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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE60008371 T2
Publication typeGrant
Application numberDE2000608371
PCT numberPCT/US2000/007261
Publication date9 Dec 2004
Filing date15 Mar 2000
Priority date1 Apr 1999
Also published asCA2368436A1, CN1172402C, CN1346523A, DE60008371D1, EP1181733A1, EP1181733B1, US6428933, WO2000060691A1
Publication number00608371, 2000608371, DE 60008371 T2, DE 60008371T2, DE-T2-60008371, DE00608371, DE2000608371, DE60008371 T2, DE60008371T2, PCT/2000/7261, PCT/US/0/007261, PCT/US/0/07261, PCT/US/2000/007261, PCT/US/2000/07261, PCT/US0/007261, PCT/US0/07261, PCT/US0007261, PCT/US007261, PCT/US2000/007261, PCT/US2000/07261, PCT/US2000007261, PCT/US200007261
InventorsLeif Christensen, L. Robert TURNER
Applicant3M Innovative Properties Co., St. Paul
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Lithium-Ionen Batterie mit verbesserter Selbsterhitzungs-Beständigkeit Lithium-ion battery with improved self-heating resistance translated from German
DE 60008371 T2
Abstract  available in
Claims(11)  translated from German
  1. Lithium-Ionen-Batterie mit (a) einer Kathode; Lithium-ion battery comprising: (a) a cathode; (b) einer Anode in der Form einer dünnen Schicht, die frei von Bindemitteln ist und die, wenn sie lithiumisiert ist, keine anhaltende Selbsterhitzung bei Temperaturen bis zu etwa 100°C aufweist; (B) an anode in the form of a thin layer that is free of binders and, if it is lithiumisiert, no sustained self-heating at temperatures having up to about 100 ° C; und (c) einem Elektrolyt, der die Anode und die Kathode trennt, wobei die Batterie eine Kapazität von mindestens 600 Milliamperestunden, eine spezifische Energie von mindestens 100 Wattstunden/kg und eine volumetrische Energie von mindestens 250 Wattstunden/Liter aufweist. and (c) an electrolyte separating the anode and the cathode, wherein the battery has a capacity of at least 600 milliamp hours, a specific energy of at least 100 watt-hours / kg, and a volumetric energy of at least 250 watt-hours / liter.
  2. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Anode keine anhaltende Selbsterhitzung bei Temperaturen bis zu etwa 170°C aufweist. Lithium-ion battery according to claim 1, wherein the anode has no continuation of self-heating at temperatures up to about 170 ° C.
  3. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Anode eine spezifische Kapazität von mindestens 100 Milliamperestunden/g und eine volumetrische Kapazität von mindestens 600 Milliamperestunden/cm 3 aufweist. Lithium-ion battery according to claim 1, wherein the anode has a specific capacity of at least 100 mAh / g and a volumetric capacity of at least 600 mAh / cm 3.
  4. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Anode ein elektrochemisch aktives Elementarmetall umfasst. Lithium-ion battery according to claim 1, wherein the anode comprises an electrochemically active elemental metal.
  5. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 4, wobei das elektrochemisch aktive Elementarmetall aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Aluminium, Silizium, Zinn, Antimon, Blei, Germanium, Magnesium, Zink, Kadmium, Wismut und Indium besteht. Lithium-ion battery according to claim 4, wherein said electrochemically active elemental metal is selected from a group consisting of aluminum, silicon, tin, antimony, lead, germanium, magnesium, zinc, cadmium, bismuth and indium.
  6. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Anode ferner ein elektrochemisch inaktives Elementarmetall umfasst. Lithium-ion battery according to claim 1, wherein the anode further comprises an electrochemically inactive elemental metal.
  7. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Anode im Wesentlichen aus mehreren elektrochemisch aktiven Elementarmetallen besteht, wobei die Anode eine Mikrostruktur aufweist, die die Elementarmetalle in der Form eines Gemisches umfasst, das im Wesentlichen frei ist von Domänen, die größer als etwa 1000 Angström sind. Lithium-ion battery according to claim 1, wherein said anode consists essentially of a plurality of electrochemically active elemental metals, said anode having a microstructure comprising said elementary metals in the form of a mixture, which is substantially free of domains that are larger than about 1000 angstroms are.
  8. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Anode (a) ein elektrochemisch aktives Elementarmetall und (b) ein elektrochemisch inaktives Elementarmetall umfasst, wobei die Anode kristalline Bereiche umfasst, nachdem die Batterie einen vollständigen Lade-Entlade-Zyklus durchlaufen hat. Lithium-ion battery according to claim 1, wherein the anode (a) an electrochemically active elemental metal and (b) comprises an electrochemically inactive elemental metal, said anode comprising crystalline regions after said battery has undergone a complete charge-discharge cycle.
  9. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 8, wobei die kristallinen Bereiche mindestens eine Abmessung aufweisen, die nicht größer ist als etwa 500 Angström, nachdem die Batterie einen vollständigen Lade-Entlade-Zyklus durchlaufen hat und die nach insgesamt mindestens 10 Zyklen nicht wesentlich ansteigt. Lithium-ion battery according to claim 8, wherein said crystalline regions have at least one dimension that is no greater than about 500 angstroms after the battery has undergone a complete charge-discharge cycle, and that does not substantially increase after a total of at least 10 cycles.
  10. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 8, wobei die kristallinen Bereiche durch Bereiche getrennt sind, die das elektrochemisch aktive Elementarmetall und das elektrochemisch inaktive Elementarmetall umfassen, in denen sich die relativen Anteile der elektrochemisch aktiven Elementarmetalle und der elektrochemisch inaktiven Elementarmetalle durch die Dickerichtung der Zusammensetzung hindurch ändern. Lithium-ion battery according to claim 8, wherein said crystalline regions are separated by regions, the said electrochemically active elemental metal and said electrochemically inactive include elemental metal in which the relative proportions of the electrochemically active elemental metal and the electrochemically inactive elemental metals through the thickness direction of the composition change through.
  11. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Kapazität der Batterie nach einem vollständigen Lade-Entlade-Zyklus bei 80°C nicht mehr als 2% pro Zyklus schwindet. Lithium-ion battery according to claim 1, wherein the battery capacity after a complete charge-discharge cycle at 80 ° C is not more than 2% per cycle vanishes.
Description  translated from German
  • Hintergrund der Erfindung Background of the Invention
  • [0001] [0001]
    Die Erfindung betrifft Lithium-Ionen-Batterien. The invention relates to lithium-ion batteries.
  • [0002] [0002]
    Wiederaufladbare Batterien, die auf Lithium-Ionen-Zellen basieren, sind wegen ihrer, ihnen eigenen hohen Kapazitäten, hohen Energien und weil sie über einen brauchbaren Temperaturbereich bedienbar sind, attraktiv. Rechargeable batteries based on lithium-ion cells, because of their, them's high capacity, high energy, and because they can be operated over a useful temperature range, attractive. Solche Batterien weisen eine Kathode, eine Anode und einen flüssigen oder festen organischen Elektrolyt auf. Such batteries have a cathode, an anode and a liquid or solid organic electrolyte. Ein Problem mit solchen Batterien jedoch ist eine Neigung der Batterie, sich bei erhöhten Temperaturen selbst zu erhitzen. One problem with such batteries, however, a tendency for the battery to heat up even at elevated temperatures. Die Selbsterhitzung ergibt sich, wenn exotherme Reaktionen in den Batteriebestandteilen ausgelöst werden. The self-heating occurs when exothermic reactions are triggered in the battery components. Anhaltende Selbsterhitzung tritt auf, wenn die Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung in der Batterie die Geschwindigkeit der Wärmeableitung der Batterieoberfläche an den Umgebungsbereich überschreitet. Sustained self-heating occurs when the rate of heat generation within the battery exceeds the rate of heat dissipation of the battery surface to the surrounding area. Anhaltende Selbsterhitzung kann zu einer thermischen Instabilität führen, was Entgasen, Aufflammen, und in einigen Fällen eine Explosion zur Folge hat. Sustained self-heating can lead to thermal instability, which degassing, flare, and in some cases has a explosion.
  • [0003] [0003]
    Die Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung steigt so wie die Kapazität und die Energie der Batterie ansteigen. The rate of heat generation increases as the capacity and energy of the battery increase. Demzufolge gewinnt das Problem der anhaltenden Selbsterhitzung zunehmend an Bedeutung, da die Batterieindustrie versucht, Kapazität und Energie von Lithium-Ionen-Batterien zu maximieren. Accordingly wins the problem of continuing self-heating is becoming increasingly important, as the battery industry is trying to maximize capacity and energy of lithium-ion batteries.
  • [0004] [0004]
    Das Problem mit der anhaltenden Selbsterhitzung beschränkt außerdem die endgültige Größe der Batterie. The problem with the ongoing self-heating also limits the ultimate size of the battery. Das liegt daran, dass der Oberflächenbereich im Quadrat der Batterieabmessungen wächst, wogegen das Volumen im Kubik der Batterieabmessungen wächst. This is because the surface area increases as the square of battery dimensions, whereas the volume increases as the cube of the battery dimensions. Demzufolge übersteigt bei einer bestimmten Größe die Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung in der Batterie die Geschwindigkeit der Ableitung von der Batterieoberfläche, was zu einer anhaltenden Selbsterhitzung bei erhöhten Temperaturen führt. Accordingly exceeds a certain size, the rate of heat generation in the battery, the speed of the dissipation from the battery surface, leading to sustained self-heating at elevated temperatures.
  • Zusammenfassung der Erfindung Summary of the Invention
  • [0005] [0005]
    Im Allgemeinen kennzeichnet die Erfindung eine Lithium-Ionen-Batterie, die aufweist: (a) eine Kathode; In general, the invention features a lithium-ion battery comprising: (a) a cathode; (b) eine Anode in der Form einer dünnen Schicht, die frei von Bindemitteln ist und (c) einen Elektrolyt, der die Anode und die Kathode trennt. (B) an anode in the form of a thin layer that is free of binders and (c) an electrolyte separating the anode and the cathode. Es können sowohl feste als auch flüssige Elektrolyten verwendet werden. Both solid and liquid electrolytes can be used. Die Batterie weist eine Kapazität von mindestens 600 Milliamperestunden, eine spezifische Energie von mindestens 100 Wattstunden/kg und eine volumetrische Energie von mindestens 250 Wattstunden/Liter auf. The battery has a capacity of 600 mAh, a specific energy of at least 100 Wh / kg and a volumetric energy of at least 250 Wh / liter. Wenn die Anode lithiumisiert ist, weist sie keine anhaltende Selbsterhitzung bei Temperaturen von bis zu etwa 100°C, vorzugsweise bei Temperaturen von bis zu etwa 150°C und besonders bevorzugt bei Temperaturen von bis zu 170°C auf, wie mittels einer unten beschriebenen, beschleunigten Wärmegradmessung (Acclerated Rate Calorimetry) ermittelt wurde. When the anode is lithiumisiert, it has no continuation of self-heating at temperatures up to about 100 ° C, preferably at temperatures of up to about 150 ° C and particularly preferably at temperatures of up to 170 ° C as measured by a described below, accelerated degree of heat measurement (Acclerated rate calorimetry) was determined. Noch bevorzugter sind Anoden, die keine anhaltende Selbsterhitzung bei Temperaturen von bis zu 200°C aufweisen. More preferably, anodes, which have no lasting self-heating at temperatures up to 200 ° C. Vorzugsweise weist die Anode ein elektrochemisch aktives Elementarmetall auf. Preferably, the anode comprises an electrochemically active elemental metal.
  • [0006] [0006]
    Eine "Dünnschichtanode" bezieht sich auf eine Anode in der Form einer fortlaufenden Schicht, die frei von Bindemitteln, wie polymeren Bindemitteln ist. A "thin film anode" refers to an anode in the form of a continuous layer that is free of binders such as polymeric binders is. Demzufolge sind solche Anoden von Verbundanoden unterscheidbar, die durch Beimengen eines elektrochemischen aktiven Pulvers mit einem leitfähigen Ver dünnungsmittel wie Grafit oder Kohlenstoffruß und einem Bindemittel aufbereitet werden. Consequently, such anodes of composite anodes can be distinguished, which are prepared by incorporating an electrochemical active powder with a conductive diluent such as graphite or carbon Ver and a binder.
  • [0007] [0007]
    Ein "elektrochemisch aktives Elementarmetall" ist ein Elementarmetall, das mit Lithium unter Bedingungen reagiert, auf die man während des Ladens oder Entladens in einer Lithium-Batterie trifft. An "electrochemically active elemental metal" is an elemental metal that reacts with lithium under conditions encountered during the charging or discharging in a lithium battery. Ein "elektrochemisch inaktives Elementarmetall" ist ein Elementarmetall, das mit Lithium unter diesen Bedingungen nicht reagiert. A "electrochemically inactive elemental metal" is an elementary metal that does not react with lithium under these conditions.
  • [0008] [0008]
    "Elementarmetall" schließt sowohl Metalle als auch Metalloide wie Silizium und Germanium ein. "Elemental metal" includes both metals and metalloids such as silicon and germanium.
  • [0009] [0009]
    Ein "flüssiger Elektrolyt" schließt sowohl Flüssigkeiten als auch flüssig-angedickte Gele ein. A "liquid electrolyte" includes both liquids and liquid thickened gels.
  • [0010] [0010]
    Beispiele von bevorzugten elektrochemisch aktiven Elementarmetallen beinhalten Aluminium, Silizium, Zinn, Antimon, Blei, Germanium, Magnesium, Zink, Kadmium, Wismut und Indium. Examples of preferred electrochemically active elemental metals include aluminum, silicon, tin, antimony, lead, germanium, magnesium, zinc, cadmium, bismuth and indium. Die Anode kann ferner einen oder mehrere elektrochemisch inaktive Elementarmetalle enthalten. The anode may further include one or more electrochemically inactive elemental metals. Beispiele beinhalten Molybdän, Niob, Wolfram, Tantal, Eisen und Kupfer. Examples include molybdenum, niobium, tungsten, tantalum, iron and copper. Eine Anode weist eine Verbindung aus Zinn und Molybdän auf. An anode comprises a compound of tin and molybdenum. Andere Anoden enthalten Silizium, allein oder als Verbindung mit Aluminium oder Zinn. Other anodes contain silicon, alone or as a compound with aluminum or tin.
  • [0011] [0011]
    Eine Anode weist eine spezifische Kapazität von mindestens 100 Milliamperestunden/g (vorzugsweise mindestens 300 Milliamperestunden/g) und eine volumetrische Kapazität von mindestens 600 Milliamperestunden/cm 3 auf. An anode comprises (at least 300 mAh / g, preferably), and a volumetric capacity of at least 600 mAh / cm 3 on a specific capacity of at least 100 mAh / g. Es können mehrere verschiedene Anodenzusammensetzungen verwendet werden. Several different anode compositions may be used.
  • [0012] [0012]
    Entsprechend einem Ausführungsbeispiel besteht die Anode im Wesentlichen aus einer Vielzahl von elektrochemisch aktiven Elementarmetallen und weist eine Mikrostruktur auf, die diese Elementarmetalle in der Form eines Gemisches enthält, das im Wesentlichen frei von Domänen ist, die größer sind als etwa 1000 Angström. According to one embodiment, the anode consists essentially of a plurality of electrochemically active elemental metals, and has a microstructure that includes these elemental metals in the form of a mixture that is free of domains substantially greater than about 1000 Angstroms. Eine "Domäne" ist ein Bereich, der im Wesentlichen aus einem einzelnen elektrochemisch aktiven Elementarmetall besteht. A "domain" is a region that consists of a single electrochemically active elemental metal substantially. Die Domäne kann kristallin (dh, sie verursacht eine Beugungsbildcharakteristik von erkennbaren Elektronen oder Röntgenstrahlen eines kristallinen Materials) oder nicht kristallin sein. The domain may be crystalline (ie, it causes a diffraction pattern characteristic of recognizable electrons or X-rays of a crystalline material) or non-crystalline. Die Größe der Domäne bezieht sich auf die längste Abmessung der Domäne. The size of the domain refers to the longest dimension of the domain. Beispiele solcher Anoden werden in der Druckschrift von Turner, US Seriennummer 09/ 113 385, mit dem Titel "Electrode Material and Compositions Including Same", eingereicht am 10. Juli 1998 und an denselben Bevollmächtigten, wie die vorliegende Erfindung, übertragen, beschrieben. Examples of such anodes in the publication of Turner, US Serial No. 09 / 113,385, entitled "Electrode Material and Compositions Including Same", filed July 10, 1998 and at the same Agent, as the present invention, transmitted, described.
  • [0013] [0013]
    Eine zweite Nutzanodenzusammensetzung ist eine, in der die Anode (a) ein elektrochemisch aktives Elementarmetall und (b) ein elektrochemisch inaktives Elementarmetall enthält. A second Nutzanodenzusammensetzung is one in which the anode (a) an electrochemically active elemental metal and (b) an electrochemically inactive elemental metal. Die Mikrostruktur der Anode ist durch das Vorhandensein von kristallinen Bereichen gekennzeichnet, nachdem die Batterie, die die Anode aufnimmt, einen vollständigen Lade – Entladezyklus durchlaufen hat. The microstructure of the anode is characterized by the presence of crystalline regions after said battery, which receives the anode, a full charge - discharge cycle has passed.
  • [0014] [0014]
    Diese kristallinen Bereiche, die durch eine erkennbare Röntgenstrahl-Beugungsbildcharakteristik eines kristallinen Materials gekennzeichnet werden, weisen vorzugsweise mindestens eine Abmessung auf, die nicht größer ist als etwa 500 Angström, nachdem die Batterie einen vollständigen Lade – Entladezyklus durchlaufen hat und die nach insgesamt 10 Zyklen nicht wesentlich ansteigt. These crystalline regions which are characterized by a recognizable X-ray diffraction pattern characteristic of a crystalline material, preferably have at least one dimension that is no greater than about 500 angstroms after the battery has a full charge - has discharging through and after a total of 10 cycles do not increases substantially. Darüber hinaus werden diese kristallinen Bereiche vorzugsweise durch Bereiche getrennt, die das elektrochemisch aktive Elementarmetall und das elektrochemisch inaktive Elementarmetall enthalten, in denen die relativen Proportionen des elektrochemisch aktiven Elementarmetalls und des elektrochemisch inaktiven Elementarmetalls sich durch die Dickerichtung der Zusammensetzung hindurch ändern (dh, die Richtung, senkrecht zum Substrat, auf dem die dünne Schicht abgelagert wird). Moreover, these crystalline regions are preferably separated by regions, the said electrochemically inactive include the electrochemically active elemental metal and elemental metal in which the relative proportions of the electrochemically active elemental metal and the electrochemically inactive elemental metal vary throughout the thickness direction of the composition (ie, the direction , perpendicular to the substrate on which the thin layer is deposited). Diese letzten Bereiche weisen keine Elektronen-Beugungsbildcharakteristik eines kristallinen Materials auf. These areas have no recent electron diffraction pattern characteristic of a crystalline material. Sie können vor dem Durchlaufen, nach dem Durchlaufen oder sowohl vor und nach dem Durchlaufen vorhanden sein. They may be present before passing through, or after passing through both before and after passing through. Beispiele solcher Anoden werden in der Druckschrift von Turner et al, US Seriennummer 09/048 407, mit dem Titel "Electrode Compositions", eingereicht 26. März 1998 und an denselben Bevollmächtigten, wie die vorliegende Erfindung, übertragen, beschrieben. Examples of such anodes in the publication of Turner et al, US Serial No. 09/048 407, entitled "Electrode Compositions", filed March 26, 1998 and assigned to the same proxy, as the present invention will be described.
  • [0015] [0015]
    Die Batterie weist vorzugsweise gute Hochtemperatureigenschaften auf. The battery preferably has good high temperature properties. Nachdem sie speziell einen vollen Lade-Entladezyklus bei 80°C unterzogen wurde, ist der Kapazitätsschwund nicht größer als 2% pro Zyklus, vorzugsweise nicht größer als 1% pro Zyklus und noch besser sogar nicht mehr als 0,5% pro Zyklus. After being specifically subjected to a full charge-discharge cycle at 80 ° C, the capacity fade is no greater than 2% per cycle, preferably no greater than 1% per cycle, and more preferably even not more than 0.5% per cycle.
  • [0016] [0016]
    Die Erfindung stellt Lithium-Ionen-Batterien bereit, die eine hohe Kapazität und Energie aufweisen, dennoch eine verbesserte Beständigkeit gegen anhaltende Selbsterhitzung relativ zu Batterien mit Grafit- oder Kohle enthaltende Verbundelektroden aufweisen. The invention provides lithium-ion batteries, which have a high capacity and power, yet exhibit improved resistance to persistent self-heating containing relative to batteries with graphite or carbon composite electrodes. Es können herkömmliche Batterieausführungen verwendet werden, wodurch die Notwendigkeit für umständliche mechanische Maßnahmen ausscheidet. There may be used conventional battery designs, eliminating the need for cumbersome mechanical measures is eliminated. Darüber hinaus können selbst Batterien mit verhältnismäßig großen Abmessungen verarbeitet werden. Moreover, even batteries can be processed with relatively large dimensions. Die Batterien behalten außerdem ihr überlegenes Verhalten (wie durch das Ausmaß des Kapazitätsschwunds gemessen wurde) bei hohen Temperaturen. The batteries also retain their superior performance (as measured by the amount of capacity fading) at high temperatures.
  • [0017] [0017]
    Diese Batterien könnten als Stromversorgung für eine Reihe von Vorrichtungen verwendet werden, die mittels Energie einer Stromversorgung arbeiten. These batteries could be used as a power supply for a number of devices that operate using energy from a power supply. Beispiele beinhalten Fahrzeuge wie Autos, Lastwagen und Fahrräder. Examples include vehicles such as cars, trucks and bikes. Die Batterien könnten außerdem zahlreiche Anwendungen in der Luftfahrt finden. The batteries could also find numerous applications in the aerospace industry. Sie könnten zum Beispiel als ein Maschinenanlasser für das Flugzeug ver wendet werden. You could, for example, as an engine starter for the aircraft used ver. Sie könnten auch verwendet werden, um Bordcomputer und Telefone mit Energie zu beliefern. They could also be used to supply on-board computers and telephones with energy. Andere potentielle Möglichkeiten beinhalten Stromversorgungen für Satelliten, Telekommunikationsanlagen wie Mobiltelefone und tragbare Computer. Other potential options include power supplies for satellites, telecommunications equipment such as mobile phones and portable computers.
  • [0018] [0018]
    Andere Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden von der folgenden Beschreibung von deren bevorzugten Ausführungsbeispielen und von den Ansprüchen deutlich. Other features and characteristics of the invention will become apparent from the following description of the preferred embodiments thereof and from the claims.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief Description of Drawings
  • [0019] [0019]
    1 1 veranschaulicht die Anfangstemperatur für eine anhaltende Selbsterhitzung und die Selbsterhitzungsgeschwindigkeit als eine Funktion der Temperatur für die Verbundgrafitanode, die in dem mittels der beschleunigten Wärmegradmessung gemessenen Vergleichsbeispiel A beschrieben wird. illustrates the initial temperature for sustained self-heating and self-heating rate as a function of temperature for the composite graphite anode, which is described in the measured using the accelerated degree heat measurement Comparative Example A.
  • [0020] [0020]
    2 2 veranschaulicht die Anfangstemperatur für eine anhaltende Selbsterhitzung und die Selbsterhitzungsgeschwindigkeit als eine Funktion der Temperatur, für die Verbundgrafitanode, die in dem mittels der beschleunigten Wärmegradmessung gemessenen Vergleichsbeispiel B beschrieben wird. illustrates the initial temperature for sustained self-heating and self-heating rate as a function of temperature for the composite graphite anode, which is described in the measured using the accelerated degree heat measurement Comparative Example B.
  • [0021] [0021]
    3 3 veranschaulicht die Anfangstemperatur für eine anhaltende Selbsterhitzung und die Selbsterhitzungsgeschwindigkeit als eine Funktion der Temperatur, für die Zinn/Molybdän-Dünnschichtanode, die in dem mittels der beschleunigten Wärmegradmessung gemessenen Beispiel 1 beschrieben wird. illustrates the onset temperature for sustained self-heating and self-heating rate as a function of temperature, for the tin / molybdenum thin film anode described in the accelerated heat, measured by means of the degree of measurement Example 1.
  • [0022] [0022]
    4 4 veranschaulicht die Ofentemperatur und die Außentemperatur der Batterie, die während der Hot-Box-Prüfung der im Vergleichsbeispiel C beschriebenen Batterie erreicht wird, die eine Verbundkohleanode enthält. illustrating the furnace temperature and the outer temperature of the battery, which is reached during Hot Box testing of the battery described in Comparative Example C, which contains a composite carbon anode.
  • [0023] [0023]
    5 5 veranschaulicht die Ofentemperatur und die Außentemperatur der Batterie, die während der Hot-Box-Prüfung der im Vergleichsbeispiel D beschriebenen Batterie erreicht wird, die eine Verbundkohleanode enthält. illustrating the furnace temperature and the outer temperature of the battery, which is reached during Hot Box testing of the battery described in Comparative Example D, which contains a composite carbon anode.
  • [0024] [0024]
    6 6 veranschaulicht die Ofentemperatur und die Außentemperatur der Batterie, die während der Hot-Box-Prüfung der im Beispiel 6 beschriebenen Batterie erreicht wird, die eine Zinn/Molybdän-Dünnschichtanode enthält. illustrating the furnace temperature and the outer temperature of the battery, which is reached during Hot Box testing of the battery described in Example 6, which contains a tin / molybdenum thin film anode.
  • [0025] [0025]
    7 7 veranschaulicht die Ofentemperatur und die Außentemperatur der Batterie, die während der Hot-Box-Prüfung der im Beispiel 7 beschriebenen Batterie erreicht wird, die eine Zinn/Molybdän-Dünnschichtanode enthält. illustrating the furnace temperature and the outer temperature of the battery, which is reached during Hot Box testing of the battery described in Example 7, which contains a tin / molybdenum thin film anode.
  • Ausführliche Beschreibung Full description
  • [0026] [0026]
    Die Erfindung kennzeichnet eine Lithium-Ionen-Batterie mit hoher Kapazität und hoher Energie, die eine Kathode, eine Dünnschichtanode und einen Elektrolyt aufweist, athode und die Anode trennt, in der die Anode eine Selbsterhitzung bei Temperaturen bis zu etwa 100°C, vorzugsweise bis zu etwa 150°C, besser bis zu etwa 170°C und noch besser sogar bis zu 200°C, ermittelt durch die unten beschriebene beschleunigte Wärmegradmessung, standhält. The invention features a lithium-ion battery with high capacity and high power, which comprises a cathode, a thin film anode, and an electrolyte, athode and the anode separates, in which the anode is a self-heating at temperatures up to about 100 ° C, preferably up to about 150 ° C., preferably up to about 170 ° C., and more preferably even up to 200 ° C, as determined by the accelerated degree heat measurement described below, can withstand.
  • [0027] [0027]
    Beispiele von Nutzdünnschichtanoden sind in der obigen Zusammenfassung der Erfindung beschrieben. Examples of Nutzdünnschichtanoden are described in the above summary of the invention. Diese Schichten weisen spezifische und/oder volumetrische Kapazitäten auf, die die mit typischen Verbundgrafitanoden verbundenen Werte überschreiten und weisen vorzugsweise mindestens ein elektrochemisch aktives Elementarmetall auf. These layers have specific and / or volumetric capacities in excess of the associated with typical composite graphite anodes, and preferably have values of at least one electrochemically active elemental metal. Sie können entsprechend ei ner Vielzahl von Verfahren vorbereitet werden, einschließlich Sputtern, chemischer Aufdampfung, Vakuumaufdampfen, Schmelzspinnen, schnellem Abschrecken, Rollen, galvanischem Auftragen und Sprühzerstäubung. They can be prepared in accordance with ei ner variety of methods, including sputtering, chemical vapor deposition, vacuum evaporation, melt spinning, rapid quenching, rollers, galvanic coating and spray atomization.
  • [0028] [0028]
    Der Elektrolyt wird mit einem Lithium Elektrolytsalz versehen. The electrolyte is provided with a lithium salt electrolyte. Beispiele von geeigneten Salzen beinhalten LiPF 6 , LiBF 4 , Li-CIO 4 , LiN(SO 2 CF 3 ) 2 und LiN(SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 . Examples of suitable salts include LiPF 6, LiBF 4, Li-CIO 4, LiN (SO 2 CF 3) 2 and LiN (SO 2 CF 2 CF 3) second Beispiele von geeigneten Flüssigelektrolyten beinhalten Ethylenkarbonat, Dimethylkarbonat, Diethylkarbonat, Propylenkarbonat, Gamma-Butyrolacton, Tetrahydrofuran, 1,2-Dimethoxyethan, Dioxolan und Verbindungen davon. Examples of suitable liquid electrolytes include ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate, gamma-butyrolactone, tetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane, dioxolane, and combinations thereof. Diese Materialien können außerdem in Verbindung mit einem Polymer wie Polyethylen-Oxid, Polypropylen-Oxid, Polyacrylnitril oder Polyvinylidenflourid verwendet werden, um ein angedicktes Gel zu erzeugen. These materials may also be used in conjunction with a polymer such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile or polyvinylidene fluoride, to produce a thickened gel. Alternativ kann ein trockenes, festes Polymer als Elektrolyt verwendet werden. Alternatively, a dry, solid polymer may be used as the electrolyte.
  • [0029] [0029]
    Beispiele geeigneter Kathodenzusammensetzungen beinhalten LiCoO 2 , LiCo0,2Ni0,8O 2 , Li1,07Mn1,93O 4 , LiNiO 2 und LiFePo 4 . Examples of suitable cathode compositions include LiCoO 2, LiCo0,2Ni0,8O 2, Li1,07Mn1,93O 4, LiNiO 2 and LiFePo. 4
  • [0030] [0030]
    Die Erfindung wird jetzt mittels der folgenden Beispiele weiter beschrieben. The invention will now be described by the following examples.
  • BEISPIELE EXAMPLES
  • Vorbereitung der Dünnschichtanode Preparation of thin film anode
  • [0031] [0031]
    Anoden in Form von dünnen Schichten wurden durch aufeinanderfolgendes Sputtern mittels entweder eines modifizierten Sputteringsystems Model 2400-8SA von Perkin-Elmer Randex (Beispiele 2 und 4) oder eines Hochvakuumsystems (P4) von Mill Lane mit einem 457,2 mm (18 Zoll) breiten Gewebebehandlungssystem (Beispiele 1, 3 und 5) vorbereitet. Anode in the form of thin films were prepared by sequential sputtering using either a modified Sputteringsystems 2400-8SA Model from Perkin-Elmer Randex (Examples 2 and 4) or of a high vacuum system (P4) of Mill Lane with a 457.2 mm (18 inches) wide tissue treatment system (Examples 1, 3 and 5) were prepared.
  • [0032] [0032]
    Im Fall des Randex Systems wurden die originalen; In the case of Randex system were the original; im Durchmesser 203,6 mm (8 Zoll) großen Hochfrequenzsputterquellen durch 152,4 mm (6 Zoll) große Gleichstrommagnetron-Sputterquellen ersetzt, gewerblich erhältlich bei Materials Science of San Diego, CA. in diameter 203.6 mm (8 inch) high-frequency sputtering sources by 152.4 mm (6 inches) replaces large DC magnetron sputtering sources, commercially available from Materials Science of San Diego, CA. Die Sputterquellen wurden mittels Gleichstrom-Sputterstromversorgungen Advanced Energy Model MDX-10 zum Sputtern angetrieben, die in einem konstanten Gleichstrommodus arbeiten. The sputtering sources were powered using Advanced Energy DC Sputterstromversorgungen Model MDX-10 for sputtering, the working in a constant direct current mode. Das Antriebslaufwerk wurde durch einen Schrittmotor ersetzt, um die Drehzahl zu verbessern und zu steuern. The drive disk has been replaced by a stepper motor to improve rotation speed and control. Das System wurde mit einer eingeschlossenen Öldiffusionspumpe gepumpt, unterstützt durch eine herkömmliche Rotationsflügelpumpe. The system was pumped with an enclosed oil diffusion pump backed by a conventional rotary vane pump.
  • [0033] [0033]
    Das Sputtern wurde mit Argon-Drücken im Bereich von 400 bis 4000 mPa (3–30 mTorr) durchgeführt. The sputtering was performed with argon pressures in the range of 400 to 4,000 mPa (3-30 mTorr).
  • [0034] [0034]
    Eine Kupferfolie (Dicke = 0,0254 mm (0,001 Zoll)) wurde mit der wassergekühlten Substratdrehscheibe des Randex Systems mittels doppelseitigen Klebebandes (3 M Brand Y9415 von 3 M Co. St. Paul, MN) verbunden. A copper foil (thickness = 0.0254 mm (0.001 inch)) was connected by means of double-sided tape (3M Brand Y9415 from 3M Co. St. Paul, MN) with the water-cooled substrate hub of Randex system. Das System wurde geschlossen und typischerweise auf Basisdrücke unter 133 × 10 –5 Pa (1 × 10 –5 Torr) abgepumpt (der Basisdruck vor der Beschichtung ist nicht entscheidend). The system was closed and typically to base pressures below 133 x 10 -5 Pa (1 × 10 -5 Torr) pumped (the base pressure prior to coating is not critical). Vor der Beschichtung wurden die Proben geätzt, um die Substratoberfläche mittels des "Sputter-Ätz"-Modus des Randex Systems mit einer Energie von 13,56 MHz, die der Substratdrehscheibe zugeführt wird und einem Arqondruck von 1066 mPa (8 mTorr) in der Sputterkammer, zu reinigen. Prior to coating, the samples were etched to the substrate surface using the "Sputter Etch" mode of the Randex System with a power of 13.56 MHz which is supplied to the substrate turntable and an Arqondruck of 1066 mPa (8 mTorr) in the sputtering chamber to clean. Ein typischer Reinigungszyklus war 150 W für 30 Minuten, wobei sich die Substratdrehscheibe während des Zyklus dreht. A typical cleaning cycle was 150W for 30 minutes, with the substrate turntable rotates during the cycle.
  • [0035] [0035]
    Nach dem Ätzen wurden die Sputterquellen mittels einer mechanischen Klappe zwischen den Quellen und dem Kupfersubstrat hochgefahren. After etching, sputtering were raised by means of a mechanical valve between the sources and the copper substrate. Diese entfernte Verunreinigungen von der Quellenoberfläche, ohne sie auf der Substratoberfläche abzulagern. This removed contaminants from the source surface without depositing them on the substrate surface. Als Nächstes wurde eine "Vorschicht", die aus einem einzigen Material einer bekannten Identität besteht, auf dem Substrat abgelagert. Next, a "pre-layer", which consists of a single material of known identity, deposited on the substrate. Der Zweck der Vorschicht war, ein gutes Haftvermögen zwischen dem Substrat und der sputterbeschichteten Schicht zu sichern. The purpose of the precoat was to ensure good adhesion between the substrate and the sputter coated layer. Als Nächstes wurden beide Quellen mit vorbestimmten Strompegeln angelassen, wobei die Beschichtung eingeleitet wurde. Next, both sources were started up with a predetermined current levels, wherein the coating has been initiated. Nach einer geeigneten Beschichtungszeit wurden eine oder beide Quellen abgeschaltet. After a suitable coating time one or both sources were switched off. Dann wurde eine "Nachschicht" eines einzigen Materials von bekannter Identität aufgetragen, wonach das System gelüftet und die Probe entfernt wurde. Then, a "afterlayer" of a single material of known identity was applied, after which the system released, and the sample was removed.
  • [0036] [0036]
    Im Fall des Mill Lane Systems wurde die Kupferfolie unabhängig bei einer Geschwindigkeit von 10 mm/sec (2 Fuß/min) einem mit Sauerstoff dotierten Hochfrequenzargonplasma in einem herkömmlichen Plasma-Therm-System ausgesetzt, das mit 1 KW und 27 Pa (200 mTorr) arbeitet. In the case of the Mill Lane system, the copper foil was independently at a rate of 10 mm / sec (2 feet / min) exposed doped with oxygen RF argon plasma in a conventional plasma-Therm-system, with 1 kW and 27 Pa (200 mTorr) works. Nach dem Ätzen wurde ein Segment der Schicht mittels eines doppelseitigen Klebebandes (wie oben beschrieben) auf einer Drehtrommel im Mill Lane System positioniert, so dass sie drei entgegengesetzten Sputterkathoden zugewandt war. After etching, a segment of the layer by means of a double-sided adhesive tape (described above) on a rotating drum in Mill Lane positioned system, so that she was facing three opposite sputtering cathodes. Die Trommel wurde auf 38 U/min eingestellt. The drum was set at 38 U / min. Die Beschichtung begann bei einem Druck von 1600 mPa (12 mTorr). The coating started at a pressure of 1600 mPa (12 mTorr).
  • [0037] [0037]
    Zuerst wurde eine Vorschicht aus Tantal (etwa 500 Angström dick) abgelagert, um die Haftung zwischen der Schicht und dem Substrat zu verbessern. First, a pre-layer of tantalum (about 500 angstroms thick) is deposited in order to improve the adhesion between the layer and the substrate. Dem folgte die Ablagerung der Schichtkomponenten mittels ein oder zwei Zielelektroden, die bei einem Energiepegel zwischen 0,2 KW bis 5 KW für eine entsprechende Zeitdauer arbeiten. This was followed by the deposition of the film components using one or two target electrodes, which operate at a power level between 0.2 kW to 5 kW for a suitable period of time. Schließlich wurde eine Nachschicht aus einem einzigen Material von bekannter Identität abgelagert. Finally, a night shift of a single material was deposited by a known identity.
  • [0038] [0038]
    Fünf Schichten (entsprechend den Beispielen 1–5) wurden nach den oben beschriebenen Verfahrensweisen vorbereitet. Five layers (corresponding to Examples 1-5) were prepared according to the procedures described above. Die Sputterbedingungen wurden in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefasst. The sputtering conditions were summarized in Table 1 below. In Tabelle 1 bezieht sich "Energie" auf den Energiepegel, in Kilowatt, der einzelnen im Mill Lane System verwendeten Sputterquelle. In Table 1 refers "energy" in the energy level, in kilowatts, the individual sputtering system used in the Mill Lane. "Strom" bezieht sich auf den Strom, in Ampere, der einzelnen im Randex System verwendeten Sputterquelle. "Current" refers to the current, in amperes, the individual sputtering system used in Randex. "Druck" bezieht sich auf den Argondruck, in mTorr, in der Sputterkammer. "Pressure" refers to the argon pressure, in mTorr, in the sputtering chamber. "Laufzeit" bezieht sich auf die gesamte, für die Beschichtung verbrauchte Zeit, abgesehen von den Vor- und Nachschichten. "Run time" refers to the whole, used for the coating time, apart from the advantages and Nachschichten.
  • [0039] [0039]
    Im Fall der Vorschichtablagerung wurde in den Beispielen 1, 3 und 5 ein Energiepegel von 2 KW verwendet, während im Beispiel 2 ein Strompegel von 1,5 A verwendet wurde. In the case of Vorschichtablagerung an energy level of 2 kW was used, while a current level of 1.5 A was used in Example 2 in Examples 1, 3 and 5. Beispiel 4 enthielt keine Vorschicht. Example 4 contained no prelayer.
  • Tabelle 1 Table 1
  • Vorbereitung der Verbundgrafitanode Preparation of composite graphite anode
  • [0040] [0040]
    Proben von Verbundgrafitanoden wurden für Vergleichszwecke durch Schlammbeschichten einer Grafit enthaltenden Zusammensetzung auf ein Kupferschichtsubstrat vorbereitet, gefolgt vom Ofentrocknen und Kalandern. Samples of composite graphite anodes for comparative purposes were prepared by slurry coating a graphite-containing composition onto a copper film substrate, followed by oven drying and calendering. Es wurden zwei verschiedene Zusammensetzungen verwendet. Two different compositions were used. Die erste Zusammensetzung ("Zusammensetzung A") enthielt 87 Gew-% MCMB 10–28 Grafit (aus Aluminiumoxid), 3 Gew-% Shawinigan Black (von Chevron) und 10 Gew-% Bindemittel ("301 F" von Elf Atochem). The first composition ("Composition A") contained 87 wt% graphite MCMB 10-28 (alumina), 3% by weight of Shawinigan Black (Chevron) and 10 wt% binder ("301 F" from Elf Atochem). Die zweite Zusammensetzung ("Zusammensetzung B") enthielt 91 Gew-% SFG-44 Grafit (von TIMCAL America, Inc.), 3 Gew-% Super P Kohle (von MMM Carbon) und 6 Gew-% Bindemittel ("Kynar 461" von Elf Atochem). The second composition ("Composition B") contained 91 wt% SFG-44 graphite (from TIMCAL America, Inc.), 3 wt% Super P carbon (from MMM Carbon), and 6 wt% binder ("Kynar 461" Elf Atochem).
  • Lithiumisierungsverfahren Lithiumisierungsverfahren
  • [0041] [0041]
    Anodenkomponenten wurden entsprechend dem folgenden Verfahren lithiumisiert. Anode components were lithiumisiert according to the following method.
  • [0042] [0042]
    Streifen, die 123 mm mal 26 mm messen, wurden in einer Flachzelle durch elektrochemische Reduktion auf 0,008 V gegen Li lithiumisiert. Strips that measure 123 mm x 26 mm were lithiumisiert in a flat cell by electrochemical reduction to 0.008 V vs. Li. Die Flachzelle bestand aus zwei Hälften, die mittels einer O-Ringdichtung verschlossen wurden, um einen flachen Hohlraum zu bilden. The flat cell consisted of two halves, which were sealed by an O-ring gasket to form a flat cavity. In diesem Hohlraum wurden in der Reihenfolge, (a) eine metallische Lithiumfolie mit einer Dicke von 150 Mikrometern (von Cyprus Foote Mineral), die sowohl als Gegen- als auch als Referenzelektrode diente, (b) zwei mikroporöse Polyethylenschichten, jeweils mit einer Dicke von 25 Mikrometern, die als Trennelemente dienten, (c) 1,5–2 ml einer 1-molalen LiPF 6 Lösung in einem 1 : 1 v/v Gemisch aus Ethylenkarbonat und Diethylkarbonat, die als ein Flüssigelektrolyt dienten und (d) die Anodenkomponente in der Form von entweder einer gesputterten dünnen Schicht oder einer Grafitverbund-Zusammensetzung, die als die Arbeitselektrode diente, angeordnet. In this cavity, in the order, (a) a metallic lithium foil having a thickness of 150 micrometers (from Cyprus Foote Mineral) that served both as a counter and as a reference electrode, (b) two microporous polyethylene films, each having a thickness of 25 microns, which served as a separator elements, (c) 1.5-2 ml of a 1 molal solution of LiPF 6 in a 1: 1 v / v mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate, which served as a liquid electrolyte, and (d) the anode component in the form of either a sputtered thin film or a graphite composite composition, that served as the working electrode, respectively. Der Kontakt zu den Arbeits- und Gegenelektroden wurde durch die zwei Zellhälften bereitgestellt. The contact with the working and counter electrodes was provided by the two cell halves.
  • [0043] [0043]
    Die Zelle wurde in einem trockenen Raum zusammengefügt, wonach sie in einer argongefüllte Trockenbox überführt und einen Maccor Cell Cycler durchlaufen hat, um die Arbeitselektrode zu lithiumisieren. The cell was assembled in a dry room, after which they transferred to an argon-filled dry box and has a Maccor Cell Cycler through to lithiumisieren the working electrode. Nach dem Durchlaufen wurden die Zellen regelmäßig bei einer offenen Schaltungsspannung für ein Minimum von 2 Stunden belassen, bevor die Zelle in einer Handschuhbox geöffnet wurde, und die lithiumisierte Arbeitselektrode entfernt und zum Trocknen zurückgelassen wurde. After passing through the cells were regularly left at open circuit voltage for a minimum of 2 hours before the cell was opened in a glove box, and the lithiumisierte working electrode was removed and left to dry.
  • Beschleunigte Wärmegradmessung Accelerated degree of heat measurement
  • [0044] [0044]
    Die beschleunigte Wärmegradmessung (Accelerated Rate Calorimetry "ARC") wurde verwendet, um das Selbsterhitzungsverhalten der Dünnschichtanoden oder der Grafitverbundanoden in ihrem lithiumisierten Zustand zu bewerten. The accelerated degree of heat measurement (Accelerated rate calorimetry "ARC") was used to evaluate the self-heating behavior of the thin film anodes or graphite composite anodes in their lithiumisierten state. Die für die Prüfung verwendete Geräteausstattung bestand aus einem ARC-2000 Schnellwärmemesser von Columbia Scietific Environmental Instrumentation aus Austin, TX. The equipment used for the test consisted of an ARC 2000 RTP diameter of Columbia Scietific Environmental Instrumentation from Austin, TX. Das ARC-Messgerät ist ein adiabatischer Wärmemesser, der die Wärmemessertemperatur mit der Probentemperatur in Übereinstimmung bringt. The ARC-meter is an adiabatic calorimeter, which brings the calorimeter temperature with the sample temperature in conformity. Wenn sich die Probe selbst erhitzt, steigt die Temperatur des Wärmemessers so an, dass es keinen Wärmefluss zwischen der Probe und dem Wärmemesser gibt. If the sample is heated alone, the temperature of the heat meter rises so that there is no heat flow between the sample and the calorimeter. Die sich daraus ergebende Messung befindet sich in der Form eines Diagramms, das Einsetzen und Geschwindigkeit der anhaltenden Selbsterhitzung als eine Funktion der Temperatur darstellt. The resulting measurement is in the form of a diagram, showing the onset and rate of sustained self-heating as a function of temperature.
  • [0045] [0045]
    Um die ARC-Tests durchzuführen, wurden Streifen von lithiumisierten Proben in einer mit Argon gefüllte Handschuhbox geschnitten und in ein 304SS-Rohr gegeben, das 38 mm lang ist mit einen Durchmesser von 6,35 mm (0,25 Zoll). To conduct the ARC tests, strips were cut from lithiumisierten samples in an argon-filled glove box and placed in a 304SS tube, which is 38 mm long with a diameter of 6.35 mm (0.25 inch). In einigen Fällen, in denen die Haftung gering ist, wurden die lithiumisierten Schichten von der Kupferrückseite abgelöst, bevor sie dem Rohr hinzugefügt wurden. In some cases where the liability is low, the lithiumisierten layers were peeled from the copper back before they were added to the tube.
  • [0046] [0046]
    Vor dem Füllen wurde eine Seite des Rohres gequetscht und WIG-geschweißt, um mittels einem Miller Model Maxstar 91 Schweißgerät, das mit einem Hochfrequenz-Lichtbogenzünder Model Snap Star II ausgestattet ist, eine hermetische Abdichtung bereitzustellen. Before filling one side of the tube was pinched and TIG-welded to provide a means of Miller Maxstar Model 91 welding machine, which is equipped with a high-frequency arc ignition model snap Star II a hermetic seal. Das Probengewicht wurde aufgezeichnet, wonach eine gemessene Menge Elektrolyt dem Rohr hinzugefügt wurde. The sample weight was recorded, after which a measured amount of electrolyte was added to the tube. Als Nächstes wurde das andere Ende des Rohres gequetscht und durch WIG-Schweißen abgedichtet. Next, the other end of the tube was crimped and sealed by TIG welding. Während des letzteren Vorganges wurde das Rohr zwischen Klemmbacken angeordnet, die in der La ge sind, jede vom Schweißen erzeugte Wärme vom Inhalt des Rohres wegzuführen. During the latter operation, the tube was placed between jaws that are in the La Ge, carry away any heat generated by the welding of the contents of the tube.
  • [0047] [0047]
    Nach dem Abdichten wurde das Probenrohr im ARC-Wärmemesser angeordnet. After sealing the sample tube in the ARC calorimeter was placed. Der Wärmemesser wurde im Erhitzen-Warten-Such-Modus betrieben. The calorimeter was operated in the heating-wait-search mode. Er wurde anfänglich programmiert, um den Wärmemesser auf 40°C bei einer Geschwindigkeit von 10°C/min zu erwärmen. It was initially programmed to heat the calorimeter to 40 ° C at a rate of 10 ° C / min. Dem Erwärmen folgte eine 15-minütige Wartezeit, um eine Temperaturstabilität herzustellen. The heating was followed by a 15-minute waiting period to produce a temperature stability. Nach dem Ende der Wartezeit begann eine 20-minütige Suchperiode. After the end of the waiting period began a 20-minute search period.
  • [0048] [0048]
    Während der Suchperiode wurde jedes Selbsterhitzen der Probe überwacht. During the search period of each self-heating of the sample was monitored. Wenn die Selbsterhitzung über einen Schwellenwertpegel von 0,03°C/min gemessen wurde, wurde es durch den Wärmemesser angepasst, um adiabatische Bedingungen herzustellen. If the self-heating was measured over a threshold level of 0.03 ° C / min, it was adapted by the heat knife to produce adiabatic conditions. Wenn keine Selbsterhitzung beobachtet wurde, wurde die Temperatur des Wärmemessers um 10°C erhöht und der Vorgang wiederholt. If no self-heating was observed, the temperature of the heat diameter was increased by 10 ° C and the process repeated. Die Prüfung wurde beendet, wenn entweder die Selbsterhitzungsgeschwindigkeit 15°C/min überschritt oder die Temperatur des Wärmemessers 230°C erreichte. The test was stopped when either the self-heating rate exceeded 15 ° C / min or the temperature of the heat diameter reached 230 ° C.
  • Batterievorbereitung Battery preparation
  • [0049] [0049]
    Es wurden Batterien vorbereitet, um das Selbsterhitzungsverhalten von verschiedenen Ausführungen zu prüfen. It batteries were prepared to examine the self-heating behavior of different versions.
  • [0050] [0050]
    Anodenproben wurden in 58 mm mal 680 mm große Streifen mit einem 10 mm unbeschichteten Bereich an einem Ende geschlitzt. Times 680 mm wide strips were anode samples in 58 mm slit with a 10 mm uncoated area at one end. An das unbeschichtete Ende wurde eine Stromsammelfahne aus Nickel ultraschallgeschweißt. At the uncoated end of a current collector flag of nickel was ultrasonically welded.
  • [0051] [0051]
    Eine Kathode wurde durch Schlammbeschichten einer Zusammensetzung vorbereitet, die 91 Gew-% LiCoO 2 ("Cell Seed 10" von Nippon Chemical Co.), 2,5 Gew-% KS-6 Grafit (von TIMCAL America), 2,5 Gew-% Super P Kohle (von MMM Carbon) und 4 Gew-% Bindemit tel ("Kynar 461" von Elf Atochem) an beiden Seiten einer 20 Mikrometer dicken Aluminiumfolie enthält, gefolgt vom Trocknen und Kalandern, um eine Schicht mit einer Dicke von 90 Mikrometer zu gewinnen. A cathode was prepared by slurry coating a composition containing 91% by weight of LiCoO 2 ("Seed Cell 10" from Nippon Chemical Co.), 2.5 wt% of KS-6 graphite (from TIMCAL America), 2.5 wt % Super P carbon (MMM Carbon) and 4 wt% Bindemit tel contains ("Kynar 461" from Elf Atochem) on both sides of a 20 micron thick aluminum foil, followed by drying and calendering, a layer with a thickness of 90 microns to win. Das sich daraus ergebende Erzeugnis wurde dann in 56 mm breite mal 650 mm lange Streifen mit einem 30 mm unbeschichteten Bereich an einem Ende geschlitzt. The resulting product was then slit into 56 mm wide by 650 mm long strips with a 30 mm uncoated area at one end. An das unbeschichtete Ende wurde eine Stromsammelfahne aus Aluminium ultraschallgeschweißt. At the uncoated end of a current collector flag of aluminum was ultrasonically welded.
  • [0052] [0052]
    Die resultierende Anode und Kathode wurden in eine zylindrische gallertartige Rolle gewickelt, wobei ein 60 mm breites, 25 Mikrometer dickes mikroporöses Trennelement aus Polyethylen ("SETELA E25" von Mobil Chemical Corp.) zwischen die Anode und die Kathode gelegt wurde. The resulting anode and cathode were wound in a cylindrical jelly roll with a 60 mm wide, 25 micrometer thick microporous separator made from polyethylene ("SETELA E25" from Mobil Chemical Corp.) was sandwiched between the anode and the cathode. Das Aufwickeln wurde auf einer Laboraufwickelvorrichtung von Toyo Systems durchgeführt. The winding was performed on a Laboraufwickelvorrichtung from Toyo Systems. Nach dem Aufwickeln wurde die daraus resultierende Rolle in ein 18650 Batteriezellengehäuse gelegt, wobei das Gehäuse mit 4–5 Gramm einer 1-molalen Lösung eines LiPF 6 in einem 1 : 1 v/v Gemisch aus Ethylenkarbonat und Diethylkarbonat mittels eines Vakuum-Elektrolyt-Füllsystems (ebenfalls von Toyo Systems) gefüllt wurde. After winding, the resulting roll was placed in a 18650 battery cell housing, wherein the housing with 4-5 grams of a 1 molal solution of a-LiPF 6 in a 1: 1 v / v mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate using a vacuum electrolyte filling system was (also by Toyo Systems) filled. Das Gehäuse wurde dann in üblicher Weise durch Quetschen mittels eines Isolierringes, Abstandhalters, Bruchscheibe, und rostfreien Stahloberteils geschlossen. The case was then closed in the usual manner by means of a crushing isolation ring, spacer, rupture disc and stainless steel top.
  • Hot Box Prüfung Hot Box testing
  • [0053] [0053]
    Die Hot Box Prüfung wurde verwendet, um das Selbsterhitzungsverhalten von Batterien zu bewerten, die Dünnschichtanoden und Kohle- (oder Grafit-) Verbundanoden in ihrem lithiumisierten Zustand enthalten. The Hot Box test was used to evaluate the self-heating behavior of batteries, the thin film anodes and coal (or graphite) contain composite anodes in their lithiumisierten state. Die Prüfung wurde an geladenen, zylindrisch aufgewickelten 18650 Batterien (wie oben beschrieben vorbereitet) mittels einer auf die Prüftemperatur vorgewärmten Umgebungsprüfkammer Tenney Model T10S (von Lunaire Limited aus Williamsport, PA) durchgeführt. The test was in charged, cylindrically wound 18650 batteries (prepared as described above) using a pre-heated to the test temperature Umgebungsprüfkammer Tenney Model T10S (by Lunaire Limited from Williamsport, PA) performed.
  • [0054] [0054]
    Vor der Prüfung durchliefen die Batterien 6 bis 8 Zyklen bei 23°C mittels eines Maccor Zellencyclers. Before testing, the batteries went through 6 to 8 cycles at 23 ° C by means of a Maccor Zellencyclers. Die Batterien in einem geladenen Zustand wurden dann horizontal im Ofen der Prüfkammer in einer Teflonhalterung mit federbelasteten Metallkonten an der Oberseite und Unterseite der Batterie angeordnet. The batteries in a charged state were then placed horizontally in the oven of the test chamber in a Teflon holder with spring loaded metal accounts at the top and bottom of the battery. Der Kontaktbereich wurde klein gehalten, um die Wärmeübertragung zu minimieren. The contact area was kept small to minimize heat transfer. Eine selbsthaftende Mikrosonde Typ K Thermoelement mit dünnen Leitungen (von Omega Co.) wurde um das Batteriegehäuse herum angeordnet, um die Temperatur der Batterieoberfläche zu überwachen. A self-adhesive type K thermocouple microprobe with thin lines (Omega Co.) was placed around the battery casing around to monitor the temperature of the battery surface. Ein weiteres Thermoelement wurde weniger als 2 cm von der Oberseite der Batterie entfernt angeordnet, um die Ofentemperatur zu überwachen. Another thermocouple was placed less than 2 cm removed from the top of the battery to monitor the oven temperature.
  • [0055] [0055]
    Die Ofen- und Batterietemperaturen wurden mittels eines Maccor Zellencyclers aufgezeichnet. The furnace and battery temperatures were recorded by a Maccor Zellencyclers. Außerdem wurde das allgemeine Batterieverhalten visuell durch ein Fenster in der Ofentür oder über eine Videokamera überwacht. Moreover, the overall battery behavior was monitored visually through a window in the oven door or via a video camera.
  • Vergleichsbeispiel A Comparative Example A
  • [0056] [0056]
    Dieses Vergleichsbeispiel veranschaulicht das Selbsterhitzungsverhalten einer mittels Zusammensetzung A vorbereiteten Verbundgrafitanode. This comparative example illustrates the self-heating behavior of a prepared using Composition A composite graphite anode. Ein Streifen wurde auf einen Pegel von 362 Milliamperestunden/g durch Durchlaufen von insgesamt anderthalb Zyklen (die mit einem Schritt der Lithiumisierung enden) zwischen 0,008 V und 1,2 V lithiumisiert. A strip was lithiumisiert to a level of 362 mAh / g by passing through a total of one and a half cycles (which end with a step of Lithiumisierung) between 0.008 V and 1.2 V. Die Proben konnten sich dann bei offener Schaltungsspannung abgleichen. The samples were then able to synchronize with an open circuit voltage.
  • [0057] [0057]
    Proben für die ARC-Prüfung wurden in einer mit Argon gefüllten Handschuhbox durch Hinzufügen von 172 mg eines lithiumisierten Streifens (entsprechend 74 mg aktiven Materials und einem lithiumisierten Pegel von 27 Milliamperestunden) in ein ARC-Probenrohr vorbereitet. Samples for the ARC-examination were prepared in an argon-filled glove box by adding 172 mg of a lithiumisierten strip (74 mg according to the active material and a lithiumisierten level of 27 mah) in a sample tube ARC. Dann wurden 100 mg einer 1-molalen Lösung von LiPF 6 in einem 1 : 1 v/v Gemisch von Ethylenkarbonat und Diethylkarbonat hinzugefügt und das Probenrohr abgedichtet. Then, 100 mg of a 1 molal solution-of LiPF 6 in a 1 were: 1 v / v mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate is added and the sample tube sealed.
  • [0058] [0058]
    Die von 40°C bis 230°C von dieser Probe aufgezeichnete ARC-Kurve wird in The 40 ° C to 230 ° C recorded by this sample ARC curve in 1 1 gezeigt. shown. Gemäß According to 1 1 war die Anfangstemperatur der anhaltenden Selbsterhitzung 90°C. was the initial temperature of the sustained self-heating to 90 ° C.
  • Vergleichsbeispiel B Comparative Example B
  • [0059] [0059]
    Dieses Vergleichsbeispiel veranschaulicht das Selbsterhitzungsverhalten einer mittels Zusammensetzung B vorbereiteten Verbundgrafitanode. This comparative example illustrates the self-heating behavior of a prepared using Composition B composite graphite anode. Ein Streifen wurde auf einen Pegel von 430 Milliamperestunden/g durch Durchlaufen von insgesamt anderthalb Zyklen (die mit dem Schritt der Lithiumisierung enden) zwischen 0,008 V und 1,2 V lithiumisiert. A strip was lithiumisiert to a level of 430 mAh / g by passing through a total of one and a half cycles (which end with the step of Lithiumisierung) between 0.008 V and 1.2 V. Die Proben konnten sich dann bei offener Schaltungsspannung abgleichen. The samples were then able to synchronize with an open circuit voltage.
  • [0060] [0060]
    Es wurden dann Proben für die ARC-Prüfung in einer mit Argon gefüllten Handschuhbox durch Ablösen der Beschichtung von der Kupferfolienrückschicht und Hinzufügen von 106 mg der Plättchen (entsprechend 63 mg aktiven Materials und einem lithiumisierten Pegel von 27 Milliamperestunden) in ein ARC-Probenrohr vorbereitet. There were then prepared samples for ARC testing in an argon-filled glove box by peeling the coating from the copper foil backing and adding 106 mg of the flakes (63 mg according to the active material and a lithiumisierten level of 27 milliamp hours) in an ARC sample tube. Dann wurden 100 mg einer 1-molalen Lösung von LiPF 6 in einem 1 : 1 v/v Gemisch von Ethylenkarbonat und Diethylkarbonat hinzugefügt und das Probenrohr abgedichtet. Then, 100 mg of a 1 molal solution-of LiPF 6 in a 1 were: 1 v / v mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate is added and the sample tube sealed.
  • [0061] [0061]
    Die von 40°C bis 230°C von dieser Probe aufgezeichnete ARC-Kurve wird in The 40 ° C to 230 ° C recorded by this sample ARC curve in 2 2 gezeigt. shown. Gemäß According to 2 2 war die Anfangstemperatur der anhaltenden Selbsterhitzung 80°C. was the initial temperature of the sustained self-heating to 80 ° C.
  • Beispiel 1 Example 1
  • [0062] [0062]
    Dieses Beispiel veranschaulicht das Selbsterhitzungsverhalten einer Dünnschichtanode, die 54 Gew-% Zinn und 46 Gew-% Molybdän auf einer 25 Mikrometer dicken Kupferfolie aufweist. This example illustrates the self-heating behavior of a thin film anode comprising 54 wt% tin and 46% by weight of molybdenum on a 25 micron thick copper foil. Ein Streifen wurde auf einen Pegel von 353 Milliamperestunden/g durch Durchlaufen von insgesamt anderthalb Zyklen (die mit dem Schritt der Lithiumisierung enden) zwischen 0,008 V und 1,2 V lithiumisiert, gefolgt von einer Angleichung bei offener Zellenspannung für mindestens zwei Stunden. A strip was at a level of 353 mAh / g by passing through a total of one and a half cycles (which end with the step of Lithiumisierung) between 0.008 V and 1.2 V lithiumisiert, followed by alignment with an open cell voltage for at least two hours. Es wurden dann Proben für die ARC-Prüfung in einer mit Argon gefüllten Handschuhbox durch Hinzufügen von 265 mg der Probe (entsprechend 73 mg aktiven Materials und einem lithiumisierten Pegel von 26 Milliamperestunden) in ein ARC-Probenrohr vorbereitet. There were then prepared samples for ARC-examination in a glove box filled with argon by adding 265 mg of the sample (73 mg according to the active material and a lithiumisierten level of 26 mah) in a sample tube ARC. Dann wurden 100 mg einer 1-molalen Lösung von LiPF 6 in einem 1 : 1 v/v Gemisch von Ethylenkarbonat und Diethylkarbonat hinzugefügt und das Probenrohr abgedichtet. Then, 100 mg of a 1 molal solution-of LiPF 6 in a 1 were: 1 v / v mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate is added and the sample tube sealed.
  • [0063] [0063]
    Die von 40°C bis 230°C von dieser Probe aufgezeichnete ARC-Kurve wird in The 40 ° C to 230 ° C recorded by this sample ARC curve in 3 3 gezeigt. shown. Gemäß According to 3 3 war die Anfangstemperatur der anhaltenden Selbsterhitzung 200°C. was the initial temperature of the sustained self-heating to 200 ° C.
  • Beispiel 2 Example 2
  • [0064] [0064]
    Dieses Beispiel veranschaulicht das Selbsterhitzungsverhalten einer Dünnschichtanode, die 64 Gew-% Aluminium und 36 Gew-% Silizium auf einer 25 Mikrometer dicken Kupferfolie aufweist. This example illustrates the self-heating behavior of a thin film anode 64 wt% aluminum and 36% by weight of silicon having on a 25 micron thick copper foil. Ein Streifen wurde auf einen Pegel von 1443 Milliamperestunden/g durch Durchlaufen von insgesamt anderthalb Zyklen (die mit dem Schritt der Lithiumisierung enden) zwischen 0,008 V und 0,9 V lithiumisiert, gefolgt von einer Angleichung bei offener Zellenspannung für mindestens zwei Stunden. A strip was at a level of 1443 mAh / g by passing through a total of one and a half cycles (which end with the step of Lithiumisierung) between 0.008 V and 0.9 V lithiumisiert, followed by alignment with an open cell voltage for at least two hours. Es wurden dann Proben für die ARC-Prüfung in einer mit Argon gefüllten Handschuhbox durch Hinzufügen von 84 mg der Probenplättchen (entsprechend 19 mg aktiven Materials und einem lithiumisierten Pegel von 27 Milliamperestunden) in ein ARC-Probenrohr vorbereitet. There were then prepared samples for ARC-examination in a glove box filled with argon by adding 84 mg of the sample plate (19 mg according to the active material and a lithiumisierten level of 27 mah) in a sample tube ARC. Dann wurden 100 mg einer 1-molalen Lösung von LiPF 6 in einem 1 : 1 v/v Gemisch von Ethylenkarbonat und Diethylkarbonat hinzugefügt und das Probenrohr abgedichtet. Then, 100 mg of a 1 molal solution-of LiPF 6 in a 1 were: 1 v / v mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate is added and the sample tube sealed.
  • [0065] [0065]
    Die ARC-Kurve für dieses Beispiel, aufgezeichnet von 40°C bis 230°C, zeigte, dass die Anfangstemperatur der anhaltenden Selbsterhitzung 190°C war. The ARC curve for this sample, recorded from 40 ° C to 230 ° C, showed the onset temperature of sustained self-heating was 190 ° C.
  • Beispiel 3 Example 3
  • [0066] [0066]
    Dieses Beispiel veranschaulicht das Selbsterhitzungsverhalten einer Dünnschichtanode, die 74 Gew-% Zinn und 26 Gew-% Silizium auf einer 25 Mikrometer dicken Kupferfolie aufweist. This example illustrates the self-heating behavior of a thin film anode 74 wt% tin and 26% by weight of silicon having on a 25 micron thick copper foil. Ein Streifen wurde auf einen Pegel von 1864 Milliamperestunden/g durch Durchlaufen von insgesamt anderthalb Zyklen (die mit dem Schritt der Lithiumisierung enden) zwischen 0,008 V und 0,9 V lithiumisiert, gefolgt von einer Angleichung bei offener Zellenspannung für mindestens zwei Stunden. A strip was at a level of 1864 mAh / g by passing through a total of one and a half cycles (which end with the step of Lithiumisierung) between 0.008 V and 0.9 V lithiumisiert, followed by alignment with an open cell voltage for at least two hours. Es wurden dann Proben für die ARC-Prüfung in einer mit Argon gefüllten Handschuhbox durch Hinzufügen von 51 mg der Probe (entsprechend 14,5 mg aktiven Materials und einem lithiumisierten Pegel von 27 Milliamperestunden) in ein ARC-Probenrohr vorbereitet. There were then prepared samples for ARC-examination in a glove box filled with argon by adding 51 mg of the sample (14.5 mg corresponding to the active material and a lithiumisierten level of 27 mah) in a sample tube ARC. Dann wurden 100 mg einer 1-molalen Lösung von LiPF 6 in einem 1 : 1 v/v Gemisch von Ethylenkarbonat und Diethylkarbonat hinzugefügt und das Probenrohr abgedichtet. Then, 100 mg of a 1 molal solution-of LiPF 6 in a 1 were: 1 v / v mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate is added and the sample tube sealed.
  • [0067] [0067]
    Die ARC-Kurve für dieses Beispiel, aufgezeichnet von 40°C bis 230°C, zeigte, dass die Anfangstemperatur der anhaltenden Selbsterhitzung 180°C war. The ARC curve for this sample, recorded from 40 ° C to 230 ° C, showed the onset temperature of sustained self-heating was 180 ° C.
  • Beispiel 4 Example 4
  • [0068] [0068]
    Dieses Beispiel veranschaulicht das Selbsterhitzungsverhalten einer Dünnschichtanode, die 100 Gew-% amorphes Silizium auf einer 25 Mikrometer dicken Kupferfolie aufweist. This example illustrates the self-heating behavior of a thin film anode comprising 100 wt% of amorphous silicon on a 25 micron thick copper foil. Ein Streifen wurde auf einen Pegel von 3360 Milliamperestunden/g durch Durchlaufen von insgesamt anderthalb Zyklen (die mit dem Schritt der Lithiumisierung enden) zwischen 0,008 V und 0,9 V lithiumisiert, gefolgt von einer Angleichung bei offener Zel lenspannung für mindestens zwei Stunden. A strip was at a level of 3360 mAh / g by passing through a total of one and a half cycles (which end with the step of Lithiumisierung) between 0.008 V and 0.9 V lithiumisiert, followed by alignment with an open Zel lenspannung for at least two hours. Es wurden dann Proben für die ARC-Prüfung in einer mit Argon gefüllten Handschuhbox durch Hinzufügen von 65 mg der Probenplättchen (entsprechend 8,0 mg aktiven Materials und einem lithiumisierten Pegel von 27 Milliamperestunden) in ein ARC-Probenrohr vorbereitet. There were then prepared samples for ARC-examination in a glove box filled with argon by adding 65 mg of the sample plate (corresponding to 8.0 mg active material and a lithiumisierten level of 27 mah) in a sample tube ARC. Dann wurden 100 mg einer 1-molalen Lösung von LiPF 6 in einem 1 : 1 v/v Gemisch von Ethylenkarbonat und Diethylkarbonat hinzugefügt und das Probenrohr abgedichtet. Then, 100 mg of a 1 molal solution-of LiPF 6 in a 1 were: 1 v / v mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate is added and the sample tube sealed.
  • [0069] [0069]
    Die ARC-Kurve für dieses Beispiel, aufgezeichnet von 40°C bis 230°C, zeigte, dass die Anfangstemperatur der anhaltenden Selbsterhitzung 190°C war. The ARC curve for this sample, recorded from 40 ° C to 230 ° C, showed the onset temperature of sustained self-heating was 190 ° C.
  • Beispiel 5 Example 5
  • [0070] [0070]
    Dieses Beispiel veranschaulicht das Selbsterhitzungsverhalten einer Dünnschichtanode, die 100 Gew-% Zinn auf einer 25 Mikrometer dicken Kupferfolie aufweist. This example illustrates the self-heating behavior of a thin film anode 100% by weight of tin has on a 25 micron thick copper foil. Ein Streifen wurde auf einen Pegel von 725 Milliamperestunden/g durch Durchlaufen von insgesamt anderthalb Zyklen (die mit dem Schritt der Lithiumisierung enden) zwischen 0,008 V und 0,9 V lithiumisiert, gefolgt von einer Angleichung bei offener Zellenspannung für mindestens zwei Stunden. A strip was at a level of 725 mAh / g by passing through a total of one and a half cycles (which end with the step of Lithiumisierung) between 0.008 V and 0.9 V lithiumisiert, followed by alignment with an open cell voltage for at least two hours. Es wurden dann Proben für die ARC-Prüfung in einer mit Argon gefüllten Handschuhbox durch Hinzufügen von 134 mg der Probe (entsprechend 26,9 mg aktiven Materials und einem lithiumisiertrn Pegel von 27 Milliamperestunden) in ein ARC-Probenrohr vorbereitet. There were then prepared samples for ARC-examination in a glove box filled with argon by adding 134 mg of the sample (26.9 mg corresponding to the active material and a lithiumisiertrn level of 27 mah) in a sample tube ARC. Dann wurden 100 mg einer 1-molalen Lösung von LiPF 6 in einem 1 : 1 v/v Gemisch von Ethylenkarbonat und Diethylkarbonat hinzugefügt und das Probenrohr abgedichtet. Then, 100 mg of a 1 molal solution-of LiPF 6 in a 1 were: 1 v / v mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate is added and the sample tube sealed.
  • [0071] [0071]
    Die ARC-Kurve für dieses Beispiel, aufgezeichnet von 40°C bis 230°C, zeigte, dass die Anfangstemperatur der anhaltenden Selbsterhitzung 200°C war. The ARC curve for this sample, recorded from 40 ° C to 230 ° C, showed the onset temperature of sustained self-heating was 200 ° C.
  • Vergleichsbeispiel C Comparative Example C
  • [0072] [0072]
    Man erhielt eine handelsübliche 18650 Lithium-Ionen Batterie von einem Sony NPF950 Camcorder-Batteriepack. This gave a commercially available 18650 lithium-ion battery from a Sony camcorder battery pack NPF950. Die Batterie hatte ein Volumen von 16,54 cm 3 und eine Masse von 40,5 g. Die fabrikneue Batterie durchlief acht Zyklen, um ein Verhalten entsprechend einem üblichen Ablaufprotokoll für diese Art von Batterie zu erstellen. The battery had a volume of 16.54 cm 3 and a mass of 40.5 g. The brand new battery went through eight cycles to create a behavior corresponding to a normal conduct protocol for this type of battery. Die Batterie wurde auf 4,2 V mittels einem konstanten Strom von 0,28 Ampere mit Pufferladung auf eine Strombegrenzung von 0,03 Ampere geladen, gefolgt von einem Entladen auf 2,75 V mittels einem konstanten Strom von 0,28 Ampere. The battery was charged to 4.2 V using a constant current of 0.28 amps with trickle charge to a current limit of 0.03 amps, followed by discharging to 2.75V using a constant current of 0.28 amperes. Auf der Grundlage der Ablauf-Ergebnisse wurde die Kapazität der Batterie auf 1372 Milliamperestunden und 5074 Milliwattstunden, entsprechend einer Batterie-Energiedichte von 125 Wattstunden/kg und 306 Wattstunden/Liter, bestimmt. On the basis of sequence results was the capacity of the battery 1372 mAh and 5074 milliwatt hours, corresponding to a battery energy density of 125 Wh / kg and 306 Wh / liter determined.
  • [0073] [0073]
    Im geladenen Zustand wurde die Batterie einer Hot-Box-Prüfung bei 130°C unterzogen. In the charged state of the battery of a hot box test at 130 ° C was subjected. Die aufgezeichnete Batterietemperatur wird in The battery temperature is recorded in 4 4 gezeigt. shown. Gemäß According to 4 4 wurde eine maximale Oberflächentemperatur von 133,6°C auf Grund der Selbsterhitzung der Batteriekomponenten erreicht. a maximum surface temperature of 133.6 ° C was reached due to self-heating of the battery components.
  • Beispiel 6 Example 6
  • [0074] [0074]
    Dieses Beispiel demonstriert die Vorbereitung einer Batterie mit einer höheren Kapazität als die im Vergleichsbeispiel C beschriebene Batterie, die noch keine anhaltende Selbsterhitzung oder thermisches Weglaufen der Temperaturen bis mindestens etwa 130°C aufweist. This example demonstrates the preparation of a battery with a higher capacity than the battery as described in Comparative Example C, which still has no lasting self-heating or thermal runaway temperatures up to at least about 130 ° C.
  • [0075] [0075]
    Eine 18650 Batterie wurde wie oben beschrieben mittels einer Dünnschichtanode, die 54 Gew-% Zinn und 46 Gew-% Molybdän aufweist, und einer LiCoO 2 Verbundkathode vorbereitet. A 18650 battery was fabricated as described above by means of a thin film anode comprising 54 wt% tin and 46% by weight of molybdenum, and a LiCoO 2 prepared composite cathode. Das Gewicht der aktiven Anode betrug 6,35 g, das Gewicht der aktiven Kathode betrug 15,71 g, wobei die Fläche der aktiven Batterie 694 cm 2 betrug. The weight of the active anode was 6.35 g, the weight of the active cathode was 15.71 g, the surface of the active battery was 694 cm 2. Das Gesamtgewicht der Batterie betrug 50,78 g, wobei das Gesamtvolumen der Batterie 16,54 cm 3 . The total weight of the battery was 50.78 g, the total volume of the battery 16.54 cm 3.
  • [0076] [0076]
    Nach einem einzelnen Formierungszyklus durchlief die Batterie vier Zyklen zwischen 4,2 V und 2,0 V durch Laden der Batterie auf 4,2 V mittels einem konstanten Strom von 0,3 A mit Pufferladung bis zu einer Strombegrenzung von 0,03 A, gefolgt vom Entladen auf 2 V bei einem konstanten Strom von 0,3 A mit einer Pufferladung von 0,03 A. Bei Zyklus Nummer 6 wurde die Ladekapazität auf 1700 Milliamperestunden entsprechend 5746 Milliamperestunden/Liter begrenzt. After forming a single cycle, the battery went through four cycles between 4.2 V and 2.0 V by charging the battery to 4.2 V using a constant current of 0.3 A with trickle charge up to a current limit of 0.03 A, followed from discharging to 2 V at a constant current of 0.3 A with a buffer charge of 0.03 A. At cycle number 6, the charge capacity of 1700 mAh has been limited in accordance with 5746 mAh / liter. Dieses entspricht einer Batterie-Energiedichte von 113 Wattstunden/kg und 347 Wattstunden/Liter. This corresponds to a battery energy density of 113 Wh / kg and 347 Wh / liter.
  • [0077] [0077]
    Im geladenen Zustand wurde die Batterie einer Hot-Box-Prüfung bei 130°C unterzogen. In the charged state of the battery of a hot box test at 130 ° C was subjected. Die aufgezeichnete Batterietemperatur wird in The battery temperature is recorded in 6 6 gezeigt. shown. Gemäß According to 6 6 wurde eine maximale Oberflächentemperatur von 130°C erreicht. a maximum surface temperature of 130 ° C was reached. Es wurde keine Selbsterhitzung oder thermisches Weglaufen beobachtet. It was not observed self-heating or thermal runaway.
  • Vergleichsbeispiel D Comparative Example D
  • [0078] [0078]
    Die Verfahrensweise von Vergleichsbeispiel C wurde wiederholt, außer dass die Batterie einer Hot-Box-Prüfung bei 150°C unterzogen wurde. The procedure of Comparative Example C was repeated, except that the battery of a hot-box test was subjected at 150 ° C. Die aufgezeichnete Batterietemperatur wird in The battery temperature is recorded in 5 5 gezeigt. shown. Nach annähernd 30 Minuten wies die Batterie ein thermische Instabilität auf, was zu Entgasen und Aufflammen führte. After approximately 30 minutes, the battery exhibited a thermal runaway, resulting in degassing and flare.
  • Beispiel 7 Example 7
  • [0079] [0079]
    Dieses Beispiel demonstriert die Vorbereitung einer Batterie mit einer höheren Kapazität als die im Vergleichsbeispiel D beschriebene Batterie, die noch keine anhaltende thermische Instabilität bei Temperaturen bis mindestens 152,7°C aufweist. This example demonstrates the preparation of a battery with a higher capacity than the battery as described in Comparative Example D, which still has no lasting thermal instability at temperatures up to at least 152.7 ° C.
  • [0080] [0080]
    Es wurde der Verfahrensweise von Beispiel 6 gefolgt, außer dass das Gewicht der aktiven Anode 6,18 g und das Gewicht der aktiven Kathode 15,78 g betrug. It to the procedure of Example 6 was followed except that the weight of the anode active 6.18 g and the weight of the active cathode was 15.78 g. Das Gesamtgewicht der Batterie betrug 50,69 g. The total weight of the battery was 50.69 g.
  • [0081] [0081]
    Nach einem einzelnen Formierungszyklus durchlief die Batterie vier Zyklen zwischen 4,2 V und 2,0 V durch Laden der Batterie auf 4,2 V mittels einem konstanten Strom von 0,3 A mit Pufferladung bis zu einer Strombegrenzung von 0,03 A, gefolgt vom Entladen auf 2 V bei einem konstanten Strom von 0,3 A mit einer Pufferladung von 0,03 A. Bei Zyklus Nummer sechs wurde die Ladekapazität auf 1740 Milliamperestunden entsprechend 5846 Milliwattstunden/Liter begrenzt. After forming a single cycle, the battery went through four cycles between 4.2 V and 2.0 V by charging the battery to 4.2 V using a constant current of 0.3 A with trickle charge up to a current limit of 0.03 A, followed from discharging to 2 V at a constant current of 0.3 A with a buffer charge of 0.03 A. At cycle number six the load capacity 1,740 mAh was limited according to 5846 milliwatts hours / liter. Dieses entspricht einer Batterie-Energiedichte von 115 Wattstunden/kg und 353 Wattstunden/Liter. This corresponds to a battery energy density of 115 Wh / kg and 353 Wh / liter.
  • [0082] [0082]
    Im geladenen Zustand wurde die Batterie einer Hot-Box-Prüfung bei 150°C unterzogen. In the charged state of the battery of a hot box test at 150 ° C was subjected. Die aufgezeichnete Batterietemperatur wird in The battery temperature is recorded in 7 7 gezeigt. shown. Gemäß According to 7 7 wurde eine maximale Oberflächentemperatur von 152,7°C erreicht. a maximum surface temperature of 152.7 ° C was achieved. Es wurde kein thermisches Weglaufen beobachtet. There was observed no thermal runaway.
  • [0083] [0083]
    Andere Ausführungsbeispiele befinden sich in den folgenden Ansprüchen. Other embodiments are within the following claims.
Referenced by
Citing PatentFiling datePublication dateApplicantTitle
DE102006048872A1 *17 Oct 20068 May 2008Dr.Ing.H.C. F. Porsche AgOn-board electrical system for motor vehicle, has starter battery formed as lead-battery, and supplying battery is formed as lithium-iron-phosphate battery
Classifications
International ClassificationH01M4/40, H01M4/38, H01M6/40, H01M6/50, H01M10/36, H01M4/134, H01M10/052, H01M10/0525
Cooperative ClassificationH01M4/387, H01M4/38, H01M4/386, H01M10/052, H01M2200/00, H01M4/40, H01M6/40, H01M4/134, H01M10/0525
European ClassificationH01M4/40, H01M4/38, H01M10/052, H01M4/134