DE202012010789U1

DE202012010789U1 - Elektrisches Fahrzeugantriebssystem unter Verwendung wiederaufladbarer elektrochemischer Festkörperzellen

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Publication number: DE202012010789U1
Application number: DE202012010789U
Authority: DE
Original assignee: Sakti3 Inc
Current assignee: Sakti3 Inc
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2022-11-09
Also published as: US20150214573A1; US9123969B2; US8492023B2; US20130288084A1; US20140072837A1; US8623543B2; US9419303B2; US20160344065A1; US9929440B2; US20120058377A1; US20130059172A1; US8889285B2; US8357464B2; CN203503747U; US20150372346A1

Abstract

System, umfassend mehrere wiederaufladbare Festkörperbatteriezellen, die konfiguriert sind, einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs anzutreiben oder eine andere Anwendung anzutreiben, wobei das System umfasst: ein Substrat, wobei das Substrat eine Oberflächenregion umfasst; wenigstens eine elektrochemische Zelle, die so ausgebildet ist, dass sie die Oberfläche des Substrats überlagert, wobei die elektrochemische Zelle umfasst ein Positivelektrodenmaterial, das ein Übergangsmetalloxid oder ein Übergangsmetallphosphat umfasst; eine Festkörperschicht aus einem Keramik-, Polymer- oder Glasmaterial, die konfiguriert ist, Lithium- oder Magnesium-Ionen während eines Ladungs- oder Entladungsvorgangs zu leiten; und ein Negativelektrodenmaterial, das zum elektrochemischen Einfügen oder Plattieren von Ionen während des Ladungs- oder Entladungsvorgangs konfiguriert ist; und ein elektrisch leitfähiges Material, das mit dem Positivelektrodenmaterial gekoppelt ist und ohne Kontakt mit dem Negativelektrodenmaterial ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Flüssigkeits- und partikelbasierte Energiespeichersysteme sind bekannt. Das heißt, wiederaufladbare elektrochemische Speichersysteme sind schon lange in Automobil- und Transportanwendungen verwendet worden, einschließlich Passagierfahrzeugen, Flottenfahrzeugen, elektrischen Fahrrädern, elektrischen Roller, Robotern, Rollstühlen, Flugzeugen, Unterwasserfahrzeugen und autonomen Drohnen. Wiederaufladbare elektrochemische Speichersysteme mit Flüssigkeits- oder Gelelektrolyten werden allgemein in diesen Anwendungen verwendet, um ihre relativ hohe Ionendiffusivitätseigenschaften auszunutzen. Verschiedene Anoden- und Kathodenhalbzellenreaktionen sind angewandt worden, die in gewöhnliche Bleisäure, Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metall-Hydrid (NiMH) und Lithium-Ionen (Li-Ionen) kategorisiert werden können.
Gewöhnliche Bleisäure-Batterien enthalten Elektroden aus elementarem Blei (Pb) und Bleioxid (PbO₂), die in ein flüssiges Elektrolyt aus Schwefelsäure (H₂SO₄) eingetaucht sind. Wiederaufladbare NiMH-Batterien bestehen typischerweise aus Elektroden, die in ein flüssiges alkalisches Elektrolyt eingetaucht sind, wie Kaliumhydroxid. Gewöhnlichster Typ wiederaufladbarer Li-Ionenbatterien besteht typischerweise aus Elektroden, die in ein organisches Lösungsmittel, wie Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat und Diethylcarbonat eingetaucht sind, die gelöste Lithiumsalze sowie LiPF₆, LiBF₄ oder LiClO₄ enthalten. In Lithium-Ionen-Polymer-Batterien wird das Lithiumsalzelektrolyt nicht in einem organischen Lösungsmittel gehalten, sondern in einem festen Polymerkomposit, so wie Polyethylenoxid oder Polyacrylnitril.
Flüssige Elektrolyte erfordern allgemein einen nicht leitenden Separator, um den Kurzschluss der wiederaufladbaren Batteriezellen zu vermeiden. Mikroporöse Polymerseparatoren werden für gewöhnlich in Verbindung mit flüssigen Elektrolyten verwendet, sodass Lithium-Ionen durch den Separator zwischen den Elektroden passieren können, ohne das Elektronen geleitet werden. Allerdings sind diese Separatoren relativ teuer, sind Quelle von Fehlern und beeinträchtigen die Energiedichte des fertigen Produkts.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Techniken bereitgestellt, die sich auf eine wiederaufladbare Festkörperbatterie und einen Fahrzeugantrieb beziehen. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein System für eine wiederaufladbare Festkörperbatterie und ein Fahrzeugantriebssystem bereit, das durch die Batterie angetrieben wird. Nur als Beispiel wurde die Erfindung auf ein Fahrzeugantriebssystem angewandt, es kann aber verschiedene andere Anwendungen geben.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung wird ein Transportsystem wenigstens zum Teil durch Elektrizität angetrieben, die in der Form wiederaufladbarer elektrochemischer Zellen gespeichert ist, wobei diese Zellen:

– eine spezifische volumenbezogene Energiedichte von wenigstens 300 Wh/L erreichen und ein Nennfassungsvermögen von wenigstens 1 Amperestunde aufweisen,
– ein Kathodenmaterial enthalten, das aus einer Phosphat- oder Oxidkomponente besteht, die eine erhebliche Lithium- oder Magnesiumeinlagerung erreichen kann,
– Anodenmaterial enthalten, das aus einem kohlenstoffhaltigen, Silicium-, Zinn-, Lithiummetall oder anderem Material besteht, das Lithium oder Magnesium plattieren oder einlagern kann,
– ein festes Elektrolyt enthalten, das aus einem Phosphat oder einer Keramik besteht,
– auf einem Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren hergestellt werden.

Gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung sind diese Zellen in Reihe und parallel verbunden, so dass sie eine Packung bilden, die durch Ladungs- und Entladungssteuerschaltungen gesteuert wird, die mit Algorithmen zum Überwachen des Ladezustands, der Batterielebenszeit und der Batteriegesundheit programmiert sind.
Diese Erfindung kann in einem Hybridfahrzeugantriebsstrang eingebaut sein, einschließlich Vollhybrid, Mildhybrid und ans Stromnetz anschließbaren Hybriden. Diese Erfindung kann auch mit verschiedenen Antriebsstrangstrukturen verwendet werden, einschließlich Parallelhybride, Reihenhybride, leistungsverzweigte und Reihenparallelhybride.
Auch wenn die oben stehende Erfindung in einem Fahrzeug angewendet worden ist, kann das oben Stehende auch in jeder Mobilcomputervorrichtung einschließlich aber nicht beschränkt auf Smartphones, Tablet-Computer, mobile Computer, Videospielgeräte, MP3-Musikplayer, Sprachaufzeichnungsgeräte, Bewegungsdetektoren angewandt werden. Beleuchtungssysteme, die eine Batterie, LED oder eine andere organische Lichtquelle umfassen, und Solarmodule können auch angewandt werden. Des weiteren können Luftfahrt- und Militäranwendungen, so wie Anlassermotoren, Hilfsenergiesysteme, Satellitenenergiequellen, Mikrosensorvorrichtungen und Energiequellen für unbemannte Luftfahrzeuge, angewandt werden.
Die möglichen Vorteile von Festkörperbatterien mit keramischen Separatoren sind über ein Jahrzehnt lang diskutiert worden, aber bis jetzt haben nur wenige dieses Produkt wirklich kommerzialisiert. Eine Herausforderung, die die Kommerzialisierung dieses Produkts plagt, ist die Entwicklung von Produktgestaltungsparametern mit hoher Leistungsfähigkeit. Eine andere Herausforderung, die bisher nicht bewältigt worden ist, ist die Entwicklung eines Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahrens, das benötigt wird, um Festkörperbatterien mit größeren Formatgrößen (mehr als 1/10 Amperstunden) herzustellen und sie einzudrehen und in ein Format zu packen, das Produkte betreiben kann, die mehr als 1 Mikroampere elektrischen Stroms erfordern.
Die Gestaltung einer Festkörperbatteriezelle, die in einem Maßstab produziert werden kann, ist durch das Fehlen eines Computergestaltungswerkzeugs und die hohen Kapitalauslagen beschränkt, die benötigt werden, um durch ein Versuch-und-Irrtum-Verfahren nahe an eine optimierte Gestaltung zu gelangen. Diese Erfindung wurde nach Jahren Arbeit und Millionen von Dollar Investition produktisiert.
Die Erfinder haben einen Computergestaltungswerkzeugsatz fertiggestellt, der physikbasierte Codes und Optimierungsalgorithmen verwendet, um zu einem Satz optimierter Gestaltungen von Festkörperbatterien zu kommen, die speziell zur Verwendung in einer Anzahl von Anwendungen gestaltet sind. Ein Beispiel eines solchen Werkzeugs wurde in US-Seriennummer 12/484,959 beschrieben, das am 15. Juni 2009 angemeldet und mit ”Computational Method for Design and Manufacture of Electrochemical Systems” (deutsch: ”Computerverfahren zur Gestaltung und Herstellung von elektrochemischen Systemen”) betitelt ist, das auf den selben Anmelder angemeldet ist, und hierin durch Referenz hiermit eingefügt ist. Ohne diese Werkzeuge wäre es schwierig, wenn nicht unmöglich, die optimalen Materialien und Schichtdicken für das Substrat, den Kathodenstromsammler, die Kathode, das Festkörperelektrolyt, die Anode und den Anodenstromsammler zu berechnen. Dies ist das einzige Gestaltungswerk seiner Art, das computergestützt erstellt wurde und experimentell verifiziert wurde, und ein optimaler Satz von Gestaltungen wurde nach Jahren Arbeit und Evaluation von buchstäblich Millionen von möglichen Festkörperbatteriegestaltungen erzeugt.
Die Ergebnisse der Erfindung sind eine Festkörperbatterie, die eine Energiedichte über 300 Wh/L aufweist. Auch wenn dies unter Verwendung einiger Batteriesysteme erreicht wurde, die mit Flüssig- oder Gelelektrolyten gestaltet sind, sind keine Festkörperbatterien mit Keramikelektrolyten diesem Wert an Energiedichte ansatzweise nahegekommen. Des Weiteren beseitigen die Keramikelekrolyte und die Gestaltung, die von Sakti 3 verwendet wird, das Auftreten von Lithiumdendriten und anderen unerwünschten Reaktionen, die zwischen dem Flüssigkeits- oder Gelelektrolyt und den Batteriematerialien in gewöhnlichen Lithiumbatterien auftreten. Zusätzlich beseitigt das feste Keramikelektrolyt, das in dieser Erfindung verwendet wird, auch das Auftreten interner Kurzschlüsse, die ein hauptsächlicher Versagensmechanismus in Lithium-Ionenbatteriezellen sind, die einen Polymerseparator verwenden.
Auch wenn Toyota und andere kürzlich behaupteten, an Festkörperbatterien zu arbeiten, war niemand in der Lage, eine Gestaltung zu erreichen, die nahe daran ist, in der Lage zu sein, die Reife, die für ein Produkt benötigt wird, zu erreichen. Beispielsweise wurden die Batterien, die von Toyota produziert worden sind, kürzlich unter Verwendung eines Niedrigratensputterverfahrens mit den gleichen Materialien, die in konventionell erzeugten Flüssigkeitselektrolyt-Lithium-Ionenbatterien seit über 15 Jahren verwendet worden sind. Die Toyotagestaltung war eine 4'' mal 4'' Zelle mit positiven und negativen Elektrolyten, wobei die aktiven Materialien gemäß Nikkei Elektronics Lithiumkobaltoxid und Graphit waren.
Die vorliegende Erfindung erreicht diese und andere Vorteile im Zusammenhang mit bekannter Verfahrenstechnologie. Allerdings kann ein weiteres Verstehen der Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung durch Bezug auf letztere Teile der Beschreibung und beigefügten Zeichnungen verwirklicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsabbildung einer derzeitigen Festkörperbatteriezelle des Standes der Technik;
2 ist eine Überkopfabbildung einer derzeitigen Festkörperbatteriezelle des Standes der Technik;
3 ist eine Querschnittsabbildung einer derzeitigen Partikelbatteriezelle des Standes der Technik;
4 ist eine schematische Abbildung eines Fahrzeugs, das einen elektrifizierten Antriebsstrang und ein zugeordnetes elektrisches Energiespeichersystem umfasst;
5A ist eine vereinfachte Zeichnung einer eingedrehten Festkörperbatteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5B ist eine vereinfachte Zeichnung einer eingedrehten Festkörperbatteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die in einen nicht-zylindrischen Behälterquerschnitt komprimiert ist;
6 ist eine vereinfachte Querschnittsabbildung einer Festkörperbatteriezelle; und
7 ist ein Ragone-Diagramm, das die simulierte Energiedichte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein weiteres Problem bei der Verwendung von organischem Lösungsmittel in dem Elektrolyt ist, dass diese Lösungsmittel sich während eines Ladens oder Entladens zersetzen können. Wenn entsprechend gemessen, zersetzen sich die organischen Lösungsmittelelektrolyte nach der Anfangsladung und bilden eine feste Schicht, die die Festelektrolytphasengrenzschicht (englisch: Solid Electrolyte Interphase, SEI) genannt wird, die elektrisch isoliert aber ausreichende Ionenleitfähigkeit bereitstellt.
Dies wiederaufladbaren Flüssig- oder Polymerelektrolytelektrochemischen Speichersysteme können in Reihe oder parallel geschaltet sein, um zusätzliche Spannung oder Strom in der Packungsebene verfügbar zu machen. Elektrifizierte Antriebsstrangsysteme können Leistungsversorgung in dem Bereich von 2 PS bis 600 PS erfordern und sie können eine Energiespeicherung in dem Bereich von 1 kWh bis 100 kWh erfordern, abhängig von den Bedürfnissen des Fahrzeugs, mit Leistungsanforderungen über 1000 W/kg.
Um diese Energie- und Leistungsanforderungen zu erfüllen, während ausreichend Sicherheit erhalten wird, lehrt die vorhandene Technik die Herstellung kleinerer Kathodenpartikel, auch in Nanogrößenordnung, so wie das LiFePO₄-Nanomaterial, das von Al23 Systems vermarktet wird. Diese kleineren Nanopartikel reduzieren den Transportabstand, den irgendein Lithium-Ion benötigt, um von dem flüssigen Elektrolyt abzuwandern, um den innersten Punkt des Kathodenpartikels zu erreichen, was die Erzeugung von Hitze und Stress in dem Kathodenmaterial während des Ladens und Entladens der Batterie reduziert. Daher wäre es unerwartet für einen gewöhnlichen Fachmann, der Batteriezellen für andere Anwendungen als Niederentladungsratenmikroelektronik macht, das ein Kathodenfilm, wo die kleinste Achse über einen Mikrometer dick ist, ein gangbares Produkt erzeugt. Gewöhnliche Hersteller von wiederaufladbaren Batteriezellen für elektrische Fahrzeuge und tragbare Elektronik bevorzugen als Kathoden im allgemeinen heterogene Agglomerationen auszuwählen, die Nano- und Mikrogrößenpartikel umfassen, die in einen nassen Slurry gemischt werden und dann durch eine geschlitzte Matrize extrudiert werden oder durch einen Abstreicher ausgedünnt werden, woraufhin ein folgendes Trocknen und eine Kompaktierung zu einer offenzelligen, porösen Struktur führen, die Flüssigkeits- oder Gelelektrolyt gestattet, seine Poren zu durchdringen, was innigen Kontakt mit dem aktiven Material bereitstellt.
Zusätzlich schlägt die konventionelle Technik vor, das rechtwinklige, prismatische Zellen, so wie jene, die von Al23 Systems, Dow Kokam, LGChem., EnerDel und anderen verwendet werden, in ihren Elektrofahrzeugbatteriepackungen, in einer Packung enthalten sein müssen, die Schaum oder andere komprimierbare Materialien zwischen den Zellen aufweist. Die konventionelle Technik lehrt, dass über die Lebenszeit einer großen Automobilbatteriepackung diese Zellen einem. Schwellen unterliegen und Schaum oder ein anderes komprimierbares Material benötigt wird, um als Abstandsstück zwischen diesen Batteriezellen verwendet zu werden, um ausreichend Druck am Anfang der Packungslebenszeit beizubehalten, aber das auch nachgibt, wenn die Zellen schwellen. Die konventionelle Technik lehrt auch Kompressionsbänder oder einen anderen mechanischen Mechanismus zu verwenden, um das äußere Batteriepackungsgehäuse zu hindern, sich zu öffnen, während die Zellen schwellen. Die konventionelle Technik lehrt auch, dass Druck auf die Batteriezellen notwendig ist, um gute Leistungsfähigkeit sicherzustellen, vermutlich aufgrund der Erhaltung eines guten Kontakts und somit eines niedrigen Kontaktwiderstands und guter Leitung in den Batteriezellen.
Auf der Paketebene lehrt die konventionelle Technik, dass komplexe Steuerungen notwendig sind, um Packungen von Batteriezellen zu verwalten, insbesondere, um die unbekannten Lebenszeiten zu verwalten, die aus Nebenreaktionen in Zellen mit angehäuften Partikeln zwischen den aktiven Materialien in Kombination mit Flüssigkeits- oder Gelelektrolyten bei Temperaturextremen oder Ladezustandsminima- oder -maximabereichen resultieren. Beispielsweise besitzen diese Steuerungsarchitekturen typischerweise Algorithmen, die Spannungsüberwachung mit Coulomb-Zählmechanismen kombinieren, um den derzeitigen Ladezustand jeder einzelnen Zelle zu schätzen, die in der Batteriepackung enthalten ist. Jede Zelle kann bei der Spannung und dem Strom betrieben werden, die die niedrigste Spannung und Ladung aufweist, um Zellenlebenszeit beizubehalten und die Wahrscheinlichkeiten eines Temperaturausreißers zu reduzieren. Packungen, die aus mehreren Zellen konstruiert sind, die in dieser Erfindung benannt sind, können nicht so komplizierte Steuerungsarchitekturen erfordern, aufgrund der höheren Einheitlichkeit auf Partikel- und Zellebene aus wechselnden Herstellungstechniken.
Vorhandene Festkörperbatterien, Festkörperbatterien, wie im US-Patent Nr. 5,338,625 beschrieben, sind entwickelt worden, die ein festes, oft keramisches Elektrolyt eher als ein Polymer oder eine Flüssigkeit verwenden. Allerdings hat eine öffentliche Erforschung dieser Elektrolyte gezeigt, dass sie wie allgemein bekannt an relativ niedriger Ionenleitfähigkeiten leiden (siehe "Fabrication and Characterisation of Amorphous Lithium Elektrolyte Thin Films and Rechargeable Thin-Film Batteries", J. B. Bates et al. Journal of Power Sources, 43–44 (1993) 103–110). In dieser Erfindung haben die Erfinder Computermodelle verwendet, die sie erfunden haben, um die Materialschichtdicken und -konfigurationen zu bestimmen, die optimal sind, wenn die Ionenleitfähigkeits- und -diffusionsfähigkeits-Eigenschaften bekannt sind, die in den Elektrolyt-, Anoden- und -Kathodenmaterialien von Materialien, die sie hergestellt haben, und die in der Literatur vorhanden sind, gemessen werden. Des Weiteren werden diese Festkörperbatterien typischerweise auf relativ kleinen Flächen hergestellt (weniger als 100 cm²), die die Gesamtaufnahmefähigkeit der Zelle in Amperestunden (Ah) beschränken.
Beispielsweise wird von der größten Batteriezelle in der Thinergy-Linie von Festkörperbatterieprodukten, die derzeit von Infinite Power Solutions produziert wird, behauptet, 2,5 mAh Gesamtaufnahmefähigkeit zu enthalten in einer Packung, die Abmessungen von 25,4 mm × 50,8 mm × 0,17 mm aufweist und einen maximalen Strom von 100 mA bei einer Nennspannung von 4,1 Volt. Diese Festkörperbatteriezellen weisen eine Nennenergiedichte von nur 46,73 Wh/L auf, welche weit unter der Industrienorm von 200 bis 400 Wh/L für vergleichbare Lithium-Ionen Flüssigkeitselektrolytzellen sind. Zusätzlich bedeutet die unbedeutende Aufnahmefähigkeit dieser Zellen, dass Ergebnisse aus ihrer Gestaltung und aus der Wahl, ein Chargenproduktionsverfahren zu verwenden, dass es über 1.500.000 dieser Zellen, die in Reihe und parallel geschaltet sind, benötigen würde, um eine Packung mit einer Nettonennenergiespeicherung von wenigstens 16 kWh zu erreichen, was die Energiespeicheraufnahmefähigkeit eines typischen elektrischen Fahrzeugs mit ausgeweiteter Reichweite (englisch: Extended Range Electric Vehicle, EREV) ist, so wie der Chevrolet Volt. Vorhandene Festkörperbatteriezellgestaltungen und Herstellungsverfahren sind daher unpraktikabel zur Aufnahme in einem Elektrofahrzeugantriebsstrang.
Darüber hinaus leiden diese kleinen Festkörperbatterien an niedriger Energiedichte im Produktmaßstab aufgrund eines relativ großen Massenverhältnisses einer Packung zu aktiven Materialien. Zusätzlich sind Festkörperbatterien häufig unter Verwendung von teuren und Niedrigquoten-Verfahren hergestellt, so wie Sputtering und chemische Dampfphasenabscheidungen (englisch: Chemical Vapour Deposition, CVD). Andere schnellere Verfahren wurden angenommen, so wie chemische Badabscheidung (englisch: Chemical Bath Deposition, CBD), aber müssen noch nachgewiesen werden. Diese schnelleren Verfahren können Schwierigkeiten in der Produktion einheitlicher Produkte offenbaren, mit Defektquoten, die niedrig genug sind, um tolerierbar für die Transportindustrie zu sein.
Die Auswahl des Substratmaterials ist eine weitere wichtige Unterscheidung in dem Produkt, das von den Erfindern gestaltet worden ist. Bis jetzt haben Praktiker für Festkörperbatterien Substrate ausgewählt, die in der Lage sind, vergütet zu werden, und die während weiterer Verpackungsschritte robuster sein können, so wie Keramikplatten, Siliciumwafer, Metallfolien und dickere Polymermaterialien, so wie Polyimide, die größer als 8–10 μm dick sind und eine hohe Hitzetoleranz aufweisen. Keines dieser Materialien, die derzeit verwendet werden, ist in Maßen erhältlich, die weniger als 5–10 μm Dicke betragen. Im Gegenteil, in dieser Erfindung haben die Erfinder entschieden, ein dünneres Polymersubstrat, unter 10 μm zu paaren, das vergütet werden kann.
Natürlich führt dieser Trend zu inhärenten Problemen in der derzeitigen Praxis der Vorrichtungsgestaltung und Herstellung. Entsprechend ist zu sehen, dass ein Bedürfnis für eine Vorrichtung zur Herstellung einer verbesserten Festkörperbatterie für eine Herstellung großen Maßstabs besteht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Techniken, die sich auf wiederaufladbare Festkörperbatterien und einen Fahrzeugantrieb beziehen, verbessert. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein System für eine wiederaufladbare Gesamtfestkörperbatterie und ein Fahrzeugantriebssystem bereit, das durch die Batterie angetrieben wird. Nur als Beispiel wurde die Erfindung bei einem Fahrzeugantriebssystem angewandt, aber es kann eine Vielzahl anderer Anwendungen geben.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung, wird ein Transportsystem wenigstens zum Teil durch Elektrizität angetrieben, die in der Form von wiederaufladbaren elektrochemischen Zellen gespeichert ist, wobei diese Zellen:

– eine spezifische Volumenenergiedichte von wenigstens 300 Wh/L erreichen und eine Nennaufnahmefähigkeit von wenigstens 1 Amperestunde aufweisen,
– ein Kathodenmaterial enthalten, das aus einer Phosphat- oder Oxidkomponente besteht, die in der Lage ist, wesentliche Lithium- oder Magnesiumeinlagerungen zu erreichen,
– Anodenmaterial enthalten, das aus kohlenstoffhaltigen, Silicium-, Zinn-, Lithiummetall oder einem anderen Material besteht, das in der Lage ist, Lithium oder Magnesium zu plattieren oder einzulagern,
– ein Festelektrolyt enthalten, das aus einem Phosphat oder einer Keramik besteht,
– auf einem Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren hergestellt werden.

Gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung werden diese Zellen in Reihe oder parallel verbunden, so dass sie eine Packung bilden, die durch Ladungs- und Entladungssteuerschaltungen eingestellt wird, die mit Algorithmen zur Überwachung von Ladung, Batterielebenszeit und Batteriegesundheit programmiert sind.
Diese Erfindung kann in einem Hybridfahrzeugantriebsstrang eingebaut sein, einschließlich Vollhybrid, Mildhybrid und ans Stromnetz anschließbare Hybride. Diese Erfindung kann auch mit verschiedenen Antriebsstrangstrukturen verwendet werden, einschließlich Parallelhybriden, Reihenhybriden, leistungsverzweigten und Reihenparallelhybriden.
Auch wenn die oben genannte Erfindung in einem Fahrzeug angewandt worden ist, kann das oben Genannte auch auf eine mobile Computervorrichtung angewandt werden, einschließlich aber nicht beschränkt auf Smartphones, Tablet-Computer, mobile Computer, Videospielgeräte, MP3-Musikplayer, Sprachaufnahmegeräte, Bewegungsdetektoren. Beleuchtungssysteme, die eine Batterie, LED oder eine andere organische Lichtquelle umfassen, und Solarmodule können auch angewandt werden. Des Weiteren können Luftfahrt- und Militäranwendungen so wie Anlassermotoren, Hilfsenergiesysteme, Satellitenquellen, Mikrosensorvorrichtungen und Energiequellen für unbemannte Luftfahrzeuge angewandt werden.
Die möglichen Vorteile von Festkörperbatterien mit Keramikseparatoren wurden seit über einem Jahrzehnt besprochen, aber bis jetzt haben wenige dieses Produkt wirklich kommerzialisiert. Eine Herausforderung, die die Kommerzialisierung dieses Produkts geplagt hat, ist die Entwicklung von Produktgestaltungsparametern mit hoher Leistungsfähigkeit. Eine weitere Herausforderung, die bisher nicht bewältigt worden ist, ist die Entwicklung eines Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahrens, das zur Herstellung von Festkörperbatterien mit größerer Formatgröße (größer als 1/10 Amperestunden) und sie eindrehen und verpacken in einem Format benötigt wird, das Produkte betreiben kann, die mehr als 1 Mikroampere elektrischen Stroms benötigen.
Die Gestaltung einer Festkörperbatteriezelle, die in einem Maßstab hergestellt werden kann, wurde durch das Fehlen von Computergestaltungswerkzeugen und die hohen Kapitalausgaben beschränkt, die benötigt werden, um einer optimierten Gestaltung durch ein Versuch-und-Irrtum-Verfahren nahezukommen. Diese Erfindung wurde nach Jahren Arbeit und Millionen von Dollar Investition produktisiert.
Die Erfinder haben einen Computergestaltungswerkzeugsatz fertig gestellt, der physikbasierte Codes und Optimierungsalgorithmen verwendet, um zu einem Satz optimierter Gestaltungen für Festkörperbatterien zu gelangen, die spezifisch zur Anwendung in einer Anzahl von Anwendungen gestaltet worden sind. Ein Beispiel so eines Werkzeugs wurde in US-Seriennummer 12/484,959 beschrieben, das am 15. Juni 2009 anmeldet und ”Computational Method for Design and Manufacture of Electrochemical Systems” (deutsch: ”Computerverfahren zur Gestaltung und Herstellung von elektrochemischen Systemen”) betitelt ist, das auf den selben Anmelder angemeldet ist, und hierin durch Referenz hiermit eingefügt ist. Ohne diese Werkzeuge würde es schwierig, wenn nicht unmöglich, die optimalen Materialien und Schichtdicken für das Substrat, den Kathodenstromsammler, die Kathode, das Festkörperelektrolyt, die Anode und den Anodenstromsammler zu berechnen. Dies ist das einzige Gestaltungswerk seiner Art, das computergestützt durchgeführt worden ist und experimentell verifiziert worden ist und ein optimaler Satz von Gestaltungen wurde nach Jahren von Arbeit und Evaluation von buchstäblich Millionen von Festkörperbatteriegestaltungen erzeugt.
Die Ergebnisse der Erfindung sind Festkörperbatterien, die eine Energiedichte über 300 Wh/L aufweisen. Auch wenn dies unter Verwendung einiger Batteriesysteme erreicht wurde, die mit Flüssigkeits- oder Gelelektrolyten gestaltet worden sind, sind keine Festkörperbatterien mit keramischen Elektrolyten nahe an dieses Niveau von Energiedichte gekommen. Des Weiteren beseitigen die Keramikelektrolyte und die Gestaltung, die von Sakti 3 verwendet wird, das Auftreten von Lithiumdendriten und anderen unerwünschten Nebenreaktionen, die zwischen dem Flüssigkeits- oder Gelektrolyt und den Batteriematerialien in konventionellen eingedrehten Lithium-Ionenbatterien auftreten. Zusätzlich beseitigt das feste Keramikelektrolyt, das in dieser Erfindung verwendet wird, auch das Auftreten von internen Kurzschlüssen, die ein Hauptfehlermechanismus in Lithiumbatteriezellen sind, die Polymerseparatoren verwenden.
Auch wenn Toyota und andere kürzlich behauptet haben, an Festkörperbatterien zu arbeiten, ist keiner in der Lage gewesen, zu einer Gestaltung zu kommen, die nahe daran ist, die Reife zu erreichen, die für ein Produkt benötigt wird, zum Beispiel waren die Batterien, die von Toyota hergestellt worden sind, kürzlich unter Verwendung eines Niedrigratensputterverfahrens mit den gleichen Materialien hergestellt worden, die in konventionell hergestellten Flüssigkeitselektrolyt-Lithium-Ionenbatterien seit über 15 Jahren verwendet worden sind. Die Toyota-Gestaltung war eine 4'' mal 4'' Zelle mit Positiv- und Negativelektrolyten, wobei die aktiven Materialien Lithiumkobaltoxid und Graphit waren, gemäß Nikkei Electronics.
1 ist die Profilansicht einer derzeitigen Festkörperbatterie gemäß dem Stand der Technik. In dieser Abbildung ist ein Kathodenstromsammler 16 auf einem dicken Substrat 12 unter Verwendung einer Maskiertechnik in einer Art abgeschieden, so dass es nicht einen ähnlich abgeschiedenen Anodenstromsammler 18 kontaktiert. Das Kathodenmaterial 20 ist auf dem Kathodenstromsammler 16 abgeschieden. Ein Ionen leitender elektrischer Isolator 22 ist auch abgeschieden. Ein Anodenmaterial 24 wird dann auf dem Elektrolyt abgeschieden, so dass es den Anodenstromsammler 18 kontaktiert. Die elektrochemischen Zelldichten umfassen diese vorgenannten Elemente. Die Zellen werden auf einem stationären Substrat 12 abgeschieden. Die Zelle weist eine Energiedichte von weniger als 40 Wh/kg auf und enthält weniger als 0,1 Ah Aufnahmefähigkeit.
2 ist eine Ansicht von oben der gleichen Zelle, die in der konventionellen Zelle beschrieben ist, die in 1 gezeigt ist. Die Anordnung der elektrochemischen Zellschichten 10 von 1 kann in 2 von oben gesehen werden. Die gesamte Zelle misst weniger als 8'' pro Seite. Die Zelle ist hermetisch abgedichtet 32. Eine positive Fahne 16 und eine negative Fahne 18 stehen von der verpackten Zelle hervor.
3 ist eine Querschnittsansicht der derzeitigen gestapelten Architektur mit koppelbaren Materialien des Standes der Technik, die in so gut wie allen kommerziellen Lithium-Ionenprodukten in Automobil- und Verbraucherelektronik verwendet wird. Eine Anhäufung von Kathodenpartikeln, Schlackenmaterialien und leitenden Beschichtungen (6, 7 und 8) sind als positive Elektrode angehäuft. Diese Anhäufungsschicht ist zwischen 50 μm und 350 μm dick. Ein poröser Separator 4, der zwischen 10 μm und 50 μm Dicke beträgt, trennt die Anodenhälftenreaktion von der Kathodenhälftenreaktion. Ein Einlagematerial, so wie Kohlenstoff, wird als negative Elektrode 2 verwendet. Eine Festelektrolytgrenzschicht 3 wird absichtlich auf der Anode nach der Herstellung der Zelle gebildet, in dem Schritt, der als ”Bindung” bekannt ist. Ein Aluminiumstromsammler 9 sammelt Elektronen von der Kathode und ein Kupferstromsammler 1 sammelt Elektronen von der Anode. Die Mischung wird in einer Flüssigkeit oder einem Polymerelektrolytlösungsmittel 10 gebadet, das Ionen und Elektronen leitet, sobald sie außerhalb des Partikelmaterials sind.
In einer derzeitigen Lithium-Ionenbatterie-”Jellyrole”-Zelle gemäß dem Stand der Technik ist die Zelle weniger als 50 mal gedreht.
4 ist eine Schemadarstellung eines Fahrzeugs 10, das einen elektrifizierten Antriebsstrang 12 und insbesondere einen hybridelektrifizierten Antriebsstrang umfasst. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen Anwendungen zu so gut wie allen Fahrzeugen auf, die einen vollständig elektrifizierten (EV) oder teilweise elektrifizierten (HEV) Antriebsstrang einschließlich an das Stromnetz anschließbare elektrifizierte Antriebsstränge umfassen. Das Fahrzeug 10 ist nur als eine einzelne mögliche Implementierung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche andere Konfigurationen des Fahrzeugs 10 und des elektrifizierten Antriebsstrangs 12 möglich sind. Zum Beispiel sind Energiespeichermodule 42 und 44, die unten beschrieben werden, nicht auf einen Einbau im selben Fach beschränkt. Die können in verschiedenen Orten angeordnet werden, so dass sie für vorgesehene elektronische Vorrichtungen leichter zugänglich sind, so wie eine Klimaanlage, ein Gleichstrommotor und so weiter.
Der elektrifizierte Antriebsstrang 12 umfasst einen internen Verbrennungsmotor 14, der mit einer variablen Geschwindigkeitsübertragung 15 und einem Fahrmotor 16 gekoppelt ist, um die Vorderräder 18 des Fahrzeugs 10 über Antriebswellen 20 anzutreiben. Die Übertragung 15 und der Fahrmotor 16 sind mit einer Steuerung 22 gekoppelt, die auf Eingaben von einer Beschleunigungssteuerung 24 und einer Bremssteuerung 26 reagiert, die vom Fahrzeuganwender zugänglich sind. Während das Obige eine vollständige Beschreibung der spezifischen Ausführungsbeispiele ist, können verschiedene Modifikationen, alternative Konstruktionen und Äquivalente verwendet werden.
4 zeigt einen einzelnen Fahrmotor 16, der mit der Übertragung 15 gekoppelt ist, aber mehrere Fahrmotoren können verwendet werden. Zum Beispiel können Fahrmotoren jedem der Räder 18 zugeordnet werden. 4 zeigt, dass ein Fahrmotor 28 den Antriebshinterrädern 30 über Antriebswellen 32 bereitgestellt werden können, wobei der Fahrmotor 28 mit der Steuerung 22 gekoppelt ist. Alternative Konfigurationen des elektrifizierten Antriebsstrangs 12 können Primärantreiben der Hinterräder 30 über die Übertragung 15 und den Fahrmotor 16, Antreiben der Vorderräder 18 und der Hinterräder 30 und verschiedene Kombinationen, die Vorderräder 18 und/oder die Hinterräder 30 über eine variable Geschwindigkeitsübertragung und Fahrmotoren anzutreiben gewährleisten.
Elektrische Energie wird dem Fahrmotor 16 und dem Fahrmotor 28 (wenn vorgesehen) von einem Hybridenergiespeichersystem 40 über die Steuerung 22 geliefert. In Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst das Hybridenergiespeichersystem 40 mehrere Energiespeichermodule, von denen zwei als Energiespeichermodule 42 und Energiespeichermodule 44 dargestellt sind. Das Hybridenergiespeichersystem 40 kann mehr als zwei Energiespeichermodule aufnehmen. Module können ein Satz aus Zellen sein, die bestimmte Eigenschaften aufweisen, so wie eine Zellkonfiguration, eine Zellchemie, eine Steuerung und dergleichen.
Elektrische Energie kann dem Hybridenergiespeichersystem 40 durch Betreiben des Fahrmotors 16 in einem Erzeugungsmodus angetrieben von dem internen Verbrennungsmotor 14 bereitgestellt werden. Energie kann des Weiteren wiedergewonnen werden und dem Hybridenergiespeichersystem 40 während eines Fahrzeugbremsens durch Betreiben des Fahrmotors 16 und/oder des Fahrmotors 28 in einem regenerativen Bremsmodus geliefert werden. Energie kann auch dem Hybridenergiespeichersystem 40 durch eine Möglichkeit zum Anschluss ans Stromnetz über ein Stromnetzanschlussinterface 41 bereitgestellt werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Hybridenergiespeichersystem 40 ein Hybridbatteriesystem, das ein erstes Batteriesystemteil oder Modul 42 und ein zweites Batteriesystem oder Modul 44 aufnimmt. Das erste Modul 42 kann eine erste Batteriearchitektur aufweisen, und das zweite Modul 44 kann eine zweite Batteriearchitektur aufweisen, die sich von der ersten Batteriearchitektur unterscheidet. Die unterschiedliche Batteriearchitektur soll sich auf irgendeine oder alle von Zellkonfiguration, Zellchemie, Zellanzahl, Zellgröße, Zellkopplung, Steuerungselektronik und anderen Gestaltungsparametern beziehen, die diesem Teil des Batteriesystems zugeordnet sind, die sich von den gleichen Parameter unterscheiden, wenn gegenüber dem entsprechenden Teil oder den entsprechenden Teilen gesehen. Es kann bevorzugt sein, die Batteriepackung nahe bestimmter Elektronikvorrichtungen anzuordnen. Daher können die Energiespeichermodule 42 und 44 nicht notwendigerweise in dem gleichen Fach wie das Hybridenergiespeichersystem 40 installiert sein. Gewöhnliche Fachleute werden andere Variationen, Modifikationen und Alternativen anerkennen.
Das oben beschriebene System kann ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugantriebssystems sein, das mehrere wiederaufladbare Festkörperbatteriezellen umfasst, die zum Antrieb eines Antriebsstrangs konfiguriert sind. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das System ein gerolltes Substrat umfassen, das eine Oberflächenregion aufweist, wobei wenigstens eine elektrochemische Zelle die Oberflächenregion und ein elektrisch leitfähiges Material überlagert.
Das gerollte Substrat kann weniger als 10 μm Dicke entlang seiner kürzesten Achse aufweisen. In einem bestimmten Ausführungsbeispiel kann das Substrat Polyethylenterephthalat (PET), einen biaxial orientierten Polypropylenfilm (BOPP), ein Polyethylennaphthalat (BEN), ein Polyimid, Polyester, ein Polypropylen, ein Acrylakt, ein Arimid oder ein metallisches Material mit weniger als 10 μm Dicke umfassen.
Die elektrochemische Zelle(n) kann eine Positivelektrode, eine Festkörperschicht und eine Negativelektrode umfassen. Die Positivelektrode kann ein Übergangsmetalloxid oder ein Übergangsmetallphosphat umfassen. Die Positivelektrode kann auch durch eine Dicke zwischen 0,5 und 50 μm gekennzeichnet sein. Das elektrisch leitfähige Material kann mit dem Positivelektrodenmaterial gekoppelt sein, während es frei von dem Negativelektrodenmaterial ist. Die Festkörperschicht kann ein Keramik-, Polymer- oder Glasmaterial umfassen, das zum Leiten von Lithium- oder Magnesium-Ionen während eines Ladungs- und Entladungsvorgangs konfiguriert ist. Die Festkörperschicht kann durch eine Dicke zwischen 0,1 und 5 μm gekennzeichnet sein. Das Negativelektrodenmaterial kann zur elektrochemischen Einlage oder Plattieren von Ionen während des Ladungs- und Entladungsvorgangs konfiguriert sein. Das Negativelektrodenmaterial kann durch eine Dicke zwischen 0,5 und 50 μm gekennzeichnet sein. Natürlich kann es andere Variationen, Modifikationen und Alternativen geben.
Auch können die Schichten aus Positiv- und Negativelektrodenmaterialien jeweils eine Gesamtoberfläche von mehr als 0,5 m² haben, wobei das aufgerollte Substrat aus wenigstens einem Polymer, einem Metall, einem Halbleiter oder einem Isolator hergestellt ist. Diese Schichten können in einem Behälter eingedreht sein, der eine äußere Oberfläche von weniger als 1/100 (ein Hundertstel) der Oberfläche der Aktivmaterialienschicht aufweist. In einem bestimmten Ausführungsbeispiel können die Schichten aus elektrochemisch aktiven Materialien wenigstens 30 oder 10000 mal pro Zelle durchgehend eingedreht oder gestapelt sein, auch wenn es Variationen geben kann. Das Negativelektrodenmaterial kann eine Legierung aus Siliziummetalllegierung umfassen, so dass der Schmelzpunkt der Legierung mehr als 150°C beträgt.
Die Batteriezellen oder elektrochemischen Zellen, die in Ausführungsbeispielen des Fahrzeugantriebssystems zu finden sind, können viele bevorzugte Leistungsfähigkeitseigenschaften aufweisen. Die Batteriezellen können Energiedichten von nicht mehr als 50 Wattstunden pro Quadratmeter von elektrochemischen Zellen aufweisen oder sie können Energiedichten von wenigstens 700 Wattstunden pro Liter aufweisen. Die Batteriezellen können auch spezifische Energien von wenigstens 300 Wattstunden pro Kilogramm aufweisen. In einem bestimmten Ausführungsbeispiel können die Batteriezellen in der Lage sein, wenigstens 5000 Zyklen zu erreichen, während sie bei 80% der Nennaufnahmefähigkeit zykliert werden, und eine gravimetrische Energiedichte von wenigstens 250 Wh/kg aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Batteriezellen in einem oder mehr von wenigstens einem Smartphone, einem Mobiltelefon, einem Radio oder einer anderen tragbaren Kommunikationsvorrichtung, einem Laptop-Computer, einem Tablet-Computer, einem tragbaren Videospielsystem, einem MP3-Player oder einem anderen Musikplayer, einer Kamera, einem Camcorder, einem RC-Auto, einem unbemannten Flugzeug, einem Roboter, einem Unterwasserfahrzeug, einem Satelliten, einer GPS-Einheit, einem Laserentfernungsmesser, einer Taschenlampe, einer elektrischen Straßenbeleuchtung und anderen tragbaren elektronischen Vorrichtungen angewandt werden. Auch können diese Batteriezellen frei von Festelektrolytgrenze/-phasengrenzschichten (SEI) sein.
In einem bestimmten Ausführungsbeispiel kann das System des Weiteren eine mehrzellige, wiederaufladbare Batteriepackung umfassen. Die mehrzellige, wiederaufladbare Batteriepackung kann mehrere wiederaufladbare Festkörperzellen umfassen. Ein erster Teil dieser Zellen kann in einem Reihenverhältnis verbunden sein und ein zweiter Teil der Zellen kann in einem parallelen Verhältnis verbunden sein. Auch kann diese mehrzellige wiederaufladbare Batteriepackung ein Hitzeübertragungssystem und eine oder mehr Elektroniksteuerungen umfassen, die konfiguriert sind, einen Betriebstemperaturbereich zwischen 60°C und 200°C beizubehalten. Die mehreren wiederaufladbaren Zellen können jeweils äußere Teile der mehreren wiederaufladbaren Zellen umfassen. Diese äußeren Teile können jeweils in Nähe von weniger als 1 mm zueinander sein. Des Weiteren kann diese wiederaufladbare mehrzellige Festkörperbatteriepackung durch ein oder mehrere Materialien isoliert werden, die einen thermischen Widerstand mit einem R-Wert von wenigstens 0,4 m²·K/(W·in) aufweisen.
In einem anderen bestimmten Ausführungsbeispiel kann das System mit der mehrzelligen wiederaufladbaren Festkörperbatteriepackung, die die wiederaufladbaren Festkörperbatteriezellen aufweist, des Weiteren mehrere Kondensatoren umfassen, die wenigstens in Reihe oder parallel konfiguriert sind, so dass sie eine höhere Nettoenergiedichte bereitstellen als die mehreren Kondensatoren alleine oder gewöhnliche partikelbasierte elektrochemische Zellen, die nicht mit den wiederaufladbaren Festkörperbatteriezellen verbunden sind, und wobei die mehrzellige wiederaufladbare Festkörperbatteriepackung durch eine Energiedichte von wenigstens 500 W/kg gekennzeichnet ist. Die wiederaufladbaren Festkörperbatteriezellen können in einer eingedrehten oder gestapelten Struktur konfiguriert sein; und unter Verwendung von Lithium oder Magnesium als ein Transport-Ion, sind die wiederaufladbaren Festkörperbatteriezellen in einem Format größer als 1 Amperestunde konfiguriert; und konfiguriert, frei zu sein von einer Festelektrolytgrenzschicht; wobei die wiederaufladbaren Festkörperbatteriezellen in der Lage sind, mehr als 80% Aufnahmefähigkeit nach mehr als 1000 Zyklen beizubehalten. Solche Systeme und andere Ausführungsbeispiele von ähnlichen Systemen gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können mit einem Fahrzeug bereitgestellt werden, das wenigstens zum Teil durch diese Systeme angetrieben wird.
5A ist eine vereinfachte Zeichnung einer wiederaufladbaren vollständigen Festkörperbatteriezelle, die eingedreht ist. Auch wenn einige Windungen gemacht wurden, beansprucht diese Erfindung wiederaufladbare Festkörperbatteriezellen, die mehr als 50 Windungen pro Zelle umfassen. Die Festkörperzellen in dieser Erfindung können auch unter Verwendung von Z-Faltung, Stapelung oder Plattierungstechniken verpackt werden.
5B ist eine vereinfachte Zeichnung einer eingedrehten wiederaufladbaren Festkörperbatterie, die komprimiert wird, nachdem sie eingedreht wird, um in einen nicht zylindrischen Formfaktor zu passen. In dieser Erfindung wird die Komprimierung der wiederaufladbaren Festkörperbatteriefilme ohne Brechen, Abblättern oder andere Fehler des Substrats oder der abgeschiedenen Filme ausgeführt.
6 ist eine vereinfachte Zeichnung eines Querschnitts der aktiven Materialienschichten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein metallischer Stromsammler 72 ist auf einem langen Streifen eines dünnen Substrats 71 abgeschieden. Ein Positivelektrodenmaterial 73 ist auf diesem Stromsammler 72 abgeschieden und ist von dem metallischen Anodenmaterial 75 durch ein festes Ionen leitendes Elektrolyt 74 getrennt. Ein metallischer Stromsammlerstreifen ist auch an der Anode vor einem Schneiden, Eindrehen oder Stapeln der Zelle befestigt.
Diese Vorrichtung ist in der Lage, wenigstens 250 Wh/kg in Anwendungen zu erreichen, die mehr als 0,5 Wh Nennenergie erfordern, die der Vorrichtung geliefert werden soll. Diese Energiedichtenfähigkeiten sind größer in größeren Vorrichtungen aufgrund der Verringerung der relativen Masseprozentanteile von nicht aktiven Materialien.
Diese Erfindung unterscheidet sich von derzeitigen Lehren dadurch, dass der Betrag an Wh pro Quadratmeter Oberfläche auf dem Film weniger als 50 Wh pro Quadratmeter beträgt, eine Zahl, die weniger als eine Hälfte der Wh pro Quadratmeter von Lithium-Ionenbatterien beträgt, die derzeit in Automobilen und tragbaren Elektronikanwendungen verwendet werden. Dies erfordert, dass die Zelle durch viel mehr Drehungen eingedreht wird, um die gleiche Energiedichte zu erreichen, und mit vielmehr Präzision, um einen fehlerfreien Film zu erhalten. Die Erfindung verwendet auch einen einzelnen, einheitlichen Streifen Kathodenmaterial, der physisch mit dem Keramikseparator verbunden ist, eher als eine Kompaktierung von Partikeln, die in einem flüssigen Elektrolyt eingetaucht sind.
7 ist ein simuliertes Ragone-Diagramm von drei verschiedenen Festkörperbatteriesystemgestaltungen, die in Beispiel 1 unten beschrieben sind, unter Verwendung von Computercode, der durch die Erfinder entwickelt worden ist, der Aspekte einer Finite-Elemente-Analyse und Multiphysikcodes umfasst. Jede Gestaltung stellt eine andere Kombination von Schichtdicken und Kathodenmaterial dar. Diese Batteriezelle ist simuliert, eine Energiedichte von mehr als 300 Wh/kg aufzuweisen und ist unter Verwendung der proprietären Herstellungstechnik hergestellt worden, die durch die Erfinder entwickelt worden ist.
Beispiel 1: In diesem bestimmten Ausführungsbeispiel ist die Zelle auf einem eingedrehten Polymersubstrat hergestellt, das weniger als 5 μm dick ist. Ein metallischer Kathodenstromsammler von weniger als 0,2 μm Dicke ist auf dem Substrat abgeschieden, worauf ein Übergangsmetalloxid-Kathodenmaterial abgeschieden wird, das weniger als 10 μm dick ist. Eine Keramikelektrolytschicht wird dann abgeschieden, die weniger als 2 μm dick ist, und eine metallische Anode, die wenigstens 50% Lithiummetall enthält, ist auf diesem Elektrolyt abgeschieden. Die Abmessungen des Substrats betragen wenigstens 1 cm mal 100 cm und die Dicke der gesamten Struktur beträgt weniger als 50 μm.
Während das Obige eine vollständige Beschreibung der bestimmten Ausführungsbeispiele ist, können verschiedene Modifikationen, alternative Konstruktionen und Äquivalente verwendet werden. Als ein Beispiel kann die vorliegende Anwendung einschließlich Verfahren mit einem oder mehr Elementen von US-Seriennummer 12/484,966, das am 15. Juni 2009 angemeldet ist, mit ”Method for high volume manufacture of electrochemical cells using physical vapour deposition” (deutsch: ”Verfahren zur großvolumigen Herstellung elektrochemischer Zellen unter Verwendung physischer Dampfabscheidung”) betitelt ist, das auf den selben Anmelder angemeldet ist, und hierin durch Referenz hiermit eingefügt ist, verwendet werden. Die vorliegende Vorrichtung kann auch mit den Techniken verwendet werden, die in US-Patent Nr. 7,945,344 , das auf den selben Anmelder angemeldet ist, verwendet werden, und das hierin durch Referenz hiermit eingefügt ist. Daher sollte die obige Beschreibung und Darstellungen nicht als den Bereich der vorliegenden Erfindung einschränkend betrachtet werden, die durch die angehängten Ansprüche definiert ist.
Ein Fahrzeugantriebssystem umfasst wiederaufladbare Festkörperbatteriezellen, die zum Antrieb eines Antriebsstrangs konfiguriert sind. In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung wird ein Transportsystem bereitgestellt, das wenigstens zum Teil durch Elektrizität angetrieben wird, die in Form wiederaufladbarer elektrochemischer Zellen gespeichert ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind diese Zellen in Reihe und parallel verbunden, so dass sie eine Packung bilden, die durch Ladungs- und Entladungssteuerschaltungen eingestellt wird, die mit Algorithmen zur Überwachung eines Ladezustands, einer Batterielebenszeit und einer Batteriegesundheit programmiert sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5338625 [0028]
US 7945344 [0068]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Fabrication and Characterisation of Amorphous Lithium Elektrolyte Thin Films and Rechargeable Thin-Film Batteries”, J. B. Bates et al. Journal of Power Sources, 43–44 (1993) 103–110 [0028]

Claims

System, umfassend mehrere wiederaufladbare Festkörperbatteriezellen, die konfiguriert sind, einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs anzutreiben oder eine andere Anwendung anzutreiben, wobei das System umfasst: ein Substrat, wobei das Substrat eine Oberflächenregion umfasst; wenigstens eine elektrochemische Zelle, die so ausgebildet ist, dass sie die Oberfläche des Substrats überlagert, wobei die elektrochemische Zelle umfasst ein Positivelektrodenmaterial, das ein Übergangsmetalloxid oder ein Übergangsmetallphosphat umfasst; eine Festkörperschicht aus einem Keramik-, Polymer- oder Glasmaterial, die konfiguriert ist, Lithium- oder Magnesium-Ionen während eines Ladungs- oder Entladungsvorgangs zu leiten; und ein Negativelektrodenmaterial, das zum elektrochemischen Einfügen oder Plattieren von Ionen während des Ladungs- oder Entladungsvorgangs konfiguriert ist; und ein elektrisch leitfähiges Material, das mit dem Positivelektrodenmaterial gekoppelt ist und ohne Kontakt mit dem Negativelektrodenmaterial ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Schicht aus Positiv- und Negativelektrodenmaterial jeweils eine Gesamtoberfläche aufweist, die größer als 0,5 m ist; bei welchem das Substrat wenigstens aus einem Polymer, einem Metall, einem Halbleiter oder einem Isolator hergestellt ist; bei welchem das Substrat gerollt oder eben ist; bei welchem das Substrat entlang einer kürzesten Achse weniger als 10 μm dick ist; bei welchem das Positivelektrodenmaterial durch eine Dicke zwischen 0,5 μm und 50 μm gekennzeichnet ist; die Festkörperschicht durch eine Dicke zwischen 0,1 μm und 5 μm gekennzeichnet ist; und das Negativelektrodenmaterial durch eine Dicke zwischen 0,5 μm und 50 μm gekennzeichnet ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Schichten in einem Behälter eingedreht sind, der eine äußere Oberfläche aufweist, die weniger als ein Hundertstel der Oberfläche der elektrochemischen Zelle(n) beträgt.
System nach Anspruch 1, bei welchem das Seitenverhältnis der einheitlichen Kathodenmaterialschicht mehr als 500.000 beträgt, wenn die Länge der längsten Achse durch die Länge der kürzesten Achse geteilt wird.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Schichten durchgehend wenigstens 10.000 mal pro Zelle eingedreht oder gestapelt sind.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Batteriezellen Energiedichten von nicht mehr als 50 Wattstunden pro Quadratmeter elektrochemischer Zelle(n) aufweisen.
System nach Anspruch 1, bei welchem das Substrat ein Polyethylenterephthalat (PET), einen biaxial orientierten Polypropylenfilm (BOPP), ein Polyethylennaphthalat (PEN), ein Polyimid, Polyester, ein Polypropylen, ein Acrylakt, ein Arimid oder ein metallisches Material umfasst, das 10 μm dick ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Batteriezellen frei von Festelektrolytgrenz-/Phasengrenzschichten (SEI) sind.
System nach Anspruch 1, bei welchem das Negativelektrodenmaterial eine Lithiummetalllegierung umfasst, so dass der Schmelzpunkt der Legierung höher als 150°C ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Batteriezellen spezifische Energien von wenigstens 300 Wattstunden pro Kilogramm aufweisen.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Batteriezellen Energiedichten von wenigstens 700 Wattstunden pro Liter aufweisen.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Batteriezellen in der Lage sind, wenigstens 5.000 Zyklen zu erreichen, wobei sie bei 80% der Nennkapazität zykliert werden und gravimetrische Energiedichten von wenigstens 250 Wh/kg aufweisen.
System nach Anspruch 1, bei welchem die andere Anwendung für die Batteriezellen in einem oder mehr von wenigstens einem Smartphone, einem Mobiltelefon, einem Radio oder einer anderen tragbaren Kommunikationsvorrichtung, einem Laptop-Computer, einem Tablet-Computer, einem tragbaren Videospielsystem, einem MP3-Player oder einem anderen Musikplayer, einer Kamera, einem Camcorder, einem RC-Auto, einem unbemannten Flugzeug, einem Roboter, einem Unterwasserfahrzeug, einem Satelliten, einer GPS-Einheit, einem Laserentfernungsmesser, einer Taschenlampe, einer elektrischen Straßenbeleuchtung und anderen tragbaren elektronischen Vorrichtungen angewandt wird.
System nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine mehrzellige, wiederaufladbare Festkörperbatteriepackung, wobei die mehrzellige, wiederaufladbare Batteriepackung mehrere wiederaufladbare Festkörperzellen umfasst; wobei ein erster Teil der Zellen in einem Reihenverhältnis verbunden ist und ein zweiter Teil der Zellen in einem parallelen Verhältnis verbunden ist.
System nach Anspruch 14, bei welchem die mehrzellige, wiederaufladbare Festkörperbatteriepackung ein Hitzeübertragungssystem und eine oder mehrere Elektroniksteuerungen umfasst, die konfiguriert sind, einen Betriebstemperaturbereich zwischen 60°C und 200°C beizubehalten.
System nach Anspruch 15, bei welchem die mehreren wiederaufladbaren Zellen jeweils äußerste Teile der mehreren wiederaufladbaren Zellen umfassen, wobei jeder der äußersten Teile in einer Nähe von weniger als 1 mm zueinander ist.
System nach Anspruch 13, bei welchem die mehrzellige, wiederaufladbare Festkörperbatteriepackung durch ein oder mehrere Materialien isoliert ist, die einen thermischen Widerstand mit einem R-Wert von wenigstens 0,4 m²·K/(W·in) aufweisen.
System nach Anspruch 1, des Weiteren eine mehrzellige, wiederaufladbare Festkörperbatteriepackung umfassend, die die wiederaufladbaren Festkörperbatteriezellen umfassen; und mehrere Kondensatoren, die wenigstens in Reihe oder parallel konfiguriert sind, sodass sie eine höhere Nettoenergiedichte als die mehreren Kondensatoren alleine oder konventionelle partikelbasierte elektrochemische Zellen bereitstellen, ohne mit den wiederaufladbaren Festkörperbatteriezellen kombiniert zu werden, und wobei die mehrzellige, wiederaufladbare Festkörperbatteriepackung durch eine Energiedichte von wenigstens 500 Watt pro Kilogramm gekennzeichnet ist.
System nach Anspruch 1, das in einem Fahrzeug bereitgestellt ist, das wenigstens zu einem Teil durch das System angetrieben wird.
System nach Anspruch 1, bei welchem die wiederaufladbaren Festkörperbatteriezellen in einer eingedrehten oder gestapelten Struktur konfiguriert sind und Lithium oder Magnesium als Transportionen verwenden, wobei die wiederaufladbaren Festkörperbatteriezellen in einem Format konfiguriert sind, das größer ist als eine Amperestunde und die konfiguriert sind, frei von einer Fest-Elektrolyt-Grenzschicht zu sein; wobei die wiederaufladbaren Festkörperbatteriezellen zu mehr als 80% Kapazitätserhaltung nach mehr als 1000 Zyklen in der Lage sind.