SE537095C2 - En batterihalvcell, ett batteri och deras tillverkning - Google Patents

Abstract

537 09 Sammandraq Det tillhandahalls en batterihalvcell innefattande atminstone en kolfiber som negativ elektrod, narrinda kolfiber innefattar ett flertal skikt med kolatomer som har grafitstruktur, namnda flertal skikt har en formaga all interkalera metalljoner, namnda kolfiber har en styrka pa atminstone 1 GPa och en styvhet pa atminstone 100 GPa i den longitudinella riktningen av kolfibern, namnda kolfiber är atminstone delvis belagda med atminstone ett elektriskt isolerande polymerskikt som fungerar som en elektrolyt, varvid namnda isolerande polymerskikt är permeabelt far metalljoner, varvid namnda isolerande polymerskikt har en styvhet pa atminstone 0,5 MPa, varvid namnda isolerande polymerskikt har en jonisk ledningsformaga pa minst -1° S/m och en elektrisk resistivitet pa minst Om, namnda isolerande skiktet har en tjocklek i intervallet fran 10 till 200 nm. Fordelar är att det är mojligt att anvanda tunna skikt av elektrolyt utan att skapa stora forluster och strukturella batterier kan goras av kolfiber.

Description

537 09 En batterihalvcell, ett batted och deras tillverkninq Tekniskt omrade

[0001] Foreliggande uppfinning hanfor sig allmant till strukturella batterihalvceller och strukturella batterier baserade pa polymer-elektrolytbelagda kommersiella kolfibrer som fungerar som negativa elektroder. Utformningen av batteriet mojliggor en skalbar och tredimensionell design.

[0002] Konstruktionen som anvands far mikro-batteriet är fullt skalbar och kan appliceras pa storre celler. Denna konstruktion medger ocksa en mer eller mindre fri formgivning av batteriet.

Bakorund

[0003] Den traditionella ufformningen av batterier eller mikro-batterier är baserad pa en laminerad struktur som bestar av tunnfilmselektroder och en fast elektrolyt. Aven om denna typ av struktur är relativt latt att tillverka med anvandning av olika filmbildande tekniker, lider den av lag ytenergitathet pa grund av begransad mojlighet aft utnyttja det fulla djupet av elektroderna om filmema Ors for tjocka. En ytterligare begransning utgors av den fasta elektrolyten, som tillsammans med diffusionshastigheten i elektroderna bestammer kapaciteten pa batteriet.

[0004] FOr att overvinna dessa begransningar har manga alternativa konstruktioner foreslagits, alla med syfte att 6ka ytenergin och effekttatheten genom att bilda tredimensionella mikrostrukturer. I litteraturen visas korrugerade eller tandade strukturerade elektroder samt pelare bildade genom mikromonstring. Dessa konstruktioner akar den exponerade ytan kraftigt och gor betydligt hogre ytenergitatheter mojliga. Detta uppnas dock ofta pa bekostnad av ganska komplicerade tillverkningsmetoder och manga av tillverkningsmetodema har begransningar i valet av anvandbara material. Cylindriska konstruktioner baserade pa koncentriskt ordnade lager av aktivt material respektive elektrolyt har ocksa foreslagits. Kaman i fibern kan sedan antingen fungera som en ren stromsamlare eller uppvisar lagringsmOjligheter.

[0005] Det tidigare kanda dokumentet US 2010/0330419 Al beskriver en elektrodfiber far anvandning i en batterielektrod innefattande en 'Kama innefattande ett forsta elektrokemiskt aktivt material, ett skal innefattande eft separatormaterial och/eller ett elektrolytmaterial bildat runt karnan och ett andra skal bildat runt skalet som är elektrokemiskt motsatt det forsta aktiva materialet. Kaman och skalen bildar fibern med elektrospinning under anvandning av ett munstycke med tie koncentriska ror. En nackdel med denna batterielektrod är dess oformaga aft klara mekanisk belastning. En ytterligare nackdel är den laga isolationskapacitet som tillhandahalls av det andra skalet, vilket kan resultera i kortslutning av batteriet.

[0006] Tidigare kanda dokumentet US2010/0259866 Al beskriver en superkondensator baserad pa radiell fiberbelaggningsgeometri. Kolfiberelektroderna är omgivna av en mantel av elektrolyt och en ledande yttre mantel. Ett strukturellt harts hailer fibrerna pa plats. I ett begransande fall, ersatter den yttre ledande manteln helt det strukturella hartset.

[0007] Ett tidigare kant dokument publicerat i Progress in Polymer Science 35 (2010) 113-140, av S. Gabriel et al beskriver kemisk adsorption av syntetiska polymerer pa olika ledande ytor som kan omfatta kol, genom katodisk elektroympning av akrylmonomerer.

[0008] Generella nackdelar enligt teknikens standpunkt inkluderar att strukturella batterier med goda egenskaper är svara eller ornojliga att framstalla. Ytterligare 1 537 09 nackdelar inkluderar att tunna elektrolyter i batterier är svara att framstalla, sarskilt i industriell skala.

Sammanfattnino

[0009] Det ar ett andamal med ftireliggande uppfinning ar att mildra atminstone nagra av nackdelama i den kanda tekniken och tillhandahalla en batterihalvcell och ett batted, som är skalbart och kan ta upp mekanisk last.

[00010] I en fOrsta aspekt tillhandahalls en batterihalvcell innefattande atminstone en kolfiber som negativ elektrod, namnda kolfiber innefattar ett flertal skikt med kolatomer som har grafitstruktur, namnda flertal skikt har en fOrmaga att interkalera metalljoner, namnda kolfiber har en styvhet pa atminstone 100 GPa och en styrka pa atminstone 1 GPa i langriktningen for namnda kolfiber, namnda kolfiber är atminstone delvis belagda med atminstone ett elektriskt isolerande polymerskikt som agerar som jonledande elektrolyt, varvid namnda isolerande polymerskikt är en jonisk ledare for metalljoner, varvid namnda isolerande polymerskikt har en styvhet pa atminstone 0,5 MPa namnda isolerande polymerskikt har en jonkonduktivitet pa minst - S/m och en elektrisk resistivitet pa minst 1° Om. Detta kommer att ge en batterihalvcell.

[0011] I en altemativ utforingsform är den elektriska resistiviteten for det isolerande polymerlagret atminstone 12 Om.

[0012] 1 en utforingsform innefattar batterihalvcellen dessutom ett material som en positiv elektrod applicerad utanfor och i kontakt med namnda elektriskt isolerande och joniskt ledande polymerskikt, namnda positiva elektrodmaterial innefattar ett interkalerande material, namnda positiva elektrodmaterial är i kontakt med en ledare anordnad att samla en elektrisk strom ken den positiva elektroden. Detta kommer att ge ett batted.

[0013] Det material som är en positiv elektrod bidrar till de onskvarda mekaniska egenskaperna hos batteriet. Genom att lagga till ett lampligt material eller blandning av material är det mojligt att erhalla ett batted med vissa mekaniska egenskaper. I en utforingsform är fibrerna vavda i batteriet som omges av ett positivt elektrodmaterial. Detta kan uppnas genom fordelning av katodmaterialet i nanostorlek och kimrok i litiuminnehallande ledande polymerharts, som darefter infors i fibermaterialet genom infusion eller f6r-impregnering innan hardning. Ett annat alternativ är att infora nanostora partiklar med hjalp av ett bindemedel fore inforandet av den multifunktionella polymerhartsen.

[0014] En fordel är att kolfibrer utnyttjas. Kolfibrer an vat studerade och deras tillverkning är valkand och val forstadd. Kolfibrer finns kommersiellt tillgangliga i olika kvaliteter.

[0015] En ytterligare fordel ãr mojligheten att anvanda samma konstruktion oberoende av den onskade kapaciteten hos batteriet. Om en ['ogre ytenergitathet kravs kan batteriet enkelt gams tjockare medan andra egenskaper är oforandrade. [0016] En ytterligare fordel är all batteriet är skalbart. Lagringskapaciteten okas genom att lagga till ytterligare en kolfiber. Vasentligen finns det ingen ovre grans for hur manga av kolfibrer som kan vara anordnade vid sidan av varandra.

[0017] En ytterligare fordel är att polymerskiktet, belagt pa kolfiber, med en styvhet pa minst 0,5 MPa kan ta upp mekanisk belastning till skillnad fran flytande elektrolyter och darmed Ora dem mer robusta an andra jamforbara elektrolyter. Vardet for polynnerens styvhet är densamma som modulen (E') och bestams av DMTA enligt foljande forfarande. Dynamisk mekanisk analys (DMA) utfors i draglage. Prover skars ut fran de ursprungliga provbitarna Iran hardningen sa de far 2 537 09 en storlek pa 7x5x1 mm. Proverna satts i klammor pa provhallaren, och temperaturen minskas sedan till och halls vid starttemperaturen (-50 ° C) under 10 min innan matningarna paborjas. Temperaturen okas sedan med 3°C / min upp till ett byre varde pa 200°C medan data registreras. Svangningsfrekvensen halls vid 1 Hz vid konstant amplitud pa 10,0 pm. DMA matningar ger varden far lagringsmodulen (E ').

[0018] Ytterligare en fordel att anvanda kolfibrer är deras inneboende styrka som gor dem lampliga for anvandning i strukturella batterier som kan ta upp mekanisk last. Sadana strukturella batterier kan exempelvis anvandas i olika typer av fordon, sasom elektriska fordon, utgorande exempelvis atminstone en del av chassit, varvid traditionella, tunga, otympliga och strukturellt parasitiska batterier, i.e. batterier som inte bidrar till den lastbarande formagan, ersatts, vilket ger en vasentlig potential for viktbesparing.

[0019] Batteriekonstruktionen som presenteras had har flera andra fordelar. Det korta avstandet och stora tvarsnittet mellan de negativa och positiva elektrodmaterialen g6r det mojligt att anvanda elektrolyter med dalig ledningsformaga utan att skapa stora resistiva fOrluster. Medan en traditionell laminar struktur resulterar i elektrodavstand pa minst flera tiotals mikrometer, och ett motsvarande stort resistivt spanningsfall, har den had presenterade konstruktionen inga sadana begransningar.

[0020] I en andra utforingsform har det isolerande polymerskiktet anbringats med en elektro-d riven polymerisationsreaktion. Aft anvanda den elektro-drivna polymerisation ger ett batted van polymerskiktet kan vara isolerande trots dess tunnhet. En fordel med en utforingsform innefattande elektrokemisk belaggning sasom elektro-d riven polymerisationsreaktion vid applicering av elektriskt isolerande polymerskikt som fungerar som en elektrolyt, är att polymerisationen initieras pa alla icke-belagda kolvateytor. Saledes undviks obelagda flackar sa att en belaggning helt eller vasentligen fri fran defekter uppnas. Nar polymerisationen har fortskridit sa att polymerskiktet är elektriskt isolerande avstannar polymerisationsreaktionen automatiskt.

[0021] Genom den elektro-drivna polymerisationen är det mojligt att uppna en helt belagd yta helt fri eller vasentligen fri fran delar utan belaggning. Som ett resultat, kan ett batted eller cell tillhandahallas varvid kortslutning i cellen kan undvikas trots anvandningen av ett mycket tunt skikt av polymer. Mojligheten att anvanda ett tunt polymerskikt reducerar samtidigt den stracka Over vilken metalljonema skall transporteras och darigenom bibehalla en tillracklig jonkonduktivitetkorlighet. [0022] Vidare ár processen i sig sjalv inhiberande vilket ger ett robust och tillforlitligt batted vilket eliminerar behovet av dyr provning under tillverkningen. Samtidigt mojliggor de relativt sma dimensionerna hos battericellen skalbarheten van ett stort antal kolfibrer ar anordnade parallellt.

[0023] Utformningen av batteriet tillater ocksa en mer eller mindre fri formgivning av batteriet, sa lange som det elektriskt isolerande polymerskiktet som fungerar som en elektrolyt kan appliceras.

[0024] Om en hogre ytenergitathet kravs batteriet kan enkelt goras tjockare medan andra egenskaper ar oforandrade, och saledes fortfarande att anvanda sig av alla aktiva material och det fulla djupet av elektroderna. Batterier med h6gre cellspanningar i princip kan konstrueras genom anslutning av flera celler i serie. [0025] Annu en fordel an att vikten och volymen av parasitiska cellkomponenter sasom separator och stromkollektorer kan hallas vid ett minimum, och vasentligt hogre specifika och gravimetriska energitatheter ãr uppnaeliga, overlagsna aven 3 537 09 konventionella cellufformningar baserade pa samma aktiva material. Den latta tillverkningen som inte inkluderar nagra kostsamm eller tidskravande tillverkningssteg ger fordelar jamfort med de fiesta andra mikrobatterikonstruktioner. Enligt en utforingsform, har namnda kolfiber en langd pa minst 1 mm. I en alternativ utf6ringsform, har namnda kolfiber en langd pa atminstone 1 cm.

[0026] En ytterligare fordel är mojligheten att anvanda samma konstruktion oberoende av den onskade kapaciteten hos batteriet. Om en hogre ytenergitathet kravs kan batteriet och kolfibrerna, helt enkelt gams langre medan andra egenskaper forblir oforandrade. Kolfibrer men en langd pa atminstone 1 cm mojliggor framstallning av storre strukturella batterier. I teorin kan kolfibrer goras oandligt langa. I ytterligare en ufforingsform är kolfibrerna 10 cm langa. Vidare inbegrips batterier innefattande kolfibrer av olika langder.

[0027] Enligt en utforingsform har namnda kolfiber en styvhet i intervallet 100-1000 GPa och en styrka i intervallet 1-10 GPa i den langsgaende riktningen for namnda kolfiber. Formagan all anvanda kolfibrer med styvhet och styrka i detta intervall kan mojliggora ufforande av batterierna som strukturella batterier, varvid batteriet utgOr en del av en barande konstruktion, exempelvis i mobiltelefoner, fordon eller flygplan. [0028] Enligt en annan mojlig ufforingsform har namnda elektriskt isolerande och jonledande polymerskikt en tjocklek i intervallet fran 10 till 200 nm.

[0029] Enligt en annan mojlig ufforande är namnda metalljoner Litjoner.

[0030] I enlighet med en mojlig utforingsform innefattar namnda positiva elektrodmaterialet LiFePO4 som interkalerande material.

[0031] I enlighet med en mojlig utforingsform innefattar namnda positiva elektrodmaterial vidare kimrok eller kolnanotuber.

[0032] I en utf6ringsform innefattar namnda positiva elektrodmaterial vidare partiklar med nanostorlek, dvs partiklar med en diameter i intervallet fran -9 till - m. Exempel pa nanostora partiklar innefattar, men är inte begransade till partiklar av kimrok, och LiFePO4.

[0033] I en andra aspekt tillhandahalls en metod for att tillverka en batterihalvcell innefattande stegen att: tillhandahalla en kolfiber som en negativ elektrod namnda kolfiber innefattande ett flertal skikt med kolatomer som har grafitstruktur, varvid namnda skikt har en formaga att interkalera med metalljoner, namnda kolfiber har en styrka pa atminstone 1 GPa och en styvhet pa atminstone 100 GPa i den longitudinella riktningen av namnda fiber, belagga namnda kolfiber atminstone delvis med atminstone ett elektriskt isolerande polymerskikt som fungerar som en joniskt ledande elektrolyt, varvid namnda isolerande polymerskikt är permeabelt for metalljoner, namnda isolerande polymerskikt har en styvhet pa atminstone 0,5 MPa, varvid namnda isolerande polymerskikt med en jonkonduktivitet pa minst - S/m och en elektrisk resistivitet pa minst Om. I en alternativ utforingsform är den elektriska resistiviteten är minst 12 Om. I en utforingsform innefattar forfarandet far tillverkning av batteriet vidare steget att c) dessutom applicera ett material som en positiv elektrod applicerad utanfor och i kontakt med namnda elektriskt isolerande polymerskikt, namnda positiva elektrodmaterial innefattande ett interkalerande material, namnda positiva elektrodmaterial är i kontakt med en ledare anordnad att samla en elektrisk strom fran den positiva elektroden. Detta kommer att ge ett batted.

[0034] I beskrivningen och i kraven mats styvheten och styrkan far fibern i den longitudinella riktningen som beskrivet i boken "Microstructural design of fiber composites" av Tsu-Wei Chou, publicerad den 24 april 1992, ISBN 13:978- 4 537 09 0521354820.

[0035] I en utfaringsform av tillverkningsforfarandet appliceras namnda isolerande polymerlager med en elektrodriven polymerisationsreaktion.

[0036] En fackman inser att strommen som skall anvandas under den elektrodrivna polymerisationen maste anpassas till betingelserna sasom monomererna som anvands far polymerisationen, losningsmedlet och andra betingelser.

[0037] I en utforingsform innefattar foriarandet for all framstalla batteriet vidare steg c) all ytterligare applicera ett material som en positiv elektrod utanfor och i kontakt med namnda elektriskt isolerande polymerlager, namnda positiva elektrodmaterial innefattar ett interkalerande material, namnda positiva elektrodmaterial är i kontakt med en ledare anpassad att samla elektrisk strom fran den positiva elektroden. Detta ger att batted.

[0038] I en utforingsform infOrlivas metalljonerna i det isolerande polymerskiktet redan under polymerisationen. Detta har fordelen att det isolerande polymerskiktet kan vara en fullt funktionell elektrolyt utan svallning eller med minimal svallning i kontakt med en extern flytande elektrolyt eller ett applicerat positivt elektrodmaterial. I en utforingsform av forfarandet är metalljonerna joner av litium.

[0039] Utan all vara bunden vid nagon specifik vetenskaplig teori noterar uppfinnarna en brant nedgang och en senare okning av potentialen i figur 4. Detta tillskrivs en sjalvlakande egenskap hos det isolerande polymerskiktet. Uppfinnarna spekulerar att minskningen kan bero pa en liten kortslutning i det isolerande polymerskiktet, men all denna kortslutning i skiktet har reparerat sig, eftersom cellen fortfarande fungerar bra vilket anges av okningen i kurvan i figur 4. Salunda har det isolerande polymerskikt en sjalvlakande egenskap.

[0040] Ytterligare utforingsformer definieras i de bifogade patentkraven. De utforingsformer som definieras far batterihalvcellen eller batteriet galler aven for forfarandet for tillverkning av halvcellen respektive batteriet.

Kortfattad beskrivnino av ritninoarna

[0041] Uppfinningen kommer nu att beskrivas, med hjalp av exempel, med hanvisning till de bifogade ritningarna, pa vilka:

[0042] Fig. 1 visar ett elektronmikrofotografi av IMS65 CF, med en diameter av 5pm, sasom beskrivis i den experimentella delen.

[0043] Fig. 2 visar ett elektronmikrofotografi av belagda fibrer som beskrivs i den experimentella delen.

[0044] Fig. 3 visar 10 laddning och urladdning cykler far ett batted som beskrivs i exemplet.

[0045] Fig. 4 visar det forsta laddning och en urladdning av cellen som beskrivs i exemplet.

[0046] Innan uppfinningen visas och beskrivs i detalj, är det underforstatt att denna uppfinning inte är begransad till speciella foreningar, konfigurationer, metodsteg, substrat, och material som beskrivs had eftersom sadana foreningar, konfigurationer, metodsteg, substrat, och material kan variera nagot. Det är ocksa underforstatt att den terminologi som anvands had anvands i syfte att beskriva sarskilda utforingsformer och är inte avsedd all vara begransande eftersom omfattningen av foreliggande uppfinning begransas endast av de bifogade kraven och ekvivalenter darav.

[0047] Det maste noteras att, sasom de anvands i denna beskrivning och de bifogade kraven, inkluderar de singulara formerna "en", "ett" och "den/det" plural am inte sammanhanget klart anger nagot annat. 537 09

[0048] Om inget annat definierats, är alla termer och vetenskaplig terminologi som anvands h5ri avsedda att ha de betydelser som vanligen avses av fackmannen inom det omrade till vilket denna uppfinning h6r.

[0049] Andra sardrag och anvandningar enligt uppfinningen och deras tillhorande fOrdelar kommer att framga for en fackman inom omradet vid lasning av beskrivningen och exemplen.

[0050] Det skall forstas aft denna uppfinning inte är begransad till de speciella utf6ringsformer som visas har. Foljande exempel tillhandahalls for illustrativa andarnal och är inte avsedda aft begransa uppfinningens omfang eftersom onnfattningen av foreliggande uppfinning begransas endast av de bifogade kraven och ekvivalenter darav.

Exempel Material och metoder Be!awning

[0051] Belaggningslosningen bestod av en blandning av monomeren SR550 (metoxipolyetylenglykol (350) monometakrylat) som tillhandahalls av Sartomer, losningsmedlet dimetylformamid (DMF), som tillhandahalls av Sigma-Aldrich, och saltet litium-trifluormetansulfonat (Li-triflat), som tillhandahalls av Sigma-Aldrich. LOsningen framstalldes genom att blanda 1 M Li-triflat i SR550 med DMF i forhallandet 1:1 raknat pa vikt. De kolfibrer (CF) som anvandes var Toho Tenax IMS65 24k vanligen tillhandahallna av Toho-Tenax Europe GmbH. Dessa fiber delades man uellt for aft omfatta ca 100 fibrer och fastes vid en 3 * 1 cm PTFE rigg inklusive kopparstromsamlare. En elektrokemisk cell med tre elektroder sattes samman genom att sanka riggen, med CF-sasom arbetselektrod (WE), i belaggningslosningen tillsammans med en 24k CF bunt som motelektrod (CE) och en bit av litiummetall som kvasi-referenselektrod (RE). De tva CF samlingarna var riktade parallellt. Den katodiska elektro-belaggning utfordes pa -0,25 V vs RE under 150 s i en handskbox med argon. Darefter var den belagda CF fortfarande fixerad i riggen och tvattades i DMF och torkades i handskboxen vid rumstemperatur. Polymerbelaggning inspekterades med SEM och den genomsnittliga tjockleken bestamdes med TGA att vara 60 nm.

Batteri

[0052] Litiumjonbatteriet sammanstalldes med hjalp av den belagda bunten av kolfibrer fastsatt i riggen som negativ elektrod. Riggen var kopplad till en aluminiumfolie draperad kring ett PTFE-ark genom anvandning av epoxilim och folien agerade som stromkollektor for den positiva elektroden. En uppslamning bestaende av LiFePO4och Super-P kol, i nanostorlek, 200-400 nm respektive 20 till 30 nm, och bindemedlet PVdF, 22 vikt-%, 67 vikt-% respektive 11 vikt-%, suspenderades i DMF och applicerades pa belagda kolfibrer och aluminiumfolie, sa att efter torkning, kommer den porosa positiva elektroden sedan i direkt kontakt med de belagda fibrerna samt aluminiumfolie. I denna utformning fungerar den polymera belaggningen pa fibrema som en kombinerad separator och fast elektrolyt och forhindrar kortslutning av cellen. En flytande elektrolyt, 1M LiPF6 i EG: Dec 1:1 raknat pa vikt, tillsattes sedan sa att hela batteriet var indrankt i elektrolyt. Motsvarande mangd tillsatt LiFePO4 var 10% lagre an CF aft undvika overladdning av CF.

[0053] Den positiva elektroden bildades genom tillsats av en uppslamning av aktivt material, kolpartiklar och ett losningsmedel. Denna uppslamning fick torka i direkt 6 537 09 kontakt med den elektro-belagda CF och den positiva stromkollektorn under bildning av en kaka av tort elektrod material. En flytande elektrolyt, 1M LiPF6 i EG: Dec 1:1 raknat pa vikt, tillsattes sedan sa att hela elektroden var indrankt i elektrolyt. [0054] Det monterade batteriet cyklades vid rumstemperatur inuti handskboxen 5 ganger vid en hastighet av 1 C (motsvarande full laddning av den positiva elektroden i en timme) och 5 ganger pa C/10, med cut-off potentialer vid 3,8 V under laddning och 2,5 V under urladdning.

Resultat

[0055] IMS65 CF, med en diameter av 5 pm, har en bar och rafflad yta sasom kan ses i SEM-mikrografen, figur 1. Elektro-belaggningen av dessa CF ytor gay en polymetakrylatbelaggning av 60 nm jamnt fordelat runt vane fiber. Belaggningen uppvisade inga uppenbara hal som observerades av SEM, figur 2. Litiumsaltkoncentrationen i polymerbelaggningen var 1,5% (kol till litium-forhallandet var 48). Litiumsaltet inforlivades med belaggningen redan under polymerisationen, vilket betyder att polymeren inte bara fungerar som separator men aven har fOrmagan att vara en fullt fungerande elektrolyt aven utan svallning i kontakt med en extern flytande elektrolyt.

[0056] Litiumjonbatteriet, baserat pa en bunt av negativa kolfiberelektroder kopplade parallellt och en kontinuerlig fas av den positiva elektroden utvarderades elektrokemiskt. En oppen kretsspanning av ca 2 V mattes fare den forsta laddningscykeln. Aven om bade LiFePO4 och Super-P kolpartiklar var av nanostorlek lyckades det tunna lagret av polymer framgangsrikt att separera dem fran CF negativa elektroden och darmed undvika att kortsluta cellen.

[0057] Den forsta laddningen och en urladdning av cellen visas i figur 4. En liten kortslutning efter 0,5 timmar under den forsta laddningscykeln ses som en drastisk minskning av cellspanningen. Cellen verkar dock vara sjalvlakande. Foljande 1 C cykler visade stor samstammighet efter den forsta laddningen, med 25% av den teoretiska kapaciteten hos den tillampade positiva elektroden material. Emellertid var stromutbytet i basta fall 65%, vilket indikerar en sidoreaktion som minskning av aterstaende SR550 monomer.

[0058] Cellen cyklades darefter med en omfattning om C/10, och som vantat okade kapaciteten. Problemet med lag strom-verkningsgrad kvarstod dock. Efter en initial okning av kapaciteten i de forsta cyklerna, borjade kapacitet att minska far efterfoljande cykler, vilket troligen beror pa forlust av flytande elektrolyt genom avdunstning och otillracklig tatning av cellen. Ytterligare cykling avslutades darfor. Batteriet var cyklades totalt 10 ganger utan nagra ytterligare tecken pa kortslutning. Detta visas i figur 3. 7

Claims (15)

537 09 Patentkrav

1. Batterihalvcell innefattande atminstone en kolfiber som negativ elektrod, namnda kolfiber innefattar ett flertal skikt med kolatomer som har grafitstruktur, narrinda flertal skikt har en formaga att interkalera metalljoner, namnda kolfiber har en styrka pa atminstone 1 GPa och en styvhet pa atminstone 100 GPa i den longitudinella riktningen av namnda kolfiber, namnda kolfiber är atminstone delvis belagda med atminstone ett elektriskt isolerande polymerskikt som agerar som joniskt ledande elektrolyt, varvid namnda isolerande polymerskikt är permeabelt for metalljoner, varvid namnda isolerande polymerskikt har en styvhet vid minst 0,5 MPa, namnda isolerande polymerskikt med en elektrisk jonkonduktivitet pa minst -19 S/m och en elektrisk resistivitet pa minst 19 Dm.

2. Batterihalvcell enligt krav 1, vidare innefattande ett material som en positiv elektrod applicerad utanfor och i kontakt med namnda elektriskt isolerande polymerskikt, for all erhalla ett batted, namnda positiva elektrodmaterial innefattande ett interkalerande material, varvid namnda positiva elektrodmaterial är i kontakt med en ledare anordnad all samla en elektrisk strom fran den positiva elektroden.

3. Batterihalvcell enligt nagot av kraven 1-2, van i namnda elektriskt isolerande polymerlager har applicerats med en elektriskt driven polymerisationsreaktion.

4. Batterihalvcell enligt nagot av kraven 1-3, vari namnda kolfiber har en langd pa minst 1 cm.

5. Batterihalvcell enligt nagot av kraven 1-4, vari namnda kolfiber har en styvhet I intervallet 100-1000 GPa och styrka i intervallet 1-10 GPa i den langsgaende riktningen f6r namnda kolfiber.

6. Batterihalvcellen enligt nagot av kraven 1-5, varvid namnda isolerande polymerskikt har en tjocklek i intervallet fran 10 till 200 nm.

7. Batterihalvcell enligt krav 2, varvid namnda metalljoner är Li 'Honer.

8. Batterihalvcell enligt patentkrav 2 eller 7, dar namnda positiva elektrodmaterialet innefattar LiFePO4 som interkalerande material.

9. Batterihalvcell enligt krav 2 eller 7-8, varvid namnda positiva elektrodmaterial vidare innefattar kimrok eller kolnanotuber.

10. Batterihalvcell enligt krav 2 eller 7-9, varvid namnda positiva elektrodmaterial vidare innefattar partiklar med en diameter i omradet -9 till - m. 8 537 09

11. Forfarande for att tillverka en batterihalvcell innefattande stegen att: 1. tillhandahalla en kolfiber som en negativ elektrod, namnda kolfiber innefattande ett flertal skikt med kolatomer som har grafitstruktur, namnda skikt har en formaga all interkalera med metalljoner, namnda kolfiber har en styrka pa atminstone 1 GPa och en styvhet pa atnninstone 100 GPa i den longitudinella riktningen av namnda kolfiber. 2. belagga namnda kolfiber atminstone delvis med atminstone ett elektriskt isolerande polymerskikt som fungerar som en elektrolyt, varvid namnda isolerande polymerskikt är permeabelt for metalljoner, varvid namnda isolerande polymerskikt har en styvhet pa atminstone 0,5 MPa, varvid namnda isolerande polymerskikt har en jonisk ledningsformaga pa minst -1° S/rn och en elektrisk resistivitet pa minst Qm.

12. Forfarande enligt krav 11, van i namnda isolerande lager appliceras med en elektrod riven polymerisationsreaktion.

13. Forfarande enligt nagot av kraven 11-12 van i namnda forfarande vidare innefattar steget att c) vidare applicera ett material som en positiv elektrod applicerad utanfor och i kontakt med det isolerande polymerskiktet, namnda positiva elektrod material innefattande rnetalljoner och motjoner, namnda positiva elektrodmaterial är i kontakt med en ledare anordnad att samla en elektrisk strom fran den positiva elektroden.

14. Forfarande enligt nagot av kraven 11 till 13, van i metalljonerna inforlivas i det isolerande polymerskiktet redan under polymerisationen.

15. Forfarande enligt nagot av kraven 11 till 14, van i metalljonerna är joner av litium. 9 537 09 1001200 knAh/g] Sp ec ifik kap acitet 537 09 4 .. _ i 3 1 t 2 c ) -4E5 1 41 002500 Specifik kapacitet [MAhig]