CN1819321A - Lithium-Ionen-Batterie mit hohem Multiplikationsfaktor

Im Jahr 2006 konnte eine handelsübliche Lithium-Ionen-Zelle typischerweise eine Dauerentladung von 1–3C verkraften. Elektrowerkzeuge benötigten 5C, Flugmodelle 7C und RC-Modellflugzeuge 12C und mehr. Diese Diskrepanz erklärt, warum Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus – schwerer, sperriger und anfälliger für den Memory-Effekt – den Markt für Akkus mit hoher Entladerate weiterhin dominierten.

Die Patentanmeldung CN1819321A vom 6. März 2006 schloss diese Lücke ohne den Einsatz exotischer Materialien. Sie erreichte Temperaturen von 12–15 °C durch die Verwendung herkömmlicher LiCoO₂- und Kohlenstoffchemie.wie das Leitmittel verteilt wird, bevor die Suspension überhaupt gemischt wird.Zwanzig Jahre später ist es immer noch dasselbe Prinzip – die Vormischung von Trockenpulver unter Schutzgas –, das den von TOB NEW ENERGY heute hergestellten Anlagen zur Trockenelektrodenverarbeitung zugrunde liegt.

I. Patentinformationen

II. Warum dies im Jahr 2006 wichtig war

Lithium-Ionen-Akkus hatten sich in den 1990er-Jahren dank ihrer Massenproduktion den Markt für tragbare Elektronikgeräte erobert und Bleiakkus, Ni-MH- und Ni-Cd-Akkus in Handys, Laptops, PDAs, Camcordern und Digitalkameras verdrängt. Doch ein Segment hielt sich wacker: Elektrowerkzeuge mit hohem Stromverbrauch und Modellflugzeuge.

Die physikalischen Gesetze waren unerbittlich. Oberhalb von etwa 3C konnte eine herkömmliche Zelle aus dem Jahr 2006 die benötigte Leistung einfach nicht mehr erbringen – der Innenwiderstand stieg, die Spannung brach unter Last ein und die nutzbare Kapazität sank rapide. Hersteller von Akkuwerkzeugen setzten trotz ihres Gewichts, Volumens, der Umweltbelastung und des Memory-Effekts weiterhin auf Ni-Cd-Akkus, da kein Lithium-basierter Akku die benötigte Spannung bei den erforderlichen Strömen halten konnte.

Es gab zwei Wege. Der erste – neue Kathodenmaterialien, neue leitfähige Strukturen – war langsam, teuer und erst in einigen Jahren produktionsreif. CN1819321A wählte den zweiten Weg: die bewährten Materialien beibehalten und dieElektrodenmikrostrukturstattdessen.

III. Die zentrale Erkenntnis: Vormischen von Trockenpulver

Bei der herkömmlichen Slurry-Herstellung wird das Bindemittel im Lösungsmittel gelöst, anschließend werden Aktivmaterial und Leitmittel gemeinsam in die Nassmischung gegeben. Der leitfähige Kohlenstoff dispergiert in der flüssigen Phase – aber er dispergiertzufälligEin Teil davon verbindet sich schließlich mit aktiven Partikeln; ein Großteil jedoch nicht.

CN1819321A kehrt die Sequenz um. Anspruch 10 gibt an, dassAktivmaterial und Leitmittel werden als Trockenpulver vorgemischt, bevor Lösungsmittel hinzugefügt werden., unter Schutzgasatmosphäre.

Der beschriebene Effekt ist direkt: Das leitfähige Mittel wird auf die Oberfläche jedes aktiven Partikels aufgebracht und durch diese hindurchgeleitet.ErsteWird die Bindemittellösung anschließend hinzugefügt, ist die leitfähige Beschichtung bereits vorhanden. Das Ergebnis ist ein durchgehendes leitfähiges Netzwerk, das jedes Partikel umhüllt, anstatt einer statistischen Verteilung des Kohlenstoffs in einem Lösungsmittel.

Der geringere elektronische Widerstand an der Partikeloberfläche ist genau das, was darüber entscheidet, ob eine Zelle 12 °C aushält oder bei 3 °C zusammenbricht.

Die Spezifikation verbindet dies mit drei unterstützenden Maßnahmen:

• Ein polymerbeschichteter Separator- Mit viskosen PVDF-HFP-Partikeln beschichtetes PP-PE-PP-Dreischicht- oder einschichtiges PE-Folienmaterial, 0,016–0,025 mm dick, 40–55 % Porosität
• Kontrollierte Elektrodenverdichtung- 70–150 μm, anwendbar sowohl für gewickelte als auch für gestapelte Elektrodengruppen
• Ein leitfähiger Elektrolytzusatz- eine Boratverbindung, in den Ansprüchen als [(CF₃)CHO]₃B angegeben, in einer Konzentration von 0,1–0,5 Gew.-% in LiPF₆- oder LiBF₄-Carbonatelektrolyt

IV. Technische Spezifikation

Kathode – positive Elektrode (Stromkollektor aus Aluminiumfolie)

• Aktivmaterial: ein oder mehrere Lithium-Interkalationsoxide - LiCoO₂, LiMn₂O₄ oder LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O₂
• Leitfähiges Mittel: Acetylenruß, Super P, leitfähiger Graphit (KS-6) oder dampfabgeschiedene Kohlenstofffaser (VGCF)
• Bindemittel: PVDF-Homopolymer oder PVDF-HFP-Copolymer

Anode – negative Elektrode (Kupferfolien-Stromkollektor)

• Aktivmaterial: modifizierter natürlicher sphärischer Graphit, Mesocarbon-Mikrokügelchen (CMS) oder Mesophasenpech-basierte Kohlenstofffaser (MCF)
• Leitfähiges Mittel: Super P, leitfähiger Graphit (SFG-6 / SFG-15) oder VGCF
• Bindemittel: wässriges SBR + CMC oder ölbasiertes PVDF

Ausgearbeitetes Beispiel - Ausführungsbeispiel 1 (100-2500 mAh Zelle, gewickelt)

• Kathode: LiCoO₂ : Super P : KS-6 : PVDF : NMP = 80 : 7 : 7 : 6 : 55
• AnodeCMS : Super P : SFG-6 : SBR : CMC : H₂O = 94 : 1 : 1 : 2 : 2 : 130
• VerfahrenChargenzubereitung → Beschichtung → Walzenpressen → Blechformung & -wicklung → Gehäuseabfüllung → Elektrolytfüllung → Formgebung → Kapazitätsklassifizierung

Die Spezifikation dokumentiert ferner eine laminierte Stapelvariante (Ausführungsbeispiel 2), eine LiCoO₂/LiMn₂O₄-Mischkathode mit MCF-Anode (Ausführungsbeispiel 3) und ein VGCF-basiertes leitfähiges System (Ausführungsbeispiel 4).

V. Gemessene Leistung

Kapazitätserhalt im Vergleich zur 1C-Entladung gemäß Spezifikation:

Mit einer Kapazität von 86 % bei 15 °C – was einer vollständigen Entladung in vier Minuten entspricht – liegt diese Konstruktion weit über der 1-3 °C-Grenze zeitgenössischer kommerzieller Zellen und über der 12 °C-Schwelle, die für Modellflugzeuganwendungen erforderlich ist.

Die veröffentlichten Zeichnungen enthalten gemessene Entladekurven bei 7C (Abb. 6), 10C (Abb. 7) und 12C (Abb. 8) sowie Schemata zum Zellaufbau (Abb. 1), Geometrie der gewickelten Elektrode (Abb. 2-3) und Geometrie der gestapelten Elektrode (Abb. 4-5).

VI. Von einem Patent aus dem Jahr 2006 bis zur Produktionsausrüstung von 2026

Das Prinzip der Trockenvormischung gemäß Anspruch 10 blieb im Jahr 2006 nicht bestehen.

Verteilung eines leitfähigen Mittels über aktive PartikelvorDer Kontakt mit Lösungsmitteln ist der konzeptionelle Vorläufer dessen, was die Branche heute als Lösungsmittel bezeichnet.Trockenelektrodenverarbeitung- die lösungsmittelreduzierten und lösungsmittelfreien Verfahren, die derzeit für Hochenergie- und Festkörperzellen skaliert werden.

TOB NEW ENERGY baut heute Anlagen genau für diesen Prozess:

• Trockene Elektrodenfilmlösung- Trockenverfahren zur Bildung von Elektrodenfilmen
• Elektrodenvorbereitung- Mischen, Beschichten, Kalandrieren
• Festkörperbatterie-Ausrüstung- wo eine Trockenverarbeitung praktisch obligatorisch ist

Der Ingenieur, der den Ansatz von 2006 mitentwickelt hat, leitet nun das Team, das die entsprechende Ausrüstung spezifiziert. Diese Kontinuität – Erkenntnisse aus dem Labor im Jahr 2006, Produktionshardware im Jahr 2026 – ist das, was unsere Kunden erwerben, wenn sie sich für TOB entscheiden.

Den vollständigen Datensatz ansehen:alle Patente des TOB-Technikteams

VII. Häufig gestellte Fragen

VIII. Offizielle Aufzeichnungen & Zeichnungen

• Google Patents - CN1819321A(Volltext, Behauptungen, 11 Vorwärtszitate)
• Offizielles PDF mit allen Zeichnungen
• Espacenet-Datensatz