EA039132B1 - Lithium ion battery and method of manufacturing same - Google Patents

Lithium ion battery and method of manufacturing same Download PDF

Info

Publication number
EA039132B1
EA039132B1 EA201891516A EA201891516A EA039132B1 EA 039132 B1 EA039132 B1 EA 039132B1 EA 201891516 A EA201891516 A EA 201891516A EA 201891516 A EA201891516 A EA 201891516A EA 039132 B1 EA039132 B1 EA 039132B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
separator
cell
ion battery
voltage
discharge
Prior art date
Application number
EA201891516A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201891516A1 (en
Inventor
Брайан Г. Морин
Original Assignee
Дримвивер Интернешнл, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дримвивер Интернешнл, Инк. filed Critical Дримвивер Интернешнл, Инк.
Priority claimed from PCT/US2017/012797 external-priority patent/WO2017123519A1/en
Publication of EA201891516A1 publication Critical patent/EA201891516A1/en
Publication of EA039132B1 publication Critical patent/EA039132B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04Construction or manufacture in general
    • H01M10/049Processes for forming or storing electrodes in the battery container
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058Construction or manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44Methods for charging or discharging
    • H01M10/446Initial charging measures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/44Fibrous material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Separators (AREA)

Abstract

A method for producing a lithium ion battery is disclosed. The method comprises the following steps: assembling a cell including an interior volume comprising an anode, a cathode, and a separator; filling the interior volume of the cell with an electrolyte; connecting the anode and the cathode to a charging device; charging the cell at a rate less than or equal to C/6 until the cell reaches a voltage capacity; and charging the cell at a voltage for greater than 6 h. The invention further encompasses such a method wherein the voltage capacity is greater than or equal to 3.4 V. The invention further encompasses such a method wherein the voltage is greater than 3.4 V. The resultant batteries may comprise an efficient and properly formed solid electrolyte interface layer.

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к способу изготовления литий-ионной батареи, содержащей изолирующий (непроводящий) микропористый полимерный сепаратор для батареи, состоящий из одного слоя спутанных микроволокон и нановолокон. Общий способ изготовления является высокоэффективным и обеспечивает создание полноценного твердоэлектролитного межфазного слоя (SEI-слоя) на аноде батареи. Способ изготовления такого сепаратора, способ использования такого сепаратора внутри батареи и способ изготовления твердоэлектролитного межфазного слоя включены в объем охраны настоящего изобретения.The present invention relates to a method for manufacturing a lithium ion battery comprising an insulating (non-conductive) microporous polymer battery separator composed of a single layer of intertwined microfibers and nanofibers. The general fabrication method is highly efficient and provides a complete solid electrolyte interfacial layer (SEI layer) on the anode of the battery. A method for manufacturing such a separator, a method for using such a separator inside a battery, and a method for manufacturing a solid electrolyte interfacial layer are included within the protection scope of the present invention.

Уровень техникиState of the art

На протяжении многих лет батареи используются для аккумулирования электрической энергии в удаленных местах и для применения в переносных средствах. В результате управляемого перемещения ионов между электродами (анодом и катодом) образуется схема электропитания, обеспечивая таким образом источник электроэнергии, который может быть использован, пока не будут исчерпаны избыточные ионы на одном электроде, после чего дальнейшая генерация электроэнергии прекращается. В последнее время созданы перезаряжаемые батареи для обеспечения увеличенных сроков службы для таких удаленных источников энергии, даже с необходимостью соединения таких батарей с другими источниками электроэнергии на определенный период времени. Однако в целом возможность многократного использования такой батареи открыла большие перспективы использования, в частности, в сотовом телефоне и ноутбуке, и, более того, возможности создания автомобилей, работающих исключительно на электроэнергии.For many years, batteries have been used for electrical energy storage in remote locations and for portable applications. As a result of the controlled movement of ions between the electrodes (anode and cathode), a power supply circuit is formed, thus providing a source of electricity that can be used until the excess ions on one electrode are exhausted, after which further generation of electricity stops. Recently, rechargeable batteries have been developed to provide extended lifetimes for such remote power sources, even with the need to connect such batteries to other sources of electricity for a certain period of time. However, in general, the reusability of such a battery has opened up great prospects for use, in particular in a cell phone and laptop, and, moreover, the possibility of creating cars that run solely on electricity.

Такие батареи обычно содержат по меньшей мере пять различных компонентов. В корпусе (или контейнере) размещены остальные компоненты безопасным и надежным способом для предотвращения протечки наружу, а также контакта внешней среды с внутренней частью. В корпусе находятся анод и катод, надежно разделенные сепаратором, а также раствор электролита (маловязкая жидкость), которая транспортирует ионы через сепаратор между анодом и катодом. Перезаряжаемые батареи используются в настоящее время и предположительно будут использоваться в будущем в различных достаточно небольших переносных устройствах, но имеющих большой потенциал генерации электроэнергии, позволяющий им оставаться эффективными в течение продолжительных периодов между сеансами зарядки, вплоть до очень больших аккумуляторов, присутствующих, например, в автомобилях, которые содержат большие электроды (по меньшей мере в отношении площади поверхности), которые не должны контактировать друг с другом, и большое количество ионов, которые должны последовательно и постоянно проходить через мембрану для образования электрической цепи, необходимой для генерации электроэнергии, достаточной для работы двигателя автомобиля. Также функциональные возможности и многосторонность сепараторов для батареи в будущем должны отвечать определенным требованиям, которые еще не разработаны в современной промышленности.Such batteries typically contain at least five different components. The case (or container) houses the rest of the components in a safe and secure manner to prevent leakage to the outside, as well as contact between the outside and the inside. The housing contains the anode and cathode, reliably separated by a separator, as well as an electrolyte solution (low-viscosity liquid), which transports ions through the separator between the anode and cathode. Rechargeable batteries are currently and are expected to be used in the future in a variety of portable devices that are fairly small, but have a large potential for generating electricity, allowing them to remain efficient for long periods between charges, up to very large batteries, such as those found in cars. , which contain large electrodes (at least in terms of surface area) that must not come into contact with each other, and a large number of ions that must sequentially and constantly pass through the membrane to form the electrical circuit necessary to generate electricity sufficient to run the engine car. Also, the functionality and versatility of battery separators in the future must meet certain requirements that are not yet developed in today's industry.

В общих чертах, сепараторы для аккумуляторных батарей используются с тех пор, как появились батареи с закрытыми элементами, для обеспечения необходимой защиты от нежелательного контакта между электродами, а также для обеспечения эффективной транспортировки ионов внутри генерирующих энергию элементов. Как правило, такие материалы имеют пленочную структуру, достаточно тонкую для уменьшения веса и объема аккумуляторного устройства с одновременным приданием необходимых свойств, указанных выше. Такие сепараторы должны иметь другие характеристики, а также обеспечивать надлежащую работу батареи. Эти характеристики включают химическую стойкость, подходящую пористость ионных форм, эффективный размер пор для передачи электролита, надлежащую проницаемость, эффективную механическую прочность и способность сохранять размерную и функциональную стабильность под действием высоких температур (а также возможность отключения, если температура поднимается до чрезмерно высокого уровня).In general terms, battery separators have been used since the advent of sealed cell batteries to provide the necessary protection against unwanted contact between electrodes, as well as to ensure efficient transport of ions within the power generating cells. Typically, such materials have a film structure that is thin enough to reduce the weight and volume of the battery device while imparting the desired properties indicated above. Such separators must have other characteristics, as well as ensure proper operation of the battery. These characteristics include chemical resistance, suitable porosity of ionic forms, effective pore size for electrolyte transfer, proper permeability, effective mechanical strength, and the ability to maintain dimensional and functional stability when exposed to high temperatures (as well as the ability to shut down if the temperature rises to excessively high levels).

В частности, материал сепаратора должен иметь достаточную прочность и стойкость, чтобы выдерживать различные условия. Прежде всего, сепаратор не должен рваться или протыкаться из-за напряжений, возникающих во время сборки батареи. Таким образом, общая механическая прочность сепаратора является чрезвычайно важной характеристикой, в частности, определяющей большую прочность материала на разрыв как в машинном, так и поперечном (т.е. под углом) направлениях, и позволяет изготовителю обращаться с таким сепаратором с большей легкостью и без жестких правил, направленных на предупреждение разрушения структуры сепаратора или ухудшения его характеристик во время такой критической процедуры, как сборка. Кроме того, с химической точки зрения, сепаратор должен выдерживать окислительную и восстановительную среду, присутствующую непосредственно внутри батареи, в частности, когда она полностью заряжена. Любое повреждение во время использования, в частности, в отношении прочности конструкции, допускающее протекание чрезмерно большого тока или межэлектродное касание, может лишить батарею способности генерировать электроэнергию и может привести ее полностью в нерабочее состояние. Таким образом, даже имея вышеуказанную способность выдерживать химический контакт, такой сепаратор также не должен терять стабильность размеров (т.е. не должен допускать коробления или расплава) или механическую прочность во время хранения, изготовления и использования по тем же причинам, указанным выше.In particular, the cage material must have sufficient strength and durability to withstand various conditions. First of all, the separator must not be torn or pierced due to the stresses that occur during battery assembly. Thus, the overall mechanical strength of the cage is an extremely important characteristic, in particular, determining the greater tensile strength of the material in both machine and transverse (i.e. at an angle) directions, and allows the manufacturer to handle such a cage with greater ease and without strict rules aimed at preventing the destruction of the structure of the separator or the deterioration of its performance during such a critical procedure as assembly. In addition, from a chemical point of view, the separator must withstand the oxidizing and reducing environment present directly inside the battery, in particular when it is fully charged. Any damage during use, in particular to structural strength, allowing excessive current flow or inter-electrode contact, may render the battery incapable of generating electricity and may render it completely inoperable. Thus, even having the above ability to withstand chemical contact, such a separator should also not lose dimensional stability (i.e. should not warp or melt) or mechanical strength during storage, manufacture and use for the same reasons indicated above.

- 1 039132- 1 039132

Однако в то же время сепаратор должен иметь надлежащую толщину по существу для поддерживания высоких плотностей энергии и мощности самой батареи. Равномерная толщина также весьма важна для обеспечения длительного срока службы, поскольку любой неравномерный износ сепаратора препятствует надлежащему проходу электролита, а также повышает вероятность межэлектродного контакта.However, at the same time, the separator must be of the proper thickness as such to maintain the high energy densities and power of the battery itself. Uniform thickness is also very important to ensure long life, as any uneven wear on the separator prevents proper passage of the electrolyte and also increases the likelihood of electrode-to-electrode contact.

Во всех литий-ионных батареях электролит является нестабильным в присутствии (углеродсодержащего) анода. По этой причине электролит разлагается и образует на аноде поверхностный слой, называемый твердоэлектролитным межфазным слоем, который образуется на поверхности анода из разложенного и полимеризованного электролита. Этот слой предотвращает дополнительное разложение электролита и является проводящим для ионов лития, обеспечивая таким образом возможность неоднократных зарядки и разрядки батареи.In all lithium-ion batteries, the electrolyte is unstable in the presence of a (carbonaceous) anode. For this reason, the electrolyte decomposes and forms a surface layer on the anode, called a solid electrolyte interfacial layer, which is formed on the surface of the anode from the decomposed and polymerized electrolyte. This layer prevents further decomposition of the electrolyte and is conductive to lithium ions, thus allowing the battery to be repeatedly charged and discharged.

С обычными литий-ионными сепараторами, размер пор которых составляет 0,01 мкм, или 10 нм, формирование SEI-слоя происходит медленно из-за медленного перемещения электролита к поверхности анода. Таким образом, сепаратор действует в качестве регулятора процесса формирования SEI-слоя.With conventional lithium-ion separators, which have a pore size of 0.01 µm, or 10 nm, the formation of the SEI layer is slow due to the slow movement of the electrolyte towards the anode surface. Thus, the separator acts as a regulator of the formation of the SEI layer.

В промышленных условиях изготовители стремятся максимально ускорить этот процесс, используя минимальный ток и самое низкое напряжение для минимизации времени и стоимости этого процесса и максимизации использования оборудования.In industrial settings, manufacturers strive to speed up this process as quickly as possible, using the lowest current and lowest voltage to minimize the time and cost of this process and maximize equipment utilization.

В случае нетканых сепараторов, у которых размер пор составляет больше чем 10 нм, т.е. порядка 200-500 нм, формирование SEI-слоя не зависит от размера пор сепаратора и происходит быстрее. В этом случае образуется слой, который является неровным и оставляет большое количество открытых мест, т.е. не полностью защищает анод, в результате чего возникает возможность дальнейшего разложения. Таким образом, процесс формирования SEI-слоя для сепараторов из нетканого материала занимает больше времени, и сам процесс зависит от силы электрического тока, а не от размера пор сепаратора. Кроме того, некоторые нетканые сепараторы выполнены из такого материала и имеют такую пористость, при которых SEI-слой может наращиваться непосредственно на нетканых волокнах, и процесс формирования должен продолжаться достаточное количество времени и требует достаточного тока для обеспечения возможности этого формирования, которое на нетканых волокнах может проходить медленнее, чем на электродах.In the case of non-woven separators whose pore size is greater than 10 nm, i. e. about 200-500 nm, the formation of the SEI layer does not depend on the pore size of the separator and is faster. In this case, a layer is formed that is uneven and leaves a large number of open spaces, i.e. does not fully protect the anode, resulting in the possibility of further decomposition. Thus, the process of forming the SEI layer for nonwoven separators takes more time, and the process itself depends on the strength of the electric current, and not on the pore size of the separator. In addition, some nonwoven separators are made of such a material and have such a porosity that the SEI layer can grow directly on nonwoven fibers, and the formation process must continue for a sufficient amount of time and requires sufficient current to allow this formation, which on nonwoven fibers can pass more slowly than on the electrodes.

Одна из проблем состоит в том, что если для литий-ионных батарей с нетканым сепаратором или каким-либо сепаратором, имеющим высокую пористость и увеличенный размер пор, используется обычный процесс формирования, SEI-слой не образуется полностью, и некоторые участки анода все еще остаются открытыми для электролита. Если это происходит, когда элемент извлечен из процесса формирования (отсоединен электрически), SEI-слой продолжает наращиваться, и этот процесс будет поглощать заряд элемента. Такое продолжение формирования SEI-слоя может быть ошибочно интерпретировано как мягкое короткое замыкание внутри элемента и может привести к значительному саморазряду, пока элемент не сформируется должным образом.One problem is that if a conventional forming process is used for lithium-ion batteries with a non-woven separator or any separator having a high porosity and increased pore size, the SEI layer is not completely formed and some areas of the anode still remain. open to electrolyte. If this happens when the cell is removed from the forming process (disconnected electrically), the SEI layer continues to build up and this process will absorb the charge of the cell. This continued formation of the SEI layer may be misinterpreted as a soft short circuit within the cell and may result in significant self-discharge until the cell is properly formed.

Для батарей, содержащих такой сепаратор, должен быть использован правильный зарядный цикл для создания достаточного твердоэлектролитного межфазного слоя (SEI) на аноде батареи и также непосредственно на волокнах сепаратора. Такой цикл может включать подачу первого тока в батарею во время первой части цикла для осаждения электролита на аноде должным образом. Во второй части цикла может быть использован второй ток. Также во время начального формирования твердоэлектролитного межфазного слоя может потребоваться пропитка при высоком напряжении для достижения низкого начального саморазряда.For batteries containing such a separator, the correct charge cycle must be used to create sufficient solid electrolyte interfacial layer (SEI) at the anode of the battery and also directly on the fibers of the separator. Such a cycle may include applying a first current to the battery during the first part of the cycle to properly deposit the electrolyte on the anode. In the second part of the cycle, a second current can be used. Also, during the initial formation of the solid electrolyte interfacial layer, high voltage impregnation may be required to achieve low initial self-discharge.

Действующие до настоящего времени стандарты сегодня не соответствуют указанным критическим ограничениям, относящимся к осаждению твердоэлектролитного межфазного слоя. Таким образом, все еще существует потребность в обеспечении параметров осаждения, которые обеспечивают создание достаточного твердоэлектролитного межфазного слоя на аноде батареи. В настоящее время такой способ изготовления в указанной степени еще не исследован в области сепараторов для аккумуляторной батареи. Также эффективный достаточно простой и не вызывающий затруднений способ изготовления батареи, обеспечивающий достаточное напряжение пропитки и ток, достаточный для транспортировки электронов и осаждения электролита, является желательным в области изготовления перезаряжаемой батареи; до настоящего времени такой способ не разработан.The standards currently in force today do not meet these critical limitations related to the deposition of a solid electrolyte interfacial layer. Thus, there is still a need to provide deposition parameters that provide sufficient solid electrolyte interfacial layer at the battery anode. At present, such a manufacturing method has not yet been explored to this extent in the field of battery separators. Also, an efficient, reasonably simple and easy battery manufacturing method that provides sufficient impregnation voltage and sufficient current to transport electrons and deposit an electrolyte is desirable in the field of rechargeable battery manufacturing; So far, this method has not been developed.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Ввиду вышеуказанных недостатков литий-ионных батарей известных типов, в настоящее время представленных в уровне техники, настоящее изобретение обеспечивает усовершенствованную литийионную батарею и способ ее изготовления, которые преодолевают вышеуказанные недостатки и отрицательные стороны уровня техники. Также общая цель настоящего изобретения, которое подробно описано ниже, состоит в создании новой и усовершенствованной литий-ионной батареи и способа ее изготовления, которые имеют все преимущества над уровнем техники, описанным выше, а также множества новых признаков, результатом чего является литий-ионная батарея, которая не предполагается, не представлена очевидной, не предложена или даже не подразумеваема уровнем техники как по-отдельности, так и в любой комбинации вышесказанного.In view of the above disadvantages of known types of lithium ion batteries currently presented in the art, the present invention provides an improved lithium ion battery and a method for manufacturing the same, which overcomes the above disadvantages and disadvantages of the prior art. Also, the general object of the present invention, which is detailed below, is to provide a new and improved lithium ion battery and a method for its manufacture, which have all the advantages over the prior art described above, as well as many new features, resulting in a lithium ion battery which is not assumed, not made obvious, not suggested, or even implied by the prior art, either alone or in any combination of the foregoing.

Отличительное преимущество настоящего изобретения состоит в простоте изготовления литий- 2 039132 ионной батареи с эффективным и должным образом сформированным твердоэлектролитным межфазным слоем. Еще одно отличительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что ток, а не размер пор сепаратора, ограничивает скорость формирования твердоэлектролитного межфазного слоя. Еще одно отличительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что медленный процесс и высокое напряжение позволяют изготовить однородное и полное покрытие анода батареи.A distinctive advantage of the present invention lies in the ease of fabrication of a lithium ion battery with an efficient and properly formed solid electrolyte interfacial layer. Another distinctive advantage of the present invention is that the current, and not the pore size of the separator, limits the rate of formation of the solid electrolyte interfacial layer. Another distinct advantage of the present invention is that the slow process and high voltage allow a uniform and complete coating of the battery anode to be made.

Литий-железо-фосфатные (LFP) элементы имеют высокие характеристики скорости зарядки, хороший циклический ресурс и превосходную безопасность по сравнению с другими литий-ионными батареями (LIB). Нередко они конкурируют со свинцово-кислотными батареями в вариантах применения, таких как электровелосипеды, системы резервного электропитания и аварийного энергоснабжения (UPS), электропитание легких электротранспортных средств (вилочных электропогрузчиков, гольфкаров и т.п.) и сетевое накопление энергии. В этих вариантах применения они имеют значительные преимущества в отношении циклического ресурса, плотности энергии и скорости приема заряда. Однако они имеют недостатки, относящиеся к стоимости и безопасности. Преобразование этих элементов от полиолефиновых сепараторов к сепараторам Dreamweaver (DWI) Silver увеличит как безопасность, так и стоимость элементов, повышая их конкурентоспособность на указанных рынках. Это изменение также улучшит рабочие характеристики литий-железо-фосфатных (LFP) элементов в других вариантах применения, таких как инструменты с электрическим приводом, электробусы и т.п., где они сравнимы с никельметаллгидридными (NiMH) или другими литий-ионными батареями (LIB).Lithium Iron Phosphate (LFP) cells have high charging speed characteristics, good cycle life and superior safety compared to other Lithium Ion batteries (LIB). They often compete with lead-acid batteries in applications such as e-bikes, backup and emergency power systems (UPS), powering light electric vehicles (electric forklifts, golf carts, etc.) and grid energy storage. In these applications, they have significant advantages in terms of cycle life, energy density and charge acceptance rate. However, they have disadvantages related to cost and safety. Converting these elements from polyolefin cages to Dreamweaver (DWI) Silver cages will increase both the safety and cost of the elements, making them more competitive in these markets. This change will also improve the performance of Lithium Iron Phosphate (LFP) cells in other applications such as power tools, electric buses, etc. where they are comparable to Nickel Metal Hydride (NiMH) or other Lithium Ion Batteries (LIB ).

Однако некоторые начальные попытки прямой замены привели к высокому саморазряду после начального формирования элементов. Эти элементы имеют эксплуатационные характеристики, равные или лучшие во всех других отношениях, включая циклический ресурс, высокий температурный циклический ресурс, разрядную емкость при различных скоростях зарядки до 9С и выдерживающие полный набор испытаний на безопасность, включая термокамеру (150-190°С), перегрузку, короткое замыкание и протыкание гвоздем. После многократных циклов элементы также показали низкий саморазряд. Таким образом, стало очевидным, что возникли различия в начальном ресурсе элемента, и имело смысл исследовать формирование SEI-слоя в качестве средства для снижения начального саморазряда элементов.However, some initial attempts at direct replacement resulted in high self-discharge after initial cell formation. These cells have performance equal to or better in all other respects, including cycle life, high temperature cycle life, discharge capacity at various charge rates up to 9C, and pass a full range of safety tests including thermal chamber (150-190°C), overload , short circuit and pierce with a nail. After multiple cycles, the cells also showed low self-discharge. Thus, it became apparent that there were differences in the initial life of the cell, and it made sense to investigate the formation of the SEI layer as a means to reduce the initial self-discharge of the cells.

Соответственно настоящее изобретение относится к способу изготовления литий-ионной батареи. Способ включает следующие этапы: сборка элемента, имеющего внутренний объем, содержащий анод, катод и сепаратор; заполнение внутреннего объема элемента электролитом; присоединение анода и катода к зарядному устройству; зарядка элемента со скорость зарядки, которая меньше чем или равна С/6, пока элемент не достигнет максимального напряжения; и зарядка элемента при напряжении, которое выше, чем заданное напряжение, в течение более 6 ч. Настоящее изобретение также включает способ, согласно которому указанное напряжение больше или равно 3,4 В. Настоящее изобретение также включает способ, согласно которому указанное напряжение больше чем 3,4 В.Accordingly, the present invention relates to a method for manufacturing a lithium ion battery. The method includes the following steps: assembly of an element having an internal volume containing an anode, a cathode and a separator; filling the internal volume of the cell with electrolyte; connecting the anode and cathode to the charger; charging the cell at a charging rate that is less than or equal to C/6 until the cell reaches its maximum voltage; and charging the cell at a voltage that is higher than the specified voltage for more than 6 hours. The present invention also includes a method in which said voltage is greater than or equal to 3.4 V. The present invention also includes a method in which said voltage is greater than 3 .4 V.

Такой способ изготовления еще не исследован в уровне техники перезаряжаемой батареи, в частности, в отношении способности обеспечения достаточного твердоэлектролитного межфазного слоя, который может уменьшать саморазряд перезаряжаемой батареи. Использование тока является особенно важным, так что конкретные параметры обеспечивают достаточный твердоэлектролитный межфазный слой таким образом, что идеальный приложенный ток составляет не больше чем С/4, предпочтительно не больше чем С/6 и более предпочтительно не больше чем С/10 (где С - скорость зарядки, необходимая для зарядки элемента до полной емкости за один час). Кроме того, использование напряжения также является очень важным, поскольку конкретные параметры обеспечивают создание достаточного твердоэлектролитного межфазного слоя, так что идеальное напряжение составляет больше чем 3,3 В, предпочтительно 3,6 В и более предпочтительно 3,9 В. Кроме того, использование тока, необходимого для поддерживания напряжения больше 3,6 В в течение достаточного количества времени, происходит в течение больше чем 6 ч, предпочтительно больше чем 9 ч, более предпочтительно больше чем 12 ч. Этот процесс обеспечивает возможность образования SEI-слоя со скоростью, которая ограничена током (но не размером пор сепаратора), и также обеспечивает возможность медленного процесса при высоком напряжении, которое продолжает действовать, для заполнения любых промежутков на поверхности анода и достижения равномерного полного покрытия анода.Such a manufacturing method has not yet been explored in the prior art of a rechargeable battery, in particular, with respect to the ability to provide a sufficient solid electrolyte interfacial layer, which can reduce the self-discharge of a rechargeable battery. The use of current is particularly important so that specific parameters provide sufficient solid electrolyte interfacial layer such that the ideal applied current is no more than C/4, preferably no more than C/6, and more preferably no more than C/10 (where C is charge rate required to charge a cell to full capacity in one hour). In addition, the use of voltage is also very important, since specific parameters ensure that the solid electrolyte interfacial layer is sufficiently formed, so that the ideal voltage is greater than 3.3V, preferably 3.6V, and more preferably 3.9V. In addition, the use of current required to maintain a voltage greater than 3.6 V for a sufficient amount of time occurs for more than 6 hours, preferably more than 9 hours, more preferably more than 12 hours. This process allows the SEI layer to form at a rate that is limited current (but not the pore size of the separator), and also allows a slow process with high voltage, which continues to operate, to fill any gaps on the anode surface and achieve a uniform complete coverage of the anode.

Кроме того, следует отметить, что несмотря на то, что в настоящем изобретении описан однослойный сепаратор, содержащий микроволокна и нановолокна, использование множества слоев такой тканевой структуры или одного слоя описанной ткани сепаратора для батареи по меньшей мере с одним другим слоем отличающегося типа ткани также могут быть применены в настоящем изобретении и попадают в объем охраны всего настоящего изобретения, описанного в настоящей заявке.In addition, it should be noted that although the present invention describes a single-layer separator containing microfibers and nanofibers, the use of multiple layers of such a fabric structure or one layer of the disclosed battery separator fabric with at least one other layer of a different type of fabric can also be applied in the present invention and fall within the scope of protection of the entire present invention described in this application.

Такие сепараторы для батареи, описанные в настоящей заявке, являются явно пригодными для усовершенствования известных первичных и перезаряжаемых батарей, но также могут использоваться для других форм электролитопроводящих технологий аккумулирования энергии, таких как конденсаторы, суперконденсаторы и ультраконденсаторы. Действительно, управление, обеспечиваемое размером пор у таких сепараторов согласно настоящему изобретению, позволяет значительно снизить потери энергии, увеличить энергоотдачу и улучшить другие характеристики этих устройств.Such battery separators as described herein are clearly suitable for upgrading known primary and rechargeable batteries, but can also be used for other forms of electrolyte conductive energy storage technologies such as capacitors, supercapacitors and ultracapacitors. Indeed, the control provided by the pore size of such separators according to the present invention can significantly reduce energy losses, increase energy efficiency and improve other characteristics of these devices.

Кроме того, такие сепараторы для батареи, которые включают формирование SEI-слоя непосредст- 3 039132 венно на волокнах, имеют уменьшенный размер пор, необходимый для хорошего разделения. ПосколькуIn addition, such battery separators, which include forming the SEI layer directly on the fibers, have a reduced pore size necessary for good separation. Because the

SEI-слой, как известно, является проводящим для ионов лития, сепараторы с SEI-слоем, образованным на них, также имеют высокую ионную проводимость, необходимую для быстрой и эффективной зарядки и разрядки устройства.The SEI layer is known to be conductive for lithium ions, separators with the SEI layer formed on them also have high ionic conductivity, necessary for fast and efficient charging and discharging of the device.

Эти и другие объекты настоящего изобретения, наряду с различными признаками новизны, которые характеризуют настоящее изобретение, определены в приложенной формуле, которая включена в состав настоящего изобретения и является его частью. Для лучшего понимания настоящего изобретения, его эксплуатационных преимуществ и конкретных задач, решенных его использованиями, ссылка выполнена на сопроводительные чертежи и текстовый материал, в котором описаны варианты реализации настоящего изобретения.These and other aspects of the present invention, along with the various features of novelty that characterize the present invention, are defined in the appended claims, which are included in and form part of the present invention. For a better understanding of the present invention, its operational advantages and the specific problems solved by its use, reference is made to the accompanying drawings and text material, which describes embodiments of the present invention.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Новые признаки, представляющие характеристику раскрытого объекта настоящего изобретения, сформулированы в пунктах формулы, приложенной ниже. Однако сам раскрытый объект настоящего изобретения, а также предпочтительный режим его использования, его дополнительные задачи и преимущества будут лучше поняты после прочтения следующего ниже подробного описания приведенного в качестве примера варианта реализации в соединении с сопроводительными чертежами, на которых на фиг. 1 схематически представлен твердоэлектролитный межфазный слой на углеродсодержащем аноде литий-ионной батареи;New features representing a characteristic of the disclosed subject matter of the present invention are set forth in the claims appended below. However, the disclosed subject matter of the present invention itself, as well as its preferred mode of use, its additional objects and advantages, will be better understood upon reading the following detailed description of an exemplary embodiment in conjunction with the accompanying drawings, in which FIG. 1 is a schematic representation of a solid electrolyte interfacial layer on a carbon-containing anode of a lithium-ion battery;

на фиг. 2 и 3 показаны микрофотографии, полученные с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) на уровнях усиления 1000 и 2000, одного потенциально предпочтительного варианта реализации структуры сепаратора для батареи, выполненного из нетканого материала на основе микроволокон/нановолокон;in fig. 2 and 3 are scanning electron microscope (SEM) micrographs at 1000 and 2000 gain levels of one potentially preferred embodiment of a microfiber/nanofiber nonwoven battery separator structure;

на фиг. 4 и 5 показаны СЭМ-микрофотографии, полученные на уровнях усиления 5000 и 10000, еще одного потенциально предпочтительного варианта реализации структуры сепаратора для батареи из нетканого материала на основе микроволокон/нановолокон согласно настоящему изобретению;in fig. 4 and 5 show SEM micrographs taken at gain levels of 5000 and 10000 of another potentially preferred embodiment of the microfiber/nanofiber nonwoven battery separator structure of the present invention;

на фиг. 6 показан график, отображающий сравнение емкости после саморазряда и напряжение открытой ячейки после саморазряда для элементов, выполненных с электродами от изготовителя А;in fig. 6 is a graph showing a comparison of capacitance after self-discharge and open cell voltage after self-discharge for cells made with electrodes from manufacturer A;

на фиг. 7 показана гистограмма, отображающая влияние параметра формирования на емкость элемента после формирования для элементов от изготовителя А;in fig. 7 is a bar graph showing the effect of shaping parameter on cell capacity after shaping for cells from manufacturer A;

на фиг. 8 показана гистограмма, отображающая влияние параметра формирования на остаточную емкость после саморазряда для элементов, выполненных с электродами от изготовителя А;in fig. 8 is a bar graph showing the influence of the formation parameter on the residual capacity after self-discharge for cells made with electrodes from manufacturer A;

на фиг. 9 показан график, отображающий взаимную корреляцию между временем первоначальной зарядки и саморазрядом в литий-ионных батареях для элементов, выполненных с электродами от изготовителя А;in fig. 9 is a graph showing the cross-correlation between initial charge time and self-discharge in lithium-ion batteries for cells made with electrodes from manufacturer A;

на фиг. 10 показан график, отображающий сравнение емкости (мА-ч) после саморазряда и напряжения (В) после саморазряда для элементов, выполненных с электродами от изготовителя В;in fig. 10 is a graph showing a comparison of capacity (mAh) after self-discharge and voltage (V) after self-discharge for cells made with electrodes from manufacturer B;

на фиг. 11 показана гистограмма, отображающая действие параметра формирования на емкость элемента после формирования для элементов, выполненных с электродами от изготовителя В;in fig. 11 is a bar graph showing the effect of shaping parameter on cell capacitance after shaping for cells made with electrodes from manufacturer B;

на фиг. 12 показана гистограмма, отображающая действие параметра формирования на остаточную емкость после саморазряда для элементов, выполненных с электродами от изготовителя В;in fig. 12 is a bar graph showing the effect of formation parameter on residual capacity after self-discharge for cells made with electrodes from manufacturer B;

на фиг. 13 показан график, отображающий взаимную корреляцию между временем первоначальной зарядки и саморазрядом в литий-ионных батареях для элементов, выполненных с электродами от изготовителя В;in fig. 13 is a graph showing the cross-correlation between initial charge time and self-discharge in lithium-ion batteries for cells made with electrodes from manufacturer B;

на фиг. 14 и 15 показаны СЭМ-микрофотографии приведенного для сравнения известного сепаратора CELGARD® 2400, полученные при уровне усиления 15000 до и после разборки литий-железофосфатного элемента и не имеющие заметного формирования SEI-слоя на сепараторе;in fig. 14 and 15 show SEM micrographs of a comparative prior art CELGARD® 2400 separator taken at a gain level of 15000 before and after disassembly of the lithium iron phosphate cell and showing no noticeable SEI layer formation on the separator;

на фиг. 16 показана СЭМ-микрофотография сепаратора Dreamweaver Silver 25, полученная при уровне усиления 5000 перед вставкой в литий-железо-фосфатный элемент;in fig. 16 shows a SEM micrograph of a Dreamweaver Silver 25 separator taken at a gain of 5000 before being inserted into a lithium iron phosphate cell;

на фиг. 17 и 18 показаны СЭМ-микрофотографии сепараторов Dreamweaver Silver 25, полученные при уровнях усиления 3000 и 5000 после разборки литий-железо-фосфатного элемента, имеющие значительное формирование SEI-слоя на сепараторе;in fig. 17 and 18 show SEM micrographs of Dreamweaver Silver 25 separators taken at gain levels of 3000 and 5000 after disassembly of the lithium iron phosphate cell, showing significant SEI layer formation on the separator;

на фиг. 19 представлен график, показывающий кривые 2-ух и 50-ти циклов зарядки-разрядки литийжелезо-фосфатных элементов, циклически обрабатываемых при напряжении от 2,4 до 3,6 В, для сравнения элементов, выполненных с сепараторами CELGARD® 2400 и Dreamweaver Silver 25;in fig. 19 is a graph showing 2 and 50 charge/discharge curves for Lithium Iron Phosphate cells cycled at 2.4 to 3.6V to compare cells made with CELGARD® 2400 and Dreamweaver Silver 25 separators. ;

на фиг. 20 представлен график, показывающий емкость в течение первых 50 циклов литий-железофосфатных элементов, циклически обрабатываемых в режиме 1С при напряжениях от 2,4 до 3,6 В, для сравнения элементов, выполненных с известным сепаратором CELGARD® 2400 и сепаратором Dreamweaver Silver 25 согласно настоящему изобретению;in fig. 20 is a graph showing the capacity during the first 50 cycles of lithium iron phosphate cells cycled in 1C mode at voltages from 2.4 to 3.6 V, for comparison of cells made with the known CELGARD® 2400 separator and the Dreamweaver Silver 25 separator according to the present invention;

на фиг. 21 представлен график, показывающий скоростные характеристики подобных элементов в режимах 1С, 2С и 4С, также для сравнения элементов, выполненных с известным сепаратором CELGARD® 2400 и сепаратором Dreamweaver Silver 25 согласно настоящему изобретению;in fig. 21 is a graph showing the speed characteristics of similar elements in 1C, 2C and 4C modes, also for comparison of elements made with the known CELGARD® 2400 separator and the Dreamweaver Silver 25 separator according to the present invention;

- 4 039132 на фиг. 22 показан разобранный вид перезаряжающейся литий-ионной батареи согласно настоящему изобретению, которая содержит сепаратор для батареи согласно настоящему изобретению.- 4 039132 in FIG. 22 is an exploded view of a rechargeable lithium ion battery according to the present invention, which includes a battery separator according to the present invention.

Одинаковые позиционные номера относятся к одинаковым частям на всех чертежах.Like reference numbers refer to like parts throughout the drawings.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Все признаки этого изобретения и его предпочтительных вариантов реализации подробно описаны ниже со ссылкой на сопроводительные, но не ограничивающие чертежи и иллюстративные примеры.All features of this invention and its preferred embodiments are described in detail below with reference to the accompanying, but not limiting, drawings and illustrative examples.

Определения.Definitions.

Твердоэлектролитный межфазный слой (SEI-слой) - слой материала, образованного на углеродсодержащем аноде в результате разложения электролита.Solid electrolyte interfacial layer (SEI layer) - a layer of material formed on a carbon-containing anode as a result of electrolyte decomposition.

Формирование - процесс, используемый для создания SEI-слоя, в целом определяемый присоединением элемента к зарядному устройству, выполненному с возможностью управления током и напряжением и зарядкой элемента согласно заданному профилю напряжения и тока.Shaping is the process used to create the SEI layer, generally defined by attaching a cell to a charger capable of controlling current and voltage and charging the cell according to a predetermined voltage and current profile.

Углеродсодержащий анод - это электрод, выполненный с возможностью приема ионов лития и включающий углеродсодержащие материалы, такие как графит, твердый углерод, активированный уголь и другие, в целом используемые в изготовлении литий-ионных батарей. Анодом в целом является покрытие на проводящем материале, который используется для распространения и сбора электронного тока и называется токосборником. Общеупотребительным материалом для токосборника анода является медная фольга.A carbon-containing anode is an electrode capable of receiving lithium ions and including carbon-containing materials such as graphite, hard carbon, activated carbon, and others generally used in the manufacture of lithium-ion batteries. An anode in general is a coating on a conductive material that is used to propagate and collect electron current and is called a current collector. A common material for an anode current collector is copper foil.

Катод - это электрод, выполненный с возможностью приема ионов лития, которые в целом содержат композиции окиси лития, такие как литий-железо-фосфат, углекислый литий, никелевый карбонат марганца и другие композиции, в целом используемые в данной области техники. В других случаях могут использоваться композиции на основе серы, шпинели, литиевая окись марганца и другие композиции, известные в данной области техники. Катоды в целом также имеют токосборник, который в современной практике является алюминиевой фольгой.The cathode is an electrode capable of receiving lithium ions, which generally comprise lithium oxide compositions such as lithium iron phosphate, lithium carbonate, manganese nickel carbonate, and other compositions generally used in the art. In other cases, compositions based on sulfur, spinels, lithium manganese oxide and other compositions known in the art can be used. Cathodes in general also have a current collector, which in modern practice is aluminum foil.

Электролит - это жидкость, в которой могут быть растворены соли лития и которая используется для транспортировки ионов лития от анода к катоду. Примеры включают этиленкарбонат, пропиленкарбонат, диэтилкарбонат, диметилкарбонат, смеси всех веществ из указанных выше и другие вещества. Электролиты также могут содержать добавки и, в частности, добавки, облегчающие формирование SEIслоя.An electrolyte is a liquid in which lithium salts can be dissolved and is used to transport lithium ions from the anode to the cathode. Examples include ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, mixtures of all of the above and others. The electrolytes may also contain additives, and in particular additives to facilitate the formation of the SEI layer.

С-параметр - определяется током, требуемым для зарядки элемента до полной емкости. 1С - скорость зарядки, при которой требуемый ток является достаточным для зарядки элемента до полной емкости за один час и которая в целом равна емкости С элемента, разделенной на один час. Таким образом, для элемента емкостью 1 А-ч ток зарядки при скорости 1С составляет 1А. Скорость 2С зарядки соответствует удвоенному такому току, и скорость зарядки 0,5С соответствует половине этого тока.C-parameter - is determined by the current required to charge the cell to full capacity. 1C is the charging rate at which the required current is sufficient to charge the cell to full capacity in one hour and which is generally equal to the cell's capacity C divided by one hour. Thus, for a cell with a capacity of 1 Ah, the charging current at a rate of 1C is 1A. A 2C charge rate corresponds to twice that current, and a 0.5C charge rate corresponds to half that current.

Изготовление микроволокна и нановолокна.Manufacturing of microfibers and nanofibers.

Как указано выше, микроволокно может быть выполнено из любого полимера (или смеси полимеров), который имеет подходящую стойкость к химическому воздействию и термостойкость, отвечающие внутренним условиям элемента, а также способность образовывать подходящие волокнистые структуры в указанных диапазонах. Такие волокна также могут иметь потенциальную способность выдерживать обработку фибриллированием или подобной технологией для увеличения площади поверхности самих волокон для облегчения запутывания во время изготовления нетканого материала. Такие волокна могут быть выполнены давно известными способами изготовления волокна, такими как формование из расплава, мокрое прядение, формование из раствора, выдувание расплава и т.п. Кроме того, такие волокна могут начинаться как двухкомпонентные волокна и иметь размер и/или форму, уменьшаемые или изменяемые в процессе дальнейшей обработки с получением таких волокон, как волокна типа сегментированного пирога (splittable pie fibers), волокна типа острова в море (islands-in-the-sea) и т.п. Такие волокна могут быть разрезаны на отрезки соответствующей длины для дальнейшей обработки, длина которых может составлять меньше чем 50 мм, или меньше чем 25 мм, или даже меньше чем 12 мм. Такие волокна также могут иметь увеличенную длину для придания улучшенной технологичности или повышенной прочности, более походящей для отрезков, имеющих длину более чем 0,5 мм, более чем 1 мм или даже более чем 2 мм. Такие волокна также могут быть фибриллированы в волокна уменьшенного размера или волокна, которые предпочтительно образуют нетканые материалы, полученные влажным формованием.As indicated above, the microfiber can be made from any polymer (or mixture of polymers) that has suitable chemical resistance and heat resistance to match the internal conditions of the element, as well as the ability to form suitable fibrous structures within the indicated ranges. Such fibers may also have the potential to withstand fibrillation or the like to increase the surface area of the fibers themselves to facilitate entanglement during nonwoven fabrication. Such fibers can be made by well-known fiber manufacturing methods such as melt spinning, wet spinning, solution spinning, melt blowing, and the like. In addition, such fibers can start as bicomponent fibers and have a size and/or shape that is reduced or changed during further processing to obtain such fibers as fibers of the segmented pie type (splittable pie fibers), island-in-the-sea fibers (islands-in -the-sea), etc. Such fibers may be cut into appropriate lengths for further processing, which may be less than 50 mm, or less than 25 mm, or even less than 12 mm. Such fibers may also be extended in length to provide improved processability or increased strength more suitable for lengths greater than 0.5 mm, greater than 1 mm, or even greater than 2 mm. Such fibers can also be fibrillated into downsized fibers or fibers which preferably form wet-spun nonwovens.

Нановолокна для использования в настоящем изобретении могут быть выполнены в соответствии с различными давно известными технологиями, такими как острова в море, центрифугальное прядение, электроспиннинг, пленочное или волоконное фибриллирование и т.п. Компании, такие как Teijin и Hills, поставляют потенциально предпочтительные нановолокна типа острова в море (нановолокна компании Teijin поставляются как волокна NanoFront из полиэтилентерефталата диаметром 500-700 нм). Компании, такие как Dienes и FiberRio, поставляют оборудование для изготовления нановолокон с использованием технологии центрифугального прядения. Компания Xanofi поставляет волокна и оборудование для его изготовления с использованием технологии дисперсии жидкости с высокой сдвиговой скоростью. Полиарамиды в форме нановолокна, изготавливаемые компанией DuPont, показывают превосходную жаростойкость, а также другие особенно предпочтительные свойства.The nanofibers for use in the present invention can be made according to various well-known technologies such as islands in the sea, centrifugal spinning, electrospinning, film or fiber fibrillation, and the like. Companies such as Teijin and Hills supply potentially preferred island-in-the-sea type nanofibers (Teijin's nanofibers are supplied as PET NanoFront fibers 500-700 nm in diameter). Companies such as Dienes and FiberRio supply equipment for making nanofibers using centrifugal spinning technology. Xanofi supplies fibers and equipment for its manufacture using high shear liquid dispersion technology. Nanofiber-shaped polyaramids manufactured by DuPont show excellent heat resistance as well as other particularly advantageous properties.

- 5 039132- 5 039132

Изготовление нановолокна способом электроспиннинга осуществляется в компаниях DuPont, ESpin Technologies или с использованием оборудования, поставляемого с этой целью компанией Elmarco. Нановолокна, фибриллированные из пленок, раскрыты в патентах США №№ 6110588; 6432347 и 6432532, которые посредством ссылки полностью включены в настоящий документ. Нановолокна, фибриллированные из других волокон, могут быть изготовлены путем абразивной обработки с высокой сдвиговой скоростью. Нановолокна, выполненные из фибриллированных целлюлозных и полиакрилонитрильных волокон, поставляются компанией Engineered Fiber Technologies под фирменным знаком EFTEC™. Любые такие нановолокна также могут быть подвергнуты разрезанию и суспендированию с высокой сдвиговой скоростью для разделения волокон и обеспечения возможности их мокрой выкладки с целью получения нетканого материала. Такая обработка с высокой сдвиговой скоростью может осуществляться как в присутствии необходимых микроволокон, так и без них.The production of nanofibers by electrospinning is carried out by DuPont, ESpin Technologies or using equipment supplied for this purpose by Elmarco. Nanofibers fibrillated from films are disclosed in US Pat. Nos. 6,110,588; 6432347 and 6432532, which are incorporated herein by reference in their entirety. Nanofibers fibrillated from other fibers can be made by high shear abrasive processing. Nanofibers made from fibrillated cellulose and polyacrylonitrile fibers are available from Engineered Fiber Technologies under the brand name EFTEC™. Any such nanofibers can also be cut and slurried at high shear to separate the fibers and allow them to be wet-laid into a nonwoven fabric. This high shear treatment can be carried out with or without the necessary microfibers.

Нановолокна, полученные фибриллированием, в целом имеют поперечное аспектное отношение (отношение длины коротких волокон к их диаметру), которое отличается от волокон, первоначально выполненных как нановолокна типичным способом (например, в соответствии с технологией острова в море). Одно такое поперечное аспектное отношение подробно описано в патенте США № 6110588, который посредством ссылки полностью включен в настоящий документ. Также согласно одному предпочтительному варианту реализации нановолокна имеют поперечное аспектное отношение больше чем 1,5:1, предпочтительно больше чем 3,0:1, более предпочтительно больше чем 5,0:1.Fibrillated nanofibers generally have a cross-sectional aspect ratio (ratio of the length of short fibers to their diameter) that is different from fibers originally made as nanofibers in a typical manner (eg, island-in-the-sea technology). One such transverse aspect ratio is described in detail in US Pat. No. 6,110,588, which is incorporated herein by reference in its entirety. Also in one preferred embodiment, the nanofibers have a cross aspect ratio greater than 1.5:1, preferably greater than 3.0:1, more preferably greater than 5.0:1.

Также волокна из акриловой смолы, полиэстера, целлюлозы и полиолефина являются особенно предпочтительными для этой цели, причем потенциально наиболее предпочтительными являются фибриллированные волокна из акриловой смолы и целлюлозы. Однако опять же, это предлагается исключительно как свидетельство относительно потенциально предпочтительного типа полимера для этой цели и не предназначено для ограничения объема охраны возможных полимерных материалов или полимерных смесей, используемых для этой цели.Also acrylic, polyester, cellulose and polyolefin fibers are particularly preferred for this purpose, with fibrillated acrylic and cellulose fibers being potentially the most preferred. However, again, this is offered solely as an indication of the potentially preferred type of polymer for this purpose and is not intended to limit the scope of protection for possible polymeric materials or polymer blends used for this purpose.

На фиг. 1 схематически показан твердоэлектролитный межфазный слой, сформированный на углеродсодержащем аноде литий-ионной батареи.In FIG. 1 schematically shows a solid electrolyte interfacial layer formed on a carbon-containing anode of a lithium-ion battery.

В литий-ионных батареях электролит является нестабильным в присутствии анода (углеродсодержащего анода). Из-за этого электролит разлагается и образует на аноде поверхностный слой, называемый твердоэлектролитным межфазным слоем, который формируется на поверхности анода из разложенного и полимеризованного электролита. Этот слой также предотвращает разложение электролита и является проводящим для ионов лития, обеспечивая таким образом возможность многократного заряжания и разряжения батареи.In lithium ion batteries, the electrolyte is unstable in the presence of an anode (carbon anode). Because of this, the electrolyte decomposes and forms a surface layer on the anode, called a solid electrolyte interfacial layer, which is formed on the anode surface from the decomposed and polymerized electrolyte. This layer also prevents electrolyte degradation and is conductive to lithium ions, thus allowing the battery to be repeatedly charged and discharged.

В случае обычных сепараторов ионов лития с размером пор 0,01 мкм, или 10 нм, формирование SEI-слоя происходит медленно из-за медленного перемещения электролита к поверхности анода. Таким образом, сепаратор действует в качестве регулятора процесса формирования SEI-слоя.In the case of conventional lithium ion separators with a pore size of 0.01 µm, or 10 nm, the formation of the SEI layer is slow due to the slow movement of the electrolyte towards the anode surface. Thus, the separator acts as a regulator of the formation of the SEI layer.

В промышленных условиях изготовители пытаются осуществлять этот процесс как можно быстрее, используя минимальный ток и самое низкое напряжение для минимизации времени и расходов, связанных с этим процессом, и максимизации использования оборудования.In an industrial setting, manufacturers try to run this process as quickly as possible, using the lowest current and lowest voltage to minimize the time and cost associated with this process and maximize equipment utilization.

В случае с неткаными сепараторами, которые имеют размер пор больше чем 10 нм, а чаще порядка 200-500 нм, формирование SEI-слоя не зависит от размера пор сепаратора и происходит быстрее. В этом случае образуется слой, который является неровным, более открытым и полностью не защищает анод, допуская возможность дальнейшего разложения. Таким образом, для образования SEI-слоя в случае сепараторов из нетканых материалов требуется больше времени.In the case of non-woven separators, which have a pore size greater than 10 nm, and more often of the order of 200-500 nm, the formation of the SEI layer does not depend on the pore size of the separator and is faster. In this case, a layer is formed that is uneven, more open and does not completely protect the anode, allowing further decomposition to occur. Thus, for the formation of the SEI layer in the case of separators made of nonwoven materials, more time is required.

Одна из проблем состоит в том, что если используется обычный процесс формирования литийионных батарей с нетканым сепаратором или каким-либо другим сепаратором, имеющим высокую пористость и большой размер пор, SEI-слой образуется не полностью, и области анода все еще остаются открытыми для электролита. Если это происходит, когда элемент извлечен из процесса формирования (отсоединен электрически), SEI-слой продолжает формироваться, и в этом процессе расходуется заряд элемента. Такое продолжение формирования SEI-слоя может быть ошибочно истолковано как мягкое короткое замыкание (soft short) внутри элемента и может привести к быстрому саморазряду, пока элемент не сформирован должным образом.One problem is that if a conventional lithium ion battery formation process with a non-woven separator or some other separator having high porosity and large pore size is used, the SEI layer is not completely formed and the anode regions are still exposed to the electrolyte. If this happens when the cell is removed from the formation process (disconnected electrically), the SEI layer continues to form and the cell's charge is consumed in this process. Such continued formation of the SEI layer can be misinterpreted as a soft short circuit (soft short) inside the cell and can lead to rapid self-discharge until the cell is not properly formed.

Одним потенциально предпочтительным вариантом реализации исходной комбинации микроволокна и нановолокон являются волокна EFTEC™ А-010-4 из фибриллированного полиакрилонитрила (фиг. 2 и 3), которые имеют большое количество нановолокон, а также остаточные микроволокна. Результирующие нановолокна, присутствующие в таком сочетании, являются результатом фибриллирования исходных микроволокон. Нетканые листы, выполненные из этих материалов, показаны на фиг. 2 и 3. Например, эти волокна могут использоваться в качестве основного материала, к которому могут быть добавлены дополнительные микроволокна или дополнительные нановолокна для управления размером пор и другими свойствами нетканого материала, или такой материал может быть использован непосредственно в качестве сепаратора из нетканого материала для батареи. Примеры таких листов с добавленными дополнительными микроволокнами показаны на фиг. 4 и 5. Типичные свойства акриловых микро/нановолокон показаны ниже в табл. 1.One potentially preferred embodiment of the original combination of microfiber and nanofibers is EFTEC™ A-010-4 fibrillated polyacrylonitrile fibers (FIGS. 2 and 3), which have a high amount of nanofibers as well as residual microfibers. The resulting nanofibers present in this combination are the result of fibrillation of the original microfibers. Nonwoven sheets made from these materials are shown in FIG. 2 and 3. For example, these fibers can be used as a base material to which additional microfibers or additional nanofibers can be added to control the pore size and other properties of the nonwoven, or such material can be used directly as a battery nonwoven separator. . Examples of such sheets with additional microfibers added are shown in FIG. 4 and 5. Typical properties of acrylic micro/nanofibers are shown in Table 1 below. one.

- 6 039132- 6 039132

Таблица 1Table 1

Свойства акрилового микро/нановолокна Acrylic Micro/Nanofiber Properties Плотность, г/см3 Density, g / cm 3 1,17 1.17 Прочность при растяжении, МПа Модуль упругости, ГПа Удлинение, % Типичная длина волокна, мм Садкость массы по канадскому стандарту, мл Tensile strength, MPa Modulus of elasticity, GPa Elongation, % Typical fiber length, mm Freeness of the mass according to the Canadian standard, ml 450 6,0 15 4,5-6,5 10-700 450 6.0 fifteen 4.5-6.5 10-700 Удельная поверхность БЭТ (по методу Брунауэра-Эммета-Теллера), м2BET specific surface area (according to the Brunauer-Emmett-Teller method), m 2 /g 50 fifty Равновесная влажность, % Equilibrium humidity, % <2,0 <2.0 Поверхностный заряд Surface charge Анионный anionic

Другим потенциально предпочтительным вариантом реализации исходного сочетания микроволокна и нановолокон являются фибриллированные целлюлозные волокна EFTEC™ L-010-4 (фиг. 2 и 3), которые имеют большое количество нановолокон, а также остаточные микроволокна. Результирующие нановолокна, присутствующие в таком сочетании, являются результатом фибриллирования исходных микроволокон. Например, эти волокна могут использоваться в качестве основного материала, к которому могут быть добавлены дополнительные микроволокна или дополнительные нановолокна для управления размером пор и другими свойствами нетканого материала, или такой материал может быть непосредственно использован в качестве сепаратора из нетканого материала для батареи.Another potentially preferred embodiment of the original combination of microfibers and nanofibers is EFTEC™ L-010-4 fibrillated cellulose fibers (FIGS. 2 and 3), which have a high amount of nanofibers as well as residual microfibers. The resulting nanofibers present in this combination are the result of fibrillation of the original microfibers. For example, these fibers can be used as a base material to which additional microfibers or additional nanofibers can be added to control the pore size and other properties of the nonwoven material, or such material can be directly used as a battery nonwoven separator.

Такие волокна по существу присутствуют, как описано выше, в пульпообразной композиции, таким образом облегчая их ввод в схему изготовления нетканого материала влажным формованием.Such fibers are substantially present, as described above, in the slurry composition, thus facilitating their incorporation into a nonwoven wet-spinning circuit.

Способ изготовления нетканых материалов.Method for the manufacture of non-woven materials.

Ниже оценены сочетания материалов для обеспечения различных концентраций обоих компонентов до их совместного ввода в процесс изготовления влажным формованием. Листы ручного отлива могут быть выполнены по методу испытания Т-205 согласно рекомендации TAPPI, который посредством ссылки полностью включен в настоящий документ (этот метод в основном, как описано выше, включает их смешивание в композиции водного растворителя с очень высокой концентрацией и при высокой сдвиговой скорости, что обычно используется при изготовлении влажным формованием и описано как рафинирование волокон, и, наконец, укладку влажной структуры на плоскую поверхность для испарения растворителя).Combinations of materials are evaluated below to provide various concentrations of both components prior to their joint introduction into the wet molding process. Handcast sheets can be made using the TAPPI test method T-205, which is incorporated herein by reference in its entirety (this method basically, as described above, involves mixing them in a very high concentration and high shear rate aqueous solvent formulation). , which is commonly used in wet spinning fabrication and is described as refining the fibers, and finally laying the wet structure on a flat surface to evaporate the solvent).

Подобие структур нетканых материалов на фиг. 4 и 5 (большие микроволокна и меньшие нановолокна) является очевидным, и уменьшенное количество нановолокон в этих структурах также является очевидным на этих микрофотоснимках.The similarity of the nonwoven fabric structures in FIG. 4 and 5 (larger microfibers and smaller nanofibers) is evident, and the reduced amount of nanofibers in these structures is also evident in these micrographs.

Способ изготовления и формирования элемента, как представлено в табл. 3, включает следующие этапы:The method of manufacturing and forming the element, as presented in table. 3 includes the following steps:

Сушка сепаратора для удаления остаточной воды в воздушно-сушильном шкафу, конвекционной сушильной камере, камере с принудительной подачей воздуха, вакуумном сушильном шкафу или другом сушильном шкафу, известном в данной области техники. Этот этап является менее необходимым и также имеет ограничения по температуре для сепараторов из полиолефина. В случае нетканого сепаратора остаточная вода может быть удалена из листов ручной укладки сушкой в сушильном шкафу в течение 1 ч при температуре 100°С. Более предпочтительно такая сушка должна продолжаться в течение 3 ч или наиболее предпочтительно в течение 12 ч. Более предпочтительной является температура 110°С, и самой предпочтительной является температура 130°С. Для материала в рулонах время и требуемая температура могут зависеть от размера и укладки рулона, но в целом время сушки в течение 12 ч при температуре 100°С может быть достаточным. Однако температура 110°С может быть более предпочтительной для сушки, и самой предпочтительной может быть температура 130°С. Кроме того, время сушки в течение 24 ч может быть более предпочтительным для удаления остаточной влаги, и наиболее предпочтительным является время сушки 48 ч.Drying the separator to remove residual water in an air dryer, convection dryer, forced air dryer, vacuum dryer, or other dryer known in the art. This step is less necessary and also has temperature limitations for polyolefin cages. In the case of a non-woven separator, residual water can be removed from the hand-laid sheets by drying in an oven for 1 hour at 100°C. More preferably, such drying should be continued for 3 hours, or most preferably for 12 hours. A temperature of 110°C is more preferred, and a temperature of 130°C is most preferred. For material in rolls, the time and temperature required may depend on the size and placement of the roll, but in general a drying time of 12 hours at 100°C may be sufficient. However, a temperature of 110°C may be more preferable for drying, and a temperature of 130°C may be most preferred. In addition, a drying time of 24 hours may be preferred to remove residual moisture, and a drying time of 48 hours is most preferred.

Сборка элементов.Assembly of elements.

Сборка может быть выполнена согласно любому известному способу и для любой формы элемента. Процедуры могут включать намотку, пакетирование, ламинирование или другие операции. Форматы элемента могут включать цилиндрические элементы различных форм и размеров, хорошо известных в данной области техники, а также полимерные элементы и призматические элементы, оба из которых также могут иметь формы и размеры, хорошо известные в данной области техники.The assembly can be performed according to any known method and for any shape of the element. The procedures may include winding, bundling, laminating, or other operations. Element formats can include cylindrical elements of various shapes and sizes well known in the art, as well as polymer elements and prismatic elements, both of which can also have shapes and sizes well known in the art.

Сушка элементов.Drying items.

В некоторых случаях для удаления последней остаточной влаги из анода, катода и сепаратора элемент сушат, что может быть сделано в воздушно-сушильном шкафу, конвекционной сушильной камере, камере с принудительной подачей воздуха или вакуумном сушильном шкафу. Это может быть сделано при температуре 100°С или более высокой температуре, например предпочтительно 110°С и наиболее предпочтительно 130°С.In some cases, to remove the last residual moisture from the anode, cathode, and separator, the cell is dried, which can be done in an air oven, convection oven, forced air oven, or vacuum oven. This can be done at a temperature of 100°C or higher, for example preferably 110°C and most preferably 130°C.

- 7 039132- 7 039132

Заполнение элементов электролитом.Filling cells with electrolyte.

Заполнение может быть осуществлено любым способом, подходящим для доставки электролита во внутреннюю часть элемента, и множество способов хорошо известны в данной области техники. Электролит может быть любым электролитом, подходящим для литий-ионной батареи, который в целом содержит смесь органических растворителей, а также соль лития и противоионы (обменивающиеся ионы). Примеры органических растворителей включают этиленкарбонат, карбонат метилена, диэтилкарбонат, диметилкарбонат и пропиленкарбонат. Примером соли лития является LiPF6. Согласно еще одному варианту реализации могут использоваться ионные жидкости, которые обеспечивают преимущества, такие как повышенная жаростойкость и высокая электропрочность.Filling can be done by any method suitable for delivering the electrolyte to the interior of the cell, and a variety of methods are well known in the art. The electrolyte may be any electrolyte suitable for a lithium ion battery that generally contains a mixture of organic solvents as well as a lithium salt and counterions (exchangeable ions). Examples of organic solvents include ethylene carbonate, methylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate and propylene carbonate. An example of a lithium salt is LiPF 6 . In yet another embodiment, ionic liquids can be used that provide benefits such as increased heat resistance and high electrical strength.

Формирование.Formation.

После этого собранные и заполненные элементы должны пройти процесс первоначальной зарядки для образования SEI-слоя и зарядки элементов. Такое формирование включает различные этапы зарядки, которые могут быть определены их профилем тока и напряжения, как описано выше. Этот формирующий профиль тока и напряжения может содержать паузы в различных точках профиля зарядки, в течение которых может действовать постоянное напряжение или плавающее напряжение. Использование тока является особенно важным, поскольку конкретные параметры обеспечивают создание достаточного твердоэлектролитного межфазного слоя, так что идеальный приложенный ток должен быть не больше чем С/4, предпочтительно не больше чем С/6 и более предпочтительно не больше чем С/10 (где С скорость зарядки, необходимая для зарядки элемента до полной емкости за один час). Кроме того, использование напряжения также является очень важным, поскольку конкретные параметры обеспечивают создание достаточного твердоэлектролитного межфазного слоя, так что идеальное напряжение составляет больше чем 3,3 В, предпочтительно 3,6 В и более предпочтительно 3,9 В. Кроме того, использование тока, необходимого для поддерживания напряжения больше 3,6 В в течение достаточного количества времени, происходит в течение больше чем 6 ч, предпочтительно больше чем 9 ч, более предпочтительно больше чем 12 ч. Этот процесс обеспечивает возможность образования SEI-слоя со скоростью, которая ограничена током (но не размером пор сепаратора), и также обеспечивает возможность медленного процесса при высоком напряжении, которое продолжает действовать для заполнения любых промежутков на поверхности анода и достижения равномерного полного покрытия анода.Thereafter, the assembled and filled cells must go through an initial charging process to form the SEI layer and charge the cells. Such formation includes various charging steps, which can be defined by their current and voltage profile, as described above. This shaping current and voltage profile may contain pauses at various points in the charging profile during which a constant voltage or a floating voltage may be applied. The use of current is particularly important because the specific parameters ensure that sufficient solid electrolyte interfacial layer is created so that the ideal applied current should be no more than C/4, preferably no more than C/6 and more preferably no more than C/10 (where C is the speed required to charge the cell to full capacity in one hour). In addition, the use of voltage is also very important, since specific parameters ensure that the solid electrolyte interfacial layer is sufficiently formed, so that the ideal voltage is greater than 3.3V, preferably 3.6V, and more preferably 3.9V. In addition, the use of current required to maintain a voltage greater than 3.6 V for a sufficient amount of time occurs for more than 6 hours, preferably more than 9 hours, more preferably more than 12 hours. This process allows the SEI layer to form at a rate that is limited current (but not the pore size of the separator), and also allows a slow process at high voltage, which continues to act to fill any gaps on the anode surface and achieve uniform complete coverage of the anode.

Элементы, сформированные в этом процессе, также отличаются тем, что SEI-слой образуется непосредственно на сепараторе, а не только на аноде, что не происходит в случае с известными сепараторами из полиолефина. Это хорошо видно на примере известных сепараторов из полиолефина, представленных на фиг. 14 и 15, на которых показан сепаратор марки CELGARD® 2400 до его вставки в элемент и после 29 циклов в элементе типа LFP (литий-железо-фосфатный элемент, (LiFePO4)). В случае нетканых сепараторов SEI-слой может быть выполнен при условиях, подходящих для образования слоя непосредственно на сепараторе, как это может быть очевидным из сравнения между фиг. 16, на котором показан сепаратор перед размещением в элементе, и фиг. 17 и 18, на которых показан сепаратор после 29 циклов в элементе LFP, и на которых явно виден сформированный на сепараторе SEI-слой. Как показывают кривые зарядки-разрядки на фиг. 19, циклический ресурс, показанный на фиг. 20, и скоростные характеристики, показанные на фиг. 21, даже с SEI-слоем непосредственно на сепараторе проводимость сепаратора и электролита и SEI-слоя выше, чем у сепараторов марки CELGARD® 2400, что приводит к более высокой разрядной емкости, уменьшенной величине разложения при циклической работе и более высоким скоростным характеристикам.The elements formed in this process also differ in that the SEI layer is formed directly on the separator and not only on the anode, which is not the case with known polyolefin separators. This is clearly seen in the known polyolefin cages shown in FIG. 14 and 15 showing the CELGARD® 2400 separator before insertion into the cell and after 29 cycles in an LFP (Lithium Iron Phosphate Cell, (LiFePO4)) cell. In the case of nonwoven separators, the SEI layer may be formed under conditions suitable for forming the layer directly on the separator, as may be apparent from the comparison between FIGS. 16 showing the separator before placement in the element, and FIG. 17 and 18 showing the separator after 29 cycles in the LFP element and clearly showing the SEI layer formed on the separator. As shown by the charge-discharge curves in FIG. 19, the cyclic resource shown in FIG. 20 and the speed characteristics shown in FIG. 21, even with the SEI layer directly on the separator, the conductivity of the separator and electrolyte and the SEI layer is higher than CELGARD® 2400 brand separators, resulting in higher discharge capacity, reduced cycling degradation and higher speed performance.

Создание SEI-слоя на сепараторе может иметь различные формы. Как таковой, SEI-слой может быть виден на СЭМ-микрофотографиях (микрофотографиях, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа), включающих области, в которых по существу все поры, присутствующие на СЭМ-микрофотографиях исходного сепаратора, являются заполненными. SEI-слой также может содержать области, в которых нановолокна, присутствующие на СЭМ-микрофотографиях исходного сепаратора, не наблюдаются, поскольку они встроены в SEI-слой. SEI-слой литий-ионного элемента, как известно, выполнены из разложенного электролита и потому содержат соль лития, используемую при их изготовлении, содержащую большое количество фтора и фосфора, которое может быть измерено с использованием энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, или EDS. Такие сепараторы могут содержать области, которые имеют уровень фосфора, измеренный с использованием EDS, больше чем 1,5%, предпочтительно больше чем 2,0%, более предпочтительно больше чем 2,5%. Такие сепараторы также могут содержать области, которые имеют уровень фтора, измеренный с использованием EDS, больше чем 5%, предпочтительно больше чем 7%, более предпочтительно больше чем 9%.The creation of an SEI layer on a separator can take various forms. As such, the SEI layer can be seen in SEM micrographs (scanning electron microscope micrographs) including areas in which substantially all of the pores present in the SEM micrographs of the original separator are filled. The SEI layer may also contain areas in which the nanofibers present in the SEM micrographs of the original separator are not observed because they are embedded in the SEI layer. The SEI layer of a lithium ion cell is known to be made from a decomposed electrolyte and therefore contains the lithium salt used in their manufacture, containing a large amount of fluorine and phosphorus, which can be measured using energy dispersive X-ray spectroscopy, or EDS. Such separators may contain areas that have a phosphorus level, measured using EDS, greater than 1.5%, preferably greater than 2.0%, more preferably greater than 2.5%. Such separators may also contain areas that have a fluorine level, measured using EDS, greater than 5%, preferably greater than 7%, more preferably greater than 9%.

ПримерыExamples

Сепаратор марки Dreamweaver Silver выполнен способом, описанным в патенте США № 8936878, который посредством ссылки полностью включен в настоящий документ. Примерами, использованными в этих испытаниях, являются сепаратор Dreamweaver Silver 25, содержащий нанофибриллированные волокна из полиакрилонитрила марки EFTec A-010-04, нанофибриллированные целлюлозные волокна марки EFTec L-010-04 и волокна из полиэтилентерефталата длиной 5 мм и весовым номером 0,3 денье на непрерывное элементарное волокно. Характеристики этого сепаратора приведены в табл. 2 ниже.The Dreamweaver Silver separator is made in the manner described in US Pat. No. 8,936,878, which is incorporated herein by reference in its entirety. Examples used in these tests are a Dreamweaver Silver 25 separator containing EFTec A-010-04 nanofibrillated polyacrylonitrile fibers, EFTec L-010-04 nanofibrillated cellulose fibers, and 5 mm polyethylene terephthalate fibers 0.3 denier. on a continuous elementary fiber. The characteristics of this separator are given in table. 2 below.

- 8 039132- 8 039132

Таблица 2table 2

Основные свойства мембраны Main properties of the membrane Единица измерения unit of measurement Dreamweaver Silver™ 25 Dreamweaver Silver™ 25 Толщина (при 12,6 фунта на кв. дюйм) Thickness (at 12.6 psi) мкм micron 27 27 Толщина (при 25 фунтах на кв. дюйм) Thickness (at 25 psi) мкм micron 26 26 Воздухопроницаемость по Герли (JIS) Air permeability Gurley (JIS) сек sec 80 80 Пористость Porosity % % 56% 56% Размер пор Pore size мкм micron 1,1 1.1 Усадка в поперечном направлении @ 160 С Shrinkage in cross section direction @ 160 C % % 0 0 Усадка в машинном направлении @ 160 С Shrinkage in the machine direction @ 160 C % % 2 2 Прочность в поперечном направлении Strength in the transverse direction кгс/см2 kgf / cm 2 175 175 Прочность в машинном направлении Strength in the machine direction кгс/см2 kgf / cm 2 330 330 Модуль Юнга Young's modulus кгс/см2 kgf / cm 2 23000 23000 Температура сохранения механической целостности при плавлении The temperature of preservation of mechanical integrity during melting °C °C 300 300 Стойкость на прокол Puncture resistance г G 280 280 Содержание влаги Moisture contents % % 3,7% 3.7%

Была измерена толщина ткани, после чего ткань разрезали на фрагменты подходящих размеров и форм для размещения внутри литий-ионных элементов перезаряжаемой батареи. Однако перед таким размещением образцы тканей для сепаратора батареи были исследованы и испытаны в отношении различных свойств, касающихся их способности функционировать в качестве подходящих сепараторов для батареи. Кроме того, были представлены сравнительные примеры мембран из нановолокна для сепаратора для батареи согласно патенту США № 7112389, который посредством ссылки полностью включен в настоящий документ, а также пленок для сепаратора для батареи от компании CELGARD, из отчетов об испытаниях в рамках вышеуказанного патента и из литературы о продукции компании CELGARD.The thickness of the fabric was measured and then the fabric was cut into pieces of suitable sizes and shapes to be placed inside the lithium ion cells of the rechargeable battery. However, prior to such placement, battery separator fabric samples were examined and tested for various properties regarding their ability to function as suitable battery separators. In addition, comparative examples of nanofiber membranes for a battery separator according to US Pat. literature about CELGARD products.

Основной анализ и испытание сепаратора батареи.Basic analysis and test of the battery separator.

Ниже приведены следующие протоколы испытаний:Below are the following test reports:

Пористость была вычислена по способу, описанному в патенте США № 7112389, который посредством ссылки полностью включен в настоящий документ. Результаты представлены в %, которые относятся к части массы сепаратора, которая заполнена воздухом или нетвердыми материалами, такими как электролит, когда сепаратор находится в батарее.The porosity was calculated according to the method described in US Pat. No. 7,112,389, which is incorporated herein by reference in its entirety. The results are presented in %, which refer to the portion of the mass of the separator that is filled with air or non-solid materials such as electrolyte when the separator is in the battery.

Воздухопроницаемость по Герли была измерена согласно способу испытания TAPPI T460, который посредством ссылки полностью включен в настоящий документ. В качестве измерительного прибора для этого испытания использовался денсиметр Герли модель 4110. Для проведения испытания образец был введен и зафиксирован в денсиметре. Цилиндр поднимали до линии 100 см3 (100 мл) и затем позволяли ему опускаться под собственным весом. Регистрировали время (в секундах), которое требуется для прохождения 100 см3 воздуха через образец. Результаты сообщены в секундах/100 см3, которые являются временем, необходимым для прохождения 100 см3 воздуха через сепаратор.The Gurley air permeability was measured according to the TAPPI test method T460, which is incorporated herein by reference in its entirety. The Gurley densimeter model 4110 was used as the measuring instrument for this test. For the test, the sample was introduced and fixed in the densimeter. The cylinder was raised to the line 100 cm 3 (100 ml) and then allowed to fall under its own weight. The time (in seconds) required for 100 cm 3 of air to pass through the sample was recorded. The results are reported in seconds/100 cm 3 which is the time required for 100 cm 3 of air to pass through the separator.

Средний эффективный размер пор был определен в соответствии со Стандартным методом испытаний для получения характеристик размера пор мембранных фильтров с использованием автоматизированного жидкостного порозиметра согласно стандарту ASTM Е-1294, в котором применен автоматизированный способ на основе температуры начала кипения согласно стандарту ASTM F 316 с использованием капиллярного потокового порозиметра. Испытания были выполнены компанией Porous Materials, Inc., Итака, Нью-Йорк.The mean effective pore size was determined in accordance with the Standard Test Method for Pore Size Characterization of Membrane Filters using an automated liquid porosimeter according to ASTM E-1294, which uses an automated method based on the initial boiling point according to ASTM F 316 using capillary flow porosimeter. Tests were performed by Porous Materials, Inc., Ithaca, New York.

Воздухопроницаемость сепаратора определяли путем измерения времени, требуемого для пропускания фиксированного объема воздуха через стандартную область под легким давлением. Процедура описана в ASTM D-726-58.The air permeability of the separator was determined by measuring the time required to pass a fixed volume of air through a standard area under light pressure. The procedure is described in ASTM D-726-58.

Экспериментальная часть: изготовитель А элемента.Experimental part: the manufacturer of the A element.

Промышленные литий-железо-фосфатные электроды были получены от двух изготовителей и испытаны в однослойных пакетных элементах, зажатых между двумя частями из плексигласа для создания однородного давления. В элементах электрические характеристики помимо саморазряда были в высшей степени постоянными, о чем будет описано более полно в другом разделе.Commercial lithium iron phosphate electrodes were obtained from two manufacturers and tested in single layer stacks sandwiched between two plexiglass pieces to create a uniform pressure. In the cells, the electrical characteristics beyond self-discharge were remarkably constant, as will be described more fully in another section.

Однослойные пакетные элементы имели размер 50x50 мм. Электроды (согласованные пары анода и катода) были изготовлены коммерческими изготовителями батарей в Китае. Элементы были заполнены электролитом для литий-ионных батарей, содержащим 1 моль LiPF6 в смеси этиленкарбоната, диметилSingle-layer packet elements had a size of 50x50 mm. The electrodes (matched pairs of anode and cathode) were made by commercial battery manufacturers in China. The cells were filled with lithium-ion battery electrolyte containing 1 mol of LiPF 6 in a mixture of ethylene carbonate, dimethyl

- 9 039132 карбоната и диэтилкарбоната с объемным соотношением 4:3:3, герметично запечатаны и испытаны согласно процедуре и испытательным параметрам, показанным в табл. 3, с использованием параметров, указанных в табл. 4, приведенной ниже (в частности, скорости зарядки, напряжения, тока отключения и количества циклов формирования SEI-слоя, а также температуры сушки сепаратора для каждого элемента). Испытание было выполнено на приборе для испытания батарей от компании Neware с использованием перечисленных ниже процедур.- 9 039132 carbonate and diethyl carbonate with a volume ratio of 4:3:3, hermetically sealed and tested according to the procedure and test parameters shown in table. 3, using the parameters specified in table. 4 below (in particular, charge rate, voltage, cut-off current and number of SEI formation cycles, and separator drying temperature for each cell). The test was performed on a Neware battery tester using the procedures listed below.

Процесс изготовления элемента включал сушку сепаратора, сборку и сушку элемента, заполнение электролитом и формирование, сопровождаемое испытанием на саморазряд при 30%-ном состоянии заряженности (SoC), и конечное испытание емкости, включающее полную зарядку и полную разрядку. Результаты этих испытаний приведены в табл. 3 и 4 ниже.The cell fabrication process included separator drying, cell assembly and drying, electrolyte filling and shaping followed by a self-discharge test at 30% state of charge (SoC), and a final capacity test including full charge and full discharge. The results of these tests are given in table. 3 and 4 below.

Таблица 3Table 3

Цикл элементаElement cycle

Сушат сепаратор 3 часа в вакууме при температуре Т сушки.The separator is dried for 3 hours under vacuum at the drying temperature T.

Собирают элементы.Collect elements.

Сушат элементы на протяжении ночи при температуре 100°С.Dry the elements overnight at 100°C.

Заполняют элементы электролитом, выжидают >2 часов.Fill cells with electrolyte, wait >2 hours.

Выполняют пробную зарядку (Тар charge) до 2,00 В.Perform a test charge (Tap charge) up to 2.00 V.

IВыдерживают при постоянном напряжении (CV) 2 В в течение 2 часов.I Withstand at a constant voltage (CV) of 2 V for 2 hours.

Выжидают 24 часа (напряжение отключено (rest)).Wait 24 hours (voltage off (rest)).

Выполняют формирование зарядкой в режиме постоянного тока (СС rate) до номинального напряжения, затем в режиме постоянного напряжения (CV) до отключения по напряжению (CV Cutoff).Carry out shaping by charging in constant current mode (CC rate) to rated voltage, then in constant voltage mode (CV) until voltage cutoff (CV Cutoff).

Выполняют разрядку в режиме постоянного тока (СС rate) до напряжения 2,50 В.Discharge in constant current mode (CC rate) to a voltage of 2.50 V.

Выполняют 2-ое формирование зарядкой в случае необходимости.Perform 2nd charging formation if necessary.

Выполняют 2-ую разрядку в случае необходимости.Perform a 2nd discharge if necessary.

Заряжают элементы со скоростью С/6 до 30%-ого состояния заряженное™ (SoC).Charge cells at C/6 rate to 30% state of charge™ (SoC).

Регистрируют напряжение (после 24-часового периода выдерживания).Record the voltage (after a 24 hour soak period).

Выжидают 14 дней.Wait 14 days.

Регистрируют напряжение.Record the voltage.

Разряжают со скоростью С/6 до напряжения 2,50 В.Discharge at a rate of C / 6 to a voltage of 2.50 V.

Заряжают элементы со скоростью С/6 до напряжения 3,60 В, затем в режиме постоянного напряжения (CV) до достижения тока С/60.The cells are charged at a rate of C/6 to a voltage of 3.60 V, then in constant voltage (CV) mode until a current of C/60 is reached.

Разряжают элементы со скоростью С/6 до напряжения 2,50 В.The cells are discharged at a rate of C / 6 to a voltage of 2.50 V.

Заряжают элементы до 50%-ого состояния заряженности (SoC) со скоростью С/6.Charge cells to 50% state of charge (SoC) at C/6 rate.

Доставляют элементы в DWI (компанию Dreamweaver International).Deliver items to DWI (Dreamweaver International).

Таблица 4Table 4

Элемент А Element A Элемент В Element B Скорость зарядки постоянным током (СС rate) DC charging rate (CC rate) Напряжение Voltage Постоянное напряжение отключения (CV Cutoff). Constant voltage cutoff (CV Cutoff). Количество циклов Quantity cycles Температура сушки Temperature drying А1 A1 В1 IN 1 С/б S/b 3,6 3.6 С/60 C/60 2 2 120 120 А2 A2 В2 IN 2 С/6 C/6 3,6 3.6 С/60 C/60 120 120 АЗ AZ ВЗ VZ С/6 C/6 3,6 3.6 С/30 C/30 2 2 120 120 А4 A4 В4 AT 4 С/3 C/3 3,6 3.6 С/30 C/30 2 2 120 120 А5 A5 В5 AT 5 С/3 C/3 3,6 3.6 С/30 C/30 1 one 120 120 Аб Ab Вб wb С/6 C/6 3,4 3.4 С/60 C/60 2 2 120 120 А7 A7 В7 AT 7 С/6 C/6 3,6 3.6 С/60 C/60 2 2 ПО ON А8 A8 В8 AT 8 С/6 C/6 3,6 3.6 С/60 C/60 1 one 110 110 А9 A9 В9 AT 9 С/6 C/6 3,6 3.6 С/30 C/30 2 2 110 110 АЮ AYu В10 AT 10 O'CLOCK С/3 C/3 3,6 3.6 С/30 C/30 2 2 ПО ON АП AP В11 AT 11 С/3 C/3 3,6 3.6 С/30 C/30 1 one ПО ON А12 A12 В12 AT 12 С/6 C/6 3,4 3.4 С/60 C/60 2 2 ПО ON

Результаты формирования элементов, выполненных из электродов от изготовителя А (как указано выше), показаны ниже в табл. 5. Из таблицы видно, что состояние каждого элемента является средним значением двух элементов.The results of the formation of elements made from electrodes from manufacturer A (as indicated above) are shown below in table. 5. It can be seen from the table that the state of each element is the average of the two elements.

- 10 039132- 10 039132

Таблица 5Table 5

Элемент Element 1-ый цикл Кулоновская эффективность 1st cycle Coulomb efficiency 1-ый цикл Время зарядки 1st cycle Charging time 2-ой цикл Кулоновская эффективность 2nd cycle Coulomb efficiency 2-ой цикл Время зарядки 2nd cycle Charging time А1 A1 68% 68% 12:05:30 12:05:30 101,7% 101.7% 7:09 7:09 А2 A2 45% 45% 42:55:30 42:55:30 АЗ AZ 84% 84% 7:45:00 7:45:00 100,1% 100.1% 5:42 5:42 А4 A4 75% 75% 10:25:30 10:25:30 101,6% 101.6% 5:57 5:57 А5 A5 81% 81% 8:02:00 8:02:00 Аб Ab 84% 84% 9:01:00 09:01:00 97,6% 97.6% 7:08 7:08 А7 A7 76% 76% 12:18:00 12:18:00 102,7% 102.7% 6:12 6:12 А8 A8 50% fifty% 42:06:30 42:06:30 А9 A9 83% 83% 9:11:00 9:11:00 am 100,7% 100.7% 6:19 6:19 А10 A10 76% 76% 8:59:00 08:59:00 100,0% 100.0% 5:59 5:59 АН AN 57% 57% 14:52:30 14:52:30 А12 A12 81% 81% 9:07:00 09:07:00 98,3% 98.3% 6:28 6:28

Из этих результатов могут быть сделаны несколько выводов. Кулоновская эффективность в первом цикле зарядки является относительно низкой и находится в диапазоне от 45% для состояния А2 до 84% для состояний A3 и А6, причем для состояний А5, А9 и А12 кулоновская эффективность больше чем 80%. Продолжительность цикла зарядки коррелирует с кулоновской эффективностью в огромном диапазоне от 8:02 до 42:55 ч. Эти чрезвычайно продолжительные периоды наблюдаются у элементов, прошедших только одну зарядку (А2, А8, A11). Вариации между элементами в этих парах являются очень большими, что указывает на потенциальную ошибку эксперимента. Кулоновская эффективность во 2-м цикле для элементов, для которых она определялась, очень близка к 100% для всех элементов и находится в диапазоне от 97,6 до 102,7%. Среднее расхождение между парами элементов составило 0,75%. Время зарядки во 2-м цикле также является относительно однородным, находясь в диапазоне только от 5:42 до 7:09 ч. Среднее отклонение между парами элементов составило 0:30 ч, что указывает на очень тесную корреляцию значений.Several conclusions can be drawn from these results. The Coulomb efficiency in the first charge cycle is relatively low and ranges from 45% for the A2 state to 84% for the A3 and A6 states, with the Coulomb efficiency greater than 80% for the A5, A9 and A12 states. The duration of the charging cycle correlates with the Coulomb efficiency in a huge range from 8:02 to 42:55 hours. These extremely long periods are observed in cells that have undergone only one charge (A2, A8, A11). The variations between the elements in these pairs are very large, indicating a potential error in the experiment. The Coulomb efficiency in the 2nd cycle for the elements for which it was determined is very close to 100% for all elements and ranges from 97.6 to 102.7%. The average discrepancy between pairs of elements was 0.75%. The charging time in the 2nd cycle is also relatively uniform, ranging only from 5:42 to 7:09 h. The average deviation between cell pairs was 0:30 h, indicating a very close correlation of values.

Результаты испытания на саморазряд, включающие разрядку после саморазряда, приведены в табл. 6, показанной ниже, а также на фиг. 6. К тому же, замечено, что каждое состояние элемента является средним значением двух элементов.The results of the self-discharge test, including discharge after self-discharge, are shown in table. 6 below, as well as in FIG. 6. In addition, it is observed that each state of an element is the average of two elements.

Таблица 6Table 6

Элемент Element Саморазряд День 1 self-discharge Day 1 Саморазряд День 2 self-discharge Day 2 Потери из-за саморазряда, В Losses due to self-discharge, V Остаточная емкость после саморазряда, мА-час Residual capacity after self-discharge, mAh Потери из-за саморазряда, мА-час Losses due to self-discharge, mAh Конечная разрядная емкость Final discharge capacity А1 A1 3,293 3.293 3,263 3.263 0,030 0.030 14,1 14.1 3,9 3.9 55,4 55.4 А2 A2 3,295 3.295 3,281 3.281 0,014 0.014 15,7 15.7 2,3 2.3 57,0 57.0 АЗ AZ 3,298 3.298 3,258 3.258 0,040 0.040 13,5 13.5 4,5 4.5 54,6 54.6 А4 A4 3,290 3.290 3,258 3.258 0,032 0.032 14,0 14.0 4,0 4.0 56,1 56.1 А5 A5 3,295 3.295 3,268 3.268 0,027 0.027 13,6 13.6 4,4 4.4 52,8 52.8 Аб Ab 3,292 3.292 3,264 3.264 0,028 0.028 12,2 12.2 5,8 5.8 50,5 50.5 А7 A7 3,290 3.290 3,264 3.264 0,026 0.026 14,6 14.6 3,4 3.4 54,9 54.9 А8 A8 3,297 3.297 3,280 3.280 0,017 0.017 17,8 17.8 0,2 0.2 56,5 56.5 А9 A9 3,285 3.285 3,252 3.252 0,033 0.033 13,0 13.0 5,0 5.0 58,9 58.9 А10 A10 3,288 3.288 3,254 3.254 0,034 0.034 12,9 12.9 5,1 5.1 56,7 56.7 АН AN 3,295 3.295 3,267 3.267 0,029 0.029 15,9 15.9 2,1 2.1 55,6 55.6 А12 A12 3,294 3.294 3,266 3.266 0,029 0.029 13,4 13.4 4,6 4.6 51,4 51.4

Опять же, могут быть сделаны несколько выводов. Диапазон потерь из-за саморазряда как в отношении напряжения, так и в отношении емкости является весьма широким. Потери напряжения варьируют в диапазоне от 14 до 40 мВ, и потери емкости варьируют в диапазоне от 0,2 до 5,8 мА-ч. Из фиг. 6 можно сделать вывод, что имеется только слабая корреляция между конечным напряжением саморазряда, потерями напряжения из-за саморазряда и потерями емкости из-за саморазряда. Кроме того, диапазон конечной разрядной емкости является широким, но корреляция с параметрами процесса является лишь небольшой. Вероятно, присутствует большая ошибка эксперимента как из-за небольшого размера электродов, так и из-за потенциального рассогласования. Сильная корреляция между парами отсутствует, причем среднее отклонение в парах составляет больше чем 2 мА-ч.Again, several conclusions can be drawn. The range of losses due to self-discharge, both in terms of voltage and in terms of capacitance, is very wide. The voltage loss ranges from 14 to 40 mV and the capacitance loss ranges from 0.2 to 5.8 mAh. From FIG. 6, it can be concluded that there is only a weak correlation between the end voltage of self-discharge, voltage losses due to self-discharge, and capacitance losses due to self-discharge. In addition, the range of the final discharge capacity is wide, but the correlation with the process parameters is only small. There is likely to be a large experimental error due to both the small size of the electrodes and the potential mismatch. There is no strong correlation between the pairs, with the average deviation in pairs being greater than 2 mAh.

Анализ данных: изготовитель А элементов.Data analysis: cell manufacturer A.

Для квазиспланированного эксперимента был сформирован набор данных, который позволяет усреднить частные множества для изоляции одиночного параметра и получить изменение в различных результатах измерений, относящихся к этому параметру. Эти средние значения и изолированные параметры показаны ниже в табл. 7.For a quasi-designed experiment, a data set was formed that allows averaging partial sets to isolate a single parameter and obtain a change in various measurements related to this parameter. These averages and isolated parameters are shown in Table 1 below. 7.

- 11 039132- 11 039132

Таблица 7Table 7

Параметр Parameter Группа № 1 Group #1 Группа № 2 Group #2 Температура сушки Drying temperature Al, А2, АЗ, А4, А5, Аб Al, A2, AZ, A4, A5, Ab А7, А8, А9, А10, All, А12 A7, A8, A9, A10, All, A12 Скорость зарядки постоянным током (ССС Rate) Charging speed DC (CCC Rate) А1, А2, А7, А8 A1, A2, A7, A8 А4, А5, А1 0, All A4, A5, A1 0, All Отключение по току при постоянном напряжении (CVC Cutoff) DC Current Cutoff (CVC Cutoff) Al, А7 Al, A7 АЗ, А9 AZ, A9 Отключение по напряжению при зарядке (CV Cutoff) Shutdown by charging voltage (CV Cutoff) Al, А7 Al, A7 Аб, А12 Ab, A12 Номера циклов Cycle numbers А2, А5, А8, АН A2, A5, A8, AN А1, А4, А7, А10 A1, A4, A7, A10

Усреднение данных в каждой из этих групп обеспечивает возможность изоляции параметра в наибольшей группе образцов, усредняя ошибку эксперимента, а также позволяет идентифицировать взаимные корреляции первого уровня. В каждом случае минимальное количество усредненных элементов составляет 8 (для отключения по току при постоянном напряжении и отключения по напряжению при зарядке). Средние значения, полученные для каждого измерения, показаны ниже в табл. 8.Averaging the data in each of these groups provides the ability to isolate the parameter in the largest group of samples, averaging the experimental error, and also allows the identification of first-level cross-correlations. In each case, the minimum number of average elements is 8 (for current trip at constant voltage and voltage trip at charging). The average values obtained for each measurement are shown below in table. eight.

Таблица 8Table 8

С1 Эффективность C1 Efficiency С1 Время C1 Time С2 Эффективность C2 Efficiency С2 Время S2 Time Саморазряд День 1 self-discharge Day 1 Саморазряд День 14 self-discharge Day 14 Потери саморазряда, В Self-discharge loss, V Потери саморазряда, мАчас Self-discharge losses, mAh Конечная зарядная емкость Final charging capacity Конечная разрядная емкость Final discharge capacity Температура сушки Drying temperature 110°С 110°С 71% 71% 16:05:40 16:05:40 100,4% 100.4% 6:14 6:14 3,291 3.291 3,264 3.264 0,028 0.028 3,4 3.4 56,1 56.1 55,7 55.7 120°С 120°C 73% 73% 15:02:25 15:02:25 100,3% 100.3% 6:29 6:29 3,294 3.294 3,265 3.265 0,029 0.029 4,1 4.1 56,0 56.0 54,4 54.4 Зарядка в режиме постоянного тока (CC rate) Charging in constant current mode (CC rate) С/б S/b 60% 60% 27:21:23 27:21:23 102,2% 102.2% 6:41 6:41 3,294 3.294 3,272 3.272 0,022 0.022 2,4 2.4 56,4 56.4 56,0 56.0 С/3 C/3 72% 72% 10:34:45 10:34:45 100,8% 100.8% 5:58 5:58 3,292 3.292 3,261 3.261 0,030 0.030 3,9 3.9 55,8 55.8 55,3 55.3 Зарядка в режиме постоянного напряжения до отключения по напряжению (CV Cutoff) Charging in constant voltage mode until voltage cutoff (CV Cutoff) С/60 C/60 72% 72% 12:11:45 12:11:45 102,2% 102.2% 6:41 6:41 3,291 3.291 3,263 3.263 0,028 0.028 3,7 3.7 55,7 55.7 55,1 55.1 С/30 C/30 84% 84% 8:28:00 8:28:00 100,4% 100.4% 6:00 6:00 3,292 3.292 3,255 3.255 0,037 0.037 4,8 4.8 57,2 57.2 56,8 56.8 Напряжение Voltage 3,6 3.6 72% 72% 12:11:45 12:11:45 102,2% 102.2% 6:41 6:41 3,291 3.291 3,263 3.263 0,028 0.028 3,7 3.7 55,7 55.7 55,1 55.1 3,4 3.4 83% 83% 9:04:00 09:04:00 97,9% 97.9% 6:48 6:48 3,293 3.293 3,259 3.259 0,031 0.031 4,1 4.1 56,3 56.3 55,8 55.8 Циклы Cycles 1 Цикл 1 cycle 59% 59% 26:59:08 26:59:08 3,295 3.295 3,274 3.274 0,022 0.022 2,2 2.2 55,9 55.9 55,5 55.5 2 Цикла 2 Cycles 74% 74% 10:57:00 10:57:00 24:21:37 24:21:37 6:19 6:19 3,290 3.290 3,259 3.259 0,031 0.031 4,1 4.1 56,3 56.3 55,8 55.8

Из этих данных специалисту понятно, что результат (элемент в таблице) изменяется в зависимости от параметра (левой крайней колонки таблицы). Среди результатов два результата являются важными для пользователя элемента в качестве эксплуатационных показателей. Первым из них является саморазряд, который идентифицируется с потерями из-за саморазряда в мА-ч, т.е. фактической емкостью, утраченной за 14-дневный период выдержки. Вторым важным показателем является конечная разрядная емкость, которая может быть представлена как начальная емкость элемента, готового к продаже. В отношении зарядной емкости могут быть сделаны некоторые выводы.From these data, the specialist understands that the result (element in the table) varies depending on the parameter (leftmost column of the table). Among the results, two results are important to the user of the element as performance indicators. The first of these is self-discharge, which is identified with losses due to self-discharge in mAh, i.e. the actual capacity lost during the 14 day soak period. The second important indicator is the final discharge capacity, which can be represented as the initial capacity of a cell ready for sale. With regard to the charging capacity, some conclusions can be drawn.

На конечную разрядную емкость положительно влияет понижение температуры сушки и повышение критического зарядного напряжения (напряжения отключения при зарядке), причем каждый из этих параметров влияет на емкость в пределах 3-4 мА-ч или 5-7%. Эти отношения показаны на фиг. 7. Кроме того, на потери из-за саморазряда (в мА-ч) положительно влияют (снижают) большая часть параметров, как показано на фиг. 8, включая пониженную температуру сушки, пониженную скорость зарядки постоянным током, пониженный ток отключения при зарядке постоянным током, повышенное зарядное напряжение и уменьшенное количество циклов (что выглядит как аномалия эксперимента, поскольку кулоновская эффективность этих элементов не коррелирует с кулоновской эффективностью первого цикла элементов, подвергнутых двум циклам обработки). Эти результаты являются единственной основой для настоящего изобретения, которая включает цикл формирования с использованием пониженного тока, повышенного напряжения и продолжительной пропиткой при высоком напряжении, которая в этом случае соответствует пониженному току отключения при зарядке постоянным током.The final discharge capacity is positively affected by a decrease in the drying temperature and an increase in the critical charging voltage (disconnect voltage during charging), each of these parameters affecting the capacity within 3-4 mAh or 5-7%. These relationships are shown in Fig. 7. In addition, self-discharge losses (in mAh) are positively affected (reduced) by most of the parameters, as shown in FIG. 8, including reduced drying temperature, reduced DC charging rate, reduced DC charging cutoff current, increased charging voltage, and reduced number of cycles (which looks like an experimental anomaly because the Coulomb efficiency of these cells does not correlate with the Coulomb efficiency of the first cycle of cells subjected to two processing cycles). These results are the only basis for the present invention, which includes a shaping cycle using reduced current, increased voltage, and continuous impregnation at high voltage, which in this case corresponds to a reduced cutoff current during DC charging.

На фиг. 9 показана таблица, отображающая взаимную корреляцию между продолжительностью первоначальной зарядки и саморазрядом в литий-ионных батареях. Самая сильная корреляция между полным временем, проведенным в цикле первоначальной зарядки, и остаточной емкостью после саморазряда спустя 14 дней на открытой ячейке показана в правой части диаграммы. На основании условийIn FIG. 9 is a table showing the cross-correlation between initial charge time and self-discharge in lithium ion batteries. The strongest correlation between the total time spent in the initial charge cycle and the remaining capacity after self-discharge after 14 days on an open cell is shown on the right side of the chart. Based on conditions

- 12 039132 формирования потеря емкости может быть уменьшена более чем на 50%, т.е. от 5 мВ до менее чем 2,5 мВ (в элементах, заряженных до 18 мВ, или при 30%-м состоянии заряженности перед саморазрядом). В целом можно отметить, что по всей видимости имеется сильная корреляция с использованием более продолжительных периодов первоначальной зарядки для уменьшения саморазряда в конце формирования независимо от параметров, используемых для достижения улучшенного времени зарядки.- 12 039132 capacitance loss can be reduced by more than 50%, i.e. 5 mV to less than 2.5 mV (in cells charged to 18 mV or at 30% state of charge before self-discharge). In general, it can be noted that there seems to be a strong correlation with the use of longer initial charge periods to reduce self-discharge at the end of formation, regardless of the parameters used to achieve improved charge times.

Экспериментальная часть: изготовитель В элемента.Experimental part: manufacturer B of the element.

Результаты формирования элементов, выполненных из электродов от изготовителя В, показаны ниже в табл. 9. Состояние каждого элемента представлено средним значением состояний двух элементов.The results of the formation of elements made of electrodes from manufacturer B are shown below in table. 9. The state of each element is represented by the average of the states of the two elements.

Таблица 9Table 9

Элемент Element 1-ый цикл Кулоновская эффективность 1st cycle Coulomb efficiency 1-ый цикл Время зарядки 1st cycle Charging time 2-ой цикл Кулоновская эффективность 2nd cycle Coulomb efficiency 2-ой цикл Время зарядки 2nd cycle Charging time В1 IN 1 53% 53% 17:16:00 17:16:00 99,7% 99.7% 7:10 7:10 В2 IN 2 82% 82% 9:04:30 09:04:30 вз vz 35% 35% 22:11:00 22:11:00 99,2% 99.2% 6:34 6:34 В4 AT 4 46% 46% 15:16:30 15:16:30 100,7% 100.7% 6:51 6:51 В5 AT 5 34% 34% 24:44:00 24:44:00 Вб wb 82% 82% 14:13:30 14:13:30 100,0% 100.0% 7:18 7:18 В7 AT 7 41% 41% 30:34:30 30:34:30 75,5% 75.5% 13:33 13:33 В8 AT 8 60% 60% 14:58:30 14:58:30 В9 AT 9 17% 17% 45:29:30 45:29:30 99,4% 99.4% 7:19 7:19 В10 AT 10 O'CLOCK 56% 56% 18:32:30 18:32:30 75,5% 75.5% 10:03 10:03 В11 AT 11 84% 84% 8:46:00 8:46:00 В12 AT 12 85% 85% 10:50:00 10:50:00 98,8% 98.8% 7:56 7:56

Из этих результатов могут быть сделаны несколько выводов, которые подобны выводам в отношении изготовителя А. Кулоновская эффективность для первого цикла зарядки является относительно низкой и находится в диапазоне от 13% для состояния В8 до 85% для состояний В12, причем для состояний В2, В6 и В11 кулоновская эффективность больше чем 80%. Продолжительность цикла зарядки коррелирует с кулоновской эффективностью в огромном диапазоне времен зарядки от 8:46 до 45:29 ч. По всей видимости корреляция отсутствует между длительными временами зарядки и состояниями формирования, в отличие от изготовителя А. Некоторые пары показывают хорошую совместимость, в то время как другие пары имеют большой разброс, что указывает на нерегулярную ошибку эксперимента. Кулоновская эффективность для 2-го цикла, если она была определена, очень близка к 100% для всех элементов, кроме двух элементов (В7-2, Е10-1), для которых она находится в диапазоне от 98,8 до 100,7%. Время зарядки для 2-го цикла также является относительно однородным и находится в диапазоне от 6:34 до 13:33 ч.Several conclusions can be drawn from these results, which are similar to those for manufacturer A. The Coulomb efficiency for the first charge cycle is relatively low and ranges from 13% for condition B8 to 85% for condition B12, with conditions B2, B6 and B11 Coulomb efficiency is greater than 80%. The duration of the charge cycle correlates with the Coulomb efficiency over a huge range of charge times from 8:46 to 45:29 h. There does not appear to be a correlation between long charge times and formation states, in contrast to manufacturer A. Some pairs show good compatibility, while as other pairs have a large spread, which indicates an irregular error in the experiment. The Coulomb efficiency for the 2nd cycle, if it has been determined, is very close to 100% for all elements, except for two elements (B7-2, E10-1), for which it is in the range from 98.8 to 100.7% . The charging time for the 2nd cycle is also relatively uniform and ranges from 6:34 to 13:33 hours.

Результаты испытания на саморазряд, включая разряд после саморазряда, представлены в табл. 10. Опять же, каждое состояние элемента представляет собой среднее значение состояний двух элементов.The results of the self-discharge test, including the discharge after self-discharge, are presented in table. 10. Again, each element state is the average of the states of the two elements.

Таблица 10Table 10

Элемент Element Саморазряд День 1 self-discharge Day 1 Саморазряд День 2 self-discharge Day 2 Потери из-за саморазряда, В Losses due to self-discharge, V Остаточная емкость после саморазряда, мА-час Residual capacity after self-discharge, mAh Потери из-за саморазряда, мА-час Losses due to self-discharge, mAh Конечная разрядная емкость Final discharge capacity В1 IN 1 3,291 3.291 3,249 3.249 0,042 0.042 13,7 13.7 4,3 4.3 58,0 58.0 В2 IN 2 3,290 3.290 3,239 3.239 0,051 0.051 11,8 11.8 6,2 6.2 57,0 57.0 вз vz 3,300 3,300 3,254 3.254 0,046 0.046 12,5 12.5 5,5 5.5 57,3 57.3 В4 AT 4 3,295 3.295 3,248 3.248 0,047 0.047 12,4 12.4 5,6 5.6 60,6 60.6 В5 AT 5 3,299 3.299 3,262 3.262 0,037 0.037 15,1 15.1 2,9 2.9 62,1 62.1 Вб wb 3,290 3.290 3,248 3.248 0,043 0.043 12,1 12.1 5,9 5.9 63,5 63.5 В7 AT 7 3,295 3.295 3,256 3.256 0,039 0.039 13,8 13.8 4,2 4.2 61,8 61.8 В8 AT 8 3,295 3.295 3,254 3.254 0,042 0.042 13,4 13.4 4,6 4.6 62,2 62.2 В9 AT 9 3,292 3.292 3,251 3.251 0,041 0.041 12,6 12.6 5,4 5.4 66,3 66.3 В10 AT 10 O'CLOCK 3,282 3.282 3,246 3.246 0,037 0.037 12,3 12.3 5,7 5.7 61,6 61.6 В11 AT 11 3,280 3.280 3,227 3.227 0,053 0.053 10,3 10.3 7,7 7.7 63,3 63.3 В12 AT 12 3,287 3.287 3,249 3.249 0,039 0.039 12,1 12.1 5,9 5.9 55,1 55.1

Опять же, могут быть сделаны несколько выводов. Диапазон потерь из-за саморазряда как в отношении напряжения, так и в отношении емкости является весьма широким. Потери напряжения варьируют в диапазоне от 37 до 86 мВ, и потери емкости варьируют в диапазоне от 2,9 до 7,7 мА-ч. Имеется хорошая корреляция между конечным напряжением саморазряда, потерями напряжения в результате саморазряда и потерями емкости после саморазряда (как показано на фиг. 10). Диапазон конечной разрядной емкости является большим, но корреляция с параметрами процесса является лишь небольшой. По всей видимости в данном случае имеется большая ошибка эксперимента как из-за небольшого размера элек- 13 039132 тродов, так и из-за потенциального рассогласования. Сильная корреляция между парами не наблюдается, причем среднее отклонение в парах составляет больше чем 2 мА-ч.Again, several conclusions can be drawn. The range of losses due to self-discharge, both in terms of voltage and in terms of capacitance, is very wide. The voltage loss ranges from 37 to 86 mV and the capacitance loss ranges from 2.9 to 7.7 mAh. There is a good correlation between the end voltage of self-discharge, voltage losses due to self-discharge, and capacitance loss after self-discharge (as shown in Fig. 10). The range of the final discharge capacity is large, but the correlation with the process parameters is only small. Apparently, in this case there is a large error in the experiment, both because of the small size of the electrodes and because of the potential mismatch. There is no strong correlation between the pairs, with the average deviation in the pairs being greater than 2 mAh.

Анализ данных: изготовитель В элементов.Data analysis: manufacturer B elements.

Данные были усреднены по тем же группам, что и для изготовителя В. Средние значения, полученные для каждого измерения, показаны ниже в табл. 11.The data were averaged over the same groups as for manufacturer B. The average values obtained for each measurement are shown in Table 1 below. eleven.

Таблица 11Table 11

С1 Эффективность C1 Efficiency С1 Время C1 Time С2 Эффективность C2 Efficiency С2 Время S2 Time Саморазряд День 1 self-discharge Day 1 Саморазряд День 14 self-discharge Day 14 Потери саморазряда, В Self-discharge loss, V Потери саморазряда, мАчас Self-discharge losses, mAh Конечная зарядная емкость Final charging capacity Конечная разрядная емкость Final discharge capacity Температура сушки Drying temperature 110°С 110°С 57% 57% 21:31:50 21:31:50 87,3% 87.3% 9:43 9:43 3,288 3.288 3,247 3.247 0,041 0.041 5,6 5.6 61,3 61.3 60,3 60.3 120°С 120°C 57% 57% 16:40:00 16:40:00 100,0% 100.0% 7:02 7:02 3,310 3.310 3,220 3.220 0,091 0.091 6,4 6.4 60,2 60.2 59,1 59.1 Зарядка в режиме постоянного тока (СС rate) Charging in constant current mode (CC rate) С/6 C/6 65% 65% 17:49:37 17:49:37 94% 94% 9:00 9:00 3,291 3.291 3,249 3.249 0,037 0.037 5,1 5.1 61,0 61.0 59,9 59.9 С/3 C/3 55% 55% 16:49:45 16:49:45 88% 88% 8:27 8:27 3,294 3.294 3,190 3.190 о,ю, oh yuh 7,1 7.1 61,8 61.8 60,8 60.8 Зарядка в режиме постоянного напряжения до отключения по напряжению (CV Cutoff). Charging in constant voltage mode until voltage cutoff (CV Cutoff). С/60 C/60 47% 47% 23:55:15 23:55:15 88% 88% 10:21 10:21 3,293 3.293 3,252 3.252 0,041 0.041 4,3 4.3 60,6 60.6 59,6 59.6 С/30 C/30 23% 23% 37:43:20 37:43:20 99% 99% 7:04 7:04 3,335 3.335 3,272 3.272 0,063 0.063 5,5 5.5 62,1 62.1 61,2 61.2 Напряжение Voltage 3,6 3.6 54% 54% 23:22:30 23:22:30 89% 89% 10:18 10:18 3,294 3.294 3,254 3.254 0,030 0.030 4,3 4.3 60,6 60.6 59,6 59.6 3,4 3.4 83% 83% 12:31:45 12:31:45 99% 99% 7:37 7:37 3,289 3.289 3,248 3.248 0,041 0.041 5,9 5.9 59,3 59.3 57,8 57.8 Циклы Cycles 1 Цикл 1 cycle 65% 65% 14:23:15 14:23:15 3,296 3.296 3,190 3.190 0,106 0.106 7,0 7.0 61,1 61.1 60,2 60.2 2 Цикла 2 Cycles 49% 49% 20:24:52 20:24:52 88% 88% 9:24 9:24 3,291 3.291 3,250 3,250 0,041 0.041 5,1 5.1 60,8 60.8 59,9 59.9

При рассмотрении этих данных, как и в отношении изготовителя А, могут быть сделаны некоторые выводы. Конечная разрядная емкость является вполне подходящей и действительно зависит только от напряжения зарядки. Эти отношения показаны на фиг. 11. Потери из-за саморазряда (в мА-ч) зависят положительно (снижаются) от большей части параметров, как показано на фиг. 12, включая снижение температуры сушки, снижение скорости зарядки в режиме постоянного тока, снижение тока отключения при зарядке постоянным током, повышение зарядного напряжения и увеличение количества циклов. Опять же, эти результаты поддерживают вывод о том, что медленная зарядка до высокого напряжения с увеличением продолжительности пропитки при высоком напряжении придают батарее превосходные характеристики.When considering these data, as with manufacturer A, some conclusions can be drawn. The final discharge capacity is quite suitable and really only depends on the charging voltage. These relationships are shown in Fig. 11. Losses due to self-discharge (in mAh) depend positively (reduced) on most of the parameters, as shown in FIG. 12, including lowering the drying temperature, lowering the charging speed in constant current mode, reducing the cutoff current in constant current charging, increasing the charging voltage, and increasing the number of cycles. Again, these results support the conclusion that slow charging to high voltage with increasing soak time at high voltage results in superior battery performance.

В частности, что касается саморазряда, корреляции являются теми же, что и у изготовителя А, за исключением количества циклов, которое для изготовителя А по всей видимости является экспериментальной аномалией из-за несогласованности кулоновской эффективности в первом цикле между элементами, прошедшими один цикл формирования, и элементами, прошедшими два цикла формирования, элементы у изготовителя В не имеют такую несогласованность, и, таким образом, вывод состоит в том, что увеличение количества циклов способствует уменьшению саморазряда, что соответствует общим представлением о множествах других изготовленных элементов.In particular, with regard to self-discharge, the correlations are the same as for manufacturer A, except for the number of cycles, which for manufacturer A seems to be an experimental anomaly due to the inconsistency of the Coulomb efficiency in the first cycle between cells that have undergone one cycle of formation, and cells that have undergone two cycles of formation, cells from manufacturer B do not have such inconsistency, and thus the conclusion is that increasing the number of cycles contributes to a decrease in self-discharge, which is consistent with the general idea of many other manufactured cells.

Как и у изготовителем А, наблюдается одна значительная взаимная корреляция между временем С1 и потерями из-за саморазряда, которая показана ниже на фиг. 13. Как показано на чертеже, по всей видимости имеется сильная корреляция с использованием более продолжительных периодов первоначальной зарядки для уменьшения саморазряда в конце формирования, независящая от параметров, используемых для достижения улучшенного времени зарядки.As with manufacturer A, there is one significant cross-correlation between C1 time and self-discharge loss, which is shown below in FIG. 13. As shown in the figure, there appears to be a strong correlation with the use of longer initial charge periods to reduce self-discharge at the end of formation, independent of the parameters used to achieve improved charge times.

Несколько сильных корреляций наблюдаются между параметрами формирования и саморазрядом и достигнутой емкостью элемента. Несмотря на то, что каждый элемент должен быть оптимизирован индивидуально, и эти результаты могут не коррелировать с подобными результатами, относящимися к другим элементам, следующие рекомендации наиболее вероятно могут привести к улучшению емкости элемента на величину до 5% и уменьшению скорости саморазряда на величину до 50%.Several strong correlations are observed between shaping parameters and self-discharge and achieved cell capacity. While each cell must be optimized individually and these results may not correlate with similar results for other cells, the following recommendations are most likely to result in cell capacity improvements of up to 5% and self-discharge rates of up to 50% less. %.

На основании этих результатов рекомендуется, чтобы в конкретных вариантах реализации сепаратор Dreamweaver Silver сушился при максимальной температуре сушки, составляющей 110°С. Также рекомендуется, чтобы для формирования SEI-слоя использовался низкий ток цикла первоначальной зарядки с максимальным значением С/6 вплоть до тех пор, пока элемент не будет частично заряжен, и повышенный ток зарядки со значением С/6 после того, как элемент будет частично заряжен. Также рекомендуется, чтобы формирование происходило по меньшей мере до достижения напряжения 3,6 В или даже более 4,0 В или выше для некоторых катодных систем. Также рекомендуется, чтобы формирование включало зарядку с высоким постоянным напряжением (CV) либо до тех пор, пока не будет достигнут низкий ток (меньше чем С/60), либо в течение указанного промежутка времени (больше чем 6 ч).Based on these results, it is recommended that, in specific embodiments, the Dreamweaver Silver Separator be dried at a maximum drying temperature of 110°C. It is also recommended that a low initial charge cycle current of maximum C/6 be used to form the SEI layer until the cell is partially charged, and a higher charge current of C/6 after the cell is partially charged. . It is also recommended that shaping occur until at least 3.6 V is reached, or even greater than 4.0 V or higher for some cathode systems. It is also recommended that shaping include high constant voltage (CV) charging either until a low current (less than C/60) is reached or for a specified amount of time (greater than 6 hours).

На фиг. 22 показана типичная структура батареи 10 с наружным корпусом 12, который содержит остальные компоненты и надежно запечатан для предотвращения загрязнения окружающей средой, которая может попасть в элемент, а также любой протечки электролита из элемента. Таким образом, анодIn FIG. 22 shows a typical structure of a battery 10 with an outer casing 12 that contains the remaining components and is securely sealed to prevent environmental contamination that may enter the cell, as well as any leakage of electrolyte from the cell. So the anode

- 14 039132 расположен параллельно катоду 16 по меньшей мере с одним батарейным сепаратором 18 между ними. Электролит 20 добавлен в элемент до запечатывания для обеспечения необходимой генерации ионов. Таким образом, сепаратор 18 способствует предотвращению контакта анода 14 с катодом 16, а также обеспечивает выборочную миграцию через себя ионов из электролита 20. Общая форма элемента определена настоящим описанием его конструкции, но с различными размерами структур и конструкций каждого внутреннего компонента в зависимости от размера и конструкции самого элемента. В данном случае для надлежащего испытания эффективности сепаратора, расположенного внутри такого элемента, была изготовлена батарея таблеточного типа по существу из круглых твердых компонентов.- 14 039132 is located parallel to the cathode 16 with at least one battery separator 18 between them. Electrolyte 20 is added to the cell prior to sealing to provide the necessary ion generation. Thus, the separator 18 helps to prevent contact of the anode 14 with the cathode 16, and also allows the selective migration of ions through it from the electrolyte 20. The general shape of the cell is defined by the present description of its design, but with different sizes of structures and designs of each internal component depending on the size and the design of the element itself. In this case, in order to properly test the effectiveness of the separator located inside such a cell, a button battery was made of essentially round solid components.

В связи с этим были изготовлены элементы таблеточного типа для разборки и измерения сепаратора после разборки. Были собраны элементы таблеточного типа марки CR2032. Литий-железо-фосфатный элемент (LFP, LiFePO4) и графитовый электрод являлись используемыми коммерческими электродами от изготовителя В, указанного выше, и в качестве электролита использовался 1,0 М раствор LiPF6 в смеси этиленкарбоната и диэтилкарбоната (EC/DEC, 1:1 по объему). Сепаратор CELGARD 2400 использовался после сушки при температуре 60°С. Для испытания сепаратора DWI Silver элементы были выполнены с невысушенным сепаратором, а также сепаратором, прошедшим сушку в течение 4 ч при температуре 90 и 120°С. После сборки элементы выдерживались под вакуумом при температуре 50°С всю ночь для стабилизации. После стабилизации элементы были циклически обработаны (заряжены и разряжены в режимах постоянного тока и постоянного напряжения, CCCV) с использованием устройства для испытания батарей от компании Тоуо. Первоначально элементы циклически обрабатывались в течение 2 циклов формирования, сопровождаемых испытанием скоростных характеристик в режимах 1С, 2С, 4С, 2С (3 циклических обработки в каждом режиме). После испытания скоростных характеристик элементы циклически обрабатывались в течение 50 циклов со скоростью зарядки 1С. Результаты этих циклических испытаний показаны в форме кривых зарядки-разрядки на фиг. 19, в то время как циклический ресурс показан на фиг. 20, и скоростные характеристики показаны на фиг. 21.In this regard, tablet-type elements were made for disassembly and measurement of the separator after disassembly. Tablet-type elements of brand CR2032 were assembled. Lithium iron phosphate cell (LFP, LiFePO 4 ) and graphite electrode were used commercial electrodes from manufacturer B above, and a 1.0 M solution of LiPF 6 in a mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate was used as electrolyte (EC/DEC, 1: 1 by volume). The CELGARD 2400 separator was used after drying at 60°C. To test the DWI Silver separator, the elements were made with a non-dried separator, as well as a separator that was dried for 4 hours at a temperature of 90 and 120°C. After assembly, the elements were kept under vacuum at a temperature of 50°C overnight to stabilize. After stabilization, the cells were cycled (charged and discharged in constant current and constant voltage, CCCV modes) using a battery tester from Toyo. Initially, the elements were cyclically processed for 2 cycles of formation, followed by a test of speed characteristics in modes 1C, 2C, 4C, 2C (3 cyclic treatments in each mode). After testing the speed characteristics, the cells were cyclically processed for 50 cycles at a charging rate of 1C. The results of these cycling tests are shown in the form of charge-discharge curves in FIG. 19 while the cyclic resource is shown in FIG. 20 and the speed characteristics are shown in FIG. 21.

Как показано на фиг. 20, такая батарея с заранее сформированным SEI-слоем с сепаратором из спутанных микроволокон/нановолокон (например, DWI Silver 25), который присутствует во время такого формирования SEI-слоя и содержит в себе этиленкарбонат/диэтиленкарбонат и электролит LiPF6, после циклической обработки имеют удельную емкость по меньшей мере 38 мА-ч/г при всех режимах 1С, 2С, 4С, 2С и 1С циклической обработки. Для сравнения, батарея с сепаратором типа CELGARD 2500 (с теми же электролитом и общей конструкцией) имела намного меньшую удельную емкость, измеренную в тех же режимах циклической обработки. Аналогично, на фиг. 21 показаны результаты различных измерений удельной емкости у батареи согласно настоящему изобретению и выбранной для сравнения батареи типа CELGARD. После более чем 50 непрерывных циклов, начиная с первоначальной зарядки, батареи с предварительно сформированным SEI-слоем имели резко различающиеся результаты. Батарея согласно настоящему изобретению, имеющая электролит, указанный выше, имела удельную емкость больше 100 мА-ч/г после таких непрерывных 50 циклов. Следует отметить, что приведенная для сравнения батарея показала удельную емкость значительно ниже, что указывает на повышенную надежность батареи согласно настоящему изобретению, судя по всему, благодаря эффективному предварительному формированию SEI-слоя на аноде, а также сепараторе батареи.As shown in FIG. 20, such a battery with a pre-formed SEI layer with a tangled microfiber/nano-fiber separator (e.g., DWI Silver 25), which is present during this formation of the SEI layer and contains ethylene carbonate/diethylene carbonate and LiPF 6 electrolyte, after cycling has a specific capacity of at least 38 mAh/g in all 1C, 2C, 4C, 2C and 1C cycling modes. In comparison, a battery with a CELGARD 2500 type separator (with the same electrolyte and general design) had a much lower specific capacity measured in the same cycling modes. Similarly, in FIG. 21 shows the results of various measurements of specific capacity for a battery according to the present invention and a CELGARD type battery selected for comparison. After more than 50 continuous cycles since the initial charge, the SEI-preformed batteries had dramatically different results. The battery of the present invention having the above electrolyte had a specific capacity of more than 100 mAh/g after such continuous 50 cycles. It should be noted that the comparative battery showed a significantly lower specific capacity, indicating an improved reliability of the battery according to the present invention, apparently due to the effective pre-formation of the SEI layer on the anode as well as the battery separator.

Для демонстрации общих результатов предварительно сформированного SEI-слоя в рассматриваемых батареях (батарее согласно настоящему изобретению и приведенной для сравнения батарее) некоторые использованные в качестве примеров элементы по существу были разобраны для определения находящегося в них общего покрывающего SEI-слоя как внутри сепараторов, так и на сепараторах. Таким образом, после завершения циклической обработки приведенные в качестве примера элементы таблеточного типа были размонтированы в заполненной аргоном защитной камере с перчатками и были высушены под вакуумом перед исследованием методами сканирующей электронной микроскопии (SEM) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX). Образцы, приготовленные для исследования методами SEM и EDX, были покрыты золотом/палладием. Для исследования методом SEM использовался сканирующий электронный микроскоп марки Carl Zeiss Auriga-BU FIB FESEM. Для исследования методом EDX использовался сканирующий электронный микроскоп с энергодисперсионным спектрометром (микроскоп марки Bruker Nano с приставкой XFIash Detector 5030). Исследование сепараторов методом EDX в результате дало спектры с пиками атомных резонансов, показанных в табл. 12.In order to demonstrate the overall results of the pre-formed SEI layer in the batteries in question (the battery of the present invention and the battery shown for comparison), some exemplary cells were essentially disassembled to determine the common SEI coating layer they contained both inside the separators and on separators. Thus, after completion of the cycling, exemplary pellet cells were dismounted in an argon-filled glove box and dried under vacuum prior to scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) examination. Samples prepared for SEM and EDX studies were coated with gold/palladium. For the study by the SEM method, a scanning electron microscope of the Carl Zeiss Auriga-BU FIB FESEM brand was used. A scanning electron microscope with an energy dispersive spectrometer (a Bruker Nano microscope with an XFIash Detector 5030 attachment) was used for the EDX study. The study of separators by the EDX method resulted in spectra with peaks of atomic resonances shown in Table. 12.

______________________________Таблица 12______________________________ Table 12

Элемент Element CELGARD 2500 CELGARD 2500 DWI Silver 25 DWI Silver 25 Углерод Carbon 88,05 88.05 68,48 68.48 Кислород Oxygen 6,81 6.81 16,30 16.30 Фтор Fluorine 3,99 3.99 12,23 12.23 Фосфор Phosphorus 1,15 1.15 3,00 3.00

Эти измерения показывают, что SEI-слой намного лучше развит на сепараторе согласно настоящему изобретению, чем на приведенном для сравнения пленочном сепараторе. Таким образом, измеренное значение резонансного пика атома углерода, составляющее максимум 70 в данном случае, значение реThese measurements show that the SEI layer is much better developed on the separator according to the present invention than on the comparative film separator. Thus, the measured value of the resonant peak of the carbon atom, which is a maximum of 70 in this case, the value of re

- 15 039132 зонансного пика атома кислорода, составляющее по меньшей мере 8, значение резонансного пика атома фтора, составляющее по меньшей мере 5, и значение резонансного пика атома фосфора, составляющее по меньшей мере 1,5, в этой ситуации являются важными для обеспечения законченного SEI-слоя внутри батареи. Такой SEI-слой соответствует, как указано выше, повышенной надежности первоначальной зарядки и циклической обработки, в частности, внутри слоя, совместно присутствующего на аноде и сепараторе. Таким образом, батареи, содержащие такой эффективным результирующий SEI-слой, и сепаратор, который облегчает нанесение на него такого покрытия во время циклической обработки и по меньшей мере первоначальной зарядки, имеют, как указано выше, превосходную начальную емкость, также обеспечивающую повышенную надежность во время использования и потенциально более продолжительное время хранения в ожидании такой первоначальной зарядки внутри соответствующего устройства (например, сотового телефона и т.п.).- 15 039132 oxygen atom resonance peak value of at least 8, fluorine atom resonance peak value of at least 5, and phosphorus atom resonance peak value of at least 1.5 in this situation are important to ensure a complete SEI -layer inside the battery. Such an SEI layer corresponds, as mentioned above, to increased reliability of initial charging and cycling, in particular within the layer co-existing on the anode and separator. Thus, batteries containing such an efficient resulting SEI layer, and a separator that facilitates its application of such a coating during cycling and at least initial charging, have, as noted above, an excellent initial capacity, also providing increased reliability during use and potentially longer storage time while waiting for such an initial charge inside the respective device (eg cell phone, etc.).

Приведенный в качестве примера способ включает следующие этапы: сборка элемента, имеющего внутренний объем, содержащий анод, катод и сепаратор; заполнение внутреннего объема элемента электролитом; присоединение анода и катода к зарядному устройству; зарядка элемента со скорость зарядки, которая меньше чем или равна С/6, пока элемент не достигнет максимального напряжения; и зарядка элемента при напряжении, которое выше, чем заданное напряжение, в течение более 6 ч. Настоящее изобретение также включает способ, согласно которому напряжение для завершения этапа зарядки с низкой скоростью больше или равно 3,4 В. Настоящее изобретение также включает способ, согласно которому напряжение для этапа зарядки с использованием высокого напряжения больше чем 3,4 В.The exemplary method includes the following steps: assembling an element having an internal volume containing an anode, a cathode and a separator; filling the internal volume of the cell with electrolyte; connecting the anode and cathode to the charger; charging the cell at a charging rate that is less than or equal to C/6 until the cell reaches its maximum voltage; and charging the cell at a voltage that is higher than the predetermined voltage for more than 6 hours. The present invention also includes a method in which the voltage to complete the low-rate charging step is greater than or equal to 3.4 V. The present invention also includes a method according to which the voltage for the charging stage using high voltage is greater than 3.4V.

Варианты реализации настоящего изобретения могут включать конкретные параметры, которые обеспечивают создание достаточного твердоэлектролитного межфазного слоя, так что идеальный приложенный ток составляет не больше чем С/4, предпочтительно не больше чем С/6 и более предпочтительно не больше чем С/10 (где С - скорость зарядки, необходимая для зарядки элемента до полной емкости в течение одного часа). Кроме того, использование напряжения является очень важным в том отношении, что конкретные параметры обеспечивают создание достаточного твердоэлектролитного межфазного слоя, так что идеальное напряжение достигается при значении больше чем 3,3 В, предпочтительно 3,6 В и более предпочтительно 3,9 В. Кроме того, ток, необходимый для поддержания напряжения выше 3,6 В, должен подаваться в течение достаточного длительного периода времени, который больше чем 6 ч, предпочтительно больше чем 9 ч и более предпочтительно больше чем 12 ч. Этот процесс обеспечивает возможность образования SEI-слоя со скоростью зарядки, которая ограничена током (не размером пор сепаратора), и также обеспечивает возможность медленного процесса при высоком напряжении, в результате чего SEI-слой продолжает заполнять все промежутки и обеспечивает однородное полное покрытие анода. Как указано выше, такое покрытие анода является важным для общей надежности батареи (и длительности периода хранения, предположительно до первоначальной зарядки).Embodiments of the present invention may include specific parameters that provide sufficient solid electrolyte interfacial layer such that the ideal applied current is no more than C/4, preferably no more than C/6, and more preferably no more than C/10 (where C is charge rate required to charge the cell to full capacity within one hour). In addition, the use of voltage is very important in that specific parameters ensure that a sufficient solid electrolyte interfacial layer is created so that the ideal voltage is achieved at a value greater than 3.3 V, preferably 3.6 V, and more preferably 3.9 V. In addition In addition, the current required to maintain the voltage above 3.6 V must be supplied for a sufficiently long period of time, which is more than 6 hours, preferably more than 9 hours and more preferably more than 12 hours. This process allows the formation of the SEI layer with a charge rate that is limited by the current (not the size of the separator pores), and also allows for a slow process at high voltage, whereby the SEI layer continues to fill all the gaps and provides uniform full coverage of the anode. As stated above, this anode coating is important to the overall reliability of the battery (and the length of the storage period, presumably prior to initial charging).

Несмотря на то, что настоящее изобретение подробно показано и описано со ссылкой на предпочтительные варианты его реализации и на сопроводительные чертежи, специалистам понятно, что могут быть сделаны различные изменения в форме и деталях там без отступления от принципа настоящего изобретения. Таким образом, объем охраны настоящего изобретения определен не подробным описанием, а приложенной формулой.While the present invention has been shown and described in detail with reference to the preferred embodiments thereof and the accompanying drawings, those skilled in the art will appreciate that various changes in form and detail may be made therein without departing from the principle of the present invention. Thus, the scope of protection of the present invention is not defined by the detailed description, but by the appended claims.

Claims (10)

1. Способ изготовления литий-ионной батареи, включающий:1. A method for manufacturing a lithium-ion battery, including: сборку элемента, во внутреннем объеме которого содержатся анод, катод и сепаратор, который содержит спутанные микроволокна и нановолокна;assembling an element, the internal volume of which contains an anode, a cathode and a separator, which contains entangled microfibers and nanofibers; заполнение внутреннего объема элемента электролитом;filling the internal volume of the cell with electrolyte; присоединение анода и катода к зарядному устройству;connecting the anode and cathode to the charger; зарядку элемента при значении приложенного тока, не превышающего С/4, до завершения зарядки, где С - скорость зарядки, необходимая для зарядки элемента до полной емкости за один час, и при напряжении, превышающем 3,3 В, в течение более чем шести часов.charging the cell at an applied current value not exceeding C/4 until the charge is complete, where C is the charging rate required to charge the cell to full capacity in one hour and at a voltage greater than 3.3 V for more than six hours . 2. Литий-ионная батарея, изготовленная с использованием способа по п.1, содержащая катод, анод, сепаратор и жидкий электролит, причем сепаратор содержит спутанные микроволокна и нановолокна, и твердоэлектролитный межфазный слой.2. A lithium-ion battery manufactured using the method of claim 1, comprising a cathode, an anode, a separator, and a liquid electrolyte, the separator comprising entangled microfibers and nanofibers, and a solid electrolyte interfacial layer. 3. Литий-ионная батарея по п.2, в которой сепаратор содержит произвольно ориентированные волокна.3. The lithium ion battery of claim 2, wherein the separator contains randomly oriented fibers. 4. Литий-ионная батарея по п.3, в которой по меньшей мере одно из произвольно ориентированных волокон имеет наибольший поперечный размер меньше 1,0 мкм.4. The lithium ion battery of claim 3, wherein at least one of the randomly oriented fibers has a largest transverse dimension of less than 1.0 µm. 5. Литий-ионная батарея по любому из пп.2-4, в которой сепаратор имеет средний эффективный размер пор, который больше или равен 0,1 мкм.5. A lithium ion battery according to any one of claims 2 to 4, wherein the separator has an effective average pore size that is greater than or equal to 0.1 µm. 6. Литий-ионная батарея по любому из пп.2-5, в которой твердоэлектролитный межфазный слой содержит области, обнаруживаемые сканирующим электронным микроскопом, в которых по существу все поры, присутствующие на микрофотографиях исходного сепаратора, полученных с использованием ска-6. A lithium-ion battery according to any one of claims 2-5, in which the solid electrolyte interfacial layer contains areas detectable by a scanning electron microscope, in which essentially all the pores present in the micrographs of the original separator obtained using the - 16 039132 нирующего электронного микроскопа, заполнены.- 16 039132 scanning electron microscope, filled. 7. Литий-ионная батарея по п.2, в которой твердоэлектролитный межфазный слой содержит области, в которых нановолокна, присутствующие на микрофотографиях исходного сепаратора, полученных с использованием сканирующего электронного микроскопа, не наблюдаются как присутствующие, поскольку они встроены в твердоэлектролитный межфазный слой.7. The lithium ion battery of claim 2, wherein the solid electrolyte interface contains areas in which the nanofibers present in the SEM micrographs of the original separator are not observed as being present because they are embedded in the solid electrolyte interface. 8. Литий-ионная батарея по любому из пп.2-7, в которой твердоэлектролитный межфазный слой содержит области, возможное наблюдение которых с использованием энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показывает уровни фосфора больше чем 1,5%.8. Lithium ion battery according to any one of claims 2 to 7, wherein the solid electrolyte interfacial layer contains regions which, if observed using energy dispersive X-ray spectroscopy, show phosphorus levels greater than 1.5%. 9. Литий-ионная батарея по любому из пп.2-8, в которой твердоэлектролитный межфазный слой содержит области, возможное наблюдение которых с использованием энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показывает уровни фтора больше чем 5%.9. A lithium ion battery according to any one of claims 2 to 8, wherein the solid electrolyte interfacial layer contains regions which, if observed using energy dispersive X-ray spectroscopy, show fluorine levels greater than 5%. 10. Литий-ионная батарея по п.2, имеющая удельную емкость больше 100 мА-ч/г в течение 50 непрерывных циклов, следующих за указанной первоначальной зарядкой.10. The lithium ion battery of claim 2 having a specific capacity greater than 100 mAh/g for 50 continuous cycles following said initial charge.
EA201891516A 2016-01-11 2017-01-10 Lithium ion battery and method of manufacturing same EA039132B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201614993003A 2016-01-11 2016-01-11
PCT/US2017/012797 WO2017123519A1 (en) 2016-01-11 2017-01-10 Lithium ion battery and method of manufacturing

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201891516A1 EA201891516A1 (en) 2019-02-28
EA039132B1 true EA039132B1 (en) 2021-12-08

Family

ID=80632886

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201891516A EA039132B1 (en) 2016-01-11 2017-01-10 Lithium ion battery and method of manufacturing same

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA039132B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140134496A1 (en) * 2012-11-14 2014-05-15 Brian G. Morin Single-layer lithium ion battery separators exhibiting high low shrinkage rates at high temperatures
US20140141337A1 (en) * 2012-11-20 2014-05-22 Brian G. Morin Versatile Single-Layer Lithium Ion Battery Separators Having Nanofiber and Microfiber Components
US20140141336A1 (en) * 2012-11-20 2014-05-22 Brian G. Morin Methods of Making Single-Layer Lithium Ion Battery Separators Having Nanofiber and Microfiber Components

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140134496A1 (en) * 2012-11-14 2014-05-15 Brian G. Morin Single-layer lithium ion battery separators exhibiting high low shrinkage rates at high temperatures
US20140141337A1 (en) * 2012-11-20 2014-05-22 Brian G. Morin Versatile Single-Layer Lithium Ion Battery Separators Having Nanofiber and Microfiber Components
US20140141336A1 (en) * 2012-11-20 2014-05-22 Brian G. Morin Methods of Making Single-Layer Lithium Ion Battery Separators Having Nanofiber and Microfiber Components

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
VERMA, P. ; MAIRE, P. ; NOVAK, P.: "A review of the features and analyses of the solid electrolyte interphase in Li-ion batteries", ELECTROCHIMICA ACTA, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 55, no. 22, 1 September 2010 (2010-09-01), AMSTERDAM, NL , pages 6332 - 6341, XP027215821, ISSN: 0013-4686 *
ZHANG, S.S.: "The effect of the charging protocol on the cycle life of a Li-ion battery", JOURNAL OF POWER SOURCES, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 161, no. 2, 27 October 2006 (2006-10-27), AMSTERDAM, NL, pages 1385 - 1391, XP027938700, ISSN: 0378-7753 *

Also Published As

Publication number Publication date
EA201891516A1 (en) 2019-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7478454B2 (en) Monolayer lithium ion battery separator, battery, capacitor, supercapacitor or ultracapacitor including the separator, method for generating electricity by utilizing a battery, and method for manufacturing a battery separator
JP4832430B2 (en) Lithium ion secondary battery separator and lithium ion secondary battery
US8936878B2 (en) Methods of making single-layer lithium ion battery separators having nanofiber and microfiber components
US10230089B2 (en) Electrolyte holder for lithium secondary battery and lithium secondary battery
AU2012259083A1 (en) Single-layer lithium ion battery separator
WO2010044264A1 (en) Power storage device separator
WO2010106793A1 (en) Separator for electrical storage device and method for producing same
US20210012976A1 (en) Direct electrolyte gelling via battery separator composition and structure
JP2010219335A (en) Separator for storage device, and method of manufacturing the same
US11538639B2 (en) Separator for electrochemical elements, and electrochemical element
CN110168796A (en) Electrochemical appliance
KR102431907B1 (en) Lithium-ion batteries and manufacturing methods
EA039132B1 (en) Lithium ion battery and method of manufacturing same
JP5488990B2 (en) Lithium ion secondary battery