DE102009020271B4 - Dual energy storage with electrochemical accumulator function and integrated capacitor function - Google Patents
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Abstract
Dualer Energiespeicher mit elektrochemischer Akkumulatorfunktion und integrierter Kondensatorfunktion für Fahrzeuge, wobei die intrinsischen Kapazitäten von ionenleitenden Deckschichten von Elektrodenmaterialien einer elektrochemischen Lithiumionenbatterie in Form eines integralen parallel zu einer Batteriezelle geschalteten Doppelschichtkondensators ausgebildet sind, wobei der duale Energiespeicher eine Anode mit Kohlenstoffnanopartikeln auf einer Aluminiumfolie aufweist, und eine Kathode des dualen Energiespeichers Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) oder Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) oder Lithiumkobaltnickelmanganoxid (LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2) aufweist, und wobei ein nichtwässriger Elektrolyt als Leitsalze Lithiumbisoxalatoborat, Lithiumtetrafluorborat, Lithiumimid oder Lithiumtrifluormethansulfonat und als organisches Lösemittel Ester oder Ether aufweist.Dual energy storage device with electrochemical accumulator function and integrated capacitor function for vehicles, wherein the intrinsic capacitances of ion-conducting cover layers of electrode materials of a lithium ion battery electrochemical in the form of an integral parallel to a battery cell switched double-layer capacitor, the dual energy storage having an anode with carbon nanoparticles on an aluminum foil, and a cathode of the dual energy storage lithium cobalt oxide (LiCoO2) or lithium iron phosphate (LiFePO4) or Lithiumkobaltnickelmanganoxid (LiCo1 / 3Ni1 / 3Mn1 / 3O2), and wherein a non-aqueous electrolyte as conductive salts lithium bisoxalatoborate, lithium tetrafluoroborate, lithium imide or lithium trifluoromethanesulfonate and as an organic solvent ester or ether.
Description
Die Erfindung betrifft einen dualen Energiespeicher mit elektrochemischer Akkumulatorfunktion und integrierter Kondensatorfunktion insbesondere für Fahrzeuge.The invention relates to a dual energy storage with electrochemical accumulator function and integrated capacitor function, especially for vehicles.
Die Druckschriften
Aus der Druckschrift
Ein derartiger Aufbau, der aus einer Parallelschaltung von Batteriezellen und einem gewickelten Elektrolytkondensator besteht, weist einen großen Raumbedarf auf und ist in der Fertigung mit hohen Kosten verbunden.Such a structure, which consists of a parallel connection of battery cells and a wound electrolytic capacitor, has a large space requirement and is associated with high costs in manufacturing.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen dualen Energiespeicher mit elektrochemischer Akkumulatorfunktion und integrierter Kondensatorfunktion zu schaffen, der die Doppelschichtkapazität zwischen Elektrode und flüssigem Elektrolyten und die hohen Ladespannungen von ionenleitenden Deckschichten von Elektrodenmaterialien eines Akkumulators nutzt, um einen kompakten dualen Energiespeicher mit elektrochemischer Akkumulatorfunktion und elektrostatischer Kondensatorfunktion insbesondere für Fahrzeuge zu schaffen.The object of the invention is to provide a dual energy storage with electrochemical accumulator function and integrated capacitor function, which utilizes the double-layer capacitance between electrode and liquid electrolyte and the high charging voltages of ion-conducting cover layers of electrode materials of a battery to a compact dual energy storage with electrochemical accumulator function and electrostatic capacitor function especially for vehicles to create.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the subject matter of independent claim 1. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird ein dualer Energiespeicher mit elektrochemischer Akkumulatorfunktion und integrierter Kondensatorfunktion insbesondere für Fahrzeuge geschaffen, wobei die intrinsischen Kapazitäten von ionenleitenden Deckschichten von Elektrodenmaterialien einer elektrochemischen Batterie – insbesondere Lithiumionenbatterie – durch Erzeugen von zusätzlichen Doppelschichten mittels Vergrößerung der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrodenmaterialien gegenüber herkömmlichen Lithiumionenbatterien mit intrinsischer Kapazität zu einem integralen parallel zu einer Batteriezelle geschalteten Doppelschichtkondensator unter Aufrechterhaltung der elektrochemischen Akkumulatorfunktion und unter Beibehaltung der maximalen Akkumulatorspannung vergrößert sind.According to the invention, a dual energy storage with electrochemical accumulator function and integrated capacitor function is provided, in particular for vehicles, wherein the intrinsic capacitances of ion-conducting cover layers of electrode materials of an electrochemical battery - in particular lithium ion battery - by generating additional bilayers by increasing the interface between the electrolyte and electrode materials over conventional lithium ion batteries with intrinsic Capacitance to an integral parallel to a battery cell switched double-layer capacitor while maintaining the electrochemical accumulator function and while maintaining the maximum battery voltage are increased.
Mit einem derartigen dualen Energiespeicher können Fahrzeuge mit Hybridantrieb und regenerativen Bremsen sowohl ein Speichern der Energie über die elektrochemischen Speichereigenschaften einer Batterie – insbesondere Lithiumionenbatterie – unter langzeitiger Aufladung der Batterie nutzen als auch für die schnellen und häufigen Zyklen der regenerativen Bremsen die Vorteile eines integrierten Doppelschichtkondensators des Energiespeichers nutzen. Während der elektrochemische Anteil des dualen Energiespeichers auf der Grundlage einer Batterie – insbesondere Lithiumionenbatterie – üblicherweise für 1000 Zyklen ausgelegt ist, kann der integrale Doppelschichtkondensator für mehrere Millionen Zyklen unbeschadet zur Verfügung stehen. Diese kapazitive Speichereigenschaft des Doppelschichtkondensators ist besonders vorteilhaft für die häufigen und schnellen Ladezyklen, die beim regenerativen Bremsen eines Fahrzeugs auftreten. Ein voluminöser Zusatzkondensator im Fahrzeug in Form eines zyklenfesten Doppelschichtkondensators kann somit entfallen.With such a dual energy storage hybrid vehicles and regenerative brakes can both use a storage of energy on the electrochemical storage properties of a battery - especially lithium ion battery - long-term charge of the battery as well as the advantages of an integrated double-layer capacitor for the fast and frequent cycles of regenerative braking Use energy storage. While the electrochemical portion of the dual energy storage based on a battery - especially lithium-ion battery - is usually designed for 1000 cycles, the integral double-layer capacitor can be available for several million cycles without damage. This capacitive storage characteristic of the double-layer capacitor is particularly advantageous for the frequent and fast charge cycles that occur during regenerative braking of a vehicle. A voluminous additional capacitor in the vehicle in the form of a deep-cycle double-layer capacitor can thus be dispensed with.
Der Mechanismus zur Energiespeicherung einer Batterie – insbesondere Lithiumionenbatterie – besteht darin, dass über eine elektrochemische Redoxreaktion elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird. Wird eine Batterie – insbesondere Lithiumionenbatterie – geladen oder entladen, so erfolgen zwingend chemische Reaktionen in der Batterie, bei denen ein Masseumsatz über die Ionen erfolgt. Die Spannung einer Batterie wird durch die zugeordneten elektrochemischen Reaktionen bestimmt und ist damit über weite Bereiche des Ladezustands annähernd konstant hoch. So liegt das Spannungsfenster einer Lithiumionen-Batterie im Bereich von 3,0 V bis 4,2 V. Durch dieses hohe Spannungsniveau in Kombination mit der Fähigkeit dieser Batterien große Ladungsmengen zu speichern, wird eine sehr hohe Energiedichte erreicht.The mechanism for energy storage of a battery - especially lithium ion battery - is that electrical energy is converted into chemical energy via an electrochemical redox reaction. If a battery - in particular lithium-ion battery - charged or discharged, it is imperative chemical reactions in the battery, in which a mass conversion takes place via the ions. The voltage of a battery is determined by the associated electrochemical reactions and is therefore almost constant over wide ranges of the state of charge. Thus, the voltage window of a lithium ion battery is in the range of 3.0 V to 4.2 V. This high voltage level in combination with the ability of these batteries to store large amounts of charge, a very high energy density is achieved.
Außerdem erlaubt die über weite Bereiche konstante Spannung eine gleichmäßige Leistungsabgabe und eine einfache Anpassung des Verbrauchers. Dabei ist die Energieabgabe der Batterie mit einem chemischen Umsatz der Aktivmassen verbunden, so dass die Anzahl der möglichen Zyklen und damit die Lebensdauer der Batterie auf typischerweise auf unter 1500 Vollzyklen begrenzt ist.In addition, the constant voltage over wide ranges allows uniform output and easy adjustment of the load. The energy output of the battery is associated with a chemical conversion of the active materials, so that the number of possible cycles and thus the life of the battery is limited to typically under 1500 full cycles.
Bei Doppelschichtkondensatoren hingegen wird die elektrische Energie elektrostatisch in der Doppelschicht gespeichert. Diese Doppelschicht wird durch die Grenzschicht zwischen dem Elektrodenmaterial in Form eines Elektronenleiters und einem Innenleiter in Form eines Elektrolyten gebildet. Wird nun eine Spannung an diese Doppelschicht angelegt, so führt dies zu einer Ladungstrennung innerhalb der beiden Phasen, wodurch sich zwei Ladungsschichten ausbilden, die wie in einem Kondensator einander gegenüberstehen und somit eine elektrostatische Kapazität bilden.In the case of double-layer capacitors, on the other hand, the electrical energy is stored electrostatically in the double layer. This double layer is formed by the boundary layer between the electrode material in the form of an electron conductor and a Inner conductor formed in the form of an electrolyte. Now, if a voltage is applied to this double layer, this leads to a charge separation within the two phases, whereby two charge layers form, which face each other as in a capacitor and thus form an electrostatic capacitance.
Damit haben diese getrennten Ladungsschichten die gleichen elektrischen Eigenschaften wie ein Kondensator. Da die Abstände der Ladungsschichten typischerweise im Angströmbereich liegen, lassen sich technisch sehr hohe Kapazitäten realisieren, wenn die Oberfläche der Grenzflächen hinreichend groß ist. Bei Doppelschichtkondensatoren werden diese großen Oberflächen durch hohe poröse Polschichten erreicht. Damit lassen sich Kondensatoren mit Kapazitäten von mehreren Kilo Farad (kF) herstellen.Thus, these separate charge layers have the same electrical properties as a capacitor. Since the distances of the charge layers are typically in the Angströmbereich, technically very high capacities can be realized if the surface of the interfaces is sufficiently large. In double-layer capacitors, these large surfaces are achieved by high porous pole layers. This makes it possible to produce capacitors with capacities of several kilo farads (kF).
Da die Energiespeicherung elektrostatisch erfolgt, können diese Kondensatoren vollständig auf Null Volt entladen werden. Die obere Spannungsgrenze liegt dabei im Bereich von typischerweise 2,2 V bis 2,8 V. Die Entladekurve eines Doppelschichtkondensators entspricht dabei einer Entladekurve eines klassischen Kondensators, also einer linearen Abhängigkeit der Spannung von dem Ladezustand zwischen Null Volt bis zu einer oberen Spannungsgrenze.Since the energy storage is electrostatic, these capacitors can be completely discharged to zero volts. The upper voltage limit is in the range of typically 2.2 V to 2.8 V. The discharge curve of a double-layer capacitor corresponds to a discharge curve of a classic capacitor, ie a linear dependence of the voltage from the state of charge between zero volts to an upper voltage limit.
Die Energiemenge, die ein solcher Kondensator speichern kann, ist mit ca. 4 bis 6 Wh/kg relativ gering. Aufgrund des geringen Innenwiderstands ist aber die Ladungsdichte mit bis zu 10 kW/kg erheblich. Da bei den Entlade- und Ladevorgängen von Doppelschichtkondensatoren keine chemischen Reaktionen und damit keine Änderungen in den Aktivmaterialien erfolgen, sondern nur elektrostatische Ladungsverschiebungen stattfinden, ist die Anzahl der erreichbaren Entlade/Ladezyklen sehr hoch und kann bis zu mehreren Millionen Vollzyklen reichen.The amount of energy that can store such a capacitor is relatively low at about 4 to 6 Wh / kg. Due to the low internal resistance but the charge density of up to 10 kW / kg is considerable. Since the discharging and charging processes of double-layer capacitors no chemical reactions and thus no changes in the active materials, but only electrostatic charge shifts take place, the number of achievable discharge / charge cycles is very high and can reach up to several million full cycles.
Mit dem erfindungsgemäßen dualen Energiespeicher werden somit die Wirkprinzipien eines Akkumulators mit denen des Doppelschichtkondensators kombiniert. Dadurch werden die Vorteile beider Speichersysteme in einem System vereint, wohingegen die Nachteile weitestgehend vermieden werden.With the dual energy storage device according to the invention, thus, the active principles of a rechargeable battery are combined with those of the double-layer condenser. This combines the advantages of both storage systems in one system, whereas the disadvantages are largely avoided.
Dazu kann der duale Energiespeicher wie eine Lithiumionen-Batterie aufgebaut sein. Der duale Energiespeicher besteht vorzugsweise aus einer Anode aus Kohlenstoff auf Kupferfolien einer Kathode aus einer geeigneten Verbindung wie beispielsweise Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) oder Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) oder Lithiumkobaltnickelmanganoxid (Li-Co1/3Ni1/3Mn1/3O2) oder einem Mischoxid, einem Separator beispielweise aus Zellulose und einem nicht wässrigen Elektrolyten, mit Leitsalzen wie Lithiumhexafluorid (LiPF6) Lithiumbisoxalatoborate, Lithiumtetrafluorborat, Lithiumimide, Lithiumtrifluormethansulfonat und mit organischen Lösemitteln wie Ester, Ether oder Carbonate.For this purpose, the dual energy storage can be constructed like a lithium-ion battery. The dual energy storage preferably consists of an anode of carbon on copper foils of a cathode of a suitable compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) or lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) or lithium cobalt nickel manganese oxide (Li-Co 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 ) or a mixed oxide, a separator for example of cellulose and a nonaqueous electrolyte, with conductive salts such as lithium hexafluoride (LiPF 6 ) Lithiumbisoxalatoborate, lithium tetrafluoroborate, lithium imides, Lithiumtrifluormethansulfonat and with organic solvents such as esters, ethers or carbonates.
Da die Entstehung einer Doppelschicht unabhängig von den Materialien ist, welche die Grenzschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt bilden, besitzen auch derartige Lithiumionen-Batterien eine gewisse intrinsische Doppelschichtkapazität, die durch eine geeignete Materialwahl für den dualen Energiespeicher deutlich vergrößert ist. Dazu können Kohlenstoffe hoher spezifischer Oberfläche in den Elektroden eingesetzt werden, die dort zur Verbesserung der Leitfähigkeit bereits auch bei Lithiumionen-Batterien eingesetzt werden.Since the formation of a bilayer is independent of the materials that form the interface between electrode and electrolyte, such lithium-ion batteries also have a certain intrinsic double-layer capacitance, which is significantly increased by a suitable choice of material for the dual energy storage. For this purpose, carbons of high specific surface area can be used in the electrodes, which are already used there to improve the conductivity in lithium-ion batteries.
Im Unterschied zu herkömmlichen Lithiumionen-Batterien wird erfindungsgemäß die Elektrodenoberfläche beider Elektroden so optimiert, dass sie eine möglichst große offene bzw. offenporige Oberfläche aufweisen. Die zugrunde liegenden Materialien bleiben dabei jedoch dieselben wie bei einer Lithiumionen-Batterie. Durch diese vergrößerten Oberflächen verfügt der duale Energiespeicher über eine große Doppelschichtkapazität der elektrochemischen Doppelschicht des Elektronenmaterials. Darüber hinaus wird eine wie obern bereits erörtert hohe Zyklenzahl z von z > 2.000.000 Zyklen bei 5% Lade/Entladetiefe (DoD) für den integralen Doppelschicht Kondensator erreicht.In contrast to conventional lithium ion batteries, according to the invention, the electrode surface of both electrodes is optimized so that they have the largest possible open or open-pored surface. However, the underlying materials remain the same as a lithium-ion battery. Due to these enlarged surfaces, the dual energy storage device has a large double-layer capacitance of the electrochemical double layer of the electron material. Moreover, as already discussed above, a high number of cycles z of z> 2,000,000 cycles is achieved at 5% charge / discharge depth (DoD) for the integral double layer capacitor.
Der Energieinhalt eines Kondensators ist proportional zu dem Quadrat der Spannung. Diese Spannung war, wie oben bereits erwähnt, bei reinen Doppelschichtkondensatoren auf Bereiche von etwa 2,8 V limitiert. Erfindungsgemäß wird nun eine besondere Eigenschaft von Lithiumionen-Batterien genutzt, nämlich die Bildung dieser so genannten festen ionenleitenden Deckschichten auf der Oberfläche des aktiven Elektrodenmaterials. Diese ionenleitenden Deckschichten werden auch auf den Materialien zur Leitfähigkeitsverbesserung der Elektroden wie Kohlenstoff so ausgebildet, dass das Limit von 2,8 V überschritten und das übliche Limit von Lithiumionen-Batterien im Bereich von 4,2 V genutzt werden kann.The energy content of a capacitor is proportional to the square of the voltage. As already mentioned above, this voltage was limited to ranges of approximately 2.8 V in pure double-layer capacitors. According to the invention, a special property of lithium ion batteries is now used, namely the formation of these so-called solid ion-conducting cover layers on the surface of the active electrode material. These ion-conductive overcoats are also formed on the conductivity enhancement materials of the electrodes, such as carbon, to exceed the 2.8V limit and utilize the usual limit of 4.2V Li-ion batteries.
Da die Spannung beim Energieinhalt mit dem Quadrat eingeht, ergibt sich dadurch eine besonders vorteilhafte hohe zusätzliche Kapazität, aus der kurzfristig sehr hohe Leistungsimpulse sowohl für das Laden als auch für das Entladen zur Verfügung stehen, die eine elektrochemische Batteriezelle auf der Grundlage der Lithiumionenbatterien nicht bereitstellen kann. Zusätzlich kann die ionenleitende Deckschicht auf den Elektroden ebenfalls zur Doppelschichtkapazität genutzt werden. Da die gleichen Aktivmaterialien wie bei einer Lithiumionen-Batterie vorzugsweise verwendet werden können, erfolgt auch eine Energiespeicherung durch Interkalation von Lithiumionen in den Aktivmaterialien.Since the voltage enters into the square of the energy content, this results in a particularly advantageous high additional capacity, from the short term very high power pulses for both charging and discharging are available that do not provide an electrochemical battery cell based on the lithium-ion batteries can. In addition, the ion-conducting cover layer on the electrodes can also be used for double-layer capacitance. Since the same active materials as a lithium ion battery can be preferably used, energy storage also occurs by intercalation of lithium ions in the active materials.
Im Prinzip stellt der duale Energiespeicher nun eine Parallelschaltung eines Kondensators mit einem Akkumulator für eine Lithiumionenzelle dar, wobei die Parallelschaltung ins Innere der Lithiumionenzelle verlegt ist und damit integraler Bestandteil des Akkumulators wird. Durch die chemischen Reaktionen bleiben auch die hohe Spannungslagen der Lithiumionenzellen erhalten. Ferner kann durch Optimierung der Oberflächen bei einer 50 Ah Batterie eine Doppelschichtkapazität von bis zu 10000 Farad (F) realisiert werden. Dieses entspricht 200 F pro Ah. Der duale Energiespeicher besitzt somit neben der integrierten Doppelschichtkapazität eine elektrochemische Kapazität von mehreren Amperestunden, die bei einem reinen Doppelschichtkondensator nicht zur Verfügung stehen. Eine Optimierung der inneren Elektrodenoberfläche gelingt zum einen durch eine entsprechende feine Vermahlung der Ausgangsmaterialien oder auch durch ein geeignetes Fällen der Ausgangsmaterialien aus Lösungen, wodurch ein entsprechend feiner Niederschlag beispielsweise von Kohlenstoff auf Kupfergewebefasern entsteht.In principle, the dual energy storage is now a parallel circuit of a capacitor with an accumulator for a lithium-ion cell, wherein the parallel circuit is laid inside the lithium-ion cell and thus becomes an integral part of the accumulator. The chemical reactions also preserve the high voltage levels of the lithium-ion cells. Furthermore, by optimizing the surfaces of a 50 Ah battery, a double-layer capacitance of up to 10,000 Farad (F) can be realized. This corresponds to 200 F per Ah. The dual energy storage thus has, in addition to the integrated double-layer capacitance, an electrochemical capacity of several amp hours, which are not available in a pure double-layer capacitor. An optimization of the inner electrode surface is possible on the one hand by a corresponding fine grinding of the starting materials or by a suitable precipitation of the starting materials from solutions, whereby a correspondingly fine precipitate, for example of carbon on copper fabric fibers.
Somit bestehen die technischen Vorteile eines derartigen dualen Energiespeichers darin, dass die positiven Eigenschaften von Doppelschichtkondensatoren mit denen von Batteriezellen kombiniert und die Nachteile der einzelnen Speichertechnologien vermieden werden. Insbesondere die Erhöhung der Zyklenlebensdauer stellt eine deutliche Verbesserung für die Anwendung der dualen Energiespeicher im Hybridfahrzeug dar. Bei dieser Anwendung wird eine relativ kleine Ladungsmenge häufig zyklisch eingebracht und abgerufen. Mit dem dualen Energiespeicher kann nun diese häufig zyklisch bewegte Ladungsmenge allein aus der Doppelschicht zur Verfügung gestellt werden.Thus, the technical advantages of such a dual energy storage are that the positive properties of double-layer capacitors combined with those of battery cells and the disadvantages of the individual storage technologies are avoided. In particular, the increase in the cycle life represents a significant improvement for the application of the dual energy storage in the hybrid vehicle. In this application, a relatively small amount of charge is often cyclically introduced and retrieved. With the dual energy storage, this frequently cyclically moved amount of charge can now be made available from the bilayer alone.
Die elektrochemischen Reaktionen werden also nicht angestoßen. Dadurch werden ähnliche Zyklenzahlen erreicht, wie es mit Doppelschichtkondensatoren möglich ist. Da jedoch die Spannungslage durch die chemische Reaktion vorgegeben ist, erfolgen die Zyklen des Ladens und Entladens des Doppelschichtkondensators bei einem hohen Spannungsniveau. Damit kann die Anpassung von Verbrauchern erleichtert und damit kostengünstiger werden.The electrochemical reactions are therefore not triggered. As a result, similar numbers of cycles are achieved, as is possible with double-layer capacitors. However, since the voltage level is set by the chemical reaction, the cycles of charging and discharging of the double-layer capacitor occur at a high voltage level. This can make it easier for consumers to adapt and thus be more cost-effective.
Da die in der Doppelschicht gespeicherte Energie sehr leicht abgegeben werden kann, verfügt der duale Energiespeicher auch über eine große Leistungsdichte. Da im Unterschied zum Doppelschichtkondensator zusätzliche Energie in der chemischen Reaktion gespeichert ist, verfügt der duale Energiespeicher über eine ähnliche Energiedichte wie Lithiumionen-Batterien. Für die Anwendung in Hybridfahrzeugen bedeutet dies eine Erhöhung der Reichweite des elektrischen Fahrbetriebs oder die Möglichkeit, kleinere Zellen bezogen auf die Speicherkapazität in Ah bei gleicher Leistung einzusetzen.Since the energy stored in the bilayer can be released very easily, the dual energy storage device also has a high power density. Since, in contrast to the double-layer capacitor, additional energy is stored in the chemical reaction, the dual energy storage device has a similar energy density as lithium-ion batteries. For use in hybrid vehicles, this means an increase in the range of electric driving or the ability to use smaller cells based on the storage capacity in Ah at the same power.
Der duale Energiespeicher besitzt auch eine Reihe von Vorteilen gegenüber der externen Zuschaltung von Doppelschichtkondensatoren. Diese externe Lösung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, benötigt ca. einen doppelten Bauraum und auch das doppelte Gewicht eines dualen Energiespeichers, da sich dieser in den Abmessungen nur unwesentlich von der reinen Batterielösung unterschiedet. Bei der externen Lösung ist darüber hinaus noch ein zusätzlicher Aufwand hinsichtlich der Überwachung und der Symmetrierung der Doppelschichtkondensatoren erforderlich. Da die Herstellungskosten der dualen Speicher nur unwesentlich über denen von klassischen Lithiumionen-Batterien liegen, ist eine solche Lösung darüber hinaus noch erheblich kostengünstiger als die externe Kombination von einem Doppelschichtkondensator mit einer Lithiumionenbatterie.The dual energy storage also has a number of advantages over the external connection of double-layer capacitors. This external solution, as known from the prior art, requires approximately twice the space and also twice the weight of a dual energy storage, since this differs only insignificantly in dimensions from the pure battery solution. In the external solution, moreover, an additional effort in terms of monitoring and balancing the double-layer capacitors is required. Since the manufacturing cost of the dual memory is only slightly above that of traditional lithium-ion batteries, such a solution is also significantly more cost-effective than the external combination of a double-layer capacitor with a lithium-ion battery.
Bei entsprechenden Vergleichsversuchen hat sich herausgestellt, dass die Kapazität CD des integralen Doppelschichtkondensators des dualen Energiespeichers gegenüber der intrinsischen Kapazität CI der Lithiumionenbatterie um mindestens den Faktor 5 mit CD/CI ≥ 5 vergrößert ist. Dabei konnten Kapazitäten CD des integralen Doppelschichtkondensators einen Wert von CD > 5000 F erreichen.In the case of corresponding comparative experiments, it has been found that the capacitance C D of the integral double-layer capacitor of the dual energy store is increased by at least the factor 5 with C D / C I ≥ 5 compared with the intrinsic capacity C I of the lithium-ion battery. In this case, capacitances C D of the integral double-layer capacitor could reach a value of C D > 5000 F.
Für die Ausgangsmaterialen der Elektroden, um derartige Doppelschichtkondensatorwirkungen bei der Herstellung einer Lithiumionenbatterie zu erreichen, wurde eine mittlere Korngrößen Km von wenigstens 10 Nanometern (nm) im Bereich von 10 nm ≤ Km ≤ 300 nm vorzugsweise 10 nm ≤ Km ≤ 100 nm eingesetzt. Dabei sind diese Ausgangsmaterialien der Elektroden vorzugsweise Kohlenstoffpartikel, die auf Kupferfasern beispielsweise für die Anode abgeschieden werden.For the starting materials of the electrodes, in order to achieve such double-layer capacitor effects in the production of a lithium-ion battery, an average grain size K m of at least 10 nanometers (nm) in the range of 10 nm ≦ K m ≦ 300 nm, preferably 10 nm ≦ K m ≦ 100 nm used. In this case, these starting materials of the electrodes are preferably carbon particles which are deposited on copper fibers, for example for the anode.
Die spezifische Oberfläche BET von Kohlenstoff in den Elektroden liegt in einer Ausführungsform der Erfindung zwischen 10 m2/g ≤ BET ≤ 1000 m2/g vorzugsweise bei 30 m2/g ≤ BET ≤ 300 m2/g. Die elektrochemische Kapazität der Batterie weist mehrere Amperestunden (Ah) und die elektrostatische Kapazität des Doppelschichtkondensators weist mehrere 100 F auf. Vorzugsweise weisen erfindungsgemäße duale Energiespeicher mindestens 200 F pro Ah auf.The specific surface BET of carbon in the electrodes in one embodiment of the invention is between 10 m 2 / g ≤ BET ≤ 1000 m 2 / g, preferably 30 m 2 / g ≤ BET ≤ 300 m 2 / g. The electrochemical capacity of the battery has several ampere hours (Ah) and the electrostatic capacity of the double layer capacitor has several 100 F. Preferably, dual energy storage devices according to the invention have at least 200 F per Ah.
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