EP2422390A1 - Elektrochemische zelle mit lithiumtitanat - Google Patents

Elektrochemische zelle mit lithiumtitanat

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Publication number
EP2422390A1
EP2422390A1 EP10712014A EP10712014A EP2422390A1 EP 2422390 A1 EP2422390 A1 EP 2422390A1 EP 10712014 A EP10712014 A EP 10712014A EP 10712014 A EP10712014 A EP 10712014A EP 2422390 A1 EP2422390 A1 EP 2422390A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrochemical cell
separator
cell according
electrode
carrier
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10712014A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Gutsch
Tim Schaeffer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Li Tec Battery GmbH
Original Assignee
Li Tec Battery GmbH
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 Li Tec Battery GmbH filed Critical Li Tec Battery GmbH
Publication of EP2422390A1 publication Critical patent/EP2422390A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical cell whose negative electrode comprises a lithium titanate.
  • the cell can preferably be used for driving a vehicle with electric motor, preferably with hybrid drive.
  • Electrochemical cells that are used for driving a vehicle with electric motor or hybrid drive are already known.
  • Commercially available types consist for example of a positive electrode based on lithium mixed oxides such as lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide or lithium iron phosphate, and a negative electrode based on carbon. If several cells are connected in series and / or connected in parallel in the form of an accumulator, their capacity can be high enough to drive, for example, a vehicle with hybrid drive.
  • the negative electrode consists of a lithium-containing material, for example lithium titanate.
  • Lithium manganate is then preferably used as the positive electrode.
  • Such cells have high intrinsic safety, which is particularly important when used to drive an electric motor in a vehicle. They are not prone to smoke, fire or explosion in case of short circuit, over discharge, overcharging or mechanical destruction. In addition, they exhibit high fast charging capability, sufficient capacity even after high discharge / charge cycles and are still effective over a wide temperature range. Typical of Manufacturers specified characteristics for a cell to show a working voltage of 2 V to 2.5 V over a temperature operating range of -50 0 C to 75 0 C. The capacity of such cells may be at more than 90% of the initial capacity after 2000 charge cycles.
  • a high resistance of the cells with the least possible drop in capacity is important in vehicles with hybrid drive, because the cells in hybrid operation are exposed to constant charges and discharges.
  • the object of the present invention was to provide an electrochemical cell having a sufficient capacity even after a large number of charge / discharge cycles.
  • negative electrode means the electrode that emits electrons when connected to the load, for example, an electric motor, so that the negative electrode is the anode.
  • positive electrode means the electrode that receives electrons when connected to the load, such as the electric motor, for example, and the positive electrode is the cathode.
  • the negative electrode becomes the cathode and the positive electrode becomes the anode.
  • the lithium titanate used for the negative electrode has a spinel structure and has the chemical composition Li 4 Ti 5 Oi 2 .
  • Methods for producing this spinel or spinel structures are known from the prior art, for example from US 2004/0197657.
  • lithium titanate spinel it is also possible to set lithium / titanium ratios which deviate from the ratio in Li 4 Ti 5 O 12 .
  • Such spinel structures are disclosed in US 2008/0226987.
  • the negative electrode contains carbon in addition to lithium titanate.
  • the conductivity of the electrode can be further increased.
  • the carbon may be present as a coating on the electrode, preferably as a carbon layer with a thickness of a few microns.
  • the carbon coating has a diamond-like structure, it is also called “hard carbon coating". Such a layer provides effective protection against external influences, such as mechanical or chemical influences.
  • the carbon coating can also be made with a carbon fiber web.
  • Such carbon is also often referred to as "soft carbon”.
  • the carbon may also be in amorphous form on the negative electrode.
  • hard carbon soft carbon
  • amorphous carbon is known in the art, as well as methods for producing such carbon modifications and the use in the production of - A -
  • Electrodes Further and likewise known embodiments of the carbon are carbon in the form of "nanocarbon tubes", “nano buds” or “foam”.
  • the positive electrode contains a mixed oxide other than lithium titanate.
  • the mixed oxide contains one or more elements selected from nickel, manganese and cobalt.
  • the mixed oxide containing nickel, cobalt and manganese is preferably present mixed with lithium manganate.
  • the lithium manganate preferably has the formula LiMn 2 O 4 .
  • Such electrode material is known from the prior art.
  • These oxides used for the positive electrode are commercially available or can be prepared by known methods.
  • the negative electrode or the positive electrode or the negative electrode and the positive electrode comprise an electrode carrier.
  • the oxides listed above are applied.
  • the application can be unilateral or bilateral, preferably in the form of coatings.
  • the electrode carrier comprises a foil of copper or a foil of an alloy with copper. In a further embodiment, the electrode carrier comprises a foil made of aluminum.
  • the electrode carrier may also be in the form of a net or tissue.
  • nets or fabrics made of metal preferably made of metal, are suitable Aluminum or copper or a copper alloy, or mesh or fabric made of plastics.
  • the electrode carrier of both the positive and the negative electrode made of aluminum, preferably a foil made of aluminum.
  • At least one of the electrodes preferably both electrodes, contains no carrier foil.
  • at least one of the electrodes, preferably both electrodes contains aluminum chips or copper chips or chips of a copper alloy for increasing the conductivity.
  • an embodiment of the electrodes is possible in which the carrier film is replaced by conductivity additives such as graphite or electrically conductive plastics, such as polyparaphenylene, polythiophene, polypyrrole, poly (para-phenylene-vinylene), polyaniline.
  • conductivity additives such as graphite or electrically conductive plastics, such as polyparaphenylene, polythiophene, polypyrrole, poly (para-phenylene-vinylene), polyaniline.
  • the oxides preferably contain a suitable binder. It is preferred that the
  • Binder comprises a fluorinated polymer, preferably a
  • Suitable products are, for example, among the
  • the electrodes comprise polyvinylidene fluoride.
  • the oxides can be pasted, for example, with the binder, and the resulting paste applied to the electrode carrier.
  • Corresponding methods are known in the art. To prevent uncontrolled lithium-ion transmission between the two electrodes, they are separated by a separator. However, the separator must still allow the required lithium-ion transport through the separator.
  • the separator comprises a non-woven of electrically non-conductive fibers, wherein the non-woven is coated on at least one side with an inorganic material.
  • EP 1 017 476 describes such a separator and a method for its production.
  • the separator is preferably coated with an ion-conducting inorganic material.
  • a separator which preferably consists of an at least partially permeable carrier, which is not or only poorly electron-conducting, wherein the carrier is coated on at least one side with an inorganic material , wherein as at least partially permeable carrier preferably an organic material is used, which is preferably configured as a non-woven fabric, wherein the organic material is preferably a polymer, and more preferably a polyethylene glycol terephthalate (PET), a polyolefin (PO) or a polyetherimide (PEI ), wherein the organic material is coated with an inorganic ion-conductive material, which is preferably in a temperature range of -40 0 C to 200 0 C ion-conducting, wherein the inorganic, ion-conductive material preferably at least one compound from the group of Oxi de, phosphates, sulphates, titanates, silicates, aluminosilicates
  • a separator with PET as carrier material is commercially available under the name Separion ® . It can be prepared by methods as disclosed in EP 1 017476.
  • nonwoven web means that the polymers are in the form of nonwoven fibers (nonwoven fabric) Such webs are known in the art and / or may be prepared by known methods, for example, U.S. Pat a spunbonding process or a meltblowing process as for example in DE 195 01 271 A1.
  • the separator consists of a polyethylene glycol terephthalate, a polyolefin, a polyetherimide, a polyamide, a polyacrylonitrile, a polycarbonate, a polysulfone, a polyethersulfone, a polyvinylidene fluoride, a polystyrene, or mixtures thereof.
  • the separator consists of a polyolefin or of a mixture of polyolefins.
  • separator which consists of a mixture of polyethylene and polypropylene.
  • separators Preferably, such separators have a layer thickness of 3 to 14 .mu.m.
  • the polymers are preferably in the form of fiber webs.
  • mixture or “mixture” of the polymers means that the polymers are preferably in the form of their nonwovens, which are bonded together in layers. Such nonwovens or nonwoven composites are disclosed, for example, in EP 1 852 926.
  • this consists of an inorganic material.
  • the inorganic material used are oxides of magnesium, calcium, aluminum, silicon and titanium, as well as silicates and zeolites, borates and phosphates.
  • Such materials for separators as well as methods for producing the separators are disclosed in EP 1 783 852.
  • the separator consists of magnesium oxide.
  • magnesium oxide by calcium oxide, barium oxide, barium carbonate, lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium, barium phosphate or by lithium, sodium, potassium borate, or mixtures thereof Compounds, to be replaced.
  • the separators of this embodiment preferably have a layer thickness of 4 to 25 ⁇ m.
  • the separator is applied to at least one of the electrodes.
  • Methods of applying the separator to an electrode are known in the art.
  • the application can preferably be carried out by gluing or by co-extrusion of electrode material with separator material.
  • the positive or the negative electrode or the positive and the negative electrode are mounted directly on the separator.
  • the ability of the separator for ionic conduction can be further improved if a nonaqueous electrolyte is added to it, ie it is soaked with this electrolyte.
  • the nonaqueous electrolyte comprises an organic solvent and lithium ions.
  • the organic solvent is selected from ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, 1, 2-dimethoxyethane, ⁇ -butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1, 3-dioxolane, sulfolane, acetonitrile, or phosphoric acid esters, or mixtures of these solvents.
  • the lithium ions present in the electrolyte have one or more counterions selected from AsF 6 " , PF 6 “ , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 “ , PF 3 (CF 3 ) 3 “ , BF 4 “ , BF 2 (CFs) 2 -, BF 3 (CF 3 ) “ , IB (COOCOO) 2 “ ], CF 3 SO 3 “ , C 4 F 9 SO 3 “ , [(CF 3 SO 2 ) 2 N] " , [C 2 F 5 SO 2 ) 2 N] ⁇ [(CN) 2 N] “ , CIO 4 " .
  • the electrodes are in the form of an electrode stack which has at least one separator, preferably the separator described above.
  • the production of a stack of alternately stacked and fixed separators and electrodes for an electrochemical cell is known for example from DE 10 2005 042 916 A1.
  • the stack may also be in the form of a winding, as known for example from EP 0 949 699.
  • the electrochemical cell has at least one current conductor which is connected to the electrodes or the electrode stack.
  • the electrochemical cell can be connected, for example, to an electric motor to provide it with electric current.
  • An embodiment of the electrochemical cell having at least 2 electrochemical cells according to the invention can also be referred to as an accumulator.
  • the electrodes which are separated by the separator or the electrode stack are in a housing which is suitable for the battery or accumulator operation, for example in an aluminum housing.
  • Another object of the invention is also the use of the electrochemical cell according to the invention for supplying an electric motor with electric current.
  • the electrochemical cell is used in a hybrid drive vehicle.
  • the electrochemical cell as well as the electrodes used in it can be made by methods known in the art. Such methods are described, for example, in "Handbook of Batteries, Third Edition, McGraw-Hill, Editors: D. Linden, TB Reddy, 35.7.1".
  • the electrochemical cell of the present invention may also be manufactured by a method in which the separator is applied directly to at least one of the electrodes, ie, the negative electrode and / or the positive electrode. Coextrusion then forms a laminate composite. Such methods are disclosed, for example, in EP 1 783 852.
  • the present invention also relates to a method for producing the electrochemical cell according to the invention, characterized in that the separator is applied to at least one electrode and the composite formed is coextruded.
  • the separator which contains the inorganic material preferably in the form of a paste or dispersion, is coextruded with at least one electrode.
  • the result is a laminate composite comprising an electrode and the separator or a laminate composite comprising the two electrodes and the separator between them.
  • the present invention also relates to a process for producing the electrochemical cell according to the invention, characterized in that the coextrusion is a paste extrusion.
  • the resulting composite can be dried or sintered by the usual methods.
  • the separately prepared electrodes and the separator or their Eduktgemische for the preparation are then fed continuously and separately to a processor unit, wherein the negative electrode are laminated with the separator and the positive electrode to a cell assembly.
  • the processor unit preferably comprises or consists of laminating rollers.
  • the invention also relates to a method for producing the electrochemical cell according to the invention, characterized in that the separator and the negative and the positive electrode are fed separately from one another to a process unit and laminated there together.
  • An electrochemical cell was constructed whose positive electrode contained nickel / cobalt / manganese mixed oxide and lithium manganese oxide.
  • the negative electrode contained lithium titanate with carbon as a conductive additive.
  • the separator used was Separion®. The electrodes were applied directly to the separator.
  • Figure 1 shows the dependence of the capacity of the electrochemical cell on the number of charge / discharge cycles.
  • the capacity was 6.5 Ah at the beginning of the measurement.
  • the charging and discharging currents were 19.5 A (3C).
  • the measurement was carried out up to a number of cycles of about 9,000.
  • the capacity reached at the end of the cycle was over 4.5 Ah.
  • Figure 2 shows the dependence of the capacity on the number of discharge / charge pulses.
  • the pulse duration for the discharge was 8 s at a discharge current of 56 A (8.55 C)
  • the pulse duration for the charge was 3 s with a charging current of approximately 146 A (22.7 C). More than 1,000,000 pulses were achieved.

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Abstract

Elektrochemische Zelle, umfassend eine negative Elektrode umfassend ein Lithiumtitanat; eine positive Elektrode; und einen Separator, der die negative von der positiven Elektrode trennt. Die Zelle kann vorzugsweise für den Antrieb eines Fahrzeugs mit Elektromotor, vorzugsweise mit Hybridantrieb, eingesetzt werden.

Description

Elektrochemische Zelle mit Lithiumtitanat
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, deren negative Elektrode ein Lithiumtitanat umfasst. Die Zelle kann vorzugsweise für den Antrieb eines Fahrzeugs mit Elektromotor, vorzugsweise mit Hybridantrieb, eingesetzt werden.
Elektrochemische Zellen, die für den Antrieb eines Fahrzeugs mit Elektromotor bzw. mit Hybridantrieb eingesetzt werden, sind bereits bekannt. Handelsübliche Typen bestehen beispielsweise aus einer positiven Elektrode auf Basis von Lithiummischoxiden wie Lithiumkobaltoxid, Lithiummanganoxid oder Lithiumeisenphosphat, und einer negativen Elektrode auf Basis Kohlenstoff. Werden mehrere Zellen in geeigneter Weise in Form eines Akkumulators hintereinandergeschaltet und/oder parallel geschaltet, so kann ihre Kapazität hoch genug sein, um damit beispielsweise ein Fahrzeug mit Hybridantrieb anzutreiben.
Es sind auch handelsübliche elektrochemische Zellen bekannt, in denen die negative Elektrode aus einem Lithium-haltigen Material besteht, beispielsweise aus Lithiumtitantat. Als positive Elektrode wird dann vorzugsweise Lithiummanganat verwendet. Derartige Zellen besitzen eine hohe Eigensicherheit, die bei Verwendung zum Antrieb eines Elektromotors in einem Fahrzeug besonders wichtig ist. Sie neigen bei Kurzschluss, Tiefentladen, Überladen oder mechanischer Zerstörung weder zur Bildung von Rauch noch zu Feuer oder gar Explosion. Außerdem zeigen sie eine hohe Schnellladefähigkeit, eine ausreichende Kapazität auch nach hohen Entlade-/Ladezyklen und sind über einen breiten Temperaturbereich hinweg noch effektiv. Typische von Herstellern angegebene Kenndaten für eine Zelle zeigen eine Arbeitsspannung von 2 V bis 2,5 V über einen Temperatur-Arbeitsbereich von -50 0C bis 75 0C. Die Kapazität derartiger Zellen kann nach 2.000 Ladezyklen bei über 90 % der ursprünglichen Kapazität liegen.
Eine hohe Beständigkeit der Zellen mit möglichst geringem Kapazitätsabfall ist bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb wichtig, weil die Zellen im Hybridbetrieb ständigen Ladungen und Entladungen ausgesetzt sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine elektrochemische Zelle zur Verfügung zu stellen, die eine ausreichende Kapazität auch nach einer hohen Anzahl von Lade-/Entladezyklen aufweist.
Diese Aufgabe konnte mit einer elektrochemischen Zelle, umfassend eine negative Elektrode umfassend ein Lithiumtitanat; eine positive Elektrode; und einen Separator, der die negative von der positiven Elektrode trennt; gelöst werden.
Der Begriff „negative Elektrode" bedeutet die Elektrode, die beim Anschluss an den Verbraucher, also beispielsweise einen Elektromotor, Elektronen abgibt. Die negative Elektrode ist demzufolge die Anode.
Der Begriff „positive Elektrode" bedeutet die Elektrode, die beim Anschluss an den Verbraucher, also beispielsweise den Elektromotor, Elektronen aufnimmt. Die positive Elektrode ist demzufolge die Kathode.
Wird die Zelle geladen, so wird die negative Elektrode zur Kathode und die positive Elektrode zur Anode.
Vorzugsweise weist das für die negative Elektrode verwendete Lithiumtitanat eine Spinell-Struktur auf und besitzt die chemische Zusammensetzung Li4Ti5Oi2. Verfahren zur Herstellung dieses Spinells bzw. derartiger Spinell-Strukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus US 2004/0197657.
Im Lithiumtitanat-Spinell können auch Lithium/Titan-Verhältnisse eingestellt werden, die vom Verhältnis in Li4Ti5O12 abweichen. Derartige Spinell-Strukturen werden in US 2008/0226987 offenbart.
Die Verwendung eines Lithiumtitanats mit Spinell-Struktur verbessert auch die Schnellladefähigkeit der elektrochemischen Zelle.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die negative Elektrode neben Lithiumtitanat Kohlenstoff. Damit kann die Leitfähigkeit der Elektrode weiter erhöht werden.
Der Kohlenstoff kann dabei als Beschichtung auf der Elektrode vorliegen, vorzugsweise als eine Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von wenigen Micron.
Besitzt die Kohlenstoffbeschichtung eine Diamant-ähnliche Struktur, so wird sie auch als "hard carbon coating" bezeichnet. Eine derartige Schicht bietet einen wirksamen Schutz gegen äußere Einflüsse, wie beispielsweise mechanische oder chemische Einflüsse.
Die Beschichtung mit Kohlenstoff kann jedoch auch mit einem Vlies aus Kohlenstofffasern hergestellt werden. Derartiger Kohlenstoff wird auch häufig als "soft carbon" bezeichnet.
Der Kohlenstoff kann auf der negativen Elektrode auch in amorpher Form vorliegen.
Die Begriffe „hard carbon", „soft carbon" und „amorpher Kohlenstoff sind dem Fachmann bekannt, desgleichen Verfahren zur Herstellung derartiger Kohlenstoff-Modifikationen sowie die Verwendung bei der Herstellung von - A -
Elektroden. Weitere und ebenfalls bekannte Ausführungsformen des Kohlenstoffs sind Kohlenstoff in Form von „nanocarbon tubes", „nano buds" oder „Schaum".
In einer Ausführungsform der elektrochemischen Zelle der vorliegenden Erfindung enthält die positive Elektrode ein Mischoxid, das verschieden von Lithiumtitanat ist.
Vorzugsweise enthält das Mischoxid ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Nickel, Mangan und Kobalt.
Vorzugsweise liegt das Mischoxid enthaltend Nickel, Kobalt und Mangan im Gemisch mit Lithiummanganat vor. Das Lithiummanganat besitzt vorzugsweise die Formel LiMn2O4.
Derartiges Elektrodenmateria! ist aus dem Stand der Technik bekannt. Diese für die positive Elektrode verwendeten Oxide sind kommerziell erhältlich oder können nach bekannten Verfahren hergestellt werden.
Es ist weiter bevorzugt, dass die negative Elektrode oder die positive Elektrode oder die negative Elektrode und die positive Elektrode einen Elektrodenträger umfassen. Auf dem Elektrodenträger sind die oben aufgeführten Oxide aufgebracht. Die Aufbringung kann einseitig oder beidseitig erfolgen, vorzugsweise in Form von Beschichtungen.
In einer Ausführungsform umfasst der Elektrodenträger eine Folie aus Kupfer oder eine Folie einer Legierung mit Kupfer. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Elektrodenträger eine Folie aus Aluminium.
Der Elektrodenträger kann auch in Form eines Netzes oder Gewebes vorliegen. Geeignet sind vorzugsweise Netze oder Gewebe aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer oder einer Kupferlegierung, oder Netze oder Gewebe aus Kunststoffen.
In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen der Elektrodenträger sowohl der positiven wie auch der negativen Elektrode aus Aluminium, vorzugsweise einer Folie aus Aluminium.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält mindestens eine der Elektroden, vorzugsweise beide Elektroden, keine Trägerfolie. Vorzugsweise enthält dann mindestens eine der Elektrode, vorzugsweise beide Elektroden, zur Erhöhung der Leitfähigkeit Aluminiumspäne oder Kupferspäne oder Späne einer Kupferlegierung.
Auch ist eine Ausführungsform der Elektroden möglich, bei der die Trägerfolie ersetzt ist durch Leitfähigkeitszusätze wie Graphit oder elektrisch leitende Kunststoffe, wie Polyparaphenylen, Polythiophen, Polypyrrol, Poly(para- phenylen-vinylen), Polyanilin.
Zur Verbesserung der Adhäsion der Oxide auf dem Elektrodenträger enthalten die Oxide vorzugsweise ein geeignetes Bindemittel. Bevorzugt ist, dass das
Bindemittel ein fluoriertes Polymer umfasst, vorzugsweise ein
Polyvinylidenfluorid. Geeignete Produkte sind beispielsweise unter den
Handelsnamen Kynar® oder Dyneon® erhältlich,
Demgemäß umfassen die Elektroden in einer bevorzugten Ausführungsform Polyvinylidenfluorid.
Zur Herstellung der Elektroden können die Oxide beispielsweise mit dem Bindemittel angeteigt und die erhaltene Paste auf den Elektrodenträger aufgebracht werden. Entsprechende Verfahren sind im Stand der Technik bekannt. Damit es zu keiner unkontrollierten Lithium-Ionen-Übertragung zwischen den beiden Elektroden kommt, werden diese über einen Separator voneinander getrennt. Der Separator muss aber den erforderlichen Lithium-Ionen-Transport durch den Separator hindurch noch ermöglichen.
Vorzugsweise umfasst der Separator ein Vlies aus elektrisch nichtleitenden Fasern, wobei das Vlies auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist. EP 1 017 476 beschreibt einen derartigen Separator und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Der Separator ist vorzugsweise mit einem ionenleitenden anorganischen Material beschichtet.
Als Separator, der die positive Elektrode von der negativen Elektrode trennt, wird vorzugsweise ein Separator verwendet, der bevorzugt aus einem wenigstens teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, wobei der Träger auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht-verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenglykolterephthalat (PET), ein Polyolefin (PO) oder ein Polyetherimid (PEI) umfasst, wobei das organische Material mit einem anorganischen ionenleitenden Material beschichtet ist, welches vorzugsweise in einem Temperaturbereich von -40 0C bis 200 0C ionenleitend ist, wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulphate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zirkon, Aluminium, Lithium ist, insbesondere Zirkonoxid ist, und wobei das anorganische Material bevorzugt Partikel mit einem Größendurchmesser unter 100 nm aufweist. Geeignete Polyolefine sind vorzugsweise Polyethylen, Polypropylen oder Polymethylpenten. Besonders bevorzugt ist Polypropylen.
Der Einsatz von Polyamiden, Polyacrylnitrilen, Polycarbonaten, Polysulfonen, Polyethersulfonen, Polyvinylidenfluoriden, Polystyrolen als organisches Trägermaterial ist gleichfalls denkbar.
Es können auch Mischungen der Polymeren verwendet werden.
Ein Separator mit PET als Trägermaterial ist im Handel erhältlich unter der Bezeichnung Separion®. Er kann nach Methoden hergestellt werden, wie sie in der EP 1 017476 offenbart sind.
Der Begriff „nicht verwebtes Vlies" bedeutet, dass die Polymeren in Form von Fasern in nicht gewebter Form vorliegen (non-woven fabric). Derartige Vliese sind aus dem Stand der Technik bekannt und/oder können nach den bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch einen Spinnvliesprozess oder ein Schmelzblasverfahren wie beispielweise in DE 195 01 271 A1 referiert.
In einer weiteren Ausführungsform besteht der Separator aus einem Polyethylenglykolterephthalat, einem Polyolefin, einem Polyetherimid, einem Polyamid, einem Polyacrylnitril, einem Polycarbonat, einem Polysulfon, einem Polyethersulfon, einem Polyvinylidenfluorid, einem Polystyrol, oder Mischungen davon.
Vorzugsweise besteht der Separator aus einem Polyolefin oder aus einem Gemisch von Polyolefinen.
Besonders bevorzugt in dieser Ausführungsform ist dann ein Separator, der aus einem Gemisch von Polyethylen und Polypropylen besteht. Vorzugsweise weisen solche Separatoren eine Schichtdicke von 3 bis 14 μm auf.
Die Polymeren liegen vorzugsweise in Form von Faservliesen vor.
Der Begriff „Mischung" oder „Gemisch" der Polymeren bedeutet, dass die Polymeren vorzugsweise in Form ihrer Vliese vorliegen, die miteinander schichtweise verbunden sind. Derartige Vliese bzw. Vliesverbunde werden beispielsweise in EP 1 852 926 offenbart.
In einer weiteren Ausführungsform des Separators besteht dieser aus einem anorganischen Material.
Vorzugsweise werden als anorganisches Material Oxide des Magnesiums, Calciums, Aluminiums, Siliziums und Titans eingesetzt, sowie Silikate und Zeolithe, Borate und Phosphate. Derartige Materialien für Separatoren sowie Verfahren zur Herstellung der Separatoren werden in EP 1 783 852 offenbart.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Ausführungsform eines Separators besteht der Separator aus Magnesiumoxid.
In einer weiteren Ausführungsform können 50 bis 80 Gew.-% des Magnesiumoxids durch Calciumoxid, Bariumoxid, Bariumcarbonat, Lithium-, Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Calcium-, Bariumphosphat oder durch Lithium-, Natrium-, Kaliumborat, oder Mischungen dieser Verbindungen, ersetzt sein.
Vorzugsweise weisen die Separatoren dieser Ausführungsform eine Schichtdicke von 4 bis 25 μm auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle ist der Separator auf mindestens einer der Elektroden aufgebracht. Verfahren zum Aufbringen des Separators auf eine Elektrode sind aus dem Stand der Technik bekannt. Das Aufbringen kann vorzugsweise durch Aufkleben oder durch gemeinsame Extrusion von Elektroden material mit Separatormaterial erfolgen. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform sind die positive oder die negative Elektrode oder die positive und die negative Elektrode direkt auf dem Separator angebracht.
Die Fähigkeit des Separators zur lonenleitung kann weiter verbessert werden, wenn diesem ein nicht-wässriger Elektrolyt zugesetzt wird, er also mit diesem Elektrolyten getränkt wird. Vorzugsweise umfasst der nicht-wässrige Elektrolyt ein organisches Lösungsmittel und Lithium-Ionen.
Vorzugsweise wird das organische Lösungsmittel ausgewählt aus Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylcarbonat, Dipropylcarbonat, 1 ,2-Dimethoxyethan, γ-Butyrolacton, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1 ,3-Dioxolan, Sulfolan, Acetonitril, oder Phosphorsäureester, oder Mischungen dieser Lösungsmittel.
Vorzugsweise weisen die Lithiumionen, die sich im Elektrolyt befinden, ein oder mehrere Gegenionen auf, ausgewählt aus AsF6 ", PF6 ", PF3(C2F5)3 ", PF3(CF3)3 ", BF4 ", BF2(CFs)2-, BF3(CF3)", IB(COOCOO)2 "], CF3SO3 ", C4F9SO3 ", [(CF3SO2)2N]", [C2F5SO2)2N]\ [(CN)2N]", CIO4 ".
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegen die Elektroden in Form eines Elektrodenstapels vor, der wenigstens einen Separator aufweist, vorzugsweise den oben beschriebenen Separator. Die Herstellung eines Stapels aus abwechselnd übereinander gestapelten und fixierten Separatoren und Elektroden für eine elektrochemischen Zelle ist beispielsweise aus der DE 10 2005 042 916 A1 bekannt. Der Stapel kann auch in Form einer Wicklung vorliegen, wie sie beispielsweise aus der EP 0 949 699 bekannt ist.
Weiter weist die elektrochemischen Zelle wenigstens einen Stromableiter auf, der mit den Elektroden bzw. dem Elektrodenstapel verbunden ist.
Über diesen Stromableiter kann die elektrochemische Zelle beispielsweise an einen Elektromotor angeschlossen werden, um diesen mit elektrischem Strom zu versorgen. Eine Ausführungsform der elektrochemischen Zelle mit mindestens 2 erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen kann auch als Akkumulator bezeichnet werden.
Vorzugsweise befinden sich die Elektroden, die durch den Separator getrennt sind bzw. der Elektrodenstapel in einem Gehäuse, das für den Batterie- oder Akkumulatorbetrieb geeignet ist, beispielsweise in einem Aluminiumgehäuse.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle zur Versorgung eines Elektromotors mit elektrischem Strom.
Vorzugsweise wird die elektrochemische Zelle in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb verwendet.
Die elektrochemische Zelle sowie die in ihr verwendeten Elektroden können nach Verfahren hergestellt werden, die bekannt sind. Derartige Verfahren werden beispielweise beschrieben in „Handbook of Batteries, Third Edition, McGraw-Hill, Editors: D. Linden, T. B. Reddy, 35.7.1". Die elektrochemische Zelle der vorliegenden Erfindung kann auch nach einem Verfahren hergestellt werden, bei dem der Separator direkt auf mindestens eine der Elektroden, d.h. auf die negative Elektrode und/oder die positive Elektrode aufgetragen wird. Durch Coextrusion entsteht dann ein Laminatverbund. Derartige Verfahren werden beispielsweise in EP 1 783 852 offenbart.
Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator auf mindestens eine Elektrode aufgetragen und der gebildete Verbund coextrudiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei der Separator, der das anorganische Material vorzugsweise in Form einer Paste oder Dispersion enthält, mit mindestens einer Elektrode coextrudiert.
Es entsteht ein Laminatverbund umfassend eine Elektrode und den Separator bzw. ein Laminatverbund umfassend die beiden Elektroden und den dazwischen liegenden Separator.
Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Coextrusion eine Pastenextrusion ist.
Nach der Extrusion kann der entstandene Verbund nach den üblichen Verfahren getrocknet bzw. gesintert werden.
Es ist aber auch möglich, die negative Elektrode und die positive Elektrode sowie den Separator getrennt voneinander herzustellen bzw. die Eduktgemische, aus denen die negative und die positive Elektrode sowie der Separator gefertigt werden, getrennt voneinander vorzulegen. Die getrennt voneinander hergestellten Elektroden und der Separator bzw. deren Eduktgemische für die Herstellung werden dann kontinuierlich und getrennt einer Prozessoreinheit zugeführt, wobei die negative Elektrode mit dem Separator und der positiven Elektrode zu einem Zellenverbund laminiert werden. Die Prozessoreinheit umfasst oder besteht vorzugsweise aus Kaschierwalzen.
Demgemäß betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator und die negative und die positive Elektrode getrennt voneinander einer Prozesseinheit zugeführt und dort miteinander laminiert werden.
Ein derartiges Verfahren ist aus der WO 01/82403 bekannt.
Beispiele
Es wurde eine elektrochemische Zelle konstruiert, deren positive Elektrode Nickel/Kobalt/Mangan-Mischoxid sowie Lithiummanganoxid enthielt. Die negative Elektrode enthielt Lithiumtitanat mit Kohlenstoff als Leitadditiv. Als Separator wurde Separion® verwendet. Die Elektroden wurden direkt auf dem Separator aufgebracht.
Ladung und Entladung wurden wie folgt durchgeführt (CC Lade- bzw. Entladestrom; CV Lade- bzw. Entladespannung; C Lade- bzw. Entladestrom in Ampere ausgedrückt als Vielfaches der Kapazität):
Bei 25 0C:
Ladung: CC/CV 1C(4 A)/2,7 V Entladung: CC/CV 10C/2,55 V; entnehmbare Kapazität 4,25 Ah CC/CV 20C/2.4 V; entnehmbare Kapazität 4,0 Ah Bei einer Temperatur von - 30 0C betrug die Kapazitätsauslastung ca. 70 %.
Figur 1 zeigt die Abhängigkeit der Kapazität der elektrochemischen Zelle von der Anzahl der Lade-/Entlade-Zyklen. Die Kapazität lag zu Beginn der Messung bei 6,5 Ah. Der Lade- wie auch der Entladestrom betrugen 19,5 A (3C). Die Messung wurde bis zu einer Zyklenzahl von ca. 9.000 durchgeführt. Die am Ende des Zyklus erreichte Kapazität lag über 4,5 Ah.
Figur 2 zeigt die Abhängigkeit der Kapazität von der Anzahl der Entlade- /Lade-Pulse. Die Pulsdauer für die Entladung betrug 8 s bei einem Entladestrom von 56 A (8,55C), die Pulsdauer für die Ladung betrug 3 s bei einem Ladestrom von ca. 146 A (22,7C). Es konnten mehr als 1.000.000 Pulse erzielt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Zelle, umfassend eine negative Elektrode umfassend ein Lithiumtitanat; eine positive Elektrode; einen Separator, der die negative von der positiven Elektrode trennt.
2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 , wobei die negative Elektrode zusätzlich Kohlenstoff enthält.
3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die positive Elektrode ein Mischoxid enthält, das verschieden von Lithiumtitanat ist.
4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, wobei das Mischoxid ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Nickel, Mangan, Kobalt enthält.
5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, wobei das Mischoxid Nickel, Mangan und Kobalt und Lithiummanganat enthält.
6. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Elektroden einen Elektrodenträger umfassen, auf den einseitig oder beidseitig entweder Lithiumtitanat oder Mischoxid aufgebracht ist.
7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, wobei der Elektrodenträger aus Aluminium besteht.
8. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens eine der beiden Elektroden keinen Elektrodenträger umfasst..
9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine Elektrode Zusätze aus Aluminium- oder Kupferspänen, Graphit oder leitfähigen Kunststoffen umfasst.
10. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Separator ausgewählt ist aus
(a) einem Separator, der bevorzugt aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, wobei der Träger auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als zumindest teilweise stoffdurchlässiger Träger vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein oder mehrere Polymere ausgewählt aus Polyethylenglykolterephthalat, Polyolefin oder Polyetherimid umfasst, wobei das organische Material mit einem anorganischen ionenleitenden Material beschichtet ist, welches vorzugsweise in einem Temperaturbereich von -40 0C bis 200 0C ionenleitend ist, wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zr, AI, Li ist, insbesondere Zirkonoxid ist, und wobei das anorganische Material bevorzugt Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm aufweist; oder
(b) einem Separator, der aus einem Polyethylenglykolterephthalat, einem Polyolefin, einem Polyetherimid, einem Polyamid, einem Polyacrylnitril, einem Polycarbonat, einem Polysulfon, einem Polyethersulfon, einem Polyvinylidenfluorid, einem Polystyrol, oder Mischungen davon, besteht; oder
(c) einem Separator, der aus einem anorganischen Material besteht.
11. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Separator auf mindestens einer der Elektroden aufgebracht ist.
12. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Separator einen nicht-wässrigen Elektrolyt enthaltend ein organisches Lösungsmittel und Lithium-Ionen umfasst.
13. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Elektroden in Form eines Elektrodenstapels vorliegen, der wenigstens einen Separator nach Anspruch 10 aufweist.
14. Verwendung einer elektrochemischen Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Versorgung eines Elektromotors mit elektrischem Strom.
15. Verwendung nach Anspruch 14 in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb.
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DE (1) DE102009018804A1 (de)
WO (1) WO2010121696A1 (de)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5422537B2 (ja) * 2010-10-29 2014-02-19 株式会社日立製作所 リチウムイオン二次電池
WO2013021299A1 (de) * 2011-08-08 2013-02-14 Basf Se Elektrochemische zellen
CN103378355B (zh) * 2012-04-12 2016-03-23 中国科学院物理研究所 碱金属二次电池及其用的负极活性物质、负极材料、负极和负极活性物质的制备方法
US20140272526A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 GM Global Technology Operations LLC Porous separator for a lithium ion battery and a method of making the same
US9997816B2 (en) 2014-01-02 2018-06-12 Johnson Controls Technology Company Micro-hybrid battery module for a vehicle
DE102017208794A1 (de) * 2017-05-24 2018-11-29 Robert Bosch Gmbh Hybridsuperkondensator für Hochtemperaturanwendungen

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ZA94750B (en) * 1993-09-02 1994-09-29 Technology Finance Corp Electrochemical cell
US5492781A (en) 1994-01-18 1996-02-20 Pall Corporation Battery separators
JP4095670B2 (ja) * 1995-03-31 2008-06-04 三菱製紙株式会社 非水電解液電池セパレーター用不織布およびそれを用いた非水電解液電池
US6379840B2 (en) 1998-03-18 2002-04-30 Ngk Insulators, Ltd. Lithium secondary battery
PL338562A1 (en) 1998-06-03 2000-11-06 Creavis Ges F Technologie Und Ion-conductive permeable composite material, method of obtaining same and application thereof
DE10020031C2 (de) 2000-04-22 2002-05-29 Franz W Winterberg Verfahren zur Herstellung von wiederaufladbaren Lithium-Polymer-Batterien
EP1282180A1 (de) 2001-07-31 2003-02-05 Xoliox SA Verfahren zur Herstellung von Li4Ti5O12 und Elektrodenmaterial
DE10240032A1 (de) * 2002-08-27 2004-03-11 Creavis Gesellschaft Für Technologie Und Innovation Mbh Ionenleitender Batterieseparator für Lithiumbatterien, Verfahren zu deren Herstellung und die Verwendung derselben
DE10308945B4 (de) 2003-02-28 2014-02-13 Dilo Trading Ag Li-Polymer-Batterien mit Separator-Dispersion und Verfahren für ihre Herstellung
JP4554911B2 (ja) * 2003-11-07 2010-09-29 パナソニック株式会社 非水電解質二次電池
CN100367561C (zh) * 2004-03-30 2008-02-06 株式会社东芝 非水电解质二次电池
DE102005042916A1 (de) 2005-09-08 2007-03-22 Degussa Ag Stapel aus abwechselnd übereinander gestapelten und fixierten Separatoren und Elektroden für Li-Akkumulatoren
JP2007109591A (ja) * 2005-10-17 2007-04-26 Nippon Synthetic Chem Ind Co Ltd:The リチウム二次電池
US7968231B2 (en) * 2005-12-23 2011-06-28 U Chicago Argonne, Llc Electrode materials and lithium battery systems
JP4963186B2 (ja) * 2006-03-31 2012-06-27 パナソニック株式会社 非水電解質二次電池
US7820327B2 (en) 2006-04-11 2010-10-26 Enerdel, Inc. Lithium titanate and lithium cells and batteries including the same
DE102006021273A1 (de) 2006-05-05 2007-11-08 Carl Freudenberg Kg Separator zur Anordnung in Batterien und Batterie
JP2008130229A (ja) * 2006-11-16 2008-06-05 National Institute Of Advanced Industrial & Technology リチウム二次電池
JP4316604B2 (ja) * 2006-12-08 2009-08-19 株式会社東芝 電源一体型半導体モジュールおよびその製造方法
JP2008226807A (ja) * 2007-02-14 2008-09-25 Nissan Motor Co Ltd 非水電解質二次電池
JP2008285388A (ja) * 2007-05-21 2008-11-27 Toyota Motor Corp リチウムイオン伝導性向上材
JP2009146822A (ja) * 2007-12-17 2009-07-02 Panasonic Corp 非水電解質二次電池
JP5526488B2 (ja) * 2008-03-26 2014-06-18 Ｔｄｋ株式会社 電気化学デバイス
KR101055536B1 (ko) * 2009-04-10 2011-08-08 주식회사 엘지화학 다공성 코팅층을 포함하는 세퍼레이터, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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