DE102019114726B4

DE102019114726B4 - Kondensatorunterstützte festkörperbatterie

Info

Publication number: DE102019114726B4
Application number: DE102019114726.3A
Authority: DE
Inventors: Zhe Li; Dave G. Rich; Hajing Liu; Dewen Kong; Sherman H. Zeng
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2019-06-01
Publication date: 2024-09-12
Anticipated expiration: 2039-06-02
Also published as: CN110783665A; US11205798B2; DE102019114726A1; US20200036070A1; CN110783665B

Abstract

Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) aufweisend eine Kondensatorelektrode, die eine Batterieanode oder Batteriekathode ersetzt; die kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100), ferner gekennzeichnet durch und aufweisend:vier gleichförmige Stromabnehmerfolien (102, 116, 120, 128), die in paralleler Ausrichtung angeordnet sind, die aus zwei äußeren angeordneten Stromabnehmerfolien (102, 128) und zwei innenliegenden Stromabnehmerfolien (116, 120) aufgebaut sind, wobei jede Stromabnehmerfolie (102, 116, 120, 128) zwei gegenüberliegende Oberflächen zum Tragen einer aufgebrachten Schicht aus teilchenförmigen Elektrodenmaterialien aufweist, wobei die zwei innenliegenden Stromabnehmerfolien (116, 120) eine Schicht aus Teilchen eines Elektrodenmaterials aufweisen, die mit jeder gegenüberliegenden Oberfläche verbunden sind, wobei die äußeren angeordneten Stromabnehmerfolien (102, 128) eine Schicht aus Teilchen eines Elektrodenmaterials aufweisen, die zumindest an ihre nach innen weisenden Oberflächen gebunden sind, so dass jede Schicht von Teilchen eines Elektrodenmaterials einer Schicht von Elektrodenmaterial in einer gepaarten Anordnung in der kondensatorunterstützten, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) in ihrem zusammengebauten Zustand gegenüberliegt;wobei jedes Paar gegenüberliegender Schichten von Elektrodenmaterialien auf benachbarten, parallel ausgerichteten Stromabnehmerfolien (102, 116, 120, 128) gegen einen koextensiven Oberflächenbereich einer von drei Schichten von Elektrolytteilchen angeordnet ist, sodass die Stromabnehmerfolien (102, 120) eines ersten Elektrodenpaars elektrisch verbunden sind, um während einer Entladung der kondensatorunterstützten, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) als positiv geladene Kathoden zu dienen, und die Stromabnehmerfolien (116, 126) eines zweiten Paares von Elektroden elektrisch verbunden sind, um während der Entladung der kondensatorunterstützten, Lithiumionenbatterie (100) als negativ geladene Anoden zu dienen;wobei die kondensatorunterstützte Lithium-Ionen-Batterie (100) ferner mindestens eine Elektrodenschicht aus Kondensatoranodenmaterialteilchen (114, 114') oder eine Elektrodenschicht aus Kondensatorkathodenmaterialien oder eine Schicht aus jedem aufweist; undwobei die kondensatorunterstützte Lithium-Ionen-Batterie (100) ferner ein Festelektrolytmaterial aufweist, das dem Kondensatorelektrodenmaterial gegenübersteht und mit dem Kondensatorelektrodenmaterial in Eingriff steht und eine Zusammensetzung aufweist, die für das Kondensatorelektrodenmaterial geeignet ist und sich von einem Festelektrolytmaterial (110'') unterscheidet, das mit zwei Schichten von Batterieelektrodenmaterialien in Eingriff steht.

Description

EINLEITUNG
Lithium-Ionen-Batterien können so gebildet sein, dass sie wirksame Energie zum Antreiben von elektromotorisch betriebenen Kraftfahrzeugen und zum Antreiben vieler anderer Verbraucherprodukte bereitstellen. Einige Lithium-Ionen-Batterien verwenden einen flüssigen Elektrolyten und andere können mit Festelektrolyten hergestellt werden. Für kommerzielle Anwendungen ist es notwendig oder wünschenswert, die Leistungsdichten oder die Leistungsreaktion derartiger Batterien unter Verwendung von Festelektrolyten zu erhöhen.
JP H06 - 231 796 A beschreibt eine Zelle mit einer Struktur, die das Anbringen der Zelle auf einem Substrat und dergleichen ermöglicht, und Bereitstellen eines Herstellungsverfahrens für eine Zelle des geschichteten Typs, in der eine Anschlusselektrode durch Bilden einer Zelle des geschichteten Typs gebildet wird, in der ein breiter gegenüberliegender Bereich zwischen einer negativen Elektrode und einer positiven Elektrode gewährleistet ist, oder die eine Energiedichte durch eine mehrschichtige Struktur erreichen kann. Mindestens ein Paar aus einer positiven Elektrode, einem Elektrolyten und einer negativen Elektrode werden in eine integrierte Form polymerisiert, indem ein Verfahren zur Bildung eines dicken Films oder zur Bildung eines dünnen Films oder ein Verfahren, bei dem beide Verfahren integriert werden, verwendet wird, um einen geschichteten Körper zu bilden. An mehr als einer Endfläche des Schichtkörpers sind Anschlusselektroden vorgesehen, die mit der positiven Elektrode bzw. der negativen Elektrode verbunden sind. Die gesamte Form der Zelle ist ein Hexaeder. Die positive Elektrode und die negative Elektrode werden durch den Elektrolyten geschichtet, so dass mindestens ein Teil der positiven Elektrode und der negativen Elektrode verschoben wird, und der geschichtete Körper wird in ein Hexaeder geschnitten, in dem die Endteile der positiven Elektrode und der negativen Elektrode mehr als einer Oberfläche ausgesetzt sind, und die Anschlusselektroden sind auf die Endteile aufgetragen.
US 2016 / 0 268 627 A1 beschreibt eine Festkörperbatterie mit einem Nano-Festkörper-Elektrolyten für, zum Beispiel Elektrofahrzeuge, in denen mittelgroße und große wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.
In dieser Offenbarung werden die Leistungsdichten oder Leistungsreaktionen von Festkörperbatterien durch die Verwendung von Kondensatorelektroden, die Kondensatorteilchen enthalten, in Kombinationen mit Batterieelektroden in einer Festkörper-Kondensator-unterstützten, Lithium-Ionen-Batteriezelle erhöht. Weiterhin werden derartige Vorteile mit Elektroden erhalten, die sowohl Kondensatorteilchen als auch Teilchen aus aktiven Batterieanoden- oder Kathodenmaterialien enthalten.
KURZDARSTELLUNG
Lithium-Ionen-Batterien mit Festkörper verfügen über das Potenzial, signifikante Verbesserungen in den kommerziellen wiederaufladbaren Batteriemärkten im Hinblick auf ihre Stabilität, erreichbare Energiedichte und geringe Selbstentladungsrate bereitzustellen. Die Leistungsdichten und die Stromübertragungsfähigkeit solcher Batterien sind jedoch im Allgemeinen niedriger als Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen (z. B. -30 °C) und auch bei Umgebungstemperaturen von 25 °C. Dies wird hierin wahrgenommen, um aufgrund des inhärent hohen Ionenwiderstands von Festelektrolyten und der ungünstigen elektrochemischen Schnittstellen zwischen Festelektrolytmaterialien und aktiven Elektrodenmaterialien in solchen Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien zu sein.
Als nicht einschränkendes Beispiel kann eine einzelne Zelle einer Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie hauptsächlich aus Teilchen aus Lithiumtitanatanodenmaterial gebildet werden (Li₄Ti₅O₁₂), Festelektrolytpartikel, die aus einer Mischung von 75 Molprozent gebildet wurden Li₂S und 25 Molprozent P₂S₅, und Teilchen von LiNbO₃-beschichtetes LiCoO₂ Kathodenmaterial. Teilchen aus aktiven Elektrodenmaterialien können mit geeigneten Anteilen von Elektrolytteilchen und/oder mit einigen Anteilen elektrisch leitfähiger Kohlenstoffteilchen gemischt werden. Elektrodenmaterialien werden typischerweise in Schichten zu einer oder beiden Seiten eines entsprechend geformten und bemessenen Stromabnehmers (oft eine dünne Aluminium- oder Kupferfolie) gebildet. Weitere geeignete Elektroden- und Elektrolytmaterialien werden im Folgenden in dieser Spezifikation offenbart.
In kondensatorunterstützten Festkörperbatterie-Baugruppen können eine grundlegende Gruppierung oder ein Modul von drei benachbarten und elektrisch verbundenen Anoden-Kathodenzellen verwendet werden. Neben den Batterieelektroden beinhalten die Anordnungen eine Kondensatoranode, eine Kondensatorkathode oder beides. Jede der Kondensatorelektroden kann beispielsweise aus Teilchen aus Aktivkohle gebildet sein. Weitere Kondensatorelektrodenmaterialien werden nachfolgend in dieser Spezifikation dargestellt. Größere Zellgruppen können für bestimmte Anwendungen vorbereitet werden. Aber in den folgenden veranschaulichenden Offenbarungen umfassen die grundlegenden Lithium-Ionen-Batterie-/Kondensator-Hybridmodule drei Zellen. Die Anordnungen können in Form von Blechen oder Pellets aus Schichten der jeweiligen Elektroden-, Elektrolyt- und Stromabnehmerelemente sein. Oder die Anordnung kann als Dünnfilmschichtpaket ausgebildet sein.
In den folgenden veranschaulichenden Beschreibungen dieser exemplarischen drei Zellenkondensator-/Batterieanordnungen sollte eine Seitenansicht (wie in den beigefügten Zeichnungsfiguren dargestellt) eine Seitenansicht einer Anordnung von vertikal ausgerichteten, angrenzend gestapelten, festen Elektroden- und Festelektrolytelementen darstellen, die vier gleichförmige, parallel ausgerichtete Stromabnehmerfolien umfassen, die sechs Schichten aus Elektrodenmaterialien mit drei Zwischenschichten aus festen Elektrolytschichten tragen. Ein Stromabnehmer an jedem Ende der Baugruppe trägt eine nach innen gerichtete Schicht aus Elektrodenelektrodenmaterial oder Kondensatorelektrodenmaterial. Die nächste Innenschicht aus jeder Endelektrode ist eine Schicht aus Festelektrolytmaterial. Diese beiden Schichten aus Festelektrolytteilchen weisen einen inneren Stromabnehmer auf, der auf jeder Seite mit einer Schicht aus teilchenförmigem Elektrodenmaterial beschichtet ist. Die innersten Elektrodenschichten sind durch eine dritte Schicht aus Festelektrolyten getrennt. Die Außenstromabnehmer sind elektrisch mit dem weiter beabstandeten inneren Stromabnehmer verbunden. Die ersten und dritten Stromabnehmer sind verbunden, wie die zweiten und vierten Stromabnehmer.
Der Gegenstand der Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert.
In einer ersten Ausführungsform einer kondensatorunterstützten, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (dargestellt in 1) ist eine zweiseitige Kondensatormaterialschicht, Kondensatorelektrode (entweder eine Kondensatoranode oder Kondensatorkathode) in ein Dreizellenmodul aus vier Lithium-Ionen-Batterie-Elektrodenmaterialschichten integriert. Es wird eine dreiteilige Baugruppe gebildet, die entweder eine Anodenelektrode oder eine Kathodenelektrode aus Lithium-Ionen-Kondensatormaterial (z. B. Aktivkohleteilchen, vorzugsweise mit Teilchen eines Festelektrolyten vermischt) beinhaltet, die entsprechende Lithium-Ionen-Batterieanode oder -Kathode ersetzen. Die Drei-Zellen-Anordnung umfasst dann zwei Schichten der Kondensatoranode oder Kathodenmaterial auf gegenüberliegenden Seiten eines Stromabnehmers in einer Baugruppe mit drei Elektrodenschichten aus Batteriekathodenmaterial (oder Anodenmaterial) und einer Schicht aus Batterieanodenmaterial (oder Kathodenmaterial). Eine negative Elektrode (während der Zellentladung) des Kondensatoranodenmaterials ist elektrisch mit einer Batterieanode verbunden, oder eine positive Elektrode (während der Zellentladung) des Kondensatorkathodenmaterials ist elektrisch mit einer Batteriekathode verbunden.
In einer zweiten Ausführungsform einer kondensatorunterstützten, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie, ein elektrischer Doppelschichtkondensator (EDLC) in eine Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (2) integriert ist. Die Dreizellenanordnung umfasst eine positiv geladene Kondensatorkathode, die elektrisch mit einer Batteriekathode verbunden ist, und eine negativ geladene Kondensatoranode, die elektrisch mit einer Batterieanode verbunden ist.
In einer dritten Ausführungsform einer kondensatorunterstützten, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (3), eine der inneren Elektroden eine asymmetrische Anodenelektrode oder eine asymmetrische Kathodenelektrode ist, die mit Lithium-Ionen-BatterieElektrodenmaterial auf einer ihrer Seiten und einem ähnlich geladenen Kondensatorelektrodenmaterial auf ihrer gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist.
In einer vierten Ausführungsform einer kondensatorunterstützten, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (4) werden die Festelektrolytschichten, die einer Schicht aus Kondensatorelektrodenmaterial zugewandt sind, aus einer Festelektrolytzusammensetzung gebildet, die für die Zusammensetzung des Kondensatorelektrodenmaterials angepasst ist. Eine andere geeignete Festelektrolytzusammensetzung für die Batterieelektrodenmaterialien wird zwischen zwei einander zugewandten Batterieelektrodenschichten verwendet.
Und in einer fünften Ausführungsform einer kondensatorunterstützten, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (5) können die kondensatorhaltigen Elektroden aus einem Gemisch aus Teilchen jedes Kondensatorelektrodenmaterials, einem kompatiblen Batterieanoden- oder Kathodenmaterial und einem Festkörperelektrolytmaterial formuliert werden.
Weitere Ausführungsformen dieser kondensatorunterstützten Festkörper-Lithium-Ionen-Batterieausführungsformen werden in den folgenden Abschnitten dieser Spezifikation und in den Zeichnungsfiguren dargestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Seitenkanten eines dreizelligen, kondensatorunterstützten, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie mit zwei Anodenschichten aus Kondensatormaterial, einer Anodenschicht aus Lithium-Ionen-Batteriematerial und drei Kathodenschichten aus Lithium-Ionen-Batteriematerial. Die jeweiligen Anoden-, Kathoden- und Festelektrolytschichten weisen gleiche rechteckige Formen auf, die in der in 1 dargestellten Querschnittsdarstellung nicht sichtbar sind.
Ausgehend von der linken Seite der Figur betrachtet, ist eine erste Lithium-Ionen-Kondensatorzelle, die aus einem Stromabnehmer mit einem verbundenen Schicht aus teilchenförmigem Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial (dunklen Teilchen mit Lichtpunkten) gemischt mit Teilchen aus Festelektrolytmaterial (weißen Teilchen mit schwarzen Punkten), eine Schicht aus teilchenförmigem Festelektrolytmaterial (weißen Teilchen mit schwarzen Punkten), und eine teilchenförmige Anodenschicht aus Aktivkohlekondensatormaterial (Teilchen mit dichten schwarzen Punkten) gemischt mit Teilchen aus Festelektrolytmaterial (helle Teilchen mit schwarzen Punkten), die mit der linken Seite einer zweiten Stromabnehmerfolie verbunden sind. An der gegenüberliegenden Seite der zweiten Stromabnehmerfolie ist eine partikelförmige Anodenschicht aus Aktivkohlekondensatormaterialteilchen (Teilchen mit dichten schwarzen Punkten) gemischt, die mit Festelektrolytmaterial gemischt sind (weißen Teilchen mit schwarzen Punkten). Diese Teilchen-anodische Kondensatorschicht ist Teil einer zweiten Lithium-Ionen-Kondensatorzelle. Gegen die Kondensatoranodenmaterialschicht ist eine Teilchenschicht aus Festelektrolytmaterial (weißen Teilchen mit schwarzen Punkten) angeordnet, gefolgt von einer gebundenen Schicht aus teilchenförmigem Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial (schwarzen Teilchen mit weißen Punkten) gemischt mit Teilchen aus Festelektrolyt (weißen Teilchen mit schwarzen Punkten). Diese Schicht aus Kathodenmaterial ist mit einer Seite einer dritten Stromabnehmerfolie verbunden. An der gegenüberliegenden Seite der dritten Stromabnehmerfolie ist eine ähnliche Schicht aus teilchenförmigem Lithium-Ionen-Kathodenmaterial gebunden, die mit Festelektrolytteilchen gemischt ist, die Teil einer dritten Zelle sind - eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Diese Zelle wird mit einer Schicht aus teilchenförmigem Festelektrolytmaterial (weißen Teilchen mit schwarzen Punkten) und einer Schicht aus Lithium-Ionen-Batterie-Anodenmaterial (weißen Teilchen mit gestaffelten Reihen schwarzen Punkten) abgeschlossen, die an eine Seite eines vierten Stromabnehmers gebunden sind.
Die jeweiligen Stromabnehmer weisen Laschen auf, die sich von ihren oberen Seiten erstrecken. Ausgehend von der linken Seite von 1 sind die ersten und dritten Stromabnehmer elektrisch verbunden und als positiv geladen, da sie während der Entladung des kondensatorunterstützten Festkörper-Batteriezellenmoduls auftreten würden. Die zweiten und vierten Stromabnehmer sind elektrisch verbunden und als negativ geladen.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht der Seitenkanten einer dreizelligen, kondensatorunterstützten, Festkörperbatterie mit einen elektrischen Doppelschichtkondensator (EDLC). Die jeweiligen Anoden-, Kathoden- und Festelektrolytschichten weisen ähnliche rechteckige Formen auf, die in der Darstellung der Seitenansicht von 2 nicht sichtbar sind. Und die Lithium-Ionen-Anoden- und Kathodenteilchen, die Kondensatorelektrodenteilchen und die Festelektrolytteilchen wie in 1 dargestellt.
Betrachtet wird, beginnend von der linken Seite der Figur, eine EDLC-Zelle mit einer positiv geladenen Kathode aus Kondensatorkathodenpartikeln, die mit Festelektrolytteilchen gemischt sind, eine Schicht aus Festelektrolytteilchen und eine negativ geladene Elektrode aus Kondensatoranodenpartikeln, die mit Festelektrolytteilchen gemischt sind. Die zweite Zelle umfasst eine Lithium-Ionen-Kondensatoranode, die einer Lithium-Batterie-Kathode gegenüberliegt. Und die dritte Zelle ist eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (Kathode gegenüber einer Anode), die als dritte Zelle in 1 zusammengesetzt ist.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht der Seitenkanten einer dreizelligen, kondensatorunterstützten, Festkörperbatterie mit einer asymmetrischen Elektrode. Die jeweiligen Anoden-, Kathoden- und Festelektrolytschichten weisen ähnliche rechteckige Formen auf, die in der Darstellung in 3 nicht sichtbar sind. Die Lithium-Ionen-Anoden- und Kathodenteilchen, die Kondensatorelektrodenteilchen und die Festelektrolytteilchen sind wie in 1 dargestellt.
In 3 trägt der zweite Stromkollektor (negativ geladen), wie er von der linken Seite der Figur betrachtet wird, eine Schicht aus Teilchen aus Lithium-Ionen-Anodenmaterial, die mit Festelektrolytteilchen gemischt sind, die mit ihrer linken Seite verbunden sind, und eine Schicht aus Teilchen aus aktivem Kondensator, die mit Festelektrolytteilchen gemischt und an ihre rechte Seite gebunden sind.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht der Seitenkanten einer dreizelligen, kondensatorunterstützten, Festkörperbatterie mit zwei verschiedenen Festkörperelektrolyten. Die jeweiligen Anoden-, Kathoden- und Festelektrolytschichten weisen ähnliche rechteckige Formen auf, die in der Darstellung in 4 nicht sichtbar sind.
In 4 ist das Festelektrolytmaterial, das in den ersten zwei Zellen verwendet wird (wie ausgehend von der linken Seite von 4 beginnend), die eine Elektrode des Kondensatormaterials umfasst, eine spezielle Kondensatorelektrolytzusammensetzung (schematisch als parallele, aufsteigende Linien dargestellt), die sich von der Festelektrolytschicht (weißen Teilchen mit schwarzen Punkten) unterscheidet, die in der dritten Zelle verwendet wird, eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht der Seitenkanten einer dreizelligen, kondensatorunterstützten, Festkörperbatterie mit Teilchen aus Kondensatormaterial, die mit Teilchen aus Anodenmaterial in Schichten aus Elektrodenmaterial gemischt sind. Die jeweiligen Anoden-, Kathoden- und Festelektrolytschichten weisen ähnliche rechteckige Formen auf, die in der Darstellung in 5 nicht sichtbar sind.
In 5 werden beide Elektrodenmaterialschichten der zweiten Elektrode, die von der linken Seite der Figur aus betrachtet werden, eine negative Elektrode aus einer Mischung aus aktiven Lithium-Ionen-Anodenmaterialteilchen, Kondensatorteilchen und Teilchen eines Festelektrolyten gebildet. Die jeweiligen Teilchen aus Batterieelektrodenmaterialien, Kondensatorelektrodenmaterialien und Festelektrolytteilchen werden in 1 - 3 dargestellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Gemäß dieser Offenbarung werden kondensator-unterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien bereitgestellt, die verschiedene Kombinationen von Batterieanoden, Batteriekathoden, Kondensatoranoden, Kondensatorkathoden und Festelektrolyten umfassen.
Die Lithium-Ionen-Batterieanoden und Kondensatoranoden werden typischerweise aus dicht gepackten Schichten aus aktiven Anodenmaterialteilchen gebildet, die mit Festelektrolytteilchen gemischt sind. Abhängig von der Zusammensetzung des Festelektrolyten können die Anodenmischungen ein leitfähiges Additiv, wie beispielsweise leitfähige Kohlenstoffpartikel (z. B. Acetylenruß) und ein polymeres Bindemittel (z. B. Styrol Butadienstyrol-Copolymer), enthalten, das eine gute mechanische Eigenschaft und gute Haftung zwischen Stromabnehmern und Teilchen ermöglichen könnte. Die Anodenschichten können eine Porosität anzeigen. Die Anodenschicht weist typischerweise eine zweidimensionale rechteckige Form und Größe mit einer gleichmäßigen Dicke auf. Eine Seite der Anodenschicht ist geeignet befestigt oder verbunden (oder dergleichen) an einer Seite einer Stromabnehmerfolie (typischerweise eine Kupferstromabnehmerfolie, die geformt ist) um die Oberfläche der verbundenen Anodenschicht und mit einer Lasche zu bedecken, die sich nach außen zur elektrischen Verbindung mit anderen Elektroden in einer Gruppe von Elektroden und Zellen erstreckt. Die andere Seite der Anodenschicht weist eine überlagerte, ähnlich geformte Schicht aus Elektrolytteilchen auf. Die andere Seite der Schicht aus Elektrolytteilchen ist eine deckungsgleiche Schicht aus einer gleichförmigen Batterie oder Kondensatorkathode.
Die Kathode ist typischerweise aus einer Schicht aus aktiven Materialpartikeln aus einer Batterie oder Kondensatorkathode gebildet, die mit einigen Festelektrolytteilchen gemischt sind. Abhängig von der Zusammensetzung des Festelektrolyten können die Kathodenmischungen ein leitfähiges Additiv, wie beispielsweise leitfähige Kohlenstoffpartikel (z. B. Acetylenruß, manchmal AB im folgenden Text) und ein polymeres Bindemittel (z. B. Styrol Butadienstyrol-Copolymer) enthalten, das eine gute mechanische Eigenschaft und gute Haftung zwischen Stromabnehmern und Teilchen ermöglichen könnte. Die Kathodenschichten können eine gewisse Porosität anzeigen. Die andere Seite der Kathodenschicht ist mit einer Seite einer Stromabnehmerfolie verbunden (typischerweise eine Aluminiumstromabnehmerfolie, die so geformt ist, dass sie die Oberfläche der gegenüberliegenden Kathodenschicht bedeckt und mit einer Lasche (manchmal abgedeckt) zur elektrischen Verbindung mit anderen Elektroden in einer Gruppe von Zellen. Somit weist die Elektrolytschicht eine zweidimensionale Form auf, die auf geeignete Weise elektrochemisch und koextensiv die Anodenschicht auf einer ihrer Seiten und der Kathodenschicht auf ihrer anderen Seite kontaktiert.
Die Anode und Kathode der Batteriezelle werden zusammengesetzt, bemessen und geformt, um eine vorgegebene Kapazität für die Zelle bereitzustellen. Die Batterieelektroden tragen zur Gesamtenergie und Leistungsdichte der Zelle bei, während die Kondensatorelektroden zusammengesetzt sind, um eine schnelle Leistungsreaktion bereitzustellen, wenn sie erforderlich ist.
Beispiele für aktive Lithium-Ionen-Batteriekathodenmaterialien umfassen LiFePO₄, LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNi_0,5Mn_1,5O₄, Lithium-Nickel-Kobalt-Oxid (NCM), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) und andere Lithium-Übergangsmetalloxid. Ein weiteres Beispiel eines Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterials ist LiNbO₃-beschichtetes LiCoO₂. In den folgenden Beispielen kann eine Festkörper-Lithium-Ionen-Batteriekathode ein geeignetes aktives Kathodenmaterial, einen Festelektrolyten, ein leitfähiges Additiv (z. B. leitfähige Kohlenstoffpartikel) und ein Bindemittel (falls erforderlich) umfassen. Vorzugsweise ist der Anteil des aktiven Kathodenmaterials größer als etwa 30 Gew.-% des gesamten Kathodenmaterialgemischs, der Anteil des Festelektrolyten (SE) ist vorzugsweise niedriger als etwa 60 Gew.-% des gesamten Kathodenmaterials, und das Verhältnis des leitfähigen Additivs sollte niedriger als etwa 10 Gew.-% des gesamten Kathodenmaterials sein.
Beispiele für geeignete aktive Lithium-Ionen-Batterieanoden-Materialien umfassen: kohlenstoffhaltiges Material (z. B. Graphit, hartes Kohlenstoff, Weichkohlenstoff usw.), Silizium, Silizium-Kohlenstoff-Mischmaterial (Silizium-Graphitverbundstoff), Li₄Ti₅O₁₂Übergangsmetall (Legierungstypen, z. B. Sn), Metalloxid/Sulfid (z. B. SNO₂, FeS und dergleichen). Außerdem beinhalten geeignete aktive Lithium-Ionen-Batterieanoden-Materialien Li-Metall und Li-Metall-Legierungen (z. B. Li-In).
In den folgenden Beispielen kann eine Festkörper-Lithium-Ionen-Batterieanode ein geeignetes aktives Anodenmaterial, ein Festelektrolyt, ein leitfähiges Additiv (z. B. leitfähige Kohlenstoffpartikel) und ein Bindemittel (falls erforderlich) umfassen. Vorzugsweise ist der Anteil des aktiven Anodenmaterials größer als etwa 30 Gew.-% der gesamten Anodenmaterialmischung, der Anteil des Festelektrolyten (SE) ist niedriger als etwa 60 Gew.-% des gesamten Anodenmaterials, und das Verhältnis des leitfähigen Additivs sollte niedriger als etwa 10 Gew.-% des gesamten Anodenmaterials sein.
Beispiele für geeignete aktive Kondensatorkathodenmaterialien umfassen Aktivkohle, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, andere poröse Kohlenstoffmaterialien, ein leitendes Polymer (z. B. Polyethylendioxyophen). Eine Festkörper-Kondensatorelektrode kann aus einem Gemisch aus aktivem Kondensatormaterial (z. B. Aktivkohle), Festelektrolyten (falls erforderlich), leitfähigem Additiv (z. B. Acetylenschwarz) und Bindemittel (falls erforderlich) gebildet werden.
Beispiele für ein geeignetes aktives Anodenanodenmaterial umfassen Aktivkohle, Weichkohlenstoff, harte Kohlenstoff und Metalloxid/Sulfide (z. B. Tio₂). Eine Festkörper-Kondensatorelektrode kann aus einem Gemisch aus aktivem Kondensatormaterial (z. B. Aktivkohle), Festelektrolyten (falls erforderlich), leitfähigem Additiv (z. B. AB) und Bindemittel (falls erforderlich) gebildet werden.
Wie vorstehend in dieser Spezifikation erwähnt, werden Festelektrolytpartikel in dieser Spezifikation aus einem geeigneten Gemisch von 75 Molprozent gebildet Li₂S und 25 Molprozent P₂S₅. Eine erweiterte Liste von Festelektrolytmaterialien wird nachfolgend in dieser Spezifikation bereitgestellt.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Seitenkanten einer ersten Ausführungsform einer dreizelligen, kondensatorunterstützten Festkörperbatterie 100. Die jeweiligen Elektrodenelemente und Festelektrolytelemente weisen ähnliche rechteckige Formen auf, die in der Darstellung in 1 nicht sichtbar sind. Ein Beispiel für die Abmessungen eines repräsentativen rechteckigen Querschnitts beträgt 50 mm bis 55 mm. Im Allgemeinen kann die Dicke der Elektrodenschichten von dutzenden zu Hunderten von Mikrometern und die Dicke der Elektrolytschichten im Bereich von mehreren Mikrometern bis zu Hunderten von Mikrometern liegen. Die Größen der im Allgemeinen kugelförmigen Elektroden- und Elektrolytteilchen betragen typischerweise etwa 20 nm bis 50 um. Wie in den folgenden Absätzen beschrieben werden wird, werden die zweidimensionalen Formen und Abmessungen der Elektrodenelemente bestimmt, um sie im Wesentlichen in eine montierte Zelle der erforderlichen Funktion und Kapazität zu passen. Und die jeweiligen Dicken der Elektrodenkörper und Elektrolytkörper basieren auf ihren erforderlichen Funktionen und Kapazitäten oder Energiedichten in den montierten Zellen.
Ausgehend von der linken Seite von 1 ist eine Kathodenelektrode 101 dargestellt, die aus einer partikulären Schicht aus Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial 104 aus einer im Wesentlichen gleichmäßigen Dicke (z. B. im Bereich von etwa 10 bis 1000 Mikrometer) gebildet ist, die im Wesentlichen mit einer Hauptfläche aus einer rechteckigen Stromabnehmerfolie 102 verbunden ist, die in geeigneter Weise eine Aluminiumfolie im Bereich von etwa fünf bis fünfundzwanzig Mikrometern aufweist. Während der größte Teil der Oberfläche der Stromabnehmerfolie mit dem Batteriekathodenmaterial 104 bedeckt ist, wird eine Lasche (beschichtet oder unbeschichtet) oder ein ähnliches Verbindungsabschnitt an einer Seite (der Oberrand in 1 und die folgenden Figuren) des Stromabnehmers bereitgestellt, um eine elektrische Verbindung durch die elektrische Verbindung 130 mit einer anderen Kathodenelektrode 118 zu erleichtern.
In dieser Ausführungsform ist das Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial 104 hauptsächlich aus einem Gemisch aus Teilchen aktiven Kathodenmaterials (dunklen Teilchen mit weißen Punkten) und Teilchen aus Festelektrolytmaterial (weißen Teilchen mit schwarzen Punkten) gebildet. Wie bereits erwähnt, ist ein Beispiel eines geeigneten partikulären Kathodenmaterials Lithiumniob-Oxid (LiNbO)₃ beschichtetes Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂). Und ein Beispiel eines Festelektrolytmaterials sind Teilchen, die aus einem Gemisch von 75 Molprozent gebildet Li₂S und 25 Molprozent P₂S₅.
Koextensiv gegen die flache Oberfläche der Kathodenmaterialschicht 104 der Kathodenelektrode 101 ist die koextensive und kompatible flache Oberfläche eines partikulären Festelektrolyten 110 angeordnet, wobei Teilchen (weiße Teilchen mit schwarzen Punkten) einer geeigneten Elektrolytzusammensetzung in geeigneter Weise in einem Festelektrolytkörper konsolidiert werden. Diese Festelektrolytschicht 110 kann manchmal aus einem Gemisch aus Festelektrolyten und einer entsprechend kleinen Menge polymeren Bindemittels (z. B. Styrol Butadiencopolymer) gebildet werden, wobei das Hinzufügen des Bindemittels die Aufnahme geeigneter mechanischer Eigenschaften ist. Teilchen des gleichen Festelektrolytmaterials können in jeder Schicht aus Elektrodenmaterial und jeder Elektrolytschicht in den Zellen dieser Ausführungsform der Offenbarung verwendet werden.
Gegenüber dem Festelektrolytkörper 110 liegt eine gleichförmige Schicht aus Kondensatoranodenmaterial 114, die geeigneterweise mit einer Seite der Stromabnehmerfolie 116 verbunden ist. Die Dicke der Metallfolie des Stromabnehmers 116 liegt zweckmäßigerweise im Bereich von etwa zehn bis fünfundzwanzig Mikrometer. Ein Beispiel für geeignete Kondensatoranodenmaterial ist eine Mischung aus Aktivkohleteilchen (grau gestrichelten Teilchen) mit einem kleineren Anteil von Festelektrolytteilchen (weißen Teilchen mit dunklen Punkten). Die Kondensatoranodenmaterialschicht 114 ist ein Teil der Anodenelektrode 112. Die Anodenelektrode 112 umfasst eine Kondensatoranodenmaterialschicht 114, die an die linke Seite der Stromabnehmerfolie 116 gebunden ist, und ein gleichschichtiges 114' Kondensatoranodenmaterial, die mit der rechten Seite der Stromabnehmerfolie 116 verbunden ist.
Eine Schicht aus Festelektrolytmaterial 110' (helle Teilchen mit schwarzen Punkten) wird mit einer ihrer rechteckigen Oberflächen gegen die Außenfläche der Kondensatoranodenmaterialschicht 114' zusammengebaut. An der rechten Oberfläche des Festelektrolytmaterials 110' ist eine Schicht aus teilchenförmigem Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial 122 angeordnet, die Teil der Kathodenelektrode 118 ist. Die Kathodenelektrode 118 umfasst auch einen Aluminiumstromabnehmer 120 mit einer zweiten Schicht aus Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenelektrodenmaterial 122', die an ihre gegenüberliegende Hauptoberfläche gebunden ist. Die Zusammensetzungen der Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterialschichten 122, 122' sind ähnlich und werden schematisch wie die Kathodenmaterialien der Kathodenelektrode 104 veranschaulicht.
Die Festelektrolytschicht 110" ist gegen die Oberfläche der Kathodenmaterialschicht 122' angeordnet. Und eine Schicht aus Anodenmaterial 126, die an den Kupfer-Stromabnehmer 128 gebunden ist, wird gegen die rechte Oberfläche der Festelektrolytschicht 110" platziert. Das Anodenmaterial 126 ist eine Mischung aus Teilchen aus Lithium-Ionen-Batteriematerial (weiß mit einem geordneten Muster aus schwarzen Punkten) und Teilchen aus Festelektrolyten (weiß mit zufälligen schwarzen Punkte).
Die Anordnung der kondensatorunterstützten Festkörperbatterie 100 Ausführungsform von 1 ist mit den elektrischen Verbindungen 130, 132 zwischen den Kathoden 101, 118 abgeschlossen, die während des Entladens der kondensatorunterstützten Batterie 100 positiv geladen sind, und mit den elektrischen Verbindungen 134, 136 zwischen der Kondensatoranode 112 und der Batterieanode 124, die während der Entladung der kondensatorunterstützten Batterie negativ geladen werden.
In der schematischen Darstellung von 1 werden die jeweiligen Elektroden zum Zwecke der Veranschaulichung der gemischten Elektrodenmaterialien und deren Positionierung in der montierten dreizelligen, kondensatorunterstützten Batterie vergrößert. In einer Anwendung für eine solche kondensatorunterstützte Batterie würden die Elektroden bemessen und geformt, um eine spezifizierte Kombination von Energierückforderungen und Leistungsanforderungen in der kondensatorunterstützten Batterie bereitzustellen. In vielen zusammengebauten elektrochemischen Batterie-/Kondensatorzellen können diese Basiszelleneinheiten als Hybridzelleneinheit wiederholt und/oder mit zusätzlichen Batteriezelleneinheiten kombiniert werden, um eine gewünschte Kombination von Batterieeigenschaften und Kondensatoreigenschaften zu erreichen.
In der Ausführungsform von 1 wurde eine zweiseitige Anode 112 des Kondensatormaterials in Kombination mit einer Batterieanode 124 verwendet. Die Kathodenelemente 101, 118 der Baugruppe wurden hauptsächlich aus aktivem Kathodenmaterial für eine Lithium-Ionen-Batterie gebildet. In einer umgekehrten Ausführungsform der 1-Anordnung könnten Kondensatormaterialien zur Verwendung in einer zweiseitigen Kondensatorkathode ausgewählt werden, die elektrisch mit einer Batteriematerialkathode verbunden und in elektrisch gegenüberliegender Kombination mit Lithium-Ionen-Batteriematerialien verwendet wird.
Sofern nicht anders angegeben, sind die schematischen Darstellungen von Lithium-Ionen-Anodenteilchen und Kathodenteilchen und Kondensatorelektrodenteilchen in den folgenden Figuren gleich wie in 1 dargestellt.
In der Ausführungsform von 2 ist ein elektrischer Doppelschichtkondensator (EDLC) in die kondensatorunterstützte Festkörper-Batterieanordnung 200 integriert.
Die Kondensatorkathode 201 ist aus einer geeigneten Stromabnehmerfolie 202 gebildet, die eine gleichförmige Schicht 204 aus einer Mischung aus Kondensatorkathodenpartikeln und Festelektrolytteilchen trägt. Die Festelektrolytschicht 210 trennt die Kondensatorkathode 201 von der Kondensatoranodenelektrode 212. Die Kondensatoranode 212 ist aus Stromabnehmerfolie 216 gebildet, die Schichten des Kondensatoranodenmaterials 214, 214' trägt, die mit gegenüberliegenden Hauptflächen des Stromabnehmers 216 verbunden sind. Jede Schicht aus Kondensatoranodenmaterial 214, 214' ist aus einem Gemisch aus Kondensatoranodenteilchen (z. B. Aktivkohlenstoffteilchen) und Teilchen aus Festelektrolyten gebildet. Gegen die Kondensatoranodenmaterialschicht 214' der Kondensatoranode 212 liegt die Festelektrolytschicht 210'. Der Rest der dreizelligen kondensatorunterstützten Festkörper-Batterieanordnung ist wie die in 1 veranschaulichte Anordnung.
Die Festelektrolytschicht 210' trennt die Kondensatoranode 212 von der Batteriekathode 218. Die Batteriekathode 218 ist aus Kupfer-Stromabnehmerfolie 220 gebildet, die gegenüberliegende Schichten aus Kathodenmaterial 222, 222' trägt. Jede Schicht aus Kathodenmaterial 222, 222' wird hauptsächlich aus einer Mischung aus Teilchen aus einem geeigneten aktiven Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial und Festelektrolytteilchen gebildet. Die Festelektrolytschicht 210'' trennt die Batteriekathode 218 aus der Lithium-Ionen-Batterieanode 224. Die Batterieanode 224 ist aus einer Kupferstromabnehmerfolie 228 gebildet, die eine Schicht aus Anodenmaterial 226 trägt, die an die linke Seite (oder beide Seiten) der Stromabnehmerfolie 228 gebunden ist. Die Schicht aus Anodenmaterial 226 wird hauptsächlich aus einer Mischung aus Teilchen aus einem geeigneten Lithium-Ionen-Batterie-Anodenmaterial gebildet (z. B. Li₄Ti₅O₁₂) vermischt mit Festelektrolytteilchen.
Die Anordnung der kondensatorunterstützten Festkörperbatterie 200 Ausführungsform von 2 ist mit den elektrischen Verbindungen 230, 232 zwischen den Kathoden 201, 218 abgeschlossen, die während der Entladung der kondensatorunterstützten Batterie 200 positiv geladen sind, und mit den elektrischen Verbindungen 234, 236 zwischen der Kondensatoranode 212 und der Batterieanode 224, die während der Entladung der kondensatorunterstützten Batterie negativ geladen werden.
Die Integration der elektrischen Doppelschichtkondensatorelemente in die Batteriezellen kann verwendet werden, um die Leistungsleistung der kondensatorunterstützten, Festkörperbatterieanordnung deutlich zu erhöhen.
3 veranschaulicht eine kondensatorunterstützte, Festkörper-Batterieausführungsform 300, die eine asymmetrische Elektrode 312 verwendet, die aus einer Schicht aus Lithium-Ionen-Batterie-Anodenmaterial, die auf einer Seite eines Stromabnehmers befestigt ist, und einer Schicht aus Kondensatoranodenmaterial auf der anderen Seite des Stromabnehmers, verwendet wird. Diese asymmetrische Anodenelektrodenausführungsform ist in 3 dargestellt. Alternativ kann eine analoge asymmetrische Kathodenelektrode verwendet werden.
Kathodenelektrode 301 ist aus einer Schicht aus Batteriekathodenmaterial 304 gebildet, die an der Aluminiumstromabnehmerfolie 302 befestigt ist. Batteriekathodenmaterial 304 wird hauptsächlich aus einer Mischung aus Teilchen aus Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenaktivem Material mit einem geeigneten Anteil von Festelektrolytteilchen gebildet. Gegen das Kathodenschichtmaterial 304 ist eine Schicht aus Festelektrolytteilchen 310 angeordnet. Die asymmetrische Anodenelektrode 312 ist gegen die Festelektrolytschicht 310 positioniert. Die asymmetrische Anodenelektrode 312 ist aus einem Kupferfolienstromabnehmer 316 gebildet, der eine Schicht aus Batterieanodenmaterialteilchen 314 auf seiner linken Stirnseite und eine Schicht aus Kondensatoranodenmaterialien 315 auf seiner rechten Stirnseite trägt. Die Schicht aus Batterieanodenmaterialteilchen 314 umfasst eine Teilchenmischung aus geeigneten Lithium-Ionen-Batterie-Anoden-aktiven Teilchen, die mit einem geeigneten Abschnitt aus Festelektrolytmaterial gemischt sind. Die Schicht aus Kondensatoranodenmaterial 315 umfasst eine Mischung aus geeignetem Kondensatoranodenmaterial (z. B. Aktivkohlenstoffpartikel) und Festelektrolytteilchen. Der Rest der dreizelligen, kondensatorunterstützten Festkörper-Batterieanordnung ist die gleiche wie in 1 dargestellt.
Die Festelektrolytschicht 310' trennt die asymmetrische Kondensator/Batterieanode 312 aus der Batteriekathode 318. Die Batteriekathode 318 ist aus Kupfer-Stromabnehmerfolie 320 gebildet, die gegenüberliegende Schichten des Kathodenmaterials 322, 322' trägt. Jede Schicht aus Kathodenmaterial 322, 322' ist hauptsächlich aus einer Mischung aus Teilchen aus einem geeigneten aktiven Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial und Festelektrolytteilchen gebildet. Die Festelektrolytschicht 310'' trennt die Batteriekathode 318 von einer Batterieanode 324. Die Batterieanode 324 ist aus einer Kupfer-Stromabnehmerfolie 328 gebildet, die eine Schicht aus Anodenmaterial 326 trägt, die an die linke Seite (oder beide Seiten) der Stromabnehmerfolie 328 gebunden ist. Die Schicht aus Anodenmaterial 326 wird hauptsächlich aus einer Mischung aus Teilchen aus einem geeigneten Lithium-Ionen-Batterie-Anodenmaterial gebildet (z. B. Li₄Ti₅O₁₂) mit einem Anteil von Festelektrolytteilchen vermischt.
Die Anordnung der kondensatorunterstützten Festkörperbatterie 300 Ausführungsform von 3 ist mit den elektrischen Verbindungen 330, 332 zwischen den Kathoden 301, 318 abgeschlossen, die während des Entladens der kondensatorunterstützten Batterie 300 und mit den elektrischen Verbindungen 334, 336 zwischen der Kondensator-/Batterieanode 312 und der Batterieanode 324 positiv geladen sind, die während der Entladung der kondensatorunterstützten Batterie negativ geladen werden.
4 veranschaulicht eine kondensatorunterstützte Festkörperbatterie 400, die eine erste Festelektrolytzusammensetzung verwendet, die für den Kontakt mit sowohl einer Kondensatorelektrodenzusammensetzung als auch einer gegenüberliegenden Lithium-Ionen-Batterieanodenzusammensetzung oder einer Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenzusammensetzung zusammengesetzt ist. Eine andere Festelektrolytzusammensetzung wird zum Platzieren zwischen einer gegenüberliegenden Batterieanode und einer Batteriekathode verwendet.
In einem veranschaulichenden Beispiel umfasst die Kathode 401 eine Schicht aus Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial 404, das an der Aluminiumstromabnehmerfolie 402 befestigt ist. Das Lithium-Ionen-Kathodenmaterial 404 wird beispielsweise aus einer Mischung aus Teilchen aus LiNbO₃ gebildet-beschichtetes LiCoO₂ (schwarze Teilchen mit zufälligen weißen Punkten) mit einem speziellen Festelektrolyten, insbesondere Polyethylenoxid/LiClO₄ festes Polymer (weißer Hintergrund mit sich nach oben erstreckenden diagonalen Linien). Ein zweites Beispiel eines speziellen Elektrolyten für Kondensatorelektrodenmaterial ist ein Gelelektrolyt, der aus Poly(vinylidendifluorid-co-hexafluorpropylen)-Polymer nach dem Eintauchen in LiPF besteht Elektrolyt.
Dieses spezialisierte feste Polymerelektrolytmaterial arbeitet wirksam mit den Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenpartikeln (in Kathodenschicht 404 gebunden an den Stromabnehmer 402) und, beispielsweise, Aktivkohlenstoffanodenteilchen, die in der Kondensatoranodenschicht 414 verwendet werden, die an den Stromabnehmer 406 gebunden sind. Gegen das Kathodenschichtmaterial 404 ist das Polyethylenoxid/LiClO angeordnet₄ feste polymerspezielle Elektrolytschicht 410.
Gegen Festkörperelektrolytschicht 410 ist eine Kondensatoranode 412 angeordnet, die aus ähnlich geformten und zusammengesetzten Schichten 414, 414' aus Kondensatoranodenmaterialteilchen (wie Aktivkohlenstoffteilchen) gebildet ist, die gemischt/kontaktiert sind mit das Polyethylenoxid/LiClO₄ festes Polymer Elektrolytmaterial auf gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Stromabnehmerfolie 416. Eine zweite Festkörperelektrolytschicht 410', wie eine Festkörperelektrolytschicht 410, wird gegen die Kondensatoranodenmaterialschicht 414' montiert.
Die Lithium-Batterie-Kathode 418 ist koextensiv gegen die rechte -Seitenfläche der Polyethylenoxid/LiClO₄ Feststoff-Polymerelektrolyt Schicht 410'. Kathode 418 ist aus zwei Schichten einer Mischung aus aktiven Batterie-Kathodenmaterialteilchen (z. B. LiNbO₃-beschichtetes LiCoO₂) mit unterschiedlichen Zusammensetzungen von Festelektrolytpartikeln 422, 422', die an gegenüberliegenden Seiten der Stromabnehmerfolie 420 befestigt sind. Kathodenschicht 422 ist aus Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterialteilchen gemischt/kontaktiert mit das Polyethylenoxid/LiClO₄ Feststoff-Polymerelektrolyt. Kathodenschicht 422' ist aus Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterialteilchen gebildet, die mit Teilchen gemischt sind, beispielsweise, 75 Mol-% Li₂S-25 Mol-% P₂S₅.
Eine geeignete Festkörperelektrolytschicht 410" für Lithium-Batterieelektroden wird gegen die Oberfläche der Kathodenmaterialschicht 422' angeordnet. Die Anodenelektrode 424 ist gegen die rechte Seite der Festkörperelektrolytschicht 410" angeordnet. Anodenelektrode 424 ist aus einer Schicht einer Teilchenmischung 426 aus aktivem Lithium-Ionen-Anodenmaterial (z. B. gebildet Li₄Ti₅O₁₂) und Teilchen eines Festelektrolyten, der mit den Anodenmaterialteilchen kompatibel ist (z. B. 75 Mol-% Li₂S-25 molar % P₂S₅), die an der linken Seite der Kupferstromabnehmerfolie 428 befestigt sind.
Die Anordnung der kondensatorunterstützten Festkörperbatterie 400 Ausführungsform von 4 ist mit den elektrischen Verbindungen 430, 432 zwischen den Kathoden 401, 418 abgeschlossen, die während der Entladung der kondensatorunterstützten Batterie 400 und mit den elektrischen Verbindungen 434, 436 zwischen der Kondensatoranode 412 und der Batterieanode 424 positiv geladen sind, die während der Entladung der kondensatorunterstützten Batterie 400 negativ geladen werden.
5 veranschaulicht eine kondensatorunterstützte Festkörperbatterie 500, in der entweder jede Anode oder jede Kathode (oder beide Anode und Kathode) aus einer Mischung aus Kondensatormaterialteilchen, Lithium-Ionen-Batterie-Elektrodenmaterialteilchen und Festelektrolytteilchen gebildet ist. In der in 5 veranschaulichten Ausführungsform sind Kondensatoranodenmaterialteilchen mit Lithium-Ionen-Batterie-Anodenmaterialteilchen und Festelektrolyt-Materialteilchen gemischt. Die in 5 veranschaulichte Ausführungsform verwendet Festelektrolytteilchen.
Kathodenelektrode 501 ist aus einer Schicht aus Batteriekathodenmaterial 504 gebildet, die an der Aluminiumstromabnehmerfolie 502 befestigt ist. Batteriekathodenmaterial 504 wird im Wesentlichen aus einer Mischung aus Teilchen aus Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenaktivem Material (dunklen Teilchen mit weißen Stellen) mit einem geeigneten Anteil von Festelektrolytteilchen (weißen Teilchen mit schwarzen Flecken) gebildet. Gegen das Kathodenschichtmaterial 504 ist eine Schicht aus Festelektrolytteilchen 510 (weißen Teilchen mit schwarzen Flecken) angeordnet.
Die gemischte Anoden-/Kondensatorelektrode 512 ist gegen die Festelektrolytschicht 510 positioniert. Die Anodenelektrode 512 ist aus einem Kupferfolienstromabnehmer 516 gebildet, der eine Schicht aus gemischten Batterieanoden- und Kondensatoranodenmaterialteilchen trägt, wobei die Festelektrolytteilchen 514 auf ihrer linken Stirnseite und eine ähnliche Schicht aus Batterieanoden-/Kondensatoranodenmaterial/Festelektrolytteilchen 514' auf ihrer rechten Stirnseite angeordnet sind. Jede Schicht aus Anodenmaterialteilchen 514, 514' umfasst eine Teilchenmischung aus geeignetem Lithium-Ionen-Batterie-Anodenmaterial (weißen Teilchen mit Reihen und Spalten schwarzer Punkte), geeignetem Kondensatormaterial (schwarzen gepunkteten Teilchen) und einen geeigneten Abschnitt aus Festelektrolytmaterial (weißen Teilchen mit schwarzen Punkten). Die Anteile der Batterie- und Kondensatoranodenteilchen werden durch die erforderlichen Eigenschaften der Elektrode bestimmt.
Die Festelektrolytschicht 510' trennt die gemischte Batterie/Kondensatoranode 512 aus der Lithium-Ionen-Batterie Kathode 518. Die Batteriekathode 518 ist aus Kupfer-Stromabnehmerfolie 520 gebildet, die gegenüberliegende Schichten des Kathodenmaterials 522, 522' trägt. Jede Schicht aus Kathodenmaterial 522, 522' wird im Wesentlichen aus einer Mischung aus Teilchen aus einem geeigneten aktiven Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial (schwarzen Teilchen mit weißen Punkten) und Festelektrolytteilchen (weißen Teilchen mit schwarzen Punkten) gebildet. Die Festelektrolytschicht 510'' trennt die Batteriekathode 518 von einer Batterie/Kondensatoranode 524. Die gemischte Batterie-/Kondensatoranode 524 ist aus einer Kupfer-Stromabnehmerfolie 528 gebildet, die eine Schicht aus Batterie-/Kondensatorgemischtem Material 526 trägt, die mit der linken Seite (oder beiden Seiten) der Stromabnehmerfolie 528 verbunden ist. Die Schicht aus Anodenmaterial 526 wird aus einer Mischung aus Teilchen aus einem geeigneten Lithium-Ionen-Batterie-Anodenmaterial (z. B. Li₄Ti₅O₁₂, weißen Teilchen mit gemischten schwarzen Punkten) gemischten Kondensatorteilchen (z. B. Aktivkohleteilchen, (Graupartikel) und ferner mit einem geeigneten Anteil von Festelektrolytteilchen (weißen Teilchen mit schwarzen Punkten) gebildet.
Die Anordnung der kondensatorunterstützten Festkörperbatterie 500 Ausführungsform von 5 ist mit den elektrischen Verbindungen 530, 532 zwischen den Kathoden 501, 518 abgeschlossen, die während des Entladens der kondensatorunterstützten Batterie 500 und mit den elektrischen Verbindungen 534, 536 zwischen der Kondensatoranode 512 und der Batterieanode 524 positiv geladen sind, die während der Entladung der kondensatorunterstützten Batterie negativ geladen werden.
Es folgen Beispiele von Zusammensetzungen, die geeignet für die Verwendung, in Teilchen- oder Pulverform angepasst werden können, als Festelektrolytmaterialien in Ausführungsformen von kondensatorunterstützten Festkörperbatterien, wie in dieser Spezifikation offenbart.

(a) Sulfid-basierte SE. z. B. Li₂S-P₂S₅, Li₂S-P₂S₅-MS_x, LGPS (Li₁₀GeP₂S₁₂), Thio-LISICON (Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄), Li_3,4Si_0,4P_0,6S₄, Li₁₀GeP₂S_11,7O_0,3, Lithiumargyrodite Li₆PS₅X (X = Cl, Br oder I), Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3(25 Ms/cm), Li_9,6P₃S₁₂, Li₇P₃S₁₁, Li₉P₃S₉O₃,Li_10,35Ge_1,35P_1,65S₁₂, Li_10,35Si_1,35P_1,65S₁₂, Li_9,81Sn_0,81P_2.19S₁₂, Li₁₀(Si_0,5Ge_0,5)P₂S₁₂, Li₁₀(Ge_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂, und Li₁₀(Si_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂ dargestellt.
(c) Oxidbasierter SE. z. B. Perowskit-Typ (Li_3xLa_{2 / 3 - x}TiO₃), NASICON-Typ (LiTi₂(PO₄)₃), Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃ (LATP), Li_{1 + x}Al_xGe_{2 - x} (PO₄)₃ (LAGP), Li_1+xY_xZr_2-x(PO₄)₃ (LYZP), LISICON-Typ (Li₁₄Zn (GeO₄)₄), und Li_6,5La₃Zr_1,75Te_0,25O₁₂ und Li₇La₃Zr₂O₁₂). Polymer-basierte SE: Das Polymer, das zusammen mit einem Lithiumsalz als festes Lösungsmittel dient. Polymer: Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO), Polyethylenglykol (PEG), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Poly(Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen) (PVDF-HFP) und Poly (Vinylchlorid) PVC.
(d) Nitrid-basierte SE. z. B. Li₃N, Li₇PN₄, und LiSi₂N₃.
(e) Hydridbasiertes SE. z. B. LiBH₄, LiBH₄-Lix (X = Cl, Br oder I), LiNH₂, Li₂NH, LiBH₄ LiNH₂ und Li₃H₆.
(e) Halogenid-basierte SE. z. B. LiI, Li₂CdCl₄, Li₂MgCl₄, Li₂Cdi₄, Li₂ZNi₄, und Li₃OCL.
(f) Borat-basierte SE. z. B. Li₂B₄O₇, und Li₂O-B₂O₃-P₂O₅.
(g) Dünnfilm SE. z. B. LipON (Li_2,88PO_3,73N_0,14).
(h) Hybrid SE, z. B. anorganischer Festelektrolyt Li_1,5Al_0,5Ge_1,5(PO₄)₃ + Polymerelektrolyt (PEO + LiClO₄).

Andere spezialisierte Festkörperelektrolyte für Kondensator umfassen: Polyvinylalkohol (PVA)-H₂SO₄; PVA-H₃PO₄; LiCl/PVA; PVA-KOH; PVDF HFP/[EMIM][Tf₂N]/Zeolith.
Diese Erfindung wurde mit einigen Beispielen dargestellt, die nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung gedacht sind.

Claims

Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) aufweisend eine Kondensatorelektrode, die eine Batterieanode oder Batteriekathode ersetzt; die kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100), ferner gekennzeichnet durch und aufweisend: vier gleichförmige Stromabnehmerfolien (102, 116, 120, 128), die in paralleler Ausrichtung angeordnet sind, die aus zwei äußeren angeordneten Stromabnehmerfolien (102, 128) und zwei innenliegenden Stromabnehmerfolien (116, 120) aufgebaut sind, wobei jede Stromabnehmerfolie (102, 116, 120, 128) zwei gegenüberliegende Oberflächen zum Tragen einer aufgebrachten Schicht aus teilchenförmigen Elektrodenmaterialien aufweist, wobei die zwei innenliegenden Stromabnehmerfolien (116, 120) eine Schicht aus Teilchen eines Elektrodenmaterials aufweisen, die mit jeder gegenüberliegenden Oberfläche verbunden sind, wobei die äußeren angeordneten Stromabnehmerfolien (102, 128) eine Schicht aus Teilchen eines Elektrodenmaterials aufweisen, die zumindest an ihre nach innen weisenden Oberflächen gebunden sind, so dass jede Schicht von Teilchen eines Elektrodenmaterials einer Schicht von Elektrodenmaterial in einer gepaarten Anordnung in der kondensatorunterstützten, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) in ihrem zusammengebauten Zustand gegenüberliegt; wobei jedes Paar gegenüberliegender Schichten von Elektrodenmaterialien auf benachbarten, parallel ausgerichteten Stromabnehmerfolien (102, 116, 120, 128) gegen einen koextensiven Oberflächenbereich einer von drei Schichten von Elektrolytteilchen angeordnet ist, sodass die Stromabnehmerfolien (102, 120) eines ersten Elektrodenpaars elektrisch verbunden sind, um während einer Entladung der kondensatorunterstützten, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) als positiv geladene Kathoden zu dienen, und die Stromabnehmerfolien (116, 126) eines zweiten Paares von Elektroden elektrisch verbunden sind, um während der Entladung der kondensatorunterstützten, Lithiumionenbatterie (100) als negativ geladene Anoden zu dienen; wobei die kondensatorunterstützte Lithium-Ionen-Batterie (100) ferner mindestens eine Elektrodenschicht aus Kondensatoranodenmaterialteilchen (114, 114') oder eine Elektrodenschicht aus Kondensatorkathodenmaterialien oder eine Schicht aus jedem aufweist; und wobei die kondensatorunterstützte Lithium-Ionen-Batterie (100) ferner ein Festelektrolytmaterial aufweist, das dem Kondensatorelektrodenmaterial gegenübersteht und mit dem Kondensatorelektrodenmaterial in Eingriff steht und eine Zusammensetzung aufweist, die für das Kondensatorelektrodenmaterial geeignet ist und sich von einem Festelektrolytmaterial (110'') unterscheidet, das mit zwei Schichten von Batterieelektrodenmaterialien in Eingriff steht.
Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Schicht aus Kondensatoranodenmaterialteilchen mit Lithium-Ionen-Batterieanodenmaterialteilchen gemischt ist oder mindestens eine Schicht aus Kondensatorkathodenmaterialteilchen mit Lithium-Ionen-Batteriekathodenmaterialteilchen gemischt ist.
Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) nach Anspruch 1, welche mindestens eine Stromabnehmerfolie (116) beinhaltet, die aufgebrachte Schichten aus Kondensatoranodenmaterialteilchen (114, 114') trägt, die mit Festelektrolytmaterialien gemischt sind, wobei jede Kondensatoranodenschicht(114, 114') einer Elektrodenschicht aus Lithium-Ionen-Batteriekathodenmaterial (104, 122) zugewandt ist, das mit Teilchen eines Festelektrolyten gemischt ist oder welche mindestens eine Stromabnehmerfolie beinhaltet, die aufgebrachte Schichten aus Kondensatorkathodenmaterialteilchen trägt, die mit Festelektrolytmaterialien gemischt sind, wobei jede Kondensatorkathodenschicht einer Elektrodenschicht aus Lithium-Ionen-Batterieanodenmaterial zugewandt ist, das mit Teilchen eines Festelektrolyten gemischt ist.
Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) nach Anspruch 1, die eine Kondensatoranode (112) beinhaltet, die eine Schicht aus Kondensatoranodenmaterialteilchen (114, 114') aufweist, die mit Festelektrolytmaterialien gemischt sind, die an gegenüberliegenden Seiten einer Stromabnehmerfolie (116) gebunden sind, wobei eine Schicht des Kondensatoranodenmaterials (114) einer gegenüberliegenden Schicht aus Lithium-Ionen-Batteriekathodenmaterial (104) gegenübersteht und die andere Schicht des Kondensatoranodenmaterials (114') einer Schicht aus Kondensatorkathodenmaterial (122) gegenübersteht oder die eine Kondensatorkathode (118) beinhaltet, die eine Schicht aus Kondensatorkathodenmaterialteilchen (122, 122') aufweist, die mit Festelektrolytmaterialien gemischt sind, die an gegenüberliegende Seiten einer Stromabnehmerfolie (120) gebunden sind, wobei eine Schicht des Kondensatorkathodenmaterials (122') einer gegenüberliegenden Schicht aus Lithium-Ionen-Batterieanodenmaterial (126) zugewandt ist und die andere Schicht des Kondensatorkathodenmaterials (122) einer Schicht aus Kondensatoranodenmaterial (114') zugewandt ist.
Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (300) nach Anspruch 1, die eine asymmetrische Anodenelektrode (312) aufweist, die aus einer Schicht aus Teilchen aus Lithium-Ionen-Batterieanodenmaterialien (314) gebildet ist, die mit Teilchen eines Elektrolyten gemischt sind, die an eine Seite einer Stromabnehmerfolie (316) gebunden sind, und einer Schicht aus Teilchen aus Kondensatoranodenmaterial (315), die an die andere Seite der Stromabnehmerfolie gebunden sind, wobei jede Schicht der asymmetrischen Anode (314, 315) einer gegenüberliegenden Elektrodenschicht (304, 322) gegenübersteht, die Lithium-Ionen-Batteriekathodenmaterial aufweist oder welche eine asymmetrische Kathodenelektrode aufweist, die aus Teilchen aus Lithium-Ionen-Batteriekathodenmaterialien gebildet ist, die mit Teilchen eines Elektrolyten gemischt sind, die an eine Seite einer Stromabnehmerfolie gebunden sind und Teilchen aus Kondensatorkathodenmaterial, das an die andere Seite der Stromabnehmerfolie gebunden ist, wobei jede Schicht der asymmetrischen Kathode einer gegenüberliegenden Elektrodenschicht gegenübersteht, die Lithium-Ionen-Batterieanodenmaterial aufweist.
Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (500) nach Anspruch 1, in welcher mindestens eine Schicht aus Elektrodenmaterial (514, 514'), die an eine Stromabnehmerfolie (516) gebunden ist, ein Gemisch ist, das Teilchen aus Kondensatoranodenmaterial, Lithium-Ionen-Batterieanodenmaterial und Teilchen eines Festelektrolyten aufweist oder in der mindestens eine Schicht aus Elektrodenmaterial, die an eine Stromabnehmerfolie gebunden ist, ein Gemisch ist, das Teilchen aus Kondensatorkathodenmaterial, Lithium-Ionen-Batteriekathodenmaterial und Teilchen eines Festelektrolyten aufweist.
Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (400) nach Anspruch 1, in welcher (i) eine Kondensatoranode (412), die aus gegenüberliegenden Schichten von Kondensatoranodenteilchen (414, 414') gebildet ist, die mit Teilchen aus einer ersten Festelektrolyt-Batteriezusammensetzung gemischt sind, Elektrodenschichten gegenübersteht, die aus Teilchen aus Lithium-Ionen-Batteriekathodenmaterial (404, 422) gebildet sind, die mit Teilchen des ersten Elektrolyten gemischt sind, und (ii) eine Kathodenschicht (422') aus Lithium-Ionen-Batteriekathodenteilchen, die mit Teilchen aus einer zweiten Festelektrolytzusammensetzung gemischt sind, die einer Anodenschicht (426) aus Lithium-Ionen-Batterieanodenteilchen gegenübersteht, die mit Teilchen der zweiten Festelektrolytzusammensetzung gemischt sind.
Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) nach Anspruch 1, wobei (i) eine Kondensatorkathode aus gegenüberliegenden Schichten aus Kondensatorkathodenteilchen gebildet ist, die mit Teilchen aus einer ersten Festelektrolyt-Batteriezusammensetzung gemischt sind, Elektrodenschichten gegenübersteht, die aus Teilchen aus einem Lithium-Ionen-Batterieanodenmaterial gebildet sind, die mit Teilchen des ersten Elektrolyten gemischt sind und (ii) eine Anodenschicht aus Lithium-Ionen-Batterieanodenteilchen, die mit Teilchen aus der zweiten Festelektrolytzusammensetzung gemischt sind, die einer Kathodenschicht aus Lithium-Ionen-Batteriekathodenteilchen gegenübersteht, die mit Teilchen der zweiten Festelektrolytzusammensetzung gemischt sind.
Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) nach Anspruch 8, bei der die Teilchen des ersten Elektrolyten Polyethylenoxid/LiClO₄ Feststoff-Polymerelektrolytmaterial sind und die Teilchen der zweiten Festelektrolytzusammensetzung etwa 75 Molprozent Li₂S und 25 Molprozent P₂S₅ sind.
Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (100) nach Anspruch 1, bei der die Teilchen aus Elektrolytmaterial aus einem Gemisch aus etwa 75 Molprozent Li₂S und 25 Molprozent P₂S₅ bestehen.
Kondensatorunterstützte, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (500), aufweisend: eine erste Elektrode, aufweisend zwei Schichten aus Elektrodenmaterialteilchen, die an gegenüberliegende Seiten einer Stromabnehmerfolie gebunden sind, eine Schicht aus Elektrodenmaterialteilchen aufweisend Kondensatorelektrodenmaterialteilchen und die andere Schicht aus Elektrodenmaterialteilchen aufweisend einen oder beide aus Kondensatormaterialteilchen und Lithium-Ionen-Batterieelektrodenmaterialteilchen, wobei jede Schicht aus Elektrodenmaterialteilchen mit Teilchen eines Festelektrolyten gemischt ist; und die Schicht aus Kondensatormaterialteilchen, die einer ähnlich geformten Elektrodenmaterialschicht gegenübersteht, die Teilchen aus Kondensatorelektrodenmaterial oder aus Batterieelektrodenmaterial der gegenüberliegenden elektrischen Ladung aufweisen, wobei die gegenüberstehenden Schichten von Elektrodenmaterialien durch eine Schicht aus Festelektrolyten getrennt sind; wobei ein Festelektrolytmaterial, das einem Kondensatorelektrodenmaterial gegenüberliegt und mit diesem in Eingriff steht, eine Zusammensetzung aufweist, die für das Kondensatorelektrodenmaterial geeignet ist und sich von dem Festelektrolytmaterial unterscheidet, das mit zwei Schichten der Batterieelektrodenmaterialien in Eingriff steht.