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DE102008040941A1 - Electrolyte mixture, useful to prepare lithium-ion cells, comprises polypyrrole, conducting salt e.g. lithium hexafluorophosphate, aprotic solvent or mixture of e.g. dimethoxyethane and ethylene carbonate, and mineral additive e.g. cement - Google Patents

Electrolyte mixture, useful to prepare lithium-ion cells, comprises polypyrrole, conducting salt e.g. lithium hexafluorophosphate, aprotic solvent or mixture of e.g. dimethoxyethane and ethylene carbonate, and mineral additive e.g. cement Download PDF

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DE102008040941A1
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Abstract

Electrolyte mixture comprises 20-50 wt.% of polyvinylpyrrolidone homo- and/or copolymer, polyaniline and/or polypyrrole with a molecular weight of 3000-20000; 20-10 wt.% of a conducting salt, preferably on basis of lithium hexafluorophosphate or lithium compounds; 30-20 wt.% of aprotic solvent or a solvent mixture of dimethoxyethane, ethylene carbonate, propylene carbonate or alkyl carbonate; and 30-20 wt.% of a mineral additive, preferably oxide, carbonate, oxalate, silicate and/or borate of lithium, sodium, potassium, calcium, magnesium and/or cement. Electrolyte mixture comprises 20-50 wt.% of polyvinylpyrrolidone homo- and/or copolymer, polyaniline and/or polypyrrole with a molecular weight of 3000-20000; 20-10 wt.% of a conducting salt, preferably on basis of lithium hexafluorophosphate, or lithium compound of formula (LiPF 5R 1), (LiPF 4(R 1) 2) or LiPF 3(R 1) 3; 30-20 wt.% of aprotic solvent or a solvent mixture of dimethoxyethane, ethylene carbonate, propylene carbonate or alkyl carbonate; and 30-20 wt.% of a mineral additive, preferably oxide, carbonate, oxalate, silicate and/or borate of lithium, sodium, potassium, calcium, magnesium and/or cement. R 1CF 3, C 2F 5or C 3H 7. Independent claims are included for: (1) a lithium-ion cell comprising an anode, cathode and separator, where the anode and cathode comprises the electrolyte mixture; and (2) a process for the preparation of the lithium-ion cell comprising degassing an electrically active anode mass e.g. lithium intercalated natural or synthetic graphite at 20-100[deg] C and 0.1-2 Pa, abolishing vacuum by adding the electrolyte mixture, intensively stirring the anode mass under air and moisture exclusion and tribiochemically condensing the mixture, where the subsequent application of the anode mass, as 20-50 mu m thick layer on purified copper arrester also takes place under air and moisture exclusion, or degassing an electro-chemically active cathode mass comprising lithium-intercalated heavy metal oxide or a mixture of cobalt, nickel, chromium, manganese, molybdenum, and lithium-iron-phosphate and/or lithium-vanadium-phosphate at 20-100[deg] C and 0.1-2 Pa; adding the electrolyte mixture to the cathode mass under the abolition of vacuum; intensively stirring (tribiochemically condensed) under air and moisture exclusion and applying the cathode mass as 20-50 mu m thick layer on the primed aluminum foil, or reacting a separator mass comprising 30-40 wt.% of perfluoroelastomer, 20-40 wt.% of aprotic solvents, 20-24 wt.% of the conducting salt and 25-1 wt.% of scaffolding substances, cements, silicates, sodium, potassium, calcium, magnesium carbonate with the electrolyte mixture, intensively mixing under the exclusion of air and moisture, extruding or applying the mixture as a foil with at thickness of 20-50 mu m, or coating one or both side of a porous separator foil with the electrolyte mixture and incorporating the foil as a separate foil between the anode and cathode under the exclusion of air and moisture, or connecting two or more lithium-ion cell preferably by parallel circuit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektrolytgemisch, das vor allem im Hinblick auf Stabilität, Zyklenfestigkeit, Temperaturverhalten und reduzierten inneren Widerstand deutlich verbessert wurde.The The invention relates to an electrolyte mixture, especially in terms of stability, cycle stability, temperature behavior and reduced internal resistance was significantly improved.

Weiters bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Lithium-Ionen-Zellen, in denen das Elektrolytgemisch verwendet wird.Furthermore, The present invention relates to lithium-ion cells, in which the electrolyte mixture is used.

Darüber hinaus bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen, in denen das Elektrolytgemisch verwendet wird.About that In addition, this invention relates to a method of manufacture of lithium-ion cells in which the electrolyte mixture is used becomes.

Schließlich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Herstellung von Lithium Ionen Batterien, in denen die vorstehenden Lithium-Ionen-Zellen eingesetzt werden.After all The present invention relates to the production of lithium Ion batteries in which the above used lithium-ion cells become.

Lithium-Ionen-Energiespeicher sind Lithium-Ionen-Zellen, die aus Anode, Kathode und einem Polymerelektrolyten als Separator bestehen. Anode, Kathode und Separator werden zusammengeführt, so dass ein Verbund entsteht, bei dem der Separator als Zwischenlage für Anode und Kathode dient. Der erhaltene Verbund wird dann zu Mehrfachlagen verarbeitet und als prismatischen Zellen oder Wickelzellen ausgebildet. Nach dem Einhausen und Polen liegt eine Lithium-Ionen-Zelle vor, die nach dem Formieren mit Spannung von ca. 4 Volt und Zyklenzeiten > 500 betriebsbereit ist.Lithium-ion energy storage are lithium-ion cells that consist of anode, cathode and a polymer electrolyte exist as a separator. Anode, cathode and separator are merged, so that a composite arises in which the separator as an intermediate layer for anode and cathode. The resulting composite becomes then processed into multiple layers and as prismatic cells or Winding cells formed. After Einhausen and Poland lies one Lithium-ion cell before, after forming with voltage of about 4 volts and cycle times> 500 is ready for use.

Einzelheiten zur Herstellung und zum System sind in der Literatur bekannt und dem „Handbook of Battery Materials” (edit. I. O. Besenhard, Verlag VCH Weinheim, 1999) zu entnehmen (Lit. 1). Spezielle Herstellungsverfahren, wie z. B. der sog. Bellcore-Prozess sind in „Lithium Ion Batteries” (edit. M. Wakihara et O. Yamamoto, Verlag VCH Weinheim, 1998 S. 235 u. Fig. 10.9) beschrieben (Lit. 2).Details of the preparation and the system are known in the literature and the "Handbook of Battery Materials" (edited by IO Besenhard, Verlag VCH Weinheim, 1999) (Ref. 1). Special manufacturing methods, such. B. the so-called. Bellcore process are in "Lithium Ion Batteries" (edited by M. Wakihara et O. Yamamoto, Verlag VCH Weinheim, 1998 S. 235 and Fig. 10.9) described (Ref 2).

Zur Herstellung der Lithium-Ionen-Zellen werden grundsätzlich verschiedene Prozesse verwendet.to Production of lithium-ion cells are basically used different processes.

Eine Variante ist der Beschichtungsprozess, bei dem der für die Kathoden- bzw. Anodenmasse erforderliche Polymerbinder gelöst wird. Z. B. werden Fluorelastomere (Homo- oder Copolymere) 5 bis 10%ig in z. B. N-Methyl-Pyrrolidon (NMP) gelöst und diese Polymerlösung wird mit den kathoden- bzw. anodenspezifischen Zusätzen wie Li-interkalierbaren Metalloxiden bzw. Li-interkalierbaren Kohlenstoffen (Ruß, Graphit o. ä.) versetzt und dispergiert. Dann wird diese Dispersion entsprechend der Filmbeschichtungstechnik auf Stromkollektoren (Folien, Bänder, Netze o. ä.; vorzugsweise Cu für die Anode, vorzugsweise Al für die Kathode) aufgetragen.A Variant is the coating process, in which the for solved the cathode or anode mass required polymer binder becomes. For example, fluoroelastomers (homopolymers or copolymers) become 5 to 10% pure in z. B. N-methyl-pyrrolidone (NMP) and dissolved this polymer solution comes with the cathode- or anode-specific additives such as Li-intercalatable metal oxides or Li-intercalatable carbons (carbon black, Graphite or the like) and dispersed. Then this will be Dispersion according to the film coating technique on current collectors (Films, tapes, nets or the like, preferably Cu for the anode, preferably Al for the cathode) applied.

Eine Variante der oben beschriebenen Beschichtungstechnik besteht in der Verwendung von wässrigen Polymerdispersionen anstelle der Polymerlösungen mit organischen Lösungsmitteln. Die erhaltenen Beschichtungen werden nach dem Trocknen zu prismatischen Zellen oder Wickelzellen verarbeitet, wobei als Zwischenlage ein sog. Separator, z. B. aus Celgard o. ä., mit porösen Strukturen verwendet wird. Ein derart hergestelltes System wird in einem Gehäuse verkapselt und vor dem Verschließen mit einem Elektrolyten, d. h. einem in aprotischen Lösungsmitteln gelöstem Leitsalz, befüllt.A Variant of the coating technique described above consists in the use of aqueous polymer dispersions instead the polymer solutions with organic solvents. The resulting coatings become prismatic cells upon drying or wound cells processed, wherein as an intermediate layer a so-called. Separator, z. B. from Celgard o. Ä., With porous structures is used. A system made in this way is housed in a housing encapsulated and before sealing with an electrolyte, d. H. one dissolved in aprotic solvents Conducting salt, filled.

Der Bellcore-Prozess ist eine weitere Variante der Beschichtungstechnik. Hier wurde schon in die Anoden- bzw. Kathodenmasse eine Komponente, z. B. Dibutylphthalat (DBP), eingearbeitet, die vor der Zusammenführung von Anode, Kathode und Separator im sog. Bellcore-Prozess (vgl. Lit. 2) herausgelöst wird, um ausreichend Porosität, d. h. Aufnahmevermögen für den Elektrolyten zu schaffen.Of the Bellcore process is another variant of coating technology. Here, even in the anode or cathode material was a component, z. As dibutyl phthalate (DBP), incorporated before the merger of anode, cathode and separator in the so-called Bellcore process (cf. Lit. 2) is dissolved to ensure sufficient porosity, d. H. Absorption capacity for the electrolyte too create.

Ein grundsätzlich anderer Prozess ist die Extrusion z. B. eines Separators (Polymer-Gel) und z. B. einer Kathode (vgl. US 4,818,643 ; entspricht EP 0 145 498 B1 und DE 34 85 832 T ), bzw. die Extrusion von Anode, Separator und Kathode in parallel geschalteten Extrudern und nachfolgendes Zusammenführen (vgl. DE 100 20 031 A1 ). Die letztere Patentanmeldung offenbart ein Verfahren, in dem jeweils Lösungsmittel und/oder Quellmittel enthaltende Anodenmasse, Separator und Kathodenmasse in parallel geschalteten Extrudern extrudiert und anschließend als eine Einheit zusammengeführt werden, die dann mit Kollektorfolien laminiert werden.A fundamentally different process is the extrusion z. As a separator (polymer gel) and z. B. a cathode (see. US 4,818,643 ; corresponds to EP 0 145 498 B1 and DE 34 85 832 T ), or the extrusion of anode, separator and cathode in parallel extruders and subsequent merging (see. DE 100 20 031 A1 ). The latter patent application discloses a method in which each of the solvent and / or swelling agent-containing anode mass, separator and cathode mass are extruded in parallel extruders and then combined as a unit, which are then laminated with collector films.

Die bislang beschriebenen Verfahren haben allesamt, wenn auch unterschiedliche Nachteile: Bei den Beschichtungsprozessen muss in allen Fällen das organische Lösungsmittel bzw. das Wasser (eingeschleppt durch die Polymerlösung bzw. Dispersion) beseitigt werden. Verbleibendes Lösungsmittel führt zum „Fading”, d. h. zum Nachlassen der Batterie-Effizienz und mangelnder Zyklenstabilität. Das organische Lösungsmittel muss aus Kostengründen und zum Umweltschutz entfernt werden, das bedeutet hohe Trocknungstemperaturen bzw. beim kontinuierlichen Prozess längere Trocknungszeiten bei niederen Trocknungstemperaturen und Vakuum. Analoges gilt für die Abtrennung von Wasser. Nachteile entstehen im Film: Inhomogenitäten, Rissbildung beim engen Wickeln, verminderte Haftung auf den Stromkollektoren, Schädigung der Stromkollektoren, Unterwanderung des Films durch den Elektrolyten, u. ä.. Bei der Befüllung mit dem Elektrolyten erfolgt nur mangelnde Benetzung der Anoden- bzw. Kathodenmasse.The All the methods described so far have all but different ones Disadvantages: In the coating processes must in all cases the organic solvents or the water (entrained by the polymer solution or dispersion) are eliminated. Remaining solvent leads to "fading", d. H. to slow down battery efficiency and lack cycle stability. The organic solvent must be for cost reasons and to be removed for environmental protection, which means high drying temperatures or in the continuous process longer drying times at low drying temperatures and vacuum. The same applies to the separation of water. Disadvantages arise in the film: inhomogeneities, Cracking during tight winding, reduced adhesion to the current collectors, Damage to the current collectors, infiltration of the film through the electrolyte, u. .. When filling With the electrolyte, only insufficient wetting of the anode or cathode material.

Bei dem Extruderprozess wird u. a. Polyethylenoxid (PEO) verwendet (vgl. US 4,818,643 ), das jedoch bei Batteriebetrieb keine Langzeitstabilität aufweist, d. h. eine Zyklenstabilität < 100. Der andere Extruderprozess arbeitet mit Elektrolyten auf Basis von Ethylencarbonat/γ-Butyrolacton (EC/γ-BL) mit LiClO4 als Leitsalz. Auch dieses System zeigt geringe Zyklenstabilität von < 100 (vgl. z. B. DE 100 20 031 A1 ), da unter den Betriebsbedingungen der Batterie das γ-BL reagiert und störende Nebenprodukte liefert:
PCT/EP 99/06313 (entspr. WO 00/13249 ) beschreibt die Verwendung pastöser Massen, wobei die Massen nacheinander mittels eines Pasten-Auftragsverfahrens aufgebracht werden.
Polyethylene oxide (PEO) is used in the extruder process (cf. US 4,818,643 ), that ever but has no long-term stability during battery operation, ie a cycle stability <100. The other extruder process works with electrolytes based on ethylene carbonate / γ-butyrolactone (EC / γ-BL) with LiClO 4 as conductive salt. This system also shows low cycle stability of <100 (cf. DE 100 20 031 A1 ), since under the operating conditions of the battery the γ-BL reacts and produces disturbing by-products:
PCT / EP 99/06313 (Corr. WO 00/13249 ) describes the use of pasty masses, wherein the masses are applied successively by means of a paste application method.

In PCT/US 97/08029 (entspr. WO 97/44847 ) werden durch Extrusion Separator-Polymer-Elektrolyte mit Elektrodenmaterial beschichtet und dann zu Batterie-Elektroden verarbeitet.In PCT / US97 / 08029 (Corr. WO 97/44847 ) Extrusion polymer electrolytes are coated with electrode material by extrusion and then processed into battery electrodes.

Die neuen erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zellen basieren dagegen auf einem völlig neuen Prinzip.The based new lithium ion cells according to the invention on the other hand, on a completely new principle.

Um den Mängeln hinsichtlich hohem elektrischen Innenwiderstand, Temperatursensibilität, mangelnder Zyklenfestigkeit, Solid Electrolyte Interphase-Verhalten (SEI-Verhalten), Versagensmechanismen u. ä. zu begegnen, wurde der Elektrolyt modifiziert und zwar a) hinsichtlich seiner Konsistenz aber auch b) hinsichtlich seiner Applikation.Around the defects in terms of high internal electrical resistance, Temperature sensitivity, lack of cycle resistance, solid Electrolyte interphase behavior (SEI behavior), failure mechanisms u. Ä. To counter, the electrolyte was modified and Although a) in terms of its consistency but also b) in terms his application.

Das SEI-Verhalten ist in Lit. 3 (in Lit. 1, Chemical Composition and Morphology of the SEI, S. 439, siehe auch S. 420 ) beschrieben.The SEI behavior is described in Ref. 3 (in Ref. 1, Chemical Composition and Morphology of the SEI, p. 439, see also p. 420 ).

Die Ausbildung der SEI der isolierenden und weniger elektrisch leitfähigen Zersetzungsschicht an Anode und Kathode ist ein elementares Problem, das zu wesentlichen Qualitätseinbußen bei Lithium-Ionen-Zellen vor allem im Dauerbetrieb, zu geringeren Zyklenzeiten bei erhöhter Temperatur u. ä. führt. Nach Lit. 4 ( D. Aurbach et al.; Abstr. 190th Electrochemical Soc. Meeting, San Antonio TX, Bd. 96-2, S. 164 ) besteht die SEI-Schicht aus mindestens fünf unterschiedlichen Lagen und Komponenten.The formation of the SEI of the insulating and less electrically conductive decomposition layer at the anode and cathode is an elementary problem that leads to significant quality losses in lithium-ion cells, especially in continuous operation, lower cycle times at elevated temperature u. Ä. leads. According to reference 4 ( D. Aurbach et al .; Abstr. 190th Electrochemical Soc. Meeting, San Antonio TX, Vol. 96-2, p. 164 ), the SEI layer consists of at least five different layers and components.

Vorschläge, z. B. durch Zusätze wie Vinylencarbonat das SEI-Problem zu lösen (vg. Lit. 5; EP 1 374 331 B1 ; EP 0 826 862 A1 ; US 2008/003864 A1 ; u. ä.), führten nicht oder nur partiell zur Verbesserungen oder zur Behebung des Problems.Suggestions, eg. B. by additives such as vinylene carbonate to solve the SEI problem (vg., Ref. 5; EP 1 374 331 B1 ; EP 0 826 862 A1 ; US 2008/003864 A1 ; u. Ä.), did not or only partially to improve or to remedy the problem.

Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Nebenreaktionen und Versagensmechanismen zu unterdrücken und vorzugsweise auszuschließen, d. h. die Eliminierung von Wasser und Säuren, speziell HF, die Stabilisierung der Leitsalze, das Vermeiden von Hydrolysen, z. B. von Estergruppen in Homo/Copolymeren, die Beseitigung störender Verunreinigungen (in den Einsatzstoffen) u. ä. zu bewirken.The The object of this invention is side reactions and failure mechanisms to suppress and preferably exclude d. H. the elimination of water and acids, especially HF, the stabilization of the conductive salts, the avoidance of hydrolyses, z. B. of ester groups in homo / copolymers, the elimination of disturbing Contaminants (in the starting materials) u. Ä. To cause.

Wie bereits erwähnt besteht die Aufgabe dieser Erfindung zudem darin, die aufgezählten Nachteile der bisher üblichen und beschriebenen Systeme aus dem Stand der Technik zu überwinden.As already mentioned, the object of this invention also exists therein, the enumerated disadvantages of the usual and to overcome prior art systems.

So ist z. B. die elektrische Leitfähigkeit eines Elektrolyten aus Li-Oxalatoborat (LiOB) mit 0,6 M in EC/DMC (Verhältnis 1/1) 7 mS und von LiPF6 mit 1,0 M in EC/DMC (Verhältnis 1/1) 11 mS (vgl. Lit. 5; EP 374 331 B1 ) (EC = Ethylencarbonat, DMC = Dimethylcarbonat, S = Siemens).So z. For example, the electrical conductivity of an Li-oxalato borate (LiOB) electrolyte is 0.6 M in EC / DMC (1/1 ratio) 7 mS and LiPF 6 is 1.0 M in EC / DMC (1/1 ratio). 11 mS (see ref. 5; EP 374 331 B1 ) (EC = ethylene carbonate, DMC = dimethyl carbonate, S = Siemens).

1 zeigt die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Batterien bis zu Temperaturen von 60°C über einen großen Bereich des Stromwerts. 1 shows the properties of the batteries according to the invention up to temperatures of 60 ° C over a large range of the current value.

Die Aufgabe der Erfindung wird bevorzugt durch die nachstehenden Aspekte gelöst.The The object of the invention is preferred by the following aspects solved.

Der erste Aspekt betrifft ein Elektrolytgemisch, das aus a) Polyvinylpyrrolidon Homo- und/oder Copolymeren mit Molmassen von 2 bis 20.000 in Mengen von 20 bis 50 Gewichtsprozent, b) einem Leitsalz, vorzugsweise auf Basis von LiPF6, LiPF5R1, LiPF4(R1)2, LiPF3(R1)3, (R1 = CF3, C2F5, C3F7) in Mengen von 20 bis 10 Gewichtsprozent, c) einem aprotischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch von Dimethoxyethan, Ethylencarbonat, Propylencarbonat oder Alkylcarbonat in Mengen von 30 bis 20 Gewichtsprozent, und d) einem mineralischen Zusatz wie einem Oxid, Carbonat, Oxalat, Silicat und/oder Borat von Li, Na, K, Ca, Mg, und/oder Zement in Mengen von 30 bis 20 Gewichtsprozent, wobei die Gewichtsprozent jeweils auf die Gesamtmenge des Elektrolytgemisches bezogen sind, besteht.The first aspect relates to an electrolyte mixture consisting of a) polyvinylpyrrolidone homopolymers and / or copolymers having molecular weights of from 2 to 20,000 in amounts of from 20 to 50 percent by weight, b) a conductive salt, preferably based on LiPF 6 , LiPF 5 R 1 , LiPF 4 (R 1 ) 2 , LiPF 3 (R 1 ) 3 , (R 1 = CF 3 , C 2 F 5 , C 3 F 7 ) in amounts of from 20 to 10% by weight, c) an aprotic solvent or solvent mixture of dimethoxyethane, Ethylene carbonate, propylene carbonate or alkyl carbonate in amounts of 30 to 20 weight percent, and d) a mineral additive such as an oxide, carbonate, oxalate, silicate and / or borate of Li, Na, K, Ca, Mg, and / or cement in amounts of 30 to 20 weight percent, wherein the weight percent are each based on the total amount of the electrolyte mixture exists.

Der zweite Aspekt bezieht sich auf eine Lithium-Ionen-Zelle bestehend aus Anode, Kathode und Separator, wobei Anode und Kathode das Elektrolytgemisch des ersten Aspekts enthalten.Of the second aspect relates to a lithium-ion cell consisting anode, cathode and separator, anode and cathode being the electrolyte mixture of the first aspect.

In einer bevorzugten Abwandlung ist die Lithium-Ionen-Zelle nach dem zweiten Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass der Separator das Elektrolytgemisch des ersten Aspekts enthält.In a preferred modification is the lithium-ion cell after second aspect, characterized in that the separator, the electrolyte mixture of the first aspect.

Nach einem vierten und fünften Aspekt der vorstehenden Lithium-Ionen-Zelle ist das Elektrolytgemisch in Mengen von 3 bis 30 Gewichtsteilen in Anode und Kathode, bzw. im Separator enthalten ist.To a fourth and fifth aspect of the above lithium-ion cell is the electrolyte mixture in amounts of 3 to 30 parts by weight in anode and cathode, or in the separator is included.

Der sechste Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem des zweiten bis fünften Aspekts, wobei eine elektrisch wirksame Anodenmasse, d. h. ein Li-interkalierbarer natürlicher oder synthetischer Graphit bei Temperaturen von 20 bis 100°C und Drücken von 0,1 bis 2 Pa entgast wird und das Vakuum durch Zugabe des Elektrolytgemisches nach Anspruch 1 aufgehoben wird und diese Anodenmasse unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss intensiv gerührt und tribochemisch verdichtet wird, wobei das anschließende Aufbringen der Anodenmasse als 20 bis 50 μm dicke Schicht auf den gereinigten Cu-Ableiter (Gould-Folie) ebenfalls unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss erfolgt.The sixth aspect relates to a method for producing a lithium ion cell according to any one of the second to fifth aspects, wherein an electrically active anode mass, ie, a Li-intercalatable natural or synthetic graphite at temperatures of 20 to 100 ° C and pressures of 0, 1 to 2 Pa is degassed and the vacuum is removed by adding the electrolyte mixture according to claim 1 and this anode mass under air and Exclusion of moisture is intensively stirred and densified tribochemically, wherein the subsequent application of the anode material as a 20 to 50 .mu.m thick layer on the cleaned Cu arrester (Gould film) also takes place with exclusion of air and moisture.

Der siebte Aspekt bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem des zweiten bis fünften Aspekts, wobei eine elektrochemisch wirksame Kathodenmasse, d. h. Li-interkalierbare Schwermetalloxide oder Gemische von Co, Ni, Cr, Mn, Mo u. ä. sowie Li-Fe-Phosphat und/oder Li-V-Phosphat bei Temperaturen von 20 bis 100°C und Drücken von 0,1 bis 2 Pa entgast wird und dann zu der Kathodenmasse unter Aufhebung des Vakuums das Elektrolytgemisch nach Anspruch 1 zudosiert wird, intensiv gerührt, tribochemisch verdichtet wird und unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss verarbeitet und auch als 20 bis 50 μm dicke Schicht auf eine geprimerte Al-Folie aufgebracht wird.Of the seventh aspect relates to a method for producing a Lithium-ion cell after one of the second to fifth Aspect, wherein an electrochemically effective cathode material, d. H. Li-intercalatable heavy metal oxides or mixtures of Co, Ni, Cr, Mn, Mo u. Ä. And Li-Fe-phosphate and / or Li-V-phosphate at temperatures of 20 to 100 ° C and pressures is degassed from 0.1 to 2 Pa and then to the cathode mass below Lifting the vacuum metered the electrolyte mixture according to claim 1 is intensively stirred, tribochemically compressed and processed under exclusion of air and moisture and also as 20 to 50 μm thick layer on a primed Al foil is applied.

Der achte Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem des zweiten bis fünften Aspekts, wobei eine Separatormasse aus 30 bis 40 Gew.-% Perfluorelastomeren, 20 bis 40 Gew.-% aprotischen Lösungsmitteln, 20 bis 24 Gew.-% Leitsalzen und 25 bis 1 Gew.-% Gerüstsubstanzen wie Zement, Silikaten, Na, K, Ca, Mg Carbonaten mit dem Elektrolytgemisch nach Anspruch 1 versetzt wird und unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss intensiv vermischt und dann in Dicken von 20 bis 50 μm als Folie extrudiert oder aufgetragen wird.Of the Eighth aspect relates to a method for producing a lithium-ion cell according to one of the second to fifth aspects, wherein a Separator mass of 30 to 40 wt .-% perfluoroelastomers, 20 to 40% by weight aprotic solvents, 20% to 24% by weight Conducting salts and 25 to 1 wt .-% builders such as cement, Silicates, Na, K, Ca, Mg carbonates with the electrolyte mixture after Claim 1 is added and under exclusion of air and moisture intensively mixed and then in thicknesses of 20 to 50 microns extruded or applied as a film.

Der sechste Aspekt bezieht sich aus ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem des zweiten bis fünften Aspekts, wobei eine poröse Separatorfolie ein- oder beidseitig mit dem Elektrolytgemisch nach Anspruch 1 beschichtet wird und dann als Trennfolie zwischen Anode und Kathode unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss eingebaut wird.Of the sixth aspect relates to a method for producing a Lithium-ion cell after one of the second to fifth Aspect, wherein a porous separator film on one or both sides is coated with the electrolyte mixture according to claim 1 and then as separating film between anode and cathode under air and moisture exclusion is installed.

Der zehnte Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung Lithium-Ionen-Batterie, wobei zwei oder mehrere Lithium-Ionen-Zellen nach einem des zweiten bis fünften Aspekts vorzugsweise durch Parallelschaltung verbunden werden.Of the Tenth aspect relates to a method for producing lithium-ion battery, wherein two or more lithium-ion cells after one of the second to fifth aspect, preferably by parallel connection get connected.

Erfindungsgemäße MaßnahmenInventive measures

1. Leitsalze1. Conducting salts

Als Leitsalze kommen nach Lit. 6 (in Lit. 1; Liquid Nonaqueous Electrolytes S. 457-497 ) in Frage:

  • a) Li-Organoborate, z. B. Oxalatoborate, Salizylatoborate u. ä., Chelatoborate
  • b) Li-bis(trifluoromethylsulfonylimide) u. ä. z. B. Li[N(SO2CF3)2], Li[N(SO2(CF2)4(SO2)] und Methide z. B. Li[C(SO2(CF3)3]
  • c) LiPF6, LiPF5(C3F7), LiPF4(CF3)2, LiPF3(CF3)3 u. ä.
Conducting salts are mentioned in Ref. 6 (in Ref. 1; Liquid Nonaqueous Electrolytes pp. 457-497 ) in question:
  • a) Li organoborates, e.g. B. Oxalatoborate, Salizylatoborate u. Ä., Chelatoborates
  • b) Li bis (trifluoromethylsulfonylimide) u. Ä. Li [N (SO 2 CF 3 ) 2 ], Li [N (SO 2 (CF 2 ) 4 (SO 2 )] and methides eg Li [C (SO 2 (CF 3 ) 3 ]
  • c) LiPF 6 , LiPF 5 (C 3 F 7 ), LiPF 4 (CF 3 ) 2 , LiPF 3 (CF 3 ) 3 u. ä.

2. Agrotische Lösungsmittel2. Agrotic solvents

Als aprotische Lösungsmittel können verwendet werden

  • a) Dimethoxyethan, Dimethoxypropan,
  • b) Carbonate wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Monomethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Monoethylcaronat, Diethylcarbonat, Monoisopropylcarbonat, Mono(trifluormethyl)carbonat, Di(trifluormethyl)carbonat, Mono(pentafluorethoxy)carbonat
As aprotic solvents can be used
  • a) dimethoxyethane, dimethoxypropane,
  • b) Carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, monomethyl carbonate, dimethyl carbonate, monoethyl caronate, diethyl carbonate, monoisopropyl carbonate, mono (trifluoromethyl) carbonate, di (trifluoromethyl) carbonate, mono (pentafluoroethoxy) carbonate

3. Komplexierungsmittel3. Complexing agent

Komplexierungsmittel, die z. B. mit den Leitsalzen relativ stabile und elektrisch leitfähige Komplexe bilden, können sein
Polyvinylpyrrolidon, Polyanilin, Polypyrrol mit Molmassen von 3.000 bis 20.000
Die Bestimmung der Molmassen erfolgt nach Lit. 7 ( Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Bd. 20, S. 564/568, Viscometric Method (1992) Verlag VCH, Weinheim ).
Complexing agents z. B. with the conductive salts form relatively stable and electrically conductive complexes may be
Polyvinylpyrrolidone, polyaniline, polypyrrole with molecular weights of 3,000 to 20,000
The molecular weights are determined according to Ref. 7 ( Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. 20, p. 564/568, Viscometric Method (1992) Verlag VCH, Weinheim ).

4. Vorbereitung der Einsatzstoffe4. Preparation of the starting materials

Eine wesentliche Maßnahme zur Qualitätsverbesserung der Lithium-Ionen-Zellen ist die sorgfältige Reinigung aller Einsatzstoffe.

  • a) Elektroden: Cu-Folie, Al-Folie als Ableiter. Die Reinigung erfolgt durch Auftragen einer Ruß- oder Graphitschicht mit ca. 0,1 bis 0,5 μm Dicke und Abbürsten dieser Schicht im Walzenstuhl.
  • b) Anodenmaterial: natürlicher oder synthetischer Graphit Diese Materialien werden im Vakuum bei ca. 1,3 Pa für 1 bis 5 Stunden bei 20 bis 100°C gerührt und das Vakuum durch Eindosieren z. B. von Elektrolyt (siehe 5.) nach dem Abkühlen der entgasten Materialien auf 20 bis 30°C aufgehoben. Auf 100 Gewichtsteile Anodenmaterial werden 1 bis 5 (vorzugsweise 2–3) Gewichtsteile der Lösung zudosiert.
  • c) Kathodenmaterial: Li-interkalierbare Schwermetalloxide wie Co, Ni, Cr, Mo o. ä., sowie deren Gemische und/oder Li-Fe-Phosphat oder Li-V-phosphat werden analog wie die Anodenmaterialien 4b entgast und dann beim Aufheben des Vakuums mit Elektrolyt versetzt.
An essential measure to improve the quality of the lithium-ion cells is the careful cleaning of all starting materials.
  • a) Electrodes: Cu foil, Al foil as arrester. The cleaning is carried out by applying a soot or graphite layer with about 0.1 to 0.5 microns thickness and brushing this layer in the roller mill.
  • b) anode material: natural or synthetic graphite These materials are stirred in vacuo at about 1.3 Pa for 1 to 5 hours at 20 to 100 ° C and the vacuum by metering z. B. of electrolyte (see 5.) after cooling the degassed materials to 20 to 30 ° C repealed. On 100 parts by weight of anode material 1 to 5 (preferably 2-3) parts by weight of the solution are metered.
  • c) cathode material: Li-intercalatable heavy metal oxides such as Co, Ni, Cr, Mo o. Ä., And their mixtures and / or Li-Fe-phosphate or Li-V-phosphate are degassed analogously as the anode materials 4b and then on lifting the Vacuum mixed with electrolyte.

5. Elektrolyt5. electrolyte

Als Elektrolyt dient vorzugsweise ein Gemisch aus Polyvinylpyrrolidon (PVP) und/oder Copolymeren mit LiPF6-, LiPF5R1-, LiPF4(R1)2- oder LiPF3(R1)3-Salzen (R1 = CF3, D2F5, C2F5), Li-bis(trifluormethylsulfonylimide) o. ä. und einem Gemisch aus EC mit DEC (DMC) im Verhältnis 1:1 (DEC = Diethylcarbonat).The electrolyte used is preferably a mixture of polyvinylpyrrolidone (PVP) and / or copolymers with LiPF 6 , LiPF 5 R 1 , LiPF 4 (R 1 ) 2 or LiPF 3 (R 1 ) 3 salts (R 1 = CF 3 , D 2 F 5 , C 2 F 5 ), Li bis (triflu ormethylsulfonylimide) o. Ä., And a mixture of EC with DEC (DMC) in the ratio 1: 1 (DEC = diethyl carbonate).

Die Mengenverhältnisse sind 30 Gewichtsteile PVP, 30 Gewichtsteile Li-Salz, 30 Gewichtsteile EC/DEC (od. 30 Gewichtsteile EC/DMC) und 10 Gewichtsteile MgO (Zement, Silikat) o. ä.). Dieses Elektrolytgemisch wird den entgasten und modifizierten Elektrodenmassen sowie dem Separator in Mengen von 3 bis 30 Gewichtsteilen zugesetzt. Z. B. 93 Gewichtsteile modifizierte Anodenmasse nach 4b (AM mod.) und 7 Gewichtsteile Elektrolytgemisch (4d) aus modifizierter Kathodenmasse nach 4c (KM mod.) mit 90 Gewichtsteilen und 10 Gewichtsteilen Elektrolytgemisch (4d). Das zugesetzte Elektrolytgemisch wird unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss für 3 bis 5 Stunden bei 20 bis 40°C in einer Rührwerksmühle Maxx Mill MM1 intensiv gemischt, tribochemisch verdichtet.The Quantity ratios are 30 parts by weight PVP, 30 parts by weight Li salt, 30 parts by weight EC / DEC (or 30 parts by weight EC / DMC) and 10 parts by weight of MgO (cement, silicate) or the like). This electrolyte mixture is the degassed and modified electrode masses and the Separator added in amounts of 3 to 30 parts by weight. Eg 93 parts by weight modified anode mass according to 4b (AM mod.) And 7 parts by weight of electrolyte mixture (4d) of modified cathode material after 4c (KM mod.) with 90 parts by weight and 10 parts by weight of electrolyte mixture (4d). The added electrolyte mixture becomes air and moisture for 3 to 5 hours at 20 to 40 ° C in a Maxx agitator mill Mill MM1 intensively mixed, tribochemically compacted.

Das Elektrolytgemisch wird dem Separator bei der Extrusionsherstellung in der Masse zugesetzt, gemischt und dann als Extruder-Folie aus dem Extruder abgezogen oder auf die Oberfläche (einseitig oder beidseitig) in Dicken von 5 bis 15 μm auf die saugfähige, poröse Separatoroberfläche aufgetragen.The Electrolyte mixture is the separator in the extrusion production added in bulk, mixed and then extruded as an extruder sheet withdrawn from the extruder or onto the surface (one-sided or both sides) in thicknesses of 5 to 15 μm on the absorbent, applied porous separator surface.

6. Separator6. Separator

Wie oben ausgeführt, ist der erfindungsgemäß verwendete Separator entweder

  • a) eine poröse Polyolefin-Folie mit Dicken von 10 bis 50 μm und Porositäten von 25 bis 50%, Typ Celgard, oder
  • b) ein Extrusionsseparator (vgl. Lit 8; DE 1 2004 044 478 A2 , 0024-0029, Herstellung der Separatorfolie), bestehend aus Polymerbinder, vorzugsweise Polyfluorelastomere, Terpolymere (Dyneon THV 220® o. ä., 3M Corp.) mit 30 bis 40 Gewichtsteilen, aprotischen Lösungsmitteln (entspr. Lit. 6) mit 20 bis 40 Gewichtsteilen, Leitsalzen (Lit 6, S. 461 bis 463) mit 25 bis 29 Gewichtsteilen und Gerüstsubstanz wie Zement, Silikate, Na, K, Ca, Mg, Carbonat, Phosphat, Oxalat u. ä. mit 25 bis 1 Gewichtsteilen.
As stated above, the separator used in the invention is either
  • a) a porous polyolefin film with thicknesses of 10 to 50 microns and porosities of 25 to 50%, type Celgard, or
  • b) an extrusion separator (cf Ref 8; DE 1 2004 044 478 A2 , 0024-0029, production of the separator film), consisting of polymer binder, preferably polyfluoroelastomers, terpolymers (Dyneon THV 220 ® or the like, 3M Corp.) with 30 to 40 parts by weight, aprotic solvents (corresponding to Ref 6) with 20 to 40 parts by weight, Leitsalzen (Lit 6, pp 461-463) with 25 to 29 parts by weight and builder substance such as cement, silicates, Na, K, Ca, Mg, carbonate, phosphate, oxalate u. Ä. With 25 to 1 parts by weight.

Unter 5. wurde ausgeführt, dass das erfindungsgemäße Elektrolytgemisch in Mengen von 3 bis 30 Gewichtsteilen der Separatormasse bei der Extrusion zugesetzt wird. Diese Menge wird im Verhältnis 1:1 von den Gewichtsteilen des aprotischen Lösungsmittels (30 bis 40 Gewichtsteile) sowie von den Gewichtsteilen der Leitsalze (20 bis 40 Gewichtsteile) abgezogen.Under 5. it was stated that the inventive Electrolyte mixture in amounts of from 3 to 30 parts by weight of the separator mass is added during extrusion. This amount is in proportion 1: 1 of the parts by weight of the aprotic solvent (30 to 40 parts by weight) and of the parts by weight of the conductive salts (20 to 40 parts by weight) deducted.

7. Herstellen der erfindungsgemäßen Li-Ionen-Zelle7. Manufacture of the invention Li-ion cell

a) Anodenmasse AM (vgl. 4b) und Anode (Cu-Folie + AM):a) Anode mass AM (see 4b) and anode (Cu foil + AM):

40 Gewichtsteile Graphit (MCMB® Osakagas) und 45 Gewichtsteile Graphit SGB-L® (Kropfmühl AG) werden in einem Vakuummischer bei 50 bis 60°C bei 50 U/Min in einem Vakuum von ca. 1,4 Pa gerührt. Nach 3 Stunden wird das Vakuum durch Eindosieren von 5 Gewichtsteilen einer Lösung vom 0,6 M Li-Oxalatoborat in Ethylencarbonat/Diethylcarbonat (Verhältnis 1:1) aufgehoben.40 parts by weight graphite (MCMB ® Osaka Gas), and 45 parts by weight graphite SGB-L ® (Kropfmühl AG) are stirred in a vacuum mixer at 50 to 60 ° C at 50 U / min in a vacuum of about 1.4 Pa. After 3 hours, the vacuum is removed by metering in 5 parts by weight of a solution of 0.6 M Li-Oxalatoborat in ethylene carbonate / diethyl carbonate (ratio 1: 1).

Nach weiterem Rühren für 1 Stunde bei 30°C werden 10 Gewichtsteile Elektrolytgemisch bestehend aus 3 Gewichtsteilen LiPF5CF3, 3 Gewichtsteilen PVP (Molmasse 15.000), 3 Gewichtsteilen Propylencarbonat und 1 Gewichtsteil MgO zugeführt, nach 1 Stunde unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss bei 30°C gerührt und dann in einer Dicke von 40 bis 55 μm und einer Breite von 150 mm auf eine 160 mm breite Cu-Folie (Gould®) mittels zweier Auftragswalzen (alternativ zu einem Collin Extruder) aufgetragen. Die verwendete Cu-Folie (Dicke 8 μm) wurde durch Abbürsten einer vorher aufgetragenen Ensaco® Ruß-Schicht (ca. 0,5 μm dick) gereinigt.After further stirring for 1 hour at 30 ° C 10 parts by weight of electrolyte mixture consisting of 3 parts by weight of LiPF 5 CF 3 , 3 parts by weight of PVP (molecular weight 15,000), 3 parts by weight of propylene carbonate and 1 part by weight of MgO supplied after 1 hour with exclusion of air and moisture at 30 C. and then applied in a thickness of 40 to 55 .mu.m and a width of 150 mm to a 160 mm wide Cu foil ( Gould® ) by means of two applicator rolls (alternative to a Collin extruder). The Cu foil (thickness 8 microns) used was ® by brushing a pre-coated carbon black Ensaco-layer chromatography (about 0.5 micron thick).

b) Kathodemasse KM (vgl. 4c) und Kathode (geprimerte Al Folie + KM):b) cathode compound KM (see 4c) and cathode (primed Al foil + KM):

85 Gewichtsteile Li-Fe-Phosphat (gecoatet, Südchemie) werden entspr. 7a entgast und mit 5 G. T. einer 0,6 M Lioxalatoborat-Lösung versetzt. Dann werden analog zu 7a 10 Gewichtsteile eines erfindungsgemäßen Elektrolytgemisches bestehend aus: 3 Gewichtsteilen LiPF4(CF3)2, 3 Gewichtsteilen PVP (Molmasse 8.000 bis 10.000, 3 Gewichtsteilen Propylencarbonat und 1 Gewichtsteile Li-Carbonat zugefügt und unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss (analog zu 7a) verarbeitet und in einer Dicke von 45 bis 55 μm auf eine geprimerte Al-Folie (Dicke 10 bis 11 μm) und einer Breite von 155 mm aufgetragen.85 parts by weight of Li-Fe-phosphate (coated, Südchemie) are ent. 7a degassed and treated with 5 GT of a 0.6 M Lioxalatoborat solution. Then, analogously to 7a, 10 parts by weight of an electrolyte mixture according to the invention comprising: 3 parts by weight LiPF 4 (CF 3 ) 2 , 3 parts by weight PVP (molecular weight 8,000 to 10,000, 3 parts by weight propylene carbonate and 1 part by weight Li carbonate added and with exclusion of air and moisture (analog to 7a) and applied to a primed Al foil (thickness 10 to 11 μm) and a width of 155 mm in a thickness of 45 to 55 μm.

c) Primerschicht für die Alu Folie (Kathode)c) primer layer for the aluminum Foil (cathode)

Die Primerschicht besteht aus einer Mischung von 30 bis 60 Gew.-% elektrisch leitfähigem Ruß, Graphit o. ä., vorzugsweise Ensaco®, und einen Fluorterpolymer, vorzugsweise Dyneon THV 220 o. ä.. Die Herstellung der Primerschicht erfolgt durch Auftragen einer ca. 10% wässrigen Dispersion z. B. von Dyneon THV 220 D und Ensaco-Ruß, wobei der Rußanteil bezogen auf den Feststoffanteil in der Dispersion 50 Gew.-% beträgt. Als Dispergator dient z. B. Perfluoroktonat. Die Dispersion ist mit NH4OH auf einem pH von ca. 8 bis 8,5 eingestellt. Als Verteilungsmittel wird 1 Gew.-% PVP (Molmasse 7.000 bis 9.000) verwendet.The primer layer is composed of a mixture of 30 to 60 wt .-% of electrically conductive carbon black, graphite o. Ä., Preferably Ensaco ®, and a fluoroterpolymer, preferably Dyneon THV 220 o. Ä .. The preparation of the primer layer is carried out by applying a ca 10% aqueous dispersion z. B. of Dyneon THV 220 D and Ensaco carbon black, wherein the carbon black content based on the solids content in the dispersion is 50 wt .-%. As a dispersant z. B. perfluorooctonate. The dispersion is adjusted to a pH of about 8 to 8.5 with NH 4 OH. The distribution medium used is 1% by weight of PVP (molar mass 7,000 to 9,000).

Die Primerdispersion wird auf die gereinigte Al-Folie aufgebracht und bei Temperaturen von 100 bis 150°C im Vakuum getrocknet. Die Dicke der Primerschicht beträgt 0,5 bis 1,5 μm. Die Breite des Primers auf der 160 mm breiten Al-Folie beträgt 157 mm.The Primer dispersion is applied to the cleaned Al foil and dried at temperatures of 100 to 150 ° C in a vacuum. The thickness of the primer layer is 0.5 to 1.5 microns. The width of the primer on the 160 mm wide Al foil is 157 mm.

d) Separator (vgl. 6) Folie mit Elektrolytaufstrich d) Separator (see 6) Foil with electrolyte coating

Eine Separatorfolie bestehend aus 30 Gewichtsteilen Perfluorelastomeren (Dyneon, Kynar o. a.), 30 Gewichtsteilen EC/DEC (Verhältnis 1:1), 30 Gewichtsteilen Leitsalzen: KPF6/Li-Oxalatoborat (Gewichtsverhältnis 1:1) und 20 Gewichtsteilen Zement (Portland-Dyckerhoff) mit einer Dicke von 30 bis 35 μm und einer Porosität von ca. 40% wird extrudiert und über Stachelwalzen konditioniert.A separator film consisting of 30 parts by weight of perfluoroelastomers (Dyneon, Kynar, etc.), 30 parts by weight of EC / DEC (ratio 1: 1), 30 parts by weight of conductive salts: KPF 6 / Li-oxalatoborate (weight ratio 1: 1) and 20 parts by weight of cement (Portland-Dyckerhoff ) with a thickness of 30 to 35 microns and a porosity of about 40% is extruded and conditioned via spiked rollers.

Dieser Separator wurde mit einer dünnen Schicht Elektrolytgemisch bestehend aus 30 Gewichtsteilen PVP (Molmasse 20 bis 22.000), 30 Gewichtsteilen LiPF3(CF3)3, 30 Gewichtsteilen EC/DEC (Verhältnis 1:1) und 10 Gewichtsteilen Zement unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss einseitig mit einer Auftragsdicke von 1 bis 3 μm bestrichen. Anschließend wurde der Separator zwischen Anode und Kathode angeordnet und zwar so, dass die Cu-Folie und Al-Folie jeweils die Außenfolien des Laminates waren und das aufgetragene Elektrolytgemisch anodenseitig angeordnet war.This separator was made with a thin layer of electrolyte mixture consisting of 30 parts by weight of PVP (molecular weight 20 to 22,000), 30 parts by weight of LiPF 3 (CF 3 ) 3 , 30 parts by weight of EC / DEC (ratio 1: 1) and 10 parts by weight of cement under air and moisture exclusion coated on one side with an application thickness of 1 to 3 μm. Subsequently, the separator between the anode and cathode was arranged in such a way that the Cu film and Al foil were each the outer films of the laminate and the applied electrolyte mixture was arranged on the anode side.

e) Separator (vgl. 6 und 7d), eingearbeitetes Elektrolytgemische) Separator (see Figures 6 and 7d), incorporated electrolyte mixture

Das Separatorgemisch entsprechend 7d wurde mit 10 Gewichtsteilen Elektrolytgemisch bestehend aus
3 Gewichtsteilen PVP (Molmasse 7.000 bis 9.000)
3 Gewichtsteilen LiPF3(CF3)3
3 Gewichtsteilen EC/DEC (Verhältnis 1:1) und
1 Gewichtsteil Li-Carbonat
versetzt, bei 30 bis 40°C eingemischt, dann dem Extruder zugeführt (Collin-Zweiwellenextruder) und bei 80 bis 90°C extrudiert und als ca. 45 bis 48 μm starke Folie ausgetragen. Alle Arbeiten erfolgten unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss.
The separator mixture according to 7d was composed of 10 parts by weight of electrolyte mixture
3 parts by weight of PVP (molar mass 7,000 to 9,000)
3 parts by weight of LiPF 3 (CF 3 ) 3
3 parts by weight EC / DEC (ratio 1: 1) and
1 part by weight of Li carbonate
added mixed at 30 to 40 ° C, then fed to the extruder (Collin twin-screw extruder) and extruded at 80 to 90 ° C and discharged as a 45 to 48 microns thick film. All work was done under air and moisture exclusion.

Zur Weiterverarbeitung wurde die Separatorfolie, als Trennfolie mit Anoden- und Kathodenfolie zum Trilaminat kombiniert und als Wickelzelle gewickelt.to Further processing was the Separatorfolie, as a release film with Anode and cathode foil combined to trilaminate and as a wound cell wound.

8. Zellen- und Batterieherstellung8. Cell and battery production

Die hergestellten Anoden und Kathoden werden mit den jeweiligen Separatortypen (als Zwischenlage) zu Trilaminaten kombiniert, über einen speziellen Hohldorn-(Wickelröhre), über einen Volldorn oder ohne Dorn gewickelt, eingehaust und kontaktiert, vorzugsweise durch Metallspritzen. Beim Verwenden der Wickelröhre erfolgt das Kontaktieren mit Stöpsel- oder Polschrauben und dann zur Fixierung mit anschließendem Metallspritzen. Abschließend erfolgt das Verlöten der Zelle. Nach Bedarf wird die Zelle evakuiert und u. U. noch mit Elektrolyt befüllt (1 M LiPF6 in DEC, oder LiPFn(R)m; n = 1 bis 5, m = G-n, R = CF3, C2F5, C3F7). Als Endstufe liegen noch zu formierende Lithium-Ionen-Zellen vor, die nach Bedarf vorzugsweise parallel zu Li-Ionen-Batterien geschaltet werden.The anodes and cathodes produced are combined with the respective separator types (as intermediate layer) to form trilaminates, wound over a special hollow mandrel (winding tube), wound over a mandrel or without a mandrel, enclosed and contacted, preferably by metal spraying. When using the winding tube contacting with plug or pole screws and then fixation followed by metal spraying. Finally, the soldering of the cell. If necessary, the cell is evacuated and u. U. filled with electrolyte (1 M LiPF 6 in DEC, or LiPF n (R) m , n = 1 to 5, m = Gn, R = CF 3 , C 2 F 5 , C 3 F 7 ). The final stage is still to be formed lithium-ion cells, which are preferably connected as needed parallel to Li-ion batteries.

Im Folgenden werden die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der erhaltenen Lithium-Ionen-Zellen aufgeführt. Dabei wurden die entsprechenden Messungen jeweils an wie oben beschrieben formierten Zellen durchgeführt.in the Following are the physical and electrical properties listed lithium ion cells listed. Were the respective measurements were respectively formed as described above Cells performed.

Physikalische Eigenschaften:Physical Properties:

  • Durchmesser: 32 mmDiameter: 32 mm
  • Höhe (ohne Enden): 160 mmHeight (without ends): 160 mm
  • Gewicht: 295 gWeight: 295 g
  • Volumen (ohne Enden): 120 cm3 Volume (without ends): 120 cm 3
  • Gehäusematerial: rostfreier StahlHousing material: stainless steel

Elektrische Eigenschaften:Electrical Properties:

  • Spezifische Leistung (30 s Impulsentladung): 1.600 W/kgSpecific power (30 s impulse discharge): 1,600 W / kg
  • Leistungsdichte (30 s Impulsentladung): 3.900 W/IPower density (30 s impulse discharge): 3,900 W / I
  • Nominalspannung: 3,6 VNominal voltage: 3.6V
  • Nominalkapazität bei 0,3 C: 6 AhNominal capacity at 0.3 C: 6 Ah
  • Spezifische Energie: 80 Wh/kgSpecific energy: 80 Wh / kg
  • Energiedichte: 200 bis 250 Wh/I Energy density: 200 to 250 Wh / I

9. Formation9th formation

Die Formation der Zellen erfolgt mit einem konstanten Strom von 0,60 A bis zu einem Potential von 4,2 V und anschließend bei konstantem Potenzial von 4,2 V, bis der Strom auf < 0,12 A gefallen ist (CCCV = constant current constant voltage). Die Entladung findet mit 0,60 A bis zur unteren Spannungsgrenze von 3,0 V statt. Im Anschluss werden zur Qualitätssicherung und Kapazitätsbestimmung zwei weitere Zyklen durchgeführt. Die Ladung geschieht mit 1,8 A bis 4,2 V und bei konstantem Potenzial, bis der Strom unter 0,18 A gefallen ist. Die Entladung erfolgt mit 1,8 A bis zur Schlussspannung von 3,0 V.The Formation of the cells takes place with a constant current of 0.60 A up to a potential of 4.2V and then at constant potential of 4.2V until the current drops to <0.12A is (CCCV = constant current constant voltage). The discharge finds with 0.60 A to the lower voltage limit of 3.0V instead. In connection be used for quality assurance and capacity determination two more cycles performed. The charge happens with 1.8 A to 4.2 V and at constant potential until the current is below 0.18 A has fallen. The discharge takes place with 1.8 A until the final voltage of 3.0 V.

10. Zyklendaten10th cycle data

Um die Zyklenstabilität der formierten Zellen (vgl. oben 9.) zu messen, wird diese mit 3 A bei 4,2 V geladen, dann wird in einer Konstantpotenzialphase bei 4,2 V nachgeladen, bis der Strom auf unter 0,3 A gefallen ist. Die Entladung erfolgt mit 4,8 A, die untere Abschaltspannung beträgt 3,0 V. Die gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltene Lithium-Ionen-Zelle zeichnet sich durch eine hohe Zyklenbeständigkeit aus, d. h. die spezifische Kapazität nimmt selbst über große Zyklenzahlen nur unbedeutsam ab. Es werden über 900 Zyklen (Raumtemperatur) bei einem „Fading” < 0,2% erreicht.To measure the cycle stability of the formed cells (see 9. above), it is charged with 3 A at 4.2 V, then recharged in a constant potential phase at 4.2 V until the current drops below 0.3 A is. The discharge takes place at 4.8 A, the lower cut-off voltage is 3.0 V. The lithium-ion cell obtained according to the present invention is characterized by a high cycle stability out, ie the specific capacity decreases only insignificantly even over large numbers of cycles. More than 900 cycles (room temperature) are achieved with a fading <0.2%.

11. Sicherheitsverhalten Lit. 9 (Lithium Ion Batteries edit. M. Wakihara, O. Yamamoto p 83–94, 4,3 safety (1998) VCH, Weinheim)11. Safety behavior Ref. 9 (Lithium Ion Batteries edit. M. Wakihara, O. Yamamoto p 83-94, 4,3 safety (1998) VCH, Weinheim)

Die Sicherheitstests entsprechend der Lit. 9 werden bestanden, d. h.

  • • keine Leckage, kein Austreten von Elektrolyt
  • • das Sicherheitsventil (Berstscheibe) öffnet ohne Explosion oder Flammen
  • • der „Nail-Penetrations-Test” (Einschlagen eines Nagels in die Zelle ohne Explosion) wird bestanden
  • • kein Kurzschluss, weder beim Lagern bis 155°C, noch bei Tieftemperatur bis –30°C (Stabilitätstest)
  • • externer Kurzschluss: kein Rauch, kein Feuer.
The safety tests according to Ref. 9 are passed, ie
  • • no leakage, no leakage of electrolyte
  • • the safety valve (rupture disc) opens without explosion or flames
  • • passes the Nail Penetration Test (knocking a nail into the cell without explosion)
  • • no short circuit, neither at storage up to 155 ° C, nor at low temperature down to -30 ° C (stability test)
  • • external short circuit: no smoke, no fire.

12. Belastungstest bei Raumtemperatur12. Stress test at room temperature

Die Ladung der formierten Zellen erfolgt mit 6 A bis 4,2 V, in einer Konstantpotenzialphase wird bei 4,2 V nachgeladen, bis der Strom auf unter 0,6 A gefallen ist. Die Entladung erfolgt bei unterschiedlichen Strömen zwischen 6 A (1 C) und 126 A (21 C). Die untere Abschaltspannung beträgt 2,7 V.The Charge of the formed cells takes place with 6 A to 4.2 V, in one Constant potential phase is recharged at 4.2 V until the current fell below 0.6A. The discharge takes place at different Currents between 6 A (1 C) and 126 A (21 C). The lower one Shutdown voltage is 2.7 V.

Dabei zeigt sich über einen breiten Bereich der Entladekapazität nur ein geringes Absinken des Spannungswerts.there shows over a wide range of discharge capacity only a slight decrease in the voltage value.

Entladen bei verschiedenen Temperaturen.Discharging at different temperatures.

Dieser Test wurde analog durchgeführt, wobei Entladeprofile für unterschiedliche Betriebstemperaturen bei einer konstanten Entladungsrate von C/2 gemessen wurden. Dabei zeigen die erfindungsgemäßen Zellen selbst bei sehr tiefen und vergleichsweise hohen Temperaturen hervorragende Spannungscharakteristiken (< 30°C bei + 60°C), wie in 1 gezeigt wird.This test was carried out analogously, wherein discharge profiles for different operating temperatures at a constant discharge rate of C / 2 were measured. The cells according to the invention exhibit excellent voltage characteristics even at very low and comparatively high temperatures (<30 ° C. at + 60 ° C.), as in 1 will be shown.

Belastungsteststress test

Für die wie oben hergestellten Zellen gemäß der vorliegenden Erfindung wurde für verschiedene Temperaturen das Verhältnis zwischen dem Strom einerseits und der durchschnittlichen Spannung während der Entladung andererseits bestimmt. Die in 1 gezeigten Ergebnisse veranschaulichen die hervorragenden Eigenschaften der erfindungsgemäßen Batterien hinsichtlich einer bei hoher Temperatur über einen großen Bereich des Stromwerts sich nur geringfügig verändernden durchschnittlichen Spannung.For the cells prepared according to the present invention as above, the relationship between the current on the one hand and the average voltage during the discharge on the other hand was determined for different temperatures. In the 1 The results shown illustrate the excellent characteristics of the batteries according to the invention with respect to a high voltage over a wide range of the current value, only slightly changing average voltage.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Elektrolytgemisch, bestehend aus: a) Polyvinylpyrrolidon Homo- und/oder Copolymeren und/oder Polyanilin und/oder Polypyrrol mit Molmassen von 3.000 bis 20.000 in Mengen von 20 bis 50 Gewichtsprozent, b) einem Leitsalz, vorzugsweise auf Basis von LiPF6, LiPF5R1, LiPF4(R1)2, LiPF3(R1)3, (R1 = CF3, C2F5, C3F7) in Mengen von 20 bis 10 Gewichtsprozent, c) einem aprotischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch von Dimethoxyethan, Ethylencarbonat, Propylencarbonat oder Alkylcarbonat in Mengen von 30 bis 20 Gewichtsprozent, und d) einem mineralischen Zusatz wie einem Oxid, Carbonat, Oxalat, Silicat und/oder Borat von Li, Na, K, Ca, Mg, und/oder Zement in Mengen von 30 bis 20 Gewichtsprozent, wobei die Gewichtsprozent jeweils auf die Gesamtmenge des Elektrolytgemisches bezogen sind.Electrolyte mixture consisting of: a) polyvinylpyrrolidone homopolymers and / or copolymers and / or polyaniline and / or polypyrrole having molecular weights of from 3,000 to 20,000 in amounts of from 20 to 50 percent by weight, b) a conductive salt, preferably based on LiPF 6 , LiPF 5 R 1 , LiPF 4 (R 1 ) 2 , LiPF 3 (R 1 ) 3 , (R 1 = CF 3 , C 2 F 5 , C 3 F 7 ) in amounts of 20 to 10 weight percent, c) an aprotic solvent or Solvent mixture of dimethoxyethane, ethylene carbonate, propylene carbonate or alkyl carbonate in amounts of 30 to 20 weight percent, and d) a mineral additive such as an oxide, carbonate, oxalate, silicate and / or borate of Li, Na, K, Ca, Mg, and / or Cement in amounts of 30 to 20 weight percent, wherein the weight percent are based on the total amount of the electrolyte mixture. Lithium-Ionen-Zelle bestehend aus Anode, Kathode und Separator, dadurch gekennzeichnet, dass Anode und Kathode ein Elektrolytgemisch nach Anspruch 1 enthalten.Lithium-ion cell consisting of anode, cathode and separator, characterized in that the anode and cathode a Electrolyte mixture according to claim 1 included. Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator ein Elektrolytgemisch nach Anspruch 1 enthält.Lithium-ion cell according to claim 2, characterized in that the separator contains an electrolyte mixture according to claim 1. Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytgemisch in Mengen von 3 bis 30 Gewichtsteilen in Anode und Kathode enthalten ist.Lithium-ion cell according to claim 2, characterized in that that the electrolyte mixture in amounts of 3 to 30 parts by weight contained in anode and cathode. Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytgemisch in Mengen von 3 bis 30 Gewichtsteilen im Separator enthalten ist.Lithium-ion cell according to claim 3, characterized in that that the electrolyte mixture in amounts of 3 to 30 parts by weight contained in the separator. Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch wirksame Anodenmasse, d. h. ein Li-interkalierbarer natürlicher oder synthetischer Graphit bei Temperaturen von 20 bis 100°C und Drücken von 0,1 bis 2 Pa entgast wird und das Vakuum durch Zugabe des Elektrolytgemisches nach Anspruch 1 aufgehoben wird und diese Anodenmasse unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss intensiv gerührt und tribochemisch verdichtet wird, wobei das anschließende Aufbringen der Anodenmasse als 20 bis 50 μm dicke Schicht auf den gereinigten Cu-Ableiter (Gould-Folie) ebenfalls unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss erfolgt.Process for producing a lithium-ion cell according to one of claims 2 to 5, characterized, that an electrically effective anode mass, d. H. a Li-intercalator natural or synthetic graphite at temperatures degassed from 20 to 100 ° C and pressures of 0.1 to 2 Pa is and the vacuum by adding the electrolyte mixture according to claim 1 and this anode mass under air and moisture exclusion intensively stirred and densified tribochemically, in which the subsequent application of the anode material as 20 to 50 μm thick layer on the cleaned Cu arrester (Gould foil) also with exclusion of air and moisture. Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrochemisch wirksame Kathodenmasse, d. h. Li-interkalierbare Schwermetalloxide oder Gemische von Co, Ni, Cr, Mn, Mo u. ä. sowie Li-Fe-Phosphat und/oder Li-V-Phosphat bei Temperaturen von 20 bis 100°C und Drücken von 0,1 bis 2 Pa entgast wird und dann zu der Kathodenmasse unter Aufhebung des Vakuums das Elektrolytgemisch nach Anspruch 1 zudosiert wird, intensiv gerührt (tribochemisch verdichtet) wird und unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss verarbeitet und auch als 20 bis 50 μm dicke Schicht auf eine geprimerte Al-Folie aufgebracht wird.Process for producing a lithium-ion cell according to one of claims 2 to 5, characterized that an electrochemically effective cathode material, i. H. Li-intercalatable heavy metal oxides or mixtures of Co, Ni, Cr, Mn, Mo u. Ä. And Li-Fe phosphate and / or Li-V-phosphate at temperatures of 20 to 100 ° C. and degassing from 0.1 to 2 Pa and then to the Cathode composition under the vacuum, the electrolyte mixture is added according to claim 1, stirred vigorously (tribochemically compressed) and processed under exclusion of air and moisture and also as a 20 to 50 micron thick layer on a primed Al foil is applied. Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Separatormasse aus 30 bis 40 Gew.-% Perfluorelastomeren, 20 bis 40 Gew.-% aprotischen Lösungsmitteln, 20 bis 24 Gew.-% Leitsalzen und 25 bis 1 Gew.-% Gerüstsubstanzen wie Zement, Silikaten, Na, K, Ca, Mg Carbonaten mit dem Elektrolytgemisch nach Anspruch 1 versetzt wird und unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss intensiv vermischt und dann in Dicken von 20 bis 50 μm als Folie extrudiert oder aufgetragen wird.Process for producing a lithium-ion cell according to one of claims 2 to 5, characterized a separator mass consisting of 30 to 40% by weight of perfluoroelastomers, 20 to 40% by weight of aprotic solvents, 20 to 24% by weight Conducting salts and 25 to 1 wt .-% builders such as cement, Silicates, Na, K, Ca, Mg carbonates with the electrolyte mixture after Claim 1 is added and under exclusion of air and moisture intensively mixed and then in thicknesses of 20 to 50 microns extruded or applied as a film. Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine poröse Separatorfolie ein- oder beidseitig mit dem Elektrolytgemisch nach Anspruch 1 beschichtet wird und dann als Trennfolie zwischen Anode und Kathode unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss eingebaut wird.Process for producing a lithium-ion cell according to one of claims 2 to 5, characterized that a porous Separatorfolie one or both sides with the electrolyte mixture according to claim 1 is coated and then as separating film between anode and cathode under air and moisture exclusion is installed. Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Lithium-Ionen-Zellen nach einem der Ansprüche 2 bis 5 vorzugsweise durch Parallelschaltung verbunden werden.Method for producing a lithium-ion battery, characterized in that two or more lithium-ion cells according to one of claims 2 to 5, preferably by parallel connection get connected.
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