NL1002318C1 - Werkwijze voor het vervaardigen van een lithiumbatterij. - Google Patents

Werkwijze voor het vervaardigen van een lithiumbatterij. Download PDF

Info

Publication number
NL1002318C1
NL1002318C1 NL1002318A NL1002318A NL1002318C1 NL 1002318 C1 NL1002318 C1 NL 1002318C1 NL 1002318 A NL1002318 A NL 1002318A NL 1002318 A NL1002318 A NL 1002318A NL 1002318 C1 NL1002318 C1 NL 1002318C1
Authority
NL
Netherlands
Prior art keywords
cathode
lithium
electrolyte
tube
anode
Prior art date
Application number
NL1002318A
Other languages
English (en)
Inventor
Erik Maria Kelder
Johannes Schoonman
Michiel Johannes Gerardus Jak
Original Assignee
Stichting Tech Wetenschapp
Stichting Scheikundig Onderzoe
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
Priority claimed from NL1001168A external-priority patent/NL1001168C2/nl
Application filed by Stichting Tech Wetenschapp, Stichting Scheikundig Onderzoe filed Critical Stichting Tech Wetenschapp
Priority to NL1002318A priority Critical patent/NL1002318C1/nl
Priority to PCT/NL1996/000356 priority patent/WO1997010620A1/en
Priority to DE69603496T priority patent/DE69603496D1/de
Priority to EP96932080A priority patent/EP0853825B1/en
Priority to US09/029,891 priority patent/US6280484B1/en
Priority to JP9511856A priority patent/JPH11512554A/ja
Priority to AU70990/96A priority patent/AU7099096A/en
Application granted granted Critical
Publication of NL1002318C1 publication Critical patent/NL1002318C1/nl

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
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562Solid materials
    • 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
    • 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
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0565Polymeric materials, e.g. gel-type or solid-type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621Binders
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/04Cells with aqueous electrolyte
    • H01M6/06Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid
    • H01M6/10Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid with wound or folded electrodes
    • 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
    • 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
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. 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
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002Electrical device making
    • Y10T29/49108Electric battery cell making
    • 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
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002Electrical device making
    • Y10T29/49108Electric battery cell making
    • Y10T29/49112Electric battery cell making including laminating of indefinite length material

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Primary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

Werkwijze voor het vervaardigen van een lithiumbatterij
De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een lithiumbatterij, welke de stappen omvat van het - in een holle buis brengen van kathodemateriaal, 5 elektrolytmateriaal en anodemateriaal, waarbij het elektro-lytmateriaal een voor lithiumionen geleidend en voor elektronische ladingsdragers (elektronen en gaten) niet geleidend materiaal is en het kathodemateriaal en anodemateriaal van elkaar scheidt, ten minste het kathodemateriaal een keramisch 10 materiaal is en ten minste één van het kathodemateriaal en het anodemateriaal een lithiumhoudend materiaal is, - afsluiten van de buis met afsluitmiddelen, - dynamisch verdichten van de buis.
In deze aanvrage wordt onder "batterij" een stape-15 ling begrepen van een of meer cellen, waarbij tussen de cellen slechts een stroomcollector volstaat. Onder een "cel" wordt verstaan een stapeling van achtereenvolgens een stroomcollector, een anode, een elektrolyt, een kathode en een stroomcollector.
20 Een werkwijze als in de aanhef genoemd is bekend.
Hierbij wordt een aluminium buis, voorzien van een isolerende Teflon binnenbuis gevuld met lagen van achtereenvolgens lithiummangaanoxide als kathodemateriaal, lithiumoxidehoudend boriumfosfaat als elektrolytmateriaal en grafiet als anodema-25 teriaal. Elk van de materialen wordt in de vorm van een poeder met geringe deeltjesgrootte (in de orde van 1 μιη) in de buis gebracht, door vele malen (in de orde van 200 keer) tikken voorverdicht en vervolgens met een hydraulische inrichting aan een verdere verdichting onderworpen alvorens het 30 volgende materiaal wordt aangebracht. Na het afsluiten van de buis met een stop wordt de buis explosief verdicht door de buis aan een uiteinde en over de lengte ervan te voorzien van een bij ontsteking drukopbouwende springstof, en deze tot ontsteking te brengen. Hierbij ontstaat een uiterst hoge druk 35 welke de materialen verdicht en het contact-oppervlak tussen . de korrels en de lagen onderling vergroot.
1002318.
2
De werkwijze heeft het nadeel dat deze tijdrovend en omslachtig is. Daarenboven is het moeilijk dunne lagen te vervaardigen terwijl het risico van kortsluiting tussen anodemateriaal en kathodemateriaal toeneemt.
5 De onderhavige uitvinding beoogt deze nadelen op te heffen en een economisch aantrekkelijke werkwijze te verschaffen voor de vervaardiging van dynamisch verdichte lithi-umbatterij en.
Daartoe wordt de werkwijze volgens de uitvinding ge-10 kenmerkt doordat ten minste een van de materialen in fijnver-deelde poedervorm wordt ingebracht in een drager alvorens in contact te worden gebracht met een van de andere materialen.
Het opnemen in een drager maakt het mogelijk het poedervormige materiaal gemakkelijker te hanteren. De drager 15 kan een vloeibare drager of een vaste drager zijn.
Volgens een voorkeursuitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding wordt de drager met daarin het fijn verdeelde materiaal verwerkt tot een vaste film alvorens in de buis te worden gebracht.
20 Een dergelijke film kan worden vastgepakt en gemak kelijk worden gestapeld.
Volgens een gunstige uitvoeringsvorm wordt als drager voor de verwerking tot een vaste film een kunststof toegepast.
25 Het opnemen van vulstoffen in kunststoffen is een algemeen bekende techniek en deze kan met voordeel worden benut voor de snelle en eenvoudige vervaardiging van gestapelde lagen kathode-, elektrolyt- en anodemateriaal.
Volgens een zeer gunstige uitvoeringsvorm is de 30 kunststof een lithiumionen-geleidende kunststof.
Aangezien de prestaties van een lithiumbatterij in hoofdzaak worden beperkt door de mate van elektrische geleiding van lithiumionen in de batterij, maakt de uitvinding het mogelijk de kathodelaag, de elektrolytlaag en/of de anodelaag 35 en daarmee de lithiumbatterij aanmerkelijk te verbeteren.
De uitvinding zal thans in meer detail worden beschreven en aan de hand van een voorbeeld nader worden toe-gelicht.
De figuur illustreert een werkwijze voor het door 10 023 1« 3 wikkelen vervaardigen van een batterij.
Lithiumbatterijen en in het bijzonder herlaadbare lithiumbatterijen zijn in het vak welbekend. Zij bevatten als kathodemateriaal bijvoorbeeld zuivere of gedoteerde lithium-5 nikkeloxide, lithiumcobaltoxide en bij voorkeur lithium- mangaanoxide. Als anodemateriaal zijn onder andere metallisch lithium, koolstof in al haar chemische hoedanigheden, in het bijzonder turbostratisch grafiet of met bijvoorbeeld borium, fluor of boriumnitride gemodificeerd koolstof, waarin lithium 10 atomair of in metallische vorm is opgenomen, bekend. Het kathodemateriaal en het anodemateriaal worden gescheiden door elektrolytmateriaal. Dat moet permeabel zijn voor lithiumio-nen maar niet voor lithiumatomen en het mag geen elektronische geleider zijn. In de bekende lithiumbatterijen 15 wordt als elektrolytmateriaal gebruik gemaakt van polymeren zoals Nafion enz. (zie Koksbang R. et al.; Review of hybrid polymer electrolytes and rechargeable lithium batteries.
Solid State Ionics 69., biz. 320-335, 1994). Meer materialen voor anode, kathode en elektrolyt, welke veel keramische 20 materialen zijn, zijn beschreven in Julien, C. et al. (red., Solid state batteries: materials design and optimization, Kluwer Academie Publications, 1994) en in Pistoia G. (red.. Lithium batteries; Industrial Chemistry Library, deel 5, Elsevier, 1994). Voor het elektrolytmateriaal kan met voordeel 25 gebruik worden gemaakt van op sulfide gebaseerd elektrolytmateriaal, zoals beschreven door Bruce P.G. (red., Solid State Electrochemistry, Cambridge University Press, 1995).
Een cel omvat een kathode, een elektrolyt en een anode. Wanneer cellen worden gestapeld dienen de kathode en 30 anode van twee aanliggende cellen te worden gescheiden door een elektronisch geleidende, voor lithium of lithiumionen niet permeabele laag. Hiervoor wordt meestal een metaallaag toegepast, bijvoorbeeld koper of aluminium. Ook aan de uiteinden van een cel, of stapeling van cellen, wordt meestal 35 een goed elektronisch geleidend materiaal toegepast als stroomcollector.
Tijdens het opladen van een lithiumbatterij kunnen door het aanleggen van een spanning over kathode en anode elektronen naar een anode worden gevoerd. Als gevolg hiervan 10 c· 2 ~ 1 ? 4 bewegen positief geladen lithiumionen uit het kathodemateri-aal via het elektrolytmateriaal naar de anode, waar zij een elektron opnemen. Aldus wordt de batterij opgeladen. Bij gebruik van de batterij bewegen de lithiumionen naar de 5 kathode, terwijl de elektronen buiten de cel om naar de kathode lopen. Hierdoor wordt de batterij ontladen.
Voor toepassing van de uitvinding is ten minste één van de materialen een poedervormig materiaal. Eij het gebruik van een poedervormig materiaal voor de vervaardiging van een 10 lithiumbatterij worden eigenschappen zoals inwendige weer stand en oplaadtijd beïnvloed door de mate waarin de korrels van het poedervormige materiaal elkaar raken, en de mate waarin korrels van twee aanliggende lagen met elkaar in contact zijn. Om het contactoppervlak tussen de korrels 15 onderling en tussen aanliggende lagen te vergroten worden deze volgens de stand van de techniek onder hoge druk hydraulisch op elkaar geperst. De verbetering die dit tot gevolg heeft is nog niet bevredigend. Bij dynamisch verdichten, d.w.z. verdichten onder invloed van een explosie (zie 20 Prümmer, P., Explosiwerdichten pulvriger Substanzen, Springer Verlag, Berlijn, 1987) of door inslag van een projectiel dat bijvoorbeeld is versneld door een magneetveld, detonatie van een explosief of uitzetting van een gecomprimeerd gas (M.A. Meyers, J.C. LaSalvia, D. Hoke en D.K. Kim, "Combustion 25 Synthesis/Densification of Ceramics and Ceramic Composites",
Proc. Ith Int. Conf. Advanced Synthesis of Engineered Materials, 1992, onder redactie van S.E. Hampson en D.S. Plickert, (ASM International, Ohio, 1993), blz. 43 - 57), zijn de drukken die optreden kortstondig zo hoog dat een sterke ver-30 groting optreedt van het contactoppervlak, niet alleen tussen de korrels onderling maar ook tussen de verschillende aanliggende materiaallagen. Onder de door de explosie of inslag in het materiaal veroorzaakte omstandigheden kunnen in het korrelvormige materiaal ook roosterfouten en andere defecten 35 ontstaan die de permeabiliteit voor lithiumionen vergroten.
Voor de snelle en economische vervaardiging van lithiumbatteri jen wordt volgens de uitvinding gebruik gemaakt van fijn in een drager verdeeld materiaal. De drager kan een vloeistof of een vaste stof zijn. Het verdelen van het mate- 10 02 21?..
5 riaal in een vaste stof kan bijvoorbeeld geschieden door de drager in vaste, vloeibare of gesmolten vorm met het materiaal te mengen en zonodig af te laten koelen. Indien de vaste stof wordt opgelost in een geschikt oplosmiddel, en het 5 oplosmiddel vervolgens wordt verwijderd, dan kan dit desgewenst onder verwarmen en onder verlaagde druk gebeuren. Opgenomen in een geschikte drager kan het materiaal gemakke-lijk worden gehanteerd, hetgeen de vervaardiging van de batterij vergemakkelijkt. Het te verdichten poeder kan ook 10 gemengd worden met een monomeer (vloeibaar of vast), welke vooraf of tijdens het dynamisch verdichten gepolymeriseerd wordt.
Volgens een voorkeursuitvoering wordt als drager een kunststof toegepast. Hiermee kunnen gemakkelijk materiaal be-15 vattende films worden vervaardigd. Met voordeel kan de kunststof worden opgelost in een geschikt oplosmiddel, de oplossing met het materiaal worden gemengd, en het oplosmiddel worden verwijderd. Door deze behandeling kunnen poriën in het kunststofmateriaal ontstaan hetgeen de mogelijkheid tot ver-20 dichten bevorderd. Ook zonder gebruik van een oplosmiddel vervaardigde kunststoffilms kunnen worden verdicht, aangezien de pakking van polymeerketens in een kunststof verre van optimaal is.
Volgens een gunstige uitvoeringsvorm wordt PVC, een 25 copolymeer van polypropyleen en polyethyleen, of Solufill (handelsnaam van DSM, Geleen, Nederland) toegepast. Van deze materialen is gebleken dat zij zich goed laten verdichten.
Volgens een zeer gunstige uitvoeringsvorm is de kunststof een lithiumgeleidende, maar elektronisch niet 30 geleidende kunststof, zoals Nafion (Koksbang R. et al.
ibid.). Indien de kunststof wordt toegepast voor de kathode en de anode, is het vermogen van die lagen om elektronen of gaten te geleiden ruimschoots verzekerd door het materiaal in die lagen, terwijl het vermogen om lithiumionen te geleiden 35 wordt verbeterd. Dit resulteert in een lagere interne weerstand en dus een groter vermogen. De door het gebruik van lithium geleidende kunststof mogelijk gemaakte verlaging van de interne weerstand kan ook worden benut om de laagdikte van kathode en anode te vergroten, zonder dat het vermogen van de 1002?1'.
6 batterij daalt. Vanzelfsprekend kan het vermogen ook worden vergroot door het oppervlak van de elektroden te vergroten.
Een andere gunstige geometrie wordt bereikt door het wikkelen van lagen, bijvoorbeeld om een metalen as die als 5 stroomcollector fungeert. Aldus kunnen batterijen worden gemaakt met een zeer grote capaciteit en langwerpige vorm zonder noodzakelijkerwijs veel cellen toe te passen. Ook kan worden afgezien van het gebruik van vulstoffen, gebruikt om onvoldoende verdichting aan de uiteinden van de buis niet te 10 laten resulteren in een batterij met onvoldoende verdichte uiteinden en dus een hoge interne weerstand. Dit betekent een vereenvoudiging van de vervaardiging. Derhalve wordt volgens een gunstige werkwijze gekenmerkt doordat elk van het ka-thodemateriaal, elektrolytmateriaal en anodemateriaal de vorm 15 heeft van een buigzame film, en het kathodemateriaal door het elektrolytmateriaal gescheiden van het anodemateriaal te zamen met deze materialen en een elektronisch geleidende laag en een elektronisch niet-geleidende laag rond een as wordt gewikkeld, de aldus gewikkelde rol in de holle buis wordt 20 gebracht en de buis dynamisch wordt verdicht.
Om kortsluiting te voorkomen, en om het bevestigen van contactpunten voor aan- en afvoer van stroom te vergemakkelijken, kan er bij de fabricage van een batterij voor worden gezorgd dat één of meer lagen uitsteken, of insprin-25 gen, ten opzichte van andere lagen. Dit is toegelicht in de figuur waarin een metaalfolie 1 om een as 2 wordt gewikkeld te zamen met een kathodelaag 3 en een elektrolytlaag 4. De eveneens meegewikkelde anodelaag 5 en metaallaag 6 zijn ten opzichte van de kathodelaag 3 en de elektrolytlaag 4 ver-30 sprongen opdat eventuele vervorming bij verdichting er niet toe leidt dat bijvoorbeeld de anodelaag 5 en kathodelaag 3 met elkaar in contact komen. Laag 7 is een isolerende laag die voorkomt dat metaallaag 6 met bijvoorbeeld de metaallaag 1 in contact komt. Het laten uitsteken van één of meer lagen 35 kan ook met voordeel worden toegepast om kortsluiting aan de uiteinden van de batterij te voorkomen of om het aansluiten op contactpunten, voor de aan- en afvoer van stroom, te vergemakkelijken.
De dikte van materiaal bevattende films of schijven 10 02 3 1 8.
7 hangt af van de grootte van de poederdeeltjes en van de gewenste batterijgeometrie en factoren als de mate waarin en snelheid waarmee lithiumionen zich in de verschillende mate-riaallagen kunnen bewegen. Het maken van een geschikte keuze 5 kan middels experimenten door een deskundige op het gebied van batterijen worden bepaald. De dikte van de elektrolytlaag is bij voorkeur minder dan 0,1 mm en met de meeste voorkeur 0,01 mm. Dankzij de uitvinding, en in tegenstelling tot de bekende techniek van het vullen met poedervormig materiaal, 10 is het mogelijk lithiumbatterijen met zeer dunne elektrolyt-lagen te vervaardigen. Dunne elektrolytlagen hebben het voordeel dat de inwendige weerstand van de batterij wordt verlaagd. Dit betekent een hoger oplaadrendement en een kortere laadtijd door een hogere laadstroom.
15 Volgens een gunstige uitvoeringsvorm wordt volgens de werkwijze volgens de uitvinding op een cel die bestaat uit kathodemateriaal, elektrolytmateriaal en anodemateriaal een elektronisch geleidend materiaal dat impermeabel is voor lithium aangebracht en vervolgens daarop een verdere stapeling 20 van kathode-, elektrolyt- en anodemateriaal aangebracht.
Aldus worden twee of meer cellen serieel geschakeld, hetgeen leidt tot batterijen met een hoge werkspanning, gunstig voor toepassingen zoals elektrisch aangedreven voertuigen, en - in miniatuurvorm - ook in consumenten- en micro-25 elektronica.
De uitvinding benut dynamische verdichting als middel om op basis van poedervormige materialen een lithium-batterij te vervaardigen welke, in tegenstelling tot batterijen met een vloeibaar elektrolyt, met een geschikt hoge 30 spanning kunnen worden opgeladen en dus snel kunnen worden geladen. Voor het snel en economisch vervaardigen van batterijen heeft bij gebruik van springstof deze bij voorkeur de vorm van een huls, welke over de te verdichten buis kan worden geschoven. Dit bekort de tijd die nodig is om een bat-35 terij te vervaardigen. Ook zou gebruik kunnen worden gemaakt van een explosie in een afgesloten vat, waarin de druk hoog oploopt. Het vat kan een desgewenst gekoelde, metalen cylinder zijn met ten minste een toevoer voor een brandstof/zuur-stofmengsel of gescheiden toevoeren voor brandstof en zuur- 1002313 8 stof. Het vat bevat verder middelen voor de ontsteking van, desgewenst onder druk, in de cylinder gebracht brandstof /zuurstofmengsel , zoals een bougie. Verder bezit de cylinder een afsluitbare opening voor het inlaten van een te 5 verdichten buis. Een dergelijke inrichting leent zich voor massaproduktie. Ook kan bij de beschreven inrichting gebruik worden gemaakt van vloeibare springstoffen.
Bij dynamisch verdichten dient ervoor te worden gezorgd dat er in voldoende mate wordt verdicht. Zolang de in-10 wendige weerstand daalt bij een sterkere explosie of sterkere inslag wordt er onvoldoende verdicht. Te sterke verdichting leidt tot de vorming van scheuren in het kathode-, elektrolyt- en/of anodemateriaal. Door ontleding van in de buis aanwezig materiaal kunnen gassen ontstaan waardoor de stoppen 15 waarmee de buis is afgesloten tijdens het explosief verdichten de krachten niet weerstaan en worden geen bevredigende batterijen verkregen.
Voorbeeld 20 Vervaardiging van een lithiumbatterij volgens de uitvinding.
Voor het vervaardigen van een kathodemateriaalhou-dende kunststoffilm wordt PVC-poeder opgelost in tetrahydro-furaan tot de oplossing homogeen en transparant is. Vervol-25 gens wordt poedervormig kathodemateriaal, te weten lithium-mangaanoxide (Ιιί1ΛΜη204) met een korrelgrootte van ca. 1 μτη, onder magnetisch roeren toegevoegd in een verhouding van 1 gewichtsdeel PVC op 5 gewichtsdelen lithiummangaanoxide. Het roeren wordt gedurende een bepaalde tijd voortgezet tot een 30 homogene suspensie wordt verkregen. De suspensie wordt uitgegoten op een glasplaat en onder gebruikmaking van perslucht gedroogd. De aldus vervaardigde film had een dikte van 1 mm.
Op dezelfde wijze worden films gemaakt die respectievelijk grafiet en 7 mol.% lithiumhoudende boriumfosfaat 35 (BP04-xLi20, x=0,035) bevatten. Deze hadden een dikte van respectievelijk 0,75 en 1 mm.
Van elke film worden schijven met een diameter van 28 mm gestanst. Een cilindrische aluminium buis met een inwendige diameter van 29,97 mm, een wanddikte van 2,5 mm en 10 02 .' ; s.
9 een lengte van 130 mm wordt aan een uiteinde voorzien van een metalen stop en een 1 mm dikke Teflon binnenbuis met een inwendige diameter van 28 mm wordt in de aluminium buis gebracht. Voor dit experiment, waarbij de buis niet volledig 5 met cellen van door elektrolytmateriaal gescheiden kathode-en anodemateriaal wordt gevuld, wordt de buis eerst gevuld met 40 mm keukenzout, dat door tikken wordt voorverdicht en vervolgens hydraulisch met 200 bar wordt geperst. Hierop wordt achtereenvolgens een aluminium elektrode (dikte 0,01 10 mm), een grafiethoudend schijfje (anode), een boriumfosfaat-en lithiumoxide-houdend schijfje (elektrolyt), een lithium-mangaanoxidehoudend schijfje (kathode) en weer een schijfje aluminium (stroomcollector) gelegd. Vervolgens wordt geperst met 200 bar. Op dezelfde wijze worden nog 3 cellen aange-15 bracht, waarna de resterende ruimte zoals hiervoor beschreven met keukenzout wordt opgevuld. De buis wordt vervolgens afgesloten met een aluminium stop, welke wordt aangedrukt met 200-250 bar.
De aluminium buis wordt verticaal in een verticaal 20 geplaatste cylindrische PVC houder (17 cm lang, inwendige diameter 70 mm ) gebracht. De houder wordt opgevuld met springstof (660 g Wetter Energit B, detonatiesnelheid 1,65 km/s), voorzien van een PVC deksel met in het midden daarvan een detonator.
25 De detonatie zorgt voor een explosie die zich in verticale richting naar beneden beweegt. De aluminium buis wordt door de bij de explosie ontstane gassen in hoofdzaak radiaal verdicht.
Na de explosie is de lengte van de buis met 6 mm af-30 genomen, de inwendige diameter met 3,5 mm. De elektronische weerstand van de batterij is enkele megaohms, hetgeen aantoont dat er geen sprake is van kortsluiting bij alle vier de cellen.
Onderzoek van een materiaalhoudende grafietlaag met 35 EDX (Energy Dispersive X-Ray microanalysis) liet zien dat de concentratie chlooratomen in radiale richting niet varieert, hetgeen suggereert dat de drager tijdens het explosief verdichten ook niet ten dele ontleedt.
Het is voor de deskundige duidelijk dat de werkwijze 10 0 2 i .
10 binnen het kader van de uitvinding op vele wijzen kan worden uitgevoerd. Zo kan als drager een vloeistof worden benut, waarin het kathodemateriaal, elektrolytmateriaal of anodema-teriaal fijn wordt verdeeld. De fijn verdeeld materiaal 5 bevattende drager kan voor de vorming van een dunne laag op een substraat, welke bijvoorbeeld een stroomcollector of andere materiaallaag omvat, worden verstoven. De drager kan ook een bindmiddel bevatten dat bij verdamping van de vloeistof het fijne materiaal bijeenhoudt. Het substraat waarop de 10 dunne laag wordt afgezet kan desgewenst worden verwarmd. In plaats daarvan kan ook een vloeistof worden gebruikt die bevriest of stolt bij contact met het substraat, waarbij de vloeistof in dit geval geen water omvat en al dan niet nog korte tijd kan vloeien. Water in de batterij kan tijdens 15 gebruik door elektrolyse ontleden en de batterij vernietigen.
Bij gebruik van een vaste of vloeibare drager kan deze desgewenst na het opbouwen van een of meer cellen door bijvoorbeeld een thermische behandeling worden verwijderd alvorens het gestapelde materiaal explosief wordt verdicht.
20 Bij gebruik van een materiaalhoudende film kan deze van het oppervlak vergrotende structuren zoals golvingen worden voorzien, waarbij het stapelen van materiaallagen zodanig geschiedt dat de golvingen passen in golvingen van andere materiaallagen .
25 t o o ?.: . ,

Claims (10)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een lithium-5 batterij, welke de stappen omvat van het - in een holle buis brengen van kathodemateriaal, elektrolytmateriaal en anodemateriaal, waarbij het elektro-lytmateriaal een voor lithiumionen geleidend en voor elektronische ladingsdragers niet geleidend materiaal is en het 10 kathodemateriaal en anodemateriaal van elkaar scheidt, ten minste het kathodemateriaal een keramisch materiaal is en ten minste één van het kathodemateriaal en het anodemateriaal een lithiumhoudend materiaal is, - afsluiten van de buis met afsluitmiddelen, 15. dynamisch verdichten van de buis, met het kenmerk, dat ten minste een van de materialen in fijnverdeelde poeder-vorm wordt ingebracht in een drager alvorens in contact te worden gebracht met een van de andere materialen.
2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, 20 dat de drager met daarin het fijn verdeelde materiaal wordt verwerkt tot een vaste film alvorens in de buis te worden gebracht .
3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de vaste film een elektrolytmateriaalhoudende film is met 25 een dikte van minder dan 0,1 mm.
4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de dikte minder dan 0,01 mm is.
5. Werkwijze volgens een van de conclusies 2 tot 4, met het kenmerk, dat als drager voor de verwerking tot een 30 vaste film een kunststof wordt toegepast.
6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de kunststof PVC, een copolymeer van polypropyleen en polyethyleen, of Solufill is.
7. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, 35 dat de kunststof een lithiumionen geleidende kunststof is.
8. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat op een cel die bestaat uit kathodemateriaal, elektrolytmateriaal en anodemateriaal een elektronengeleidend materiaal dat impermeabel is voor lithium en 1002"· lithium-ionen wordt aangebracht en vervolgens daarop een verdere stapel van kathode-, elektrolyt- en anodemateriaal wordt aangebracht.
9. Werkwijze volgens een van de conclusies 2 tot 8, 5 met het kenmerk, dat elk van het kathodemateriaal, elektro-lytmateriaal en anodemateriaal de vorm heeft van een buigzame film, en het kathodemateriaal door het elektrolytmateriaal gescheiden van het anodemateriaal tezamen met deze materialen en een elektronische geleidende laag en een elektronisch 10 niet-geleidende laag rond een as wordt gewikkeld, de aldus gewikkelde rol in de holle buis wordt gebracht en de buis dynamisch wordt verdicht.
10 0 ·
NL1002318A 1995-09-11 1996-02-13 Werkwijze voor het vervaardigen van een lithiumbatterij. NL1002318C1 (nl)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL1002318A NL1002318C1 (nl) 1995-09-11 1996-02-13 Werkwijze voor het vervaardigen van een lithiumbatterij.
PCT/NL1996/000356 WO1997010620A1 (en) 1995-09-11 1996-09-11 A method for the manufacture of a lithium battery
DE69603496T DE69603496D1 (de) 1995-09-11 1996-09-11 Verfahren zur herstellung einer lithiumbatterie
EP96932080A EP0853825B1 (en) 1995-09-11 1996-09-11 A method for the manufacture of a lithium battery
US09/029,891 US6280484B1 (en) 1995-09-11 1996-09-11 Method for the manufacture of a lithium battery
JP9511856A JPH11512554A (ja) 1995-09-11 1996-09-11 リチウム電池の製造方法
AU70990/96A AU7099096A (en) 1995-09-11 1996-09-11 A method for the manufacture of a lithium battery

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL1001168A NL1001168C2 (nl) 1995-09-11 1995-09-11 Werkwijze voor het vervaardigen van een lithiumbatterij.
NL1001168 1995-09-11
NL1002318A NL1002318C1 (nl) 1995-09-11 1996-02-13 Werkwijze voor het vervaardigen van een lithiumbatterij.
NL1002318 1996-02-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
NL1002318C1 true NL1002318C1 (nl) 1997-03-13

Family

ID=26642172

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NL1002318A NL1002318C1 (nl) 1995-09-11 1996-02-13 Werkwijze voor het vervaardigen van een lithiumbatterij.

Country Status (7)

Country Link
US (1) US6280484B1 (nl)
EP (1) EP0853825B1 (nl)
JP (1) JPH11512554A (nl)
AU (1) AU7099096A (nl)
DE (1) DE69603496D1 (nl)
NL (1) NL1002318C1 (nl)
WO (1) WO1997010620A1 (nl)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4038699B2 (ja) * 1996-12-26 2008-01-30 株式会社ジーエス・ユアサコーポレーション リチウムイオン電池
AR018459A1 (es) * 1998-06-12 2001-11-14 Shell Int Research Metodo y disposicion para mover equipos hacia y a traves de un conducto y dispositivo de vaiven para ser usado en dicha disposicion
AU8968101A (en) * 2000-07-24 2002-02-05 Shell Int Research Electrochemical element and process for its production
AU2002359273A1 (en) * 2001-10-17 2003-04-28 Trustees Of Boston University One-step consolidation process for manufacturing solid oxide fuel cells
MXPA05013582A (es) * 2003-06-09 2006-03-09 Saint Gobain Ceramics Celda de combustible de oxido solido soportada en apilado.
BRPI0706376A2 (pt) * 2006-01-09 2011-03-22 Saint Gobain Ceramics componentes para célula de combustìvel tendo eletrodos porosos
EP2013936A2 (en) * 2006-04-05 2009-01-14 Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc. A sofc stack having a high temperature bonded ceramic interconnect and method for making same
CN103765661B (zh) * 2011-09-02 2016-06-22 西奥公司 微球复合电解质
US9789652B2 (en) 2014-02-26 2017-10-17 Nathan Armstrong Manufacturing system using topology optimization design software, novel three-dimensional printing mechanisms and structural composite materials

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3390339T1 (de) 1982-11-19 1985-01-10 Gould Inc., Rolling Meadows, Ill. Abgedichtete Nickel/Zink-Zelle
JPS62234876A (ja) * 1986-04-04 1987-10-15 Sharp Corp 電池の製造法
US5162170A (en) * 1989-07-21 1992-11-10 Mistubishi Petrochemical Co., Ltd. Electrode for secondary battery
US5108855A (en) 1990-03-19 1992-04-28 Bridgestone Corporation Secondary battery
US5262255A (en) * 1991-01-30 1993-11-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery

Also Published As

Publication number Publication date
WO1997010620A1 (en) 1997-03-20
EP0853825A1 (en) 1998-07-22
US6280484B1 (en) 2001-08-28
AU7099096A (en) 1997-04-01
EP0853825B1 (en) 1999-07-28
JPH11512554A (ja) 1999-10-26
DE69603496D1 (de) 1999-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20200220205A1 (en) Electrochemical cell
US6679926B1 (en) Lithium secondary cell and its producing method
JP6710692B2 (ja) 二次電池用複合電解質、二次電池及び電池パック
US20190372155A1 (en) Methods of manufacturing high-active-material-loading composite electrodes and all-solid-state batteries including composite electrodes
US5176969A (en) Electrode for secondary battery
US20120070746A1 (en) Low electrolyte electrochemical cells
WO2013169826A1 (en) Coated particles for lithium battery cathodes
Jindra Sealed Ni–Zn cells, 1996–1998
NL1002318C1 (nl) Werkwijze voor het vervaardigen van een lithiumbatterij.
US20020142202A1 (en) Fibrous electrode for a metal air electrochemical cell
KR20180107702A (ko) 복합 전해질, 이차 전지, 전지 팩 및 차량
JPWO2017046917A1 (ja) 二次電池用複合電解質、二次電池及び電池パック
KR101854279B1 (ko) 마그네슘계 배터리
CN111279524A (zh) 用于制造电池组电池的电极单元的功能元件的方法和设备
EP1232532A2 (en) Electrochemical cell constructions and methods of making the same
CN101276934B (zh) 具有聚合物电解质的可再充电电池及其形成方法
JP3402002B2 (ja) 全固体リチウム電池
Jak et al. Dynamically compacted all-ceramic lithium-ion batteries
CN105098137B (zh) 锂离子电池及其正极材料及制备方法
JP5812198B2 (ja) 全固体電池
CN108511792B (zh) 一种固态电解质及其制备方法和固态电池
NL1001168C2 (nl) Werkwijze voor het vervaardigen van een lithiumbatterij.
JP2000311708A (ja) 全固体リチウム電池の製造方法
JPH0567475A (ja) 固体電解質二次電池
TW200409394A (en) Gel electrolyte secondary battery and its manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
VD2 Discontinued due to expiration of the term of protection

Effective date: 20020213