CN1819321A - Lithium-ionbatterij met hoge vermenigvuldigingsfactor

In 2006 kon een commerciële lithium-ioncel doorgaans een continue ontlading van 1-3C aan. Elektrisch gereedschap had 5C nodig. Vliegende modellen hadden 7C nodig. RC-modelvliegtuigen hadden 12C en meer nodig. Dat gat is de reden waarom nikkel-cadmium- en nikkel-metaalhydride-accu's - zwaarder, volumineuzer, belast door het geheugeneffect - nog steeds de markt voor hoge ontladingen domineerden.

Octrooiaanvraag CN1819321A, ingediend op 6 maart 2006, pakte dat gat aan zonder exotische materialen. Het bereikte 12-15C met behulp van conventionele LiCoO₂- en koolstofchemie, door in plaats daarvan te veranderenhoe het geleidende middel wordt verdeeld voordat de slurry wordt gemengd. Twintig jaar later vormt datzelfde principe - droog mengen onder inert gas - de basis voor de apparatuur voor droge elektrodeverwerking die TOB NEW ENERGY vandaag de dag bouwt.

Ⅰ. Octrooi-informatie

Ⅱ. Waarom dit in 2006 van belang was

Lithium-ion had de markt voor draagbare elektronica tegen de jaren 90 veroverd door massaproductie, waarbij loodzuur, Ni-MH en Ni-Cd werden verdrongen in telefoons, laptops, PDA's, camcorders en digitale camera's. Maar één segment hield stand: elektrisch gereedschap met een hoog stroomverbruik en modelvliegtuigen.

De natuurkunde was onverbiddelijk. Boven ongeveer 3C kon een conventionele cel uit het tijdperk van 2006 simpelweg niet presteren - de interne weerstand steeg, het voltage stortte in onder belasting en de bruikbare capaciteit nam af. Fabrikanten van draadloos gereedschap bleven Ni-Cd specificeren ondanks het gewicht, volume, de milieukosten en het geheugeneffect, omdat niets op lithiumbasis het voltage kon vasthouden bij de benodigde stroomsterktes.

Er bestonden twee routes. De eerste - nieuwe kathodechemie, nieuwe geleidende raamwerken - was traag, duur en nog jaren verwijderd van productie. CN1819321A koos voor de tweede: behoud de bewezen materialen en verbeter in plaats daarvan de elektrodenmicrostructuur.

Ⅲ. Het kerninzicht: Droge poedermenging

Bij conventionele slurrybereiding wordt het bindmiddel opgelost in oplosmiddel, waarna actief materiaal en geleidend middel samen aan het natte mengsel worden toegevoegd. De geleidende koolstof verspreidt zich door de vloeibare fase - maar het verspreidt zich willekeurig. Een deel ervan eindigt als brug tussen actieve deeltjes; veel ervan niet.

CN1819321A keert de volgorde om. Conclusie 10 specificeert dat actief materiaal en geleidend middel als droog poeder worden voorgemengd voordat er enig oplosmiddel wordt toegevoegd, onder bescherming van inert gas.

Het beschreven effect is direct: het geleidende middel wordt eerst op en over het oppervlak van elk actief deeltje gedreven. Wanneer de bindmiddeloplossing daarna wordt toegevoegd, is die geleidende coating al aanwezig. Het resultaat is een continu geleidend netwerk dat elk deeltje omhult, in plaats van een statistische verstrooiing van koolstof door een oplosmiddel.

Een lagere elektronische weerstand aan het deeltjesoppervlak is precies wat bepaalt of een cel 12C kan volhouden of instort bij 3C.

De specificatie koppelt dit aan drie ondersteunende maatregelen:

• Een met polymeer gecoate separator - PVDF-HFP viskeuze deeltjes gecoat op PP-PE-PP drielaagse of enkellaagse PE-folie, 0,016-0,025 mm dik, 40-55% porositeit
• Gecontroleerde elektrodenverdichting - 70-150 μm, toepasbaar op zowel gewikkelde als gestapelde elektrodegroepen
• Een geleidend elektrolytadditief - een boraatverbinding, geschreven in de conclusies als [(CF₃)CHO]₃B, bij 0,1-0,5 gewichtsprocent in LiPF₆ of LiBF₄ carbonaatelektrolyt

Ⅳ. Technische specificatie

Kathode - positieve elektrode (aluminiumfolie stroomafnemer)

• Actief materiaal: een of meer lithium-intercalatieoxiden - LiCoO₂, LiMn₂O₄, of LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O₂
• Geleidend middel: acetyleenzwart, Super P, geleidend grafiet (KS-6), of uit dampfase gegroeide koolstofvezel (VGCF)
• Bindmiddel: PVDF-homopolymeer, of PVDF-HFP-copolymeer

Anode - negatieve elektrode (stroomafnemer van koperfolie)

• Actief materiaal: gemodificeerd natuurlijk sferisch grafiet, mesocarbon-microbeads (CMS), of op mesofase-pitch gebaseerde koolstofvezel (MCF)
• Geleidend middel: Super P, geleidend grafiet (SFG-6 / SFG-15), of VGCF
• Bindmiddel: waterig SBR + CMC, of op olie gebaseerde PVDF

Uitgewerkt voorbeeld - Uitvoeringsvorm 1 (100-2500 mAh cel, gewikkeld)

• Kathode: LiCoO₂ : Super P : KS-6 : PVDF : NMP = 80 : 7 : 7 : 6 : 55
• Anode: CMS : Super P : SFG-6 : SBR : CMC : H₂O = 94 : 1 : 1 : 2 : 2 : 130
• Proces: doseren → coaten → walsen → plaatvorming & wikkelen → behuizing → elektrolytvulling → formatie → capaciteitsclassificatie

De specificatie documenteert verder een gelamineerde-stapelvariant (Uitvoeringsvorm 2), een LiCoO₂/LiMn₂O₄-gemengde kathode met MCF-anode (Uitvoeringsvorm 3), en een op VGCF gebaseerd geleidend systeem (Uitvoeringsvorm 4).

Ⅴ. Gemeten prestaties

Capaciteitsbehoud ten opzichte van 1C-ontlading, zoals gerapporteerd in de specificatie:

Het behouden van 86% van de nominale capaciteit bij 15C - een volledige ontlading in vier minuten - plaatste dit ontwerp ver boven het 1-3C-plafond van hedendaagse commerciële cellen, en boven de 12C-drempel die door modelvliegtuigtoepassingen werd vereist.

De gepubliceerde tekeningen bevatten gemeten ontlaadcurves bij 7C (Fig. 6), 10C (Fig. 7) en 12C (Fig. 8), naast schematische weergaven van de celconstructie (Fig. 1), de geometrie van de gewikkelde elektrode (Fig. 2-3) en de geometrie van de gestapelde elektrode (Fig. 4-5).

Ⅵ. Van een octrooi uit 2006 naar productieapparatuur in 2026

Het droge-premixprincipe in conclusie 10 bleef niet beperkt tot 2006.

Het verdelen van een geleidend middel over actieve deeltjes vóór contact met oplosmiddel is de conceptuele voorvader van wat de industrie nu droge-elektrodeproces noemt - de routes met minder of zonder oplosmiddel die momenteel worden opgeschaald voor energiezuinige en solid-state cellen.

TOB NEW ENERGY bouwt vandaag de dag apparatuur voor precies dat proces:

• Oplossing voor droge-elektrodefilm - vorming van elektrodefilm via de droge route
• Elektrodevoorbereiding - mengen, coaten, kalanderen
• Apparatuur voor solid-state batterijen - waar droge verwerking effectief verplicht is

De ingenieur die de aanpak uit 2006 mede heeft uitgevonden, leidt nu het team dat die apparatuur specificeert. Die continuïteit - laboratoriuminzicht in 2006, productiehardware in 2026 - is wat onze klanten kopen wanneer ze voor TOB kiezen.

Verken het volledige overzicht: alle octrooien van het technische team van TOB

Ⅶ. Veelgestelde vragen

Ⅷ. Officieel dossier & tekeningen

• Google Patents - CN1819321A(volledige tekst, conclusies, 11 voorwaartse citaties)
• Officiële PDF met alle tekeningen
• Espacenet-dossier