur zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
4 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Füll- oder Aktivierungsapparatur nach einer Ausführungsform der Erfindung.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung elektrochemischer Zellen. Bevorzugte Zellen umfassen: eine Kathode, die ein aktives Material umfasst, eine auf Interkalation basierende Kohlenstoffanode, wobei jede Elektrode fähig ist, reversibel ein Alkalimetallion einzubauen (zum Beispiel einzulagern), und eine Polymermatrix, die eine Elektrolytlösung enthält, die ein organisches Elektrolytlösungsmittel und ein Salz des Alkalimetalls umfasst. Jeder Elektrolyt hat einen Stromkollektor. Besonders bevorzugte elektrochemische Zellen und Batterien verwenden Lithium und Salze davon.
Die Anode der vorliegenden Erfindung umfasst im Allgemeine einen Anodenfilm, der auf eine Seite oder beide Seiten des Stromkollektors, der eine dünne Metallfolie oder ein Gitter ist, laminiert ist. Typischerweise hat jeder Anodenfilm eine Dicke von 100 um bis 250 μm, vorzugsweise 100 μm bis 200 μm und bevorzugter von 125 μm bis 175 μm.
Entsprechend umfasst die Kathode der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen einen Kathodenfilm, der auf eine oder beide Seiten des Kathodenstromkollektors, der eine dünne Metallfolie oder ein Gitter ist, laminiert ist. Typischerweise hat jeder Kathodenfilm eine Dicke von 100 μm bis 200 μm, vorzugsweise von 130 μm bis 175 μm und bevorzugter von 140 μm bis 16 5 μm.
Die Anode und Kathode umfassen jeweils einen Stromkollektor, der zum Beispiel ein Sieb, Gitter, Streckmetall, gewebtes oder nicht-gewebtes oder gestrecktes Drahtgewebe, gebildet aus einem elektronenleitenden Material wie Metalle oder Legierungen, umfasst. Der Stromkollektor hat vorzugsweise eine Dicke von 100 μm bis 250 μm, vorzugsweise von 100 μm bis 200 μm und bevorzugter von 125 μm bis 175 μm. Jeder Stromkollektor ist auch mit einer Stromkollektorlasche verbunden, die sich vom Rand des Stromkollektors herausragt. In Batterien, die mehrere elektrochemische Zellen umfassen, sind die Anodenlaschen vorzugsweise miteinander verschweißt und an eine Leitung angeschlossen. Die Kathodenlaschen sind entsprechend verschweißt und an eine Leitung angeschlossen. Externe Beladungen können elektrisch mit den Leitungen verbunden sein. Stromkollektoren und -Laschen sind im U.S.-Patent 4 925 725, 5 011 501 und 5 326 653 beschrieben.
Bevor die vorliegende Erfindung detaillierter beschrieben wird, werden die folgenden Ausdrücke definiert.
Der Ausdruck „Weichmacher" bezieht sich auf ein organisches Lösungsmittel mit begrenztem Lösungsvermögen für Polymere, das die Bildung von porösen Polymerstrukturen erleichtert. Mit „poröser Struktur" ist gemeint, dass nach Extraktion des Weichmachers das Polymer als poröse Masse zurückbleibt. Geeignete Weichmacher haben hohe Siedepunkte, typischerweise von 100°C bis 350°C. Bei der Wahl sind eine Reihe von Kriterien wichtig, einschließlich Kompatibilität mit den Komponenten der elektrochemischen Zellvorstufe, Verarbeitbarkeit, geringes Polymer-Lösungsvermögen und Extrahierbarkeit mit flüssigen Lösungsmitteln (zum Beispiel Diethyläther) oder z. B. mit dichten Gasen. Bevorzugte Weichmacher umfassen zum Beispiel Dibutylphthalat, Dioctylphthalat und Acetate, Glyme und Polymere mit niedrigem Molekulargewicht.
In der Praxis wird der Weichmacher zuerst gut mit einem Polymer vermischt. Danach wird der Weichmacher durch Extraktion entfernt und im Verfahren wird die poröse Struktur gebildet. Das Gewichtsverhältnis von Weichmacher zu Polymer ist vorzugsweise 1 bis 50, bevorzugter 10 bis 30 und am bevorzugtesten 20 bis 25.
Der Ausdruck „elektrochemische Zellvorstufe" oder „elektrolytische Zellvorstufe" bezieht sich auf die Struktur der elektrochemischen Zelle vor Zusatz des anorganischen Salzes und Elektrolytlösungsmittels. Die Vorstufe umfasst typischerweise (jeweils in Vorstufenform) eine Anode, eine Kathode und eine Polymermatrix. Die Anode und/oder Kathode kann jeweils einen Stromkollektor umfassen. Die Polymermatrix kann als Separator zwischen der Anode und Kathode fungieren.
Der Ausdruck „Aktivierung" bezieht sich auf die Anordnung eines anorganischen Salzes und eines Elektrolytlösungsmittels in den porösen Teilen der Vorstufe einer elektrochemischen Zelle. Nach Aktivierung wird die elektrochemische Zelle vor der Verwendung durch eine äußere Energiequelle geladen.
Der Ausdruck „elektrolytische Zelle" oder „elektrochemische Zelle" betrifft einen Verbundstoff, der eine Anode, eine Kathode und eine polymere Schicht, welche eine Elektrolytlösung dazwischen angeordnet hat, enthält.
Der Ausdruck „Batterie" bezieht sich auf zwei oder mehr elektrochemische Zellen, die in einer geeigneten Reihen/Parallel-Anordnung elektrisch untereinander verbunden sind, um so die erforderliche Betriebsspannung und Stromlevel bereitzustellen.
Der Ausdruck „feste polymere Matrix" bzw. „feste Polymermatrix" bezieht sich auf ein mit dem Elektrolyten kompatibles Material, das durch Polymerisieren eines anorganischen oder organischen Monomers (oder partiellen Polymers davon) gebildet wird und das, wenn es in Kombination mit den anderen Komponenten des Elektrolyten verwendet wird, den Elektrolytfeststoff ausmacht. Geeignete feste polymere Matrices sind auf dem Fachgebiet gut bekannt und umfassen feste Matrices, gebildet aus anorganischen Polymeren, organischen Polymeren oder einem Gemisch aus organischen Polymeren mit anorganischen nicht-polymeren Materialien. Die feste polymere Matrix ist eine organische Matrix, die von einem eine feste Matrix bildenden Monomer und aus Partialpolymeren eines eine feste Matrix bildenden Monomeren abgeleitet ist. Siehe zum Beispiel U.S.-Patent Nr. 4 925 751.
Alternativ kann die feste polymere Matrix in Kombination mit einer nicht-polymeren anorganischen Matrix verwendet werden. Siehe zum Beispiel U.S.-Patent Nr. 4 990 413. Geeignete nicht-polymere anorganische Materialien zur Verwendung in Kombination mit der festen polymeren Matrix umfassen zum Beispiel β-Aluminiumoxid, Silberoxid, Lithiumjodid und dergleichen. Geeignete anorganische Monomere werden auch in den U.S.-Patenten Nr. 4 247 499, 4 388 385, 4 414 607, 4 394 280, 4 432 891, 4 539 276 und 4 557 985 beschrieben.
Der Ausdruck „ein eine feste Matrix bildendes Monomer" bezieht sich auf anorganische oder organische Materialien, die in monomerer Form polymerisiert werden können, und zwar vorzugsweise in Gegenwart eines anorganischen Ionensalzes und eines Gemisches einer organischen Karbonat- und einer Glycoether-Verbindung in einem Lösungsmittel, um feste Matrices zu bilden, die zur Verwendung als feste Elektrolyte in elektrolytischen Zellen geeignet sind. Geeignete feste Matrix bil dende Monomere sind auf dem Fachgebiet bekannt und das besondere Monomer, das verwendet wird, ist nicht kritisch. Die eine feste Matrix bildenden Monomere können auch Heteroatome umfassen, die fähig sind, Donor-Akzeptor-Bindungen mit anorganischen Kationen (zum Beispiel Alkaliionen) zu bilden.
Beispiele für geeignete organische, eine feste Matrix bildende Monomere umfassen zum Beispiel Propylenoxid, Ethylenimin, Ethylenoxid, Epichlorhydrin, Acryloyl-derivatisierte Polyal-kylenoxide (wie sie im U.S.-Patent Nr. 4 908 283 offenbart sind), Urethanacrylat, Vinylsulfonat-Polyalkylen-Oxide (wie sie im U.S. Patent Nr. 5 262 253 offenbart sind) und dergleichen wie auch Gemische davon. Beispiele für geeignete anorganische, eine feste Matrix bildende Monomere umfassen zum Beispiel Phosphazene und Siloxane. Phosphazenmonomere und die resultierende feste Polyphosphazenmatrix werden von Abraham et al., Proc. Int. Power Sources Symp., 34., S. 81–83 (1990) und von Abraham et al., J. Electrochemical Society, Band 138, Nr. 4, S. 921–927 (1991) beschrieben.
Der Ausdruck "ein Partialpolymer eines eine feste Matrix bildenden Monomers" bezieht sich auf eine feste Matrix bildende Monomere, die unter Bildung reaktiver Oligomere partiell polymerisiert wurden. Eine partielle Polymerisierung kann zum Zwecke der Erhöhung der Viskosität des Monomers, zu Verringerung der Flüchtigkeit des Monomers und dergleichen durchgeführt werden. Eine partielle Polymerisierung wird im Allgemeinen ermöglicht, solange das resultierende Partialpolymer weiter polymerisiert werden kann, und zwar vorzugsweise in Gegenwart eines Lösungsmittels, zum Beispiel einem Gemisch aus organischem Karbonat (organischen Karbonaten) unter Bildung von festen polymeren Matrices, die zur Verwendung als polymere Schicht in elektrolytischen Zellen geeignet sind.
Der Ausdruck „gehärtet" oder „gehärtetes Produkt" bezieht sich auf die Behandlung des eine feste Matrix bildenden Monomers oder eines Partialpolymers daraus unter Polymerisationsbedingungen (einschließlich Vernetzung), um so eine feste polymere Matrix zu bilden.
Geeignete Polymerisationsbedingungen sind auf dem Fachgebiet gut bekannt und umfassen zum Beispiel Erwärmen des Monomers, Bestrahlen des Monomers mit UV-Licht, Elektronenstrahlen und dergleichen. Das resultierende gehärtete Produkt enthält vorzugsweise Repetiereinheiten, die mindestens ein Heteroatom, zum Beispiel Sauerstoff oder Stickstoff enthalten, das fähig ist, Donor-Akzeptor-Bindungen mit anorganischen Kationen (Al-kaliionen) zu bilden. Beispiele für geeignete gehärtete Produkte, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, werden in den U.S.-Patenten Nr. 4 830 939 und 4 990 413 beschrieben.
Das eine feste Matrix bildende Monomer oder Partialpolymer kann vor oder nach Zusatz des Salzes, Lösungsmittels und gegebenenfalls eines Viskositätsmodifizierungsmittels gehärtet oder weiter gehärtet werden. Beispielsweise kann eine Zusammensetzung, die erforderliche Mengen des Monomers oder des Partialpolymers, des Salzes, des organischen Karbonatlösungsmittels und des Viskositätsmodifizierungsmittels umfasst, auf ein Substrat aufgetragen und dann gehärtet werden. Alternativ kann das Monomer oder Partialpolymer zuerst gehärtet und dann in einem geeigneten flüchtigen Lösungsmittel gelöst werden. Erforderliche Mengen des Salzes, des organischen Karbonatlösungsmittels und des Viskositätsmodifizierungsmittels können danach zugesetzt werden. Das Gemisch wird dann auf ein Substrat gegeben und gehärtet; eine Entfernung des flüchtigen Lösungsmittels wird zur Bildung eines festen Elektrolyten führen. In jedem Fall wird der resultierende feste Elektrolyt ein homogenes Einphasen-Produkt sein, das nach der Härtung aufrechterhalten wird und das sich nach Abkühlen auf Temperaturen unter Raumtemperatur nicht leicht trennt.
Alternativ kann die feste polymere Matrix durch ein Gießverfahren gebildet werden, das keine Verwendung von Monomeren oder Prepolymeren erfordert, das heißt, bei dem kein Härten erforderlich ist. Ein bevorzugtes Verfahren verwendet ein Copolymer aus Polyvinylidendifluorid und Hexafluorpropylen, gelöst in Aceton oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel/anderen geeigneten Lösungsmitteln. Nach Gießen der Lösung wird das Lösungsmittel unter Bildung einer festen polymeren Matrix verdampft. Die Lösung kann direkt auf einen Stromkollektor gegossen werden. Alternativ wird die Lösung auf ein Substrat, zum Beispiel eine Trägerbahn gegossen und nachdem das Lösungsmittel (zum Beispiel Aceton) entfernt ist, wird darauf ein Elektrodenfilm ausgebildet.
Der Ausdruck „Salz" bezieht sich auf ein beliebiges Salz, zum Beispiel ein anorganisches Salz, das zur Verwendung in einem nicht-wässrigen Elektrolyten geeignet ist. Typische Beispiele für geeignete anorganische Ionensalze sind Alkalimetallsalze von weniger beweglichen Anionen schwacher Basen, die einen großen Anionenradius haben. Beispiele für solche Anionen sind I^–, Br^–, SCN^–, ClO₄ ^– , BF₄ ^–, PF₆ ^–, AsF₆ ^–, CF₃COO^–, CF₃SO₃ ^– und N(SO₂CF₃)₂ ^–. Spezifische Beispiele für geeignete anorganische Ionensalze umfassen LiClO₄, LiSCN, LiBF₄, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiPF₆, (CF₃SO₂)₂NLi, (CF₃SO₂)₃CLi und NaSCN. Das anorganische Ionensalz enthält vorzugsweise mindestens ein Kation, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, Cs, Rb, Ag, Cu, Mg und K.
Der Elektrolyt umfasst typischerweise 5 bis 25 Gewichtsprozent des anorganischen Ionensalzes, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, vorzugsweise 10 bis 20 Gewichtsprozent und noch bevorzugter 10 bis 15 Gewichtsprozent. Der Pro zentgehalt an Salz hängt vom Salztyp und dem verwendeten Elektrolytlösungsmittel ab.
Der Ausdruck „kompatibles Elektrolytlösungsmittel" oder „elektrolytisches Lösungsmittel" oder im Kontext mit den Komponenten des nicht-wässrigen Elektrolyten „Lösungsmittel" ist ein organisches Lösungsmittel mit niedrigem Molekulargewicht, das dem Elektrolyten und/oder der Kathodenzusammensetzung, die auch zum Zweck einer Solvatisierung des anorganischen Ionensalzes dienen kann, zugesetzt wird. Das Lösungsmittel ist ein beliebiges kompatibles, relativ nicht-flüchtiges, aprotisches, relativ polares Lösungsmittel. Diese Materialien haben vorzugsweise Siedepunkte von über 85°C, um die Herstellung zu vereinfachen und die Gebrauchsfähigkeitsdauer des Elektrolyten/der Batterie zu erhöhen. Typische Beispiele für ein Lösungsmittel sind Gemische aus Materialien wie Dimethylkarbonat, Diethylkarbonat, Propylenkarbonat, Ethylenkarbonat, Methylethylkarbonat, Gamma-Butyrolacton, Triglyme, Tetraglyme, Dimethylsulfoxid, Dioxolan und Sulfolan. Wenn in einer elektrolytischen Zelle mit Graphitanoden Elektrolyte auf Propylenkarbonatbasis verwendet werden, wird dem Elektrolyten ein Sequestiermittel, zum Beispiel ein Kronenether, zugesetzt.
Für elektrochemische Zellen, in denen (1) die Kathode lithiierte Kobaltoxide, lithiierte Manganoxide, lithiierte Nickeloxide, LixNi_1–yCo_yO₂, worin x vorzugsweise 1 ist und y vorzugsweise 0,1 bis 0,9 ist, LiNiVO₄ oder LiCoVO₄ umfasst und (2) die Anode Kohlenstoff umfasst, umfasst das elektrolytische Lösungsmittel vorzugsweise ein Gemisch aus Ethylenkarbonat und Dimethylkarbonat. Für elektrochemische Zellen, in denen die Kathode Vanadiumoxide, zum Beispiel V₆O₁₃ umfasst, und die Anode Lithium ist, umfasst das elektrolytische Lösungsmittel vorzugsweise ein Gemisch aus Propylenkarbonat und Triglyme.
Der Ausdruck „organisches Karbonat" bezieht sich auf Hydrocarbylkarbonat- Verbindungen mit nicht mehr als etwa 12 Kohlenstoffatomen, die keine Hydroxylgruppen enthalten. Vorzugsweise ist das organische Karbonat eine aliphatisches Karbonat und bevorzugter ein zyklisches aliphatisches Karbonat.
Geeignete zyklische aliphatische Karbonate zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfassen 1,3-Dioxolan-2-on (Ethylenkarbonat); 4-Methyl-1,3-dioxolan-2-on (Propylenkarbonat); 4,5-Dimethyl-1,3-dioxolan-2-on; 4-Ethyl-1,3-dioxolan-2-on; 4,4-Dimethyl-l,3-dioxolan-2-on; 4-Methyl-5-ethyl-1,3-dioxolan-2-on; 4,5-Diethyl-1,3-dioxolan-2-on; 4,4-Diethyl-1,3-dioxolan-2-on; 1,3-Dioxan-2-on; 4,4-Dimethyl-1,3-dioxan-2-on; 5,5-Dimethyl-1,3-dioxan-2-on; 5-Methyl-1,3-dioxan-2-on; 4-Methyl-1,3-dioxan-2-on; 5,5-Diethyl-1,3-dioxan-2-on; 4,6-Dimethyl-1,3-dioxan-2-on; 4,4,6-Trimethyl-1,3-dioxan-2-on und Spiro-(1,3-oxa-2-cyclohexanon-5',5',1',3'-oxa-2'cyclohexanon).
Einige dieser zyklischen aliphatischen Karbonate sind im Handel erhältlich wie zum Beispiel Propylenkarbonat und Ethylenkarbonat. Alternativ können die zyklischen aliphatischen Karbonate leicht durch gut bekannte Reaktionen hergestellt werden. Beispielsweise führt eine Reaktion von Phosgen mit einer geeigneten Alkan-α,β-diol(Dihydroxyalkane, die Hydroxylsubstituenten an benachbarten Kohlenstoffatomen haben) oder einem Alkan-α,γ-diol(Dihydroxyalkane, die Hydroxylsubstituenten an Kohlenstoffatomen in 1,3-Beziehung haben) zu einem zyklischen aliphatischen Karbonat zur Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung; siehe zum Beispiel U.S.-Patent Nr. 4 115 206.
Entsprechend können die zyklischen aliphatischen Karbonate, die für diese Erfindung einsetzbar sind, durch Umesterung ei nes geeigneten Alkan-α,β-diol oder eines Alkan-α,γ-diol mit zum Beispiel Diethylkarbonat unter Umesterungsbedingungen hergestellt werden. Siehe zum Beispiel U.S.-Patente Nr. 4 384 115 und 4 423 205. Weitere geeignete zyklische aliphatische Karbonate sind im U.S.-Patent Nr. 4 747 850 offenbart.
Der Ausdruck „Viskositätsmodifizierungsmittel" bezieht sich auf ein geeignetes Viskositätsmodifizierungsmittel für feste Elektrolyten. Viskositätsmodifizierungsmittel umfassen herkömmliche Viskositätsmodifizierungsmittel, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind. Geeignete Viskositätsmodifizierungsmittel umfassen filmbildende Mittel, die auf dem Fachgebiet gut bekannt sind, zum Beispiel Polyethylenoxid, Polypropylenoxid, Copolymere davon und dergleichen, die ein zahlenmittleres Molekulargewicht von mindestens 100 000 haben, Polyvinylpyrrolidon, Carboxymethylcellulose und dergleichen. Vorzugsweise wird das Viskositätsmodifizierungsmittel in einer Menge von 1 bis 10 Gewichtsprozent und bevorzugter von etwa 2,5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrolytzusammensetzung, verwendet.
Die Anode umfasst typischerweise ein kompatibles anodisches Material, das ein beliebiges Material ist, das in einer festen elektrolytischen Zelle als Anode fungiert. Solche kompatiblen anodischen Materialien sind auf dem Fachgebiet gut bekannt und umfassen zum Beispiel Lithium, Lithiumlegierungen, zum Beispiel Legierungen von Lithium mit Aluminium, Quecksilber, Mangan, Eisen, Zink, Anoden auf Interkalationsbasis, zum Beispiel solche, die Kohlenstoff, Wolframoxide und dergleichen verwenden. Bevorzugte Anoden umfassen Lithiuminterkalationsanoden, die Kohlenstoffmaterialien verwenden, wie zum Beispiel Graphit, Koks, Mesokohlenstoffe und dergleichen. Solche Anoden auf Interkalationsbasis umfassen typischerweise ein polymeres Bindemittel und einen extrahierbaren Weichma cher, der zur Bildung eines gebundenen porösen Verbundstoffs mit einem Molekulargewicht von etwa 1000 bis 5 000 000 geeignet ist. Beispiele für geeignete polymere Bindemittel umfassen EPDM (Ethylenpropylendiamintermonomer), PVDF (Polyvinylidindifluorid), EAA (Ethylenacrylsäurecopolymer), EVA (Ethylenvinylacetat), EAA/EVA-Copolymere und dergleichen. Die Anode kann auch ein elektronenleitendes Material, zum Beispiel Carbon Black, enthalten.
Die Kathode umfasst typischerweise ein kompatibles kathodisches Material (d. h. Insertionsverbindungen), das ein beliebiges Material ist, das in einer festen elektrolytischen Zelle als positiver Pol arbeitet. Solche kompatibeen kathodischen Materialien sind auf dem Fachgebiet gutbekannt und umfassen zum Beispiel Übergangsmetalloxide, -sulfide und Selenide, einschließlich lithiierte Verbindungen davon. Typische Materialien umfassen Kobaltoxide, Manganoxide, Molybdänoxide, Vanadiumoxide, Sulfide von Titan, Molybdän und Niob, die verschiedenen Chromoxide, Kupferoxide, lithiierte Kobaltoxide, zum Beispiel LiCoO₂ und LiCoVO₄, lithiierte Manganoxide, zum Beispiel LiMn₂O₄, lithiierte Nickeloxide, zum Beispiel LiNiO₂ und LiNiVO₄ und Gemische davon. Aktive Kathodenmaterialmischungen von Li_xMn₂O₄ (spinell) werden im U.S.-Patent Nr. 5 429 890 beschrieben. Die Mischungen können Li_xMn₂O₄ (spinell) und mindestens ein lithiiertes Metalloxid ausgewählt aus Li_x_ NiO₂ und LixCoO₂, worin 0 < x ≤ 2, umfassen. Mischungen können auch Li_y-α-MnO₂ (0 ≤ y < 1) , das Li_yNH₄Mn₈0₁₆ (0 ≤ y < 1) ist, das eine Hollandit-Typ-Struktur hat, umfassen. Mischungen die Li_y-α-MnO₂, worin 0 ≤ y < 0,5, umfassen, sind bevorzugt. αMnO₂ kann durch Präzipitation aus einer Reaktion zwischen einer MnSO₄-Lösung und (NH₄)₂S₂O₈ als Oxidationsmittel synthetisiert werden.
Eine Lithiierung (auch als „Vorlithiierung" bezeichnet) von αMnO₂ kann über eine Reaktion im festen Zustand erreicht werden: NH₄Mn₈O₁₆ + LiOH → LiMnO₂ (400°C).
Li-α-MnO₂ behält dieselbe Struktur wie Hollandit bei. Siehe Botkovitz et. al., J. of Power Sources, 43–44 (1993) 657–665 für eine Diskussion der Struktur und der elektrochemischen Charakteristika von Li-α-MnO₂. Li_y-α-MnO₂ 0 ≤ y < 0.5 ist im Handel von SEDEMA, Tertre, Belgien, erhältlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das kompatible kathodische Material mit einem elektrisch leitenden Material, das zum Beispiel Graphit, gepulverter Kohlenstoff, gepulvertes Nickel, Metallpartikel, leitende Polymere (d. h. charakterisiert durch ein Netzwerk von Doppelbindungen wie Polypyrrol und Polyacetylen) und dergleichen ist, und einem polymeren Bindemittel vermischt und dann unter Druck eine positive kathodische Platte gebildet. Geeignete Bindemittel zur Verwendung in der Kathode haben ein Molekulargewicht von 1000 bis 500 000.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kathode aus einer Kathodenpaste hergestellt, welche 35 bis 65 Gewichtsprozent eines kompatiblen kathodischen Materials; 1 bis 20 Gewichtsprozent eines elektrisch-leitenden Mittels; 1 bis 20 Gewichtsprozent geeignete polymere Bindemittel, die EPDM (Ethylenpropylendientermonomer), PVDF (Polyvinylidendifluorid), EAA (Ethylenacrylsäurecopolymer), EVA (Ethylenvinylacetatcopolymer), EAA/EVA-Copolymere und dergleichen umfassen können, 0 bis 20 Gewichtsprozent Polyethylenoxid mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von mindestens 100000, 10 bis 50 Gewichtsprozent Lösungsmittel, umfassend ein 10 : 1- bis 1 : 4 (G/G)-Gemisch eines organischen Karbonats und eines Glycolethers und 5 Gewichtsprozent bis 25 Gewichtsprozent eines eine feste Matrix bildenden Monomers oder eines Partialmonomers davon umfasst. Im Allgemeinen ist die Menge des Salzes 2 bis 25 Gewichtsprozent. (Alle Gewichtsprozente sind auf das Gesamtgewicht der Kathode bezogen).
Die Elektrolytzusammensetzung umfasst typischerweise 5 bis 25 Gewichtsprozent des anorganischen Ionensalzes, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, vorzugsweise 10 bis 20 Gewichtsprozent und noch bevorzugter 10 bis 15 Gewichtsprozent. Der Prozentgehalt an Salz hängt vom Salztyp und vom verwendeten elektrolytischen Lösungsmittel ab.
Die Elektrolytzusammensetzung umfasst typischerweise 0 bis 80 Gewichtsprozent Elektrolytlösungsmittel (zum Beispiel organisches Karbonat/Glycolether-Gemisch), bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, vorzugsweise 60 bis 80 Gewichtsprozent und noch bevorzugter etwa 70 Gewichtsprozent.
Die Elektrolytzusammensetzung umfasst typischerweise 5 bis 30 Gewichtsprozent der festen polymeren Matrix, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, vorzugsweise 15 bis 25 Gewichtsprozent.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Elektrolytzusammensetzung ferner eine geringe Menge eines filmbildenden Agenzes. Geeignete filmbildende Agenzien sind auf dem Fachgebiet gut bekannt und umfassen zum Beispiel Polyethylenoxid, Polypropylenoxid, Copolymere davon und dergleichen, die ein zahlenmittleres Molekulargewicht von mindestens 100 000 haben. Vorzugsweise wird das filmbildende Agens in einer Menge von 1 bis 10 Gewichtsprozent und bevorzugter von etwa 2,5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrolytzusammensetzung, verwendet.
Methodologie
Elektrochemische Zellen sind auf dem Fachgebiet bekannt. Siehe zum Beispiel die U.S.-Patente 5 300 373, 5 316 556, 5 346 385, 5 262 253, 4 472 487, 4 668 595 und 5 028 500. Das erfindungsgemäße Verfahren kann angepasst werden, um Anoden-Kathoden- und/oder polymere Matrix-Strukturen in elektrochemischen Zellen des Standes der Technik zu bilden. Im Folgenden wird ein Verfahren erläutert, wie ein elektrolytische Zelle mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden sollte. Die Beispiele 1 und 2 beschreiben das Verfahren zur Herstellung der Anodenaufschlämmung bzw. der Kathodenaufschlämmung. Beispiel 3 beschreibt die Verfahren zur Herstellung einer Zelle mit festem Elektrolyt.
Die Erfindung wird nachfolgend beschrieben, wobei die Anodenund Kathodenstrukturen verwendet werden, bei denen Elektrodenmaterialien (oder -Filme) auf beide Seite der Stromkollektoren laminiert sind; allerdings sollte einzusehen sein, dass die Erfindung auch auf andere Konfigurationen anwendbar ist, zum Beispiel, wenn eine Seite des Anoden- und/oder Kathodenstromkollektors laminiert ist.
BEISPIEL 1
Der verwendete Anodenstromkollektor war eine Folie aus Kupfer-Streckmetall, die etwa 50 μm dick ist. Sie ist unter der Bezeichnung 2Cu5–125 (flachgepresst) von Delker, Branford, Conneticut, verfügbar.
Die Anodenaufschlämmung wurde wie folgt hergestellt: ein Polymergemisch, umfassend ein Copolymer aus Vinylidendifluorid (VDF) und Hexafluorpropylen (HFP), wurde durch Vermischen von 6,8 Gramm des Copolymers mit 20 Gramm Aceton hergestellt. Das Copolymer (durchschnittliches MG 125K) war Kynar Flex 2801^TM von Elf Atochem North America, Philadelphia, Pennsylvania. Das Gemisch wurde für etwa 24 Std. in einer Kugelmühle, zu beziehen von VWR Scientific, San Francisco, Kalifornien, Modell H-04172-00, gerührt. Das Copolymer fungiert als Bindemittel für den Kohlenstoff in der Anode.
Getrennt davon wurde ein Graphitgemisch hergestellt, in dem zuerst 23,4 Gramm Graphit in 0,9 Gramm Carbon Black in eine Lösung, enthaltend 60 Gramm Aceton, 10,5 Gramm Dibuthylphtalat und 0,5 Gramm eines oberflächenaktiven Mittels, gegeben wurden. Ein bevorzugter Graphit umfasst ein 50 : 50 (als Gewicht)-Gemisch einen synthetischen Graphits, erhältlich unter der Bezeichnung SFG-15^TM von Lonza G & T, Ltd. (Sins, Schweiz), und graphitisierten Mesokohlenstoff-Microperlen, erhältlich unter der Bezeichnung MCMB25-28^TM von Osaka Gas Co., Japan. Ein bevorzugtes Carbon Black ist unter der Bezeichnung Super P^TM von M. M. M. Carbon, Willebroek, Belgien, erhältlich. Bevorzugte oberflächenaktive Mittel umfassen Pluronic FC68^TM von BASF, Mt. Olive, New Jersey, und Flurad 430^TM von 3M Co. St. Paul, Minnesota. Das oberflächenaktive Mittel dispergiert den Graphit. Das Graphitgemisch wurde dann in einem Hochschermischer gründlich gemischt, bis eine im Wesentlichen homogene Mischung gebildet worden war. Ein geeigneter Mischer ist von Ross, Modell ME100DLX, Hauppauge, New York, erhältlich, der für drei Minuten in der höchsten Einstellung (etwa 10000 UPM) betrieben wurde.
Die Anodenaufschlämmung wurde hergestellt, indem das Polymergemisch und das Graphitgemisch unter geringen Scherbedingungen unter Bildung der Anodenaufschlämmung, in der die Komponenten gut vermischt sind, vermischt wurden. Ein Teil des Acetons wurde aus der Aufschlämmung verdampfen gelassen, bevor diese auf jede Seite des Stromkollektors laminiert wurde.
Anodenfilme bildeten sich, als der restliche Teil des Acetons verdampfte.
BEISPIEL 2
Der Kathodenstromkollektor wird als Folie aus Streck- Aluminium, die etwa 50 μm dick ist, verwendet. Das Aluminiumgitter ist unter der Bezeichnung 2AL5–077 von Delker, Branford, Conneticut, erhältlich.
Die Kathodenaufschlämmung wurde wie folgt hergestellt:
Ein Polymergemisch, das ein Copolymer aus Vinylidendifluorid (VDF) und Hexafluorpropylen (HFP) umfasste, wurde durch Vermischen von 4,4 Gramm Copolymer mit 15 ml Aceton hergestellt. Das Copolymer war Kynar Flex 2801^TM. Das Gemisch wurde für etwa 24 Stunden in einer Kugelmühle gerührt.
Getrennt davon wurde ein Kathodengemisch hergestellt, indem zuerst 28,9 Gramm einer Mischung aus aktivem Kathodenmaterial, umfassend LixMn₂O₄ (spinell) (0 ≤ x < 2) und Li_y-α-MnO₂ (0 ≤ y < 1) (Gewichtsverhältnis 1 : 1), 24 Gramm Carbon Black (Super P^TM), in eine Lösung, die 60 Gramm Aceton, 8,7 Gramm Dibutylphthalat und 0,5 Gramm eines oberflächenaktiven Mittels enthielt, gegeben wurden. Das Gemisch wurde dann gründlich in einem Hochschermischer gemischt, bis eine im Wesentlichen homogene Mischung gebildet worden war.
Die Kathodenaufschlämmung wurde durch Vermischen des Polymergemisches und des Graphitgemisches unter Bedingungen niedriger Scherung unter Bildung der Anodenaufschlämmung, in der dei Komponenten gut gemischt sind, hergestellt. Ein Teil des Aceton wurde aus der Aufschlämmung verdampfen gelassen, bevor diese auf jede Seite des Stromkollektors laminiert wurde. Ka thodenfilme wurden gebildet, als der restliche Teil des Acetons verdampfte.
Die obigen Anoden- und Kathoden- Filme wurden direkt auf dem Stromkollektor gebildet, indem die Aufschlämmungsgemische auf die Stromkollektoroberflächen laminiert wurden. Alternativ kann jeder Film hergestellt werden, indem zuerst eine Aufschlämmung auf eine Substrat- oder Trägerbahn gegossen wird und das Lösungsmittel verdampfen gelassen wird, wobei der Film zurückbleibt. Danach können die Filme auf jede Seite des Stromkollektors laminiert werden.
BEISPIEL 3
Eine Vorstufe einer festen elektrochemischen Zelle wird hergestellt, indem eine polymere Matrix zwischen der Anode und Kathode angeordnet wird und die Strukturen danach unter moderatem Druck und moderater Temperatur (zum Beispiel 130°C) verschmolzen werden. Der angewendete Druck und die angewendete Temperatur werden von dem Polymer (den Polymeren), das/die die Matrix bilden, abhängen. Die polymere Matrix wird gebildet, indem eine Aufschlämmung, die Aceton, die Butyphthalat, silanisiertes hoch-disperses SiO₂ und ein VDF/HFP-Copolymer umfasst, auf eine Trägerbahn oder ein anderes Substrat gegossen wird und das Aceton verdampfen gelassen wird. Es ist keine Härtung durch Bestrahlung erforderlich. Das SiO₂ ist ein Füllstoff, der dem Film Zähigkeit und Festigkeit verleiht. Außerdem wird angenommen, dass das SiO₂ den Aktivierungsprozess unterstützt, indem es physikalisch-chemische Bedingungen schafft, bei denen die Elektrolytlösung die Poren, die durch Extraktion des Dibutylphthalats gebildet werden rasch und vollständig füllt. Die Aufschlämmung wird vorzugsweise unter Bedingungen niedriger Scherung gemischt, sodass das Copolymer nicht abgebaut wird. Die Anoden-, Kathoden- und Separatorfil me können getrennt hergestellt werden oder können in Form einer langen Bahn (Web) hergestellt und als einzelne Rollen gelagert werden. Jede Bahn kann nach Bedarf auf Größe geschnitten werden.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Vorstufe eine Anode 10, eine Polymerschicht (bzw. polymere Schicht) 20 und eine Kathode 30. Der Anodenstromkollektor 11 hat eine Lasche 12, die daraus hervorsteht, und der Kathodenkollektor 31 hat eine Lasche 32, die daraus hervorsteht. Die Polymerschicht 20 hat eine Oberfläche, die größer als die des Anodenfilms und Kathodenfilms ist, wobei die Begrenzungslinie der polymeren Elektrolytschicht einen exponierten Streifen bildet, der als Barriere für einen direkten Kontakt zwischen dem Anodenstromkollektor und dem Kathodenstromkollektor dient. Der Streifen 21 erstreckt sich vorzugsweise 1 bis 2,5 mm aus dem Rand der Vorstufe. Ausgenommen für den Streifen 21 und die Laschen 12 und 32 ist die Seitenfläche der Vorstufe der elektrochemischen Zelle fortlaufend oder flach. Jede Stromkollektorlasche ist in den Stromkollektor integriert. Mit integriert ist gemeint, dass der Körper des Stromkollektors und die Lasche eine Einheit bilden, d. h, sie sind keine getrennten Elemente, die aneinander befestigt sind (zum Beispiel miteinander verschweißt sind).
Die Anodenkomponenten, nämlich der Anodenstromkollektor und die Anodenfilme, die auf die obere und untere Oberfläche des Stromkollektors laminiert sind, sollten vorzugsweise die selben Oberflächenabmessungen (zum Beispiel die selbe Breite und Länge) haben. Entsprechend sollten die Kathodenkomponenten, nämlich der Kathodenstromkollektor und die Kathodenfilme, die auf die obere und untere Oberfläche des Stromkollektors laminiert sind, die selben Abmessungen haben. Der Rand oder die Begrenzungslinie der Stromkollektoren sind mit dem Rand des Elektroden-(Anoden- und Kathoden-) Films bündig (d. h. zu die sem ausgerichtet). Obgleich die Oberflächengeometrie nicht kritisch ist, ist bevorzugt, dass die Anoden- und Kathodenoberflächen eine regelmäßige Konfiguration haben, zum Beispiel ein Rechteck oder ein Kreis sind.
Bei der Herstellung einer Batterie können eine Vielzahl elektrochemischer Vorstufen aufeinander gestapelt sein, sodass die Anodenlaschen auf einer Seite aufgereiht sind und die Kathodenlaschen auf der anderen Seite aufgereiht sind. Wie in 2 dargestellt ist, werden die Anodenlaschen 15 miteinander verschweißt und danach zusammen elektrisch an eine erste Nickelleitung (nicht gezeigt) angeschlossen. Entsprechend werden die Kathodenlaschen 60 miteinander verschweißt und danach zusammen elektrisch mit einer zweiten Nickelleitung (nicht gezeigt) verbunden. Die Leitungen werden verwendet, um eine externe Belastung anzuschließen. (Es können auch Aluminiumleitungen verwendet werden).
Als nächstes wird Dibutylphthalat aus der Vorstufe oder einer Vielzahl von Vorstufen einer elektrochemischen Zelle im Fall einer Batterie extrahiert. Die Extraktion kann unter Verwendung herkömmlicher flüssiger organischer Lösungsmittel wie zum Beispiel Diethyläther oder durch ein dichtes Fluid oder Gas, womit ein Gas gemeint ist, das zu superkritischen oder subkritischen Bedingungen komprimiert und erhitzt ist, um so flüssigkeitsähnliche Dichten zu erreichen, erfolgen. Dichte Gase und Fluide sind fachbekannt. Siehe zum Beispiel die U.S.-Patente 5 013 366, 5 267 455, 4 219 333, 4 012 194 und 3 969 196. Ein bevorzugtes dichtes Gas ist Kohlendioxid.
Nach der Extraktion wird die Vorstufe dann in ein für Feuchtigkeit undurchlässiges Material gepackt, das zum Beispiel im U.S.-Patent Nr. 5 326 653 beschrieben ist. Die Vorstufe wird dann aktiviert. Extraktion und Aktivierung können in einer inerten Atmosphäre (zum Beispiel in Argon) durchgeführt wer den. Schließlich wird die Packung versiegelt. Alternativ wird die Vorstufe (oder eine Vielzahl von elektrochemischen Zellvorstufen) in das feuchtigkeits-undurchlässige Material vor Extraktion und Aktivierung vorverpackt.
In 3 ist eine Apparatur 101 zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch gezeigt. Die Apparatur 101 umfasst vorzugsweise eine erste Laminierungsstation 103. An der ersten Laminierungsstation 103 wird ein Anodenstromkollektor 105 an mindestens einer Seite des Anodenstromkollektors mit mindestens einem Anodenmaterialfilm 106 laminiert und wird vorzugsweise ein Anodenmaterialfilm 107 auf beide Seiten des Anodenstromkollektors laminiert, um eine Anodenvorstufe 109 zu bilden. Der Anodenstromkollektor 105 umfasst vorzugsweise eine vorstehende Anodenlasche 111, die sich über den Rand 113 des Anodenfilms hinaus erstreckt; das Anodenfilmmaterial umfasst vorzugsweise, wie es oben diskutiert wurde, ein erstes Polymer, ein Interkalations-Kohlenstoffmaterial und einen ersten Weichmacher. Die Anodenlasche 111 kann bereitgestellt werden, indem zum Beispiel der Anodenmaterialfilm 107 über weniger als die vollständige Breite des Anodenstromkollektors 105 laminiert wird. Die erste Laminierungsstation 103 umfasst vorzugsweise Druckelemente, zum Beispiel Abquetschwalzen 115, zum kontinuierlichen Laminieren des Anodenstromkollektors 105 auf den Anodenmaterialfilm oder -filme 107 oder Druckelemente, zum Beispiel Platten, zum intermittierenden Laminieren des Anodenstromkollektors und des Anodenmaterialfilms oder der Anodenmaterialfilme.
Die Apparatur 101 umfasst vorzugsweise eine zweite Laminierungsstation 117, die die gleiche wie die erste Laminierungsstation 103 ist. An der zweiten Laminierungsstation 117 wird vorzugsweise ein Kathodenstromkollektor 119 mit mindestens einem Kathodenmaterialfilm 121 laminiert, und zwar mindestens an einer Seite des Kathodenstromkollektors, und bevorzugter wird an beiden Seiten des Kathodenstromkollektors ein Kathodenmaterialfilm laminiert, um eine Kathodenvorstufe 123 zu bilden. Der Kathodenstromkollektor 119 umfasst vorzugsweise eine vorstehende Kathodenlasche 125, die sich über den Rand 127 des Kathodenmaterialfilms 121 erstreckt, und der Kathodenmaterialfilm umfasst vorzugsweise ein zweites Polymer, ein aktives Kathodenmaterial und einen zweiten Weichmacher. Die Kathodenlasche 125 kann in der gleichen Weise wie die Anodenlasche 111 gebildet werden. Wie bei der ersten Laminierungsstation 103 sind Abquetschwalzen 129 oder Platten oder andere geeignete Druckelemente vorzugsweise an der zweiten Laminierungsstation 117 angeordnet, um den Kathodenstromkollektor 119 und den Kathodenmaterialfilm 121 zu laminieren.
Vorzugsweise ist eine dritte Laminierungsstation 131 angeordnet, die vorzugsweise mit der zweiten Laminierungsstation 117 identisch ist. In der dritten Laminierungsstation 131 wird ein zweiter Kathodenstromkollektor 133 an mindestens einer Seite des zweiten Kathodenstromkollektors mit mindestens einem zweiten Kathodenmaterialfilm 135 laminiert und bevorzugter auf beiden Seiten des zweiten Kathodenstromkollektors mit Kathodenmaterialfilm laminiert, um eine zweite Kathodenvorstufe 137 zu bilden. Die zweite Kathodenvorstufe 137 ist vorzugsweise dieselbe wie die erste Kathodenvorstufe, sodass der zweite Kathodenmaterialfilm 135 das zweite Polymer, das aktive Kathodenmaterial und den zweiten Weichmacher umfasst. Wie die erste Laminierungsstation 103 und die zweite Laminierungsstation 117 ist die dritte Laminierungsstation 131 vorzugsweise mit geeigneten Druckelementen wie zum Beispiel Abquetschwalzen 139 oder Platten oder dergleichen ausgestattet.
Die Anodenvorstufen 109, die Kathodenvorstufen 123 und, wenn angeordnet, die zweiten Kathodenvorstufen 137 können, wenn dies erwünscht oder notwendig ist, an einer Stelle herge stellt werden, die von der Stelle entfernt ist, an der die restlichen Stufen des Zusammenbaus der elektrochemischen Zelle erfolgen. Die Apparatur 101 wird so beschrieben, wie die erste, die zweite und dritte Laminierungsstation 103, 117 und 131 zum Beispiel sind, aber dies ist nicht unbedingt notwendig.
Die Apparatur 101 umfasst vorzugsweise eine Montagestation 141. In der Montagestation 141 wird eine Polymerschicht 143, die eine dritten Weichmacher enthält, zwischen der Anodenvorstufe 109 und der Kathodenvorstufe 123 derart angeordnet, dass die polymere Schicht einen direkten Kontakt zwischen dem Anodenstromkollektor 105 und dem Kathodenstromkollektor 119 verhindert. Wenn eine zweite Kathodenvorstufe 137 angeordnet ist, was bevorzugt ist, ist entsprechend eine zweite polymere Schicht 145 zwischen der Anodenvorstufe 109 und der zweiten Kathodenvorstufe angeordnet, und zwar an einer Seite der Anodenvorstufe, die der ersten Kathodenvorstufe 123 gegenüberliegt.
In der Montagestation 141 werden die Anodenvorstufe 109, die erste polymere Schicht 143, die Kathodenvorstufe 123, die zweite polymere Schicht 145 und die zweite Kathodenvorstufe 137 vorzugsweise alle durch eine oder mehrere Sprühvorrichtungen 147 mit Aceton oder einem anderen geeigneten Material zum Erweichen der Anodenvorstufe, der ersten polymeren Schicht, der Kathodenvorstufe, der zweiten polymeren Schicht und der zweiten Kathodenvorstufe ausreichend besprüht, sodass diese Elemente aneinander haften und nicht leicht relativ zueinander verschoben werden können. Die Montage der polymeren Schicht, der Anodenvorstufe 109 und der Kathodenvorstufe 123 und, wenn vorgesehen, der zweiten polymeren Schicht 145 und der zweiten Kathodenvorstufe 137 wird vorzugsweise durch eine Aufnahme- und -Anordnungs-Apparatur durchgeführt, wie sie von Klöckner Medipak, 14501 58. Straße, Clearwater, Florida 34620, hergestellt und verkauft wird. Die Anodenvorstufe 109, die Kathodenvorstufe 123 und, wenn diese vorgesehen ist, die zweite Kathodenvorstufe 137 wie auch die polymeren Schichten oder Schichten können mit einem Schneidgerät 148 zu einer gewünschten Größe, die einer gewünschten Energiemenge, die von einer aus diesen Komponenten zu bildenden Batterie gewünscht wird, vor Verbinden der Komponenten geschnitten werden, wie es in 3 dargestellt wird; anschließend wird mit Aceton besprüht oder es kann zuerst mit Aceton besprüht und zusammengefügt und dann auf Größe geschnitten werden.
Die Apparatur 101 umfasst vorzugsweise eine Verschmelzungsstation 149. An der Verschmelzungsstation 149, die vorzugsweise ein Teil der Apparatur des Aufnahme- und -Anordnungs-Typs, die oben beschrieben wurde, ist, wird die polymere Schicht 143 vorzugsweise unter Wärme und Druck mit der Anodenvorstufe 109 und der Kathodenvorstufe 123 unter Bildung einer Bizellenbatterie 151 verschmolzen. Die Bizellenbatterie 152 umfasst die zweite Kathodenvorstufe 137 und die zweite polymere Schicht 145, wenn diese Teile vorgesehen sind. Die Verschmelzungsstation 149 umfasst vorzugsweise ein Paar Platten 153 zum Komprimieren und Erwärmen der Bizellenbatterie 151, um zu bewirken, dass die verschiedenen Schichten derselben miteinander verschmelzen. Die Platten 153 komprimieren die Komponenten der Bizellenbatterie 151 mit vorzugsweise etwa 0,276 MPa (40 psi) und erwärmen die Komponenten die Bizellenbatterie auf eine Temperatur, die vorzugsweise etwa 110°C bis 160°C ist.
Die Apparatur 101 umfasst vorzugsweise eine Stapelungsstation 155, zu der eine Vielzahl von Bizellenbatterien 151 durch die Aufnahme- und -Anordnungs-Apparatur bewegt werden, nachdem sie an der Verschmelzungsstation verschmolzen wurden, und an der sie unter Bildung eines Stapels 157 aufeinander gestapelt werden. Ein derzeit bevorzugter Stapel umfasst neun aufeinan der gestapelte Bizellen 151 und jede Bizelle umfasst eine Anodenvorstufe 109, eine Kathodenvorstufe 123 und eine zweite Kathodenvorstufe 137. Die Apparatur 102 umfasst auch vorzugsweise eine Schweißstation 159, an der die Vielzahl von Anodenlaschen 111 des Stapels 157 aneinander und auch an eine Anodenleitung 161 geschweißt werden, und zwar durch eine induktive Schweißvorrichtung 163; an dieser Stelle werden auch eine Reihe von Kathodenlaschen 125 des Stapels aneinander geschweißt und auch an einen Kathodenleiter 165 geschweißt. Der Anodenleiter 161 und der Kathodenleiter 165 verleihen den geschweißten Anoden- und Kathoden-Laschen Festigkeit, die al-leine dazu tendieren, geringe Festigkeit zu haben; die leitenden Anoden- und Kathodenleiter werden vorzugsweise durch ein leitendes Material wie zum Beispiel Nickel oder Kupfer gebildet.
Die Apparatur 101 umfasst außerdem vorzugsweise eine Extraktionsstation 167, zu der der Stapel 147 durch die Aufnahmeund -Anordnungs-Apparatur nach Schweißen an der Schweißstation 149 bewegt wird. An der Extraktionsstation 167 werden der erste, zweite und dritte Weichmacher aus der Anodenvorstufe, der Kathodenvorstufe und der zweiten Kathodenvorstufe, wenn diese vorhanden ist, und der polymeren Schicht oder polymeren Schichten des Stapels 157 extrahiert. Die Extraktion der Weichmacher wird vorzugsweise in der oben beschriebenen Art und Weise durchgeführt, zum Beispiel indem vorzugsweise herkömmliche organische Lösungsmittel, zum Beispiel Diethyläther, oder ein dichtes Fluid oder Gas verwendet werden.
Die Apparatur 101 umfasst vorzugsweise eine Installationsstation 169, zu der der Stapel 147 durch die Aufnahme- und -Anordnungs-Apparatur nach Extraktion der Weichmacher an der Extraktionsstation 167 bewegt wird. An der Installationsstation 169 wird der Stapel 157 vorzugsweise in einer Vertiefung 171 in einem Stapelaufnahmebehälter 173 derart eingebaut, dass mindestens Teile der Anodenleitung 161 und der Kathodenleitung 165 sich über einen äußeren Rand des Stapelaufnahmebehälters erstrecken. Diese überstehenden Teile der Anodenleitung 161 und der Kathodenleitung 165 bilden die äußeren Batterieenden in der fertigen Batterie. Wenn notwendig oder erforderlich wird die Apparatur 101 mit einer Stanzvorrichtung 175 ausgestattet, die die Vertiefung 171 im Stapelaufnahmebehälter 173 bildet, zum Beispiel durch Stanzen eines flachen Bleches oder Gewebes 177 aus geeignetem Material, zum Beispiel einer Aluminiumfolie, um die Vertiefung mit geeigneten Abmessungen zu bilden, um darin den Stapel 157 aufzunehmen.
Die Apparatur 111 umfasst außerdem eine Füll- oder Aktivierungsstation 179, zu der der Stapel 157 und der Stapelaufnahmebehälter 173 bewegt werden, nachdem der Stapel in der Installationsstation 179 in die Vertiefung 171 gelegt wurde. An der Füll- oder Aktivierungsstation 179 wird eine Elektrolytlösung, die ein Elektrolytlösungsmittel und ein anorganisches Salz enthält, in den Aufnahmebehälter 173 und in die Anodenvorstufe, die Kathodenvorstufe und die polymere Schicht, aus denen der erste, der zweite und der dritte Weichmacher extrahiert worden waren, gefüllt und dadurch die resultierende Batterie 181 aktiviert.
Nachdem der erste, der zweite und der dritte Weichmacher aus der Anodenvorstufe 109 der Kathodenvorstufe 123 und der polymeren Schicht 143 unter Bildung von Poren darin extrahiert worden sind, muss eine Elektrolytlösung 201 an der Aktivierungs- oder Füllstation 179 zugesetzt werden, um den Stapel 157 zu aktivieren, d. h. um den Stapel zu einer tatsächlichen Batterie 181 zu machen. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden bezieht sich die folgende Beschreibung nur auf die Kathodenvorstufe 123 und die damit verbundenen Teile und nicht auf die zweite Kathodenvorstufe 137 und die damit verbundenen Teile, da die Beschreibung des folgenden Aspekts der Erfindung sowohl für die Kathodenvorstufe als auch für die zweite Kathodenvorstufe identisch ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in 4 dargestellt ist, umfasst die Aktivierungsstation 179 eine erste Füllstation 203. Eine erste Menge der Elektrolytlösung 201 wird in den Aufnahmebehälter 173 so gefüllt, dass die Elektrolytlösung in die Poren in der Anodenvorstufe, der Kathodenvorstufe und der polymeren Schicht in der ersten Füllstation 203 absorbiert wird. Stromabwärts zu der ersten Füllstation 203 sind eine oder mehrere anschließende Füllstationen 205 angeordnet und in den folgenden Füllstationen werden nachfolgende Mengen der Elektrolytlösung in den Aufnahmebehälter 173 gefüllt, sodass die Elektrolytlösung in den nachfolgenden Füllstationen in Poren in der Anodenvorstufe, der Kathodenvorstufe und der polymeren Schicht absorbiert wird. Die Elektrolytlösung 201 wird durch Leitungen 207, durch die der Strom durch geeignete Mittel kontrolliert werden kann, zum Beispiel durch elektronisch kontrollierte Solenoidventile 209.
Die anschließenden Mengen der Elektrolytlösung 201, die an jeder folgenden Füllstation 205 zugesetzt werden, sind vorzugsweise nicht mehr als die Menge, die an einer vorhergehenden Station der ersten Füllstation 203 und der folgenden Füllstationen zugesetzt wird, da die Anodenvorstufe, die Kathodenvorstufe und die polymere Schicht die Neigung zeigen, zu Beginn die Elektrolytlösung schnell zu absorbieren, und danach dazu tendieren, die Elektrolytlösung langsamer zu absorbieren. Beispielsweise wird für eine besondere Aktivierungsstation derzeit angenommen, dass es bevorzugt ist, mehr als die Hälfte, tatsächlich etwa 80% der gesamten Elektrolytlösung in der ersten Füllstation 203 zuzusetzen, 10% der gesamten Elektrolytlösung an der unmittelbar folgenden Füllsta tion 205 nach der ersten Füllstation zuzusetzen und 5% der gesamten Elektrolytlösung an zwei später folgenden Füllstation 205 zuzusetzen, um die Anodenvorstufe, die Kathodenvorstufe und die polymere Schicht vollständig zu sättigen. Allerdings werden die an den verschiedenen Füllstationen zugesetzten Mengen die Tendenz zeigen, eine Funktion von Faktoren, wie zum Beispiel dem besonderen Aufbau und der Größe der Batterie, die aktiviert wird, und andere Herstellungsbeschränkungen, zu sein; das vorstehende Beispiel soll diesbezüglich nicht beschränkend sein. Da zum Beispiel der Anodenstromkollektor 105 jeder Anodenvorstufe 109 mit einer Anodenleitung 161 verbunden wird und der Kathodenstromkollektor 119 jeder Kathodenvorstufe 123 mit einer Kathodenleitung 165 verbunden wird, sind die erste Menge an Elektrolytlösung 201, die an der ersten Füllstation 203 eingefüllt wird, und die anschließenden Mengen an Elektrolytlösung, die an einer mehreren anschließenden Füllstationen 205 eingefüllt werden, vorzugsweise klein genug, sodass die Elektrolytlösung weder mit der Anodenleitung noch mit der Kathodenleitung in Berührung kommt. Auf diese Weise werden Probleme, die mit Korrosion der freiliegenden Teile der Anodenleitung 161 und der Kathodenleitung 165 in der fertiggestellten Batterie auf ein Minimum beschränkt.
Die eine Bizellenbatterie oder mehrere Bizellenbatterien, die den Stapel 157 bilden, der in der Vertiefung 171 im Aufnahmebehälter 173 angeordnet ist, wird/werden durch geeignete Mittel, vorzugsweise in intermittierender Art, zum Beispiel durch eine Aufnahme- und -Anordnungs-Apparatur, wie sie oben beschrieben wurde, oder kontinuierlich, zum Beispiel durch ein sich kontinuierlich bewegendes Förderband zu und von einer oder mehreren nachfolgenden Füllstationen bewegt. Der Zeitraum zwischen dem Füllen an der ersten Füllstation 203 und einem Füllen an einer unmittelbar folgenden Füllstation 205 ist vorzugsweise der gleiche wie zwischen dem Füllen an zwei beliebigen aufeinander folgenden Füllstationen. Es ist hier bevorzugt, eine oder mehrere Bizellenbatterien 151, die den Stapel 157 in der Vertiefung 171 im Aufnahmebehälter 173 bilden, von den verschiedenen Füllstationen 203 und 205 zu einer nachfolgenden Füllstation 205 jeweils in 2,5 Sekunden zu bewegen.
Vorzugsweise sind die erste Menge an Elektrolytlösung 201, die in ersten Füllstation 203 eingefüllt wird, und die nachfolgenden Mengen an Elektrolytlösung, die an den nachfolgenden Füllstationen 205 eingefüllt werden und die Zeit zwischen dem Füllen an der ersten Füllstation und an jeder der folgenden Füllstationen so, dass die erste Menge an Elektrolytlösung vollständig in den Poren in der Anodenvorstufe 109, der Kathodenvorstufe 123 und der polymeren Schicht 143 absorbiert wird, bevor eine nachfolgende Menge an Elektrolytlösung an einer nachfolgenden Füllstation, die unmittelbar auf die erste Füllstation folgt, eingefüllt wird. Entsprechend wird bei einer solchen nachfolgenden Füllstation 205 eine anschließende Menge an Elektrolytlösung 201 vorzugsweise vollständig in die Poren in der Anodenvorstufe 109, der Anodenvorstufe 123 und der polymeren Schicht 143 absorbiert, bevor eine nachfolgende Menge an Elektrolytlösung an irgendeiner unmittelbar folgenden Füllstation eingefüllt wird.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst die Apparatur 101 vorzugsweise außerdem eine Versiegelungs- oder Verschließstation 183, in der ein Deckel 185 über die Vertiefung 171 im Stapelaufnahmebehälter 173 so geschlossen wird, dass die Teile der Anodenleitung 161 und der Kathodenleitung 165 außerhalb eines äußeren Randes des geschlossenen Stapelaufnahmebehälters liegen.
Obgleich alle vorstehend genannten Komponenten der Apparatur 101 als Teil einer einzelnen Apparatur beschrieben wurden, wird zu erkennen sein, dass die vorausgehende Beschreibung nur beispielhaft ist und das zahlreiche getrennte Apparaturen verwendet werden können, um verschiedene Arbeitsgänge durchzuführen, die bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle involviert sind.
Während die Erfindung in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen, Substitutionen und Veränderungen daran vorgenommen werden könnten. Die Beschreibungen des Gegenstands der Erfindung sind für die Erfindung erläuternd und sollen den Rahmen der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert ist, nicht beschränkend.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer nicht-wässrigen elektrochemischen Lithiumzelle, umfassend die Stufen: (a) Ausbilden eines Anodenfilms auf mindestens einer Oberfläche eines Anodenstromkollektors unter Bildung einer Anode; (b) Ausbilden eines Kathodenfilms, der ein lithiiertes kathodisches Material umfasst, auf mindestens einer Oberfläche eines Kathodenstromkollektors unter Bildung einer Kathode; (c) Anordnen einer polymeren Schicht, die eine Elektrolytlösung enthält, zwischen der Anode und der Kathode, wobei die polymere Elektrolytschicht eine Oberfläche hat, die größer als die des Anodenfilms und Kathodenfilms ist, wobei die äußere Begrenzungslinie der polymeren Elektrolytschicht einen exponierten Streifen bildet, der als Barriere für einen direkten Kontakt zwischen dem Anodenstromkollektor und dem Kathodenstromkollektor dient, mit der Maßgabe, dass entweder (i) bei der Bildung der Anode auf beiden Oberflächen des Stromkollektors ein Anodenfilm ausgebildet wird oder (ii) bei der Bildung der Kathoden auf beiden Oberflächen des Kathodenstromkollektors ein Kathodenfilm ausgebildet wird, oder (iii) sowohl bei der Bildung der Anode ein Anodenfilm auf beiden Oberflächen des Anodenstromkollektors ausgebildet wird als auch bei der Bildung der Kathode auf beiden Oberflächen des Kathodenstromkollektors ein Kathodenfilm ausgebildet wird, wobei die polymere Schicht eine Anfangsoberfläche, die größer ist als die des Anodenfilms und des Kathodenfilms vor der Einführung der Elektrolytlösung in die polymere Schicht, hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anodenstromkollektor an jeder Seite einen Anodenfilm hat und der Kathodenstromkollektor an jeder Seite einen Kathodenfilm hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anodenstromkollektor eine äußere Begrenzungslinie hat, die im Wesentlichen mit der äußeren Begrenzungslinie des Anodenfilms bündig ist, und der Kathodenstromkollektor eine äußere Begrenzungslinie hat, die im Wesentlichen mit der äußeren Begrenzungslinie des Kathodenfilms bündig ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Anode eine Anodenlasche (anode tab)umfasst, die in den Anodenstromkollektor integriert ist, und wobei die Kathode eine Kathodenlasche (cathode tab) umfasst, die in den Kathodenstromkollektor integriert ist.
Verfahren zur Herstellung einer nicht-wässrigen elektrochemischen Lithiumzelle, umfassend die Stufen: (a) Herstellen einer polymeren Schicht, die einen ersten Weichmacher umfasst; (b) Bedecken mindestens einer Oberfläche eines Anodenstromkollektors mit einer Schicht Anodenmaterial, das ein erstes Polymer, ein Interkalationskohlenstoffmaterial und einen zweiten Weichmacher umfasst, unter Bildung einer Anodenvorstufe, wobei jede Schicht des Anodenmaterials eine Oberfläche hat, die kleiner ist als die der polymeren Schicht; (c) Bedecken mindestens einer Oberfläche eines Kathodenstromkollektors mit einer Schicht Kathodenmaterial, das ein zweites Polymer, ein Kathoden-aktives Material, das ein lithiiertes kathodisches Material umfasst, und einen dritten Weichmacher umfasst, unter Bildung einer Kathodenvorstufe, wobei jede Schicht des Kathodenmaterials eine Oberfläche hat, die kleiner ist als die der polymeren Schicht; (d) Anordnen der polymeren Schicht zwischen der Anodenvorstufe und der Kathodenvorstufe, sodass die äußere Begrenzung der polymeren Schicht einen exponierten Streifen bildet, der als Barriere für einen direkten Kontakt zwischen dem Anodenstromkollektor und dem Kathodenstromkollektor dient; (e) Entfernen des ersten, zweiten und dritten Weichmachers; und (f) Plazieren einer Elektrolytlösung, die ein Elektrolytlösungsmittel und ein anorganisches Salz umfasst, in die Anodenvorstufe, Kathodenvorstufe und die polymere Schicht, mit der Maßgabe, dass entweder (i) bei der Bildung der Anodenvorstufe eine Schicht Anodenmaterial beider Oberflächen des Anodenstromkollektors bedeckt oder (ii) bei der Bildung der Kathodenvorstufe eine Schicht Kathodenmaterial beider Oberflächen des Kathodenstromkollektors bedeckt oder (iii) bei der Bildung der Anodenvorstufe eine Schicht Anodenmaterial beider Oberflächen des Rnodenstromkollektors bedeckt und bei der Bildung der Kathodenvorstufe eine Schicht Kathodenmaterial beider Oberflächen des Kathodenstromkollektors bedeckt, wobei die polymere Schicht eine Anfangsoberfläche, die größer ist als die der Schicht des Anodenfilms und der Schicht des Kathodenfilms vor der Einführung der Elektrolytlösung in die polymere Schicht, hat.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Anodenmaterial, Kathodenmaterial und die polymere Schicht jeweils außerdem ein inertes flüssiges Lösungsmittel umfassen und das Verfahren außerdem die Stufe der Entfernung des inerten flüssigen Lösungsmittels vor Stufe (f) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste, zweite und dritte Weichmacher Dibutylphthalat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das inerte flüssige Lösungsmittel Aceton umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Anodenstromkollektor auf jeder Seite einen Anodenfilm hat und der Kathodenstromkollektor auf jeder Seite einen Kathodenfilm hat.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Anodenstromkollektor eine äußere Begrenzungslinie hat, die mit der äußeren Begrenzungslinie des Anodenfilms im Wesentlichen bündig ist, und der Kathodenstromkollektor eine äußere Begrenzungslinie hat, die mit der äußeren Begrenzungslinie des Kathodenfilms im Wesentlichen bündig ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Anode eine Anodenlasche hat, die in den Anodenstromkollektor integriert ist, und wobei die Kathode eine Kathodenlasche hat, die in den Kathodenstromkollektor integriert ist.
Nicht-wässrige elektrochemische Lithiumzelle, umfassend: – eine Anodenschicht, die einen Anodenstromkollektor mit einem Anodenfilm an mindestens einer Seite des Anodenstromkollektors hat; – eine Kathodenschicht, die einen Kathodenstromkollektor mit einem Kathodenfilm, der ein lithiiertes kathodisches Material umfasst, an mindestens einer Seite des Kathodenstromkollektors hat; und – eine polymere Schicht, die eine Elektrolytlösung, welche ein Elektrolytlösungsmittel und ein Salz umfasst, enthält, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, wobei die polymere Schicht eine Oberfläche hat, die größer ist als die des Anodenfilms und des Kathodenfilms, wobei die äußere Begrenzungslinie der polymeren Elektrolytschicht einen exponierten Streifen bildet, der als Barriere für den direkten Kontakt zwischen dem Rnodenstromkollektor und dem Kathodenstromkollektor dient, mit der Maßgabe, dass entweder (i) beide Seiten des Anodenstromkollektors mit einem Anodenfilm bedeckt sind, oder (ii) beide Seiten des Kathodenstromkollektors mit einem Kathodenfilm bedeckt sind oder (iii) beide Seiten des Anodenstromkollektors mit einem Anodenfilm bedeckt sind und beide Seiten des Kathodenstromkollektors mit einem Kathodenfilm bedeckt sind, wobei die polymere Schicht eine Anfangsoberfläche hat, die größer ist als die der Schicht Anodenmaterial und der Schicht Kathodenmaterial vor der Einführung der Elektrolytlösung in die polymere Schicht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, wobei der Anodenstromkollektor auf jeder Seite einen Anodenfilm hat und der Kathodenstromkollektor auf jeder Seite einen Kathodenfilm hat.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, wobei der Anodenstromkollektor eine äußere Begrenzungslinie hat, die im Wesentlichen mit der Begrenzungslinie des Anodenfilms bündig ist, und der Kathodenstromkollektor eine äußere Begrenzungs- linie hat, die im Wesentlichen mit der äußeren Begrenzungslinie des Kathodenfilms bündig ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 14, wobei die Anode eine Anodenlasche umfasst, welche in den Anodenstromkollektor integriert ist, und wobei die Kathode eine Kathodenlasche umfasst, die in den Kathodenstromkollektor integriert ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, wobei der Anodenstromkollektor Kupfer umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, wobei der Kathodenstromkollektor Aluminium umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, wobei der Anodenfilm Kohlenstoffmaterialien, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Koks und Mesokohlenstoffen, umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, wobei der Kathodenfilm kathodisches Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus lithiierten Kobaltoxiden, lithiierten Manganoxiden, lithiierten Nickeloxiden und Gemischen davon, umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 18, wobei der Kathodenfilm kathodisches Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus lithiierten Kobaltoxiden, lithiierten Manganoxiden, lithiierten Nickeloxiden und Gemischen davon, umfasst.