DE102018100158A1

DE102018100158A1 - Verarbeitungsvorrichtung zur verwendung von organischem dampf zum abscheiden von wasser aus elektrodenmaterialien und zellkernen

Info

Publication number: DE102018100158A1
Application number: DE102018100158.4A
Authority: DE
Inventors: Haijing Liu; Meiyuan Wu; Zhiqiang Yu; Xiusheng Zhang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2018-01-04
Publication date: 2018-07-19
Also published as: CN108306050B; CN108306050A; US9937481B1

Abstract

Ein Reaktionsgefäß in Form einer Box ist bemessen, um Elektrodenelemente oder Kernzellenelemente einer lithiumbasierten oder natriumbasierten Batterie oder eines Kondensators zur Kontaktierung des in das Reaktionsgefäß eingelegten Elektrodenmaterials mit einem fließenden Gasstrom aus einem inerten Trägergas und Dampf eines organischen Lösungsmittels aus Wasser zum Abscheiden von Restwasser aus den porösen Elektrodenmaterialelementen, die mit einer nichtwässrigen Elektrolytlösung infiltriert werden sollen, eng zu umschließen. Komplementäre Ausrüstungen sind vorgesehen, um den Gasstrom zum Reaktionsgefäß mit vorbestimmten Abschnitten von Trägergas und organischem Dampf bei einer vorbestimmten Temperatur, Druck und Durchflussmenge zu leiten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Es wird eine Verarbeitungsausrüstung zum Leiten und Ermöglichen des Durchflusses einer gasförmigen Mischung eines Trägergases und des Dampfes einer mit Wasser mischbaren organischen Verbindung (wie Ethanol) durch teilchenförmige Elektrodenmaterialien in einer Anordnung von Elektroden oder Zellkernen zum Zweck der Entfernung von Restwasser aus dem Batterie- oder Kondensatorzellenmaterial offenbart. Die Zusammensetzung, die Temperatur und der Druck des fließenden Stroms sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit und -weg werden unter Verwendung der Ausrüstungsgeräte so gesteuert, dass Restwasser effektiv aus den Zellmaterialien entfernt wird, bevor eine nichtwässrige Elektrolytlösung den Zellmaterialien zugegeben wird.
QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNG
Einige der Erfinder dieser Offenbarung sind auch Erfinder des PCT/ CN 2015/082753 , das am 30. Juni 2015 beim State Intellectual Property Office of China unter dem Titel „Verfahren zur Reduzierung des Restwassergehalts in Batteriematerialien“ eingereicht wurde. Ein Teil des Inhalts dieser verwandten Anmeldung wird im vorliegenden Text dargestellt, und die Gesamtheit des Textes und der Zeichnungen dieser verwandten Patentanmeldung wird durch Verweis hierin aufgenommen.
EINLEITUNG
Sekundäre oder wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien oder Lithium-Schwefel-Batterien werden häufig in zahlreichen stationären und tragbaren Geräten verwendet, beispielsweise in der Unterhaltungselektronik-, Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie. Die Klasse der Lithium-Batterien erfreut sich aus verschiedenen Gründen immer größerer Beliebtheit, einschließlich einer relativ hohen Energiedichte, eines allgemeinen Ausbleibens eines Memory-Effekts im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batteriearten, eines relativ geringen Innenwiderstands und einer niedrigen Selbstentladungsrate bei Nichtgebrauch. Die Fähigkeit von Lithium-Batterien, über ihre Lebensdauer wiederholte Power-Cycles durchführen zu können, macht sie zu einer attraktiven und zuverlässigen Energiequelle. Nichtwässrige Elektrolytlösungen werden in diesen Batterien und Kondensatoren unter Verwendung kompatibler Elektrodenzusammensetzungen verwendet. Jegliches Wasser, das von den Elektroden-, Separator- oder Elektrolytmaterialien, die während der Verarbeitung der Materialien in die Batterie oder das Kondensatormaterial eingebracht werden, kann sich nachteilig auf die Leistung der elektrochemischen Zellmaterialien oder auf die Nutzungsdauer der Batterie-, Kondensator- oder Hybridbatterie-Kondensatorzellen auswirken.
In Anwendungen, in denen die Lithium-Batterien größer als Münzbatterien sind, umfasst die Batteriebaugruppe oft eine vorgegebene Anzahl (z. B. zehn bis fünfzehn) gleichförmiger positiver Elektroden und negativer Elektroden, die in einer alternierenden Anordnung mit dazwischenliegenden gleichförmigen porösen Separatoren montiert (z. B. linear gestapelt) werden. Die negativen Elektroden (Anoden während der Zellentladung) werden typischerweise aus porösen Schichten von harzgebundenen Partikeln aus aktivem negativem Elektrodenmaterial gebildet, die mit kleineren Partikeln aus leitfähigem Kohlenstoff vermischt sind. Die porösen negativen Elektrodenmaterialschichten sind häufig mit den gegenüberliegenden Seiten einer Kupferstromabnehmerfolie kunstharzgebunden. Ebenso werden die positiven Elektroden (Kathoden während der Zellentladung) typischerweise aus porösen Schichten von harzgebundenen Partikeln aus aktivem positivem Elektrodenmaterial gebildet, die mit kleineren Partikeln aus leitfähigem Kohlenstoff vermischt sind. Die porösen Schichten des positiven Elektrodenmaterials sind häufig mit den gegenüberliegenden Seiten einer Aluminium-Stromabnehmerfolie kunstharzgebunden. Typischerweise handelt es sich bei den Separatoren um poröse Schichten aus polymeren Materialien wie Polypropylen. In anderen Lithium-Batterie-Baugruppen werden ein relativ langer positiver Elektrodenstreifen, ein dazwischen liegender poröser Separatorstreifen und ein negativer Elektrodenstreifen, jeweils in gleicher Länge und Breite, zu einer Batterie- oder Kondensatorstruktur aufgerollt. Die montierten Batteriestrukturen werden in einen geeigneten dünnwandigen Behälter gelegt und der Behälter wird sorgfältig mit einer Lösung eines geeigneten Lithium-Elektrolytsalzes gefüllt, das in einem kompatiblen nichtwässrigen Lösungsmittel gelöst ist. Der Behälter wird dann verschlossen, im Allgemeinen mit nur einem Elektrodenanschluss, der aus dem Behälter herausragt und der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt ist.
Die Vorbereitungen der Elektrodenmaterialien, der Elektroden und der Zellkernbaugruppen von Elektroden und Separatoren erforderten Arbeiten in einer sorgfältig geführten, sehr feuchtigkeitsarmen Arbeitsumgebung mit einer Luftatmosphäre, die sich durch eine hohe Luftfeuchtigkeit auszeichnet (z. B. 0,1% bis 0,2 % relative Luftfeuchtigkeit, RF), um sicherzustellen, dass der Restwassergehalt der zusammengebauten Batterie reduziert und auf einem entsprechend niedrigen Niveau gehalten wird, vorzugsweise unter 600 ppm des aktiven Elektrodenmaterials. Derartige Umgebungen mit niedriger Luftfeuchtigkeit sind teuer in der Vorbereitung und Wartung, und die Beschäftigten benötigen gewöhnlich spezielle Kleidung. Die vorstehend genannte PCT-Patentanmeldung offenbart Verfahren zum Entfernen von Restwasser aus Elektrodenmaterialien oder Elektroden oder Zellkernen, die in einer herkömmlicheren (und kostengünstigeren) Arbeitsumgebung verarbeitet wurden, in der die Umgebungsluft eine relative Luftfeuchtigkeit von beispielsweise etwa zwanzig Prozent aufweist. Die offenbarten Verfahren stellen ein verhältnismäßig kostengünstiges und nützliches Verfahren zum Entfernen von Restwasser aus Batterie- oder Kondensatormaterialien in einer oder mehreren ausgewählten Phasen der Vorbereitung der Elektroden und der Montage der Batterie- oder Kondensatorelemente dar.
Ein Praxisbeispiel für das Verfahren der PCT-Anmeldung zum Verringern des Restwassergehalts in einem Batteriematerial beinhaltet das Platzieren des Batterie- oder Kondensatormaterials mit darin adsorbiertem Restwasser, z. B. aus der Arbeitsumgebung, in einem Kanal, der im Wesentlichen von einer umgebenden Umgebung abgedichtet ist. Ein gasförmiges Gemisch aus einem inerten Trägergas, wie Argon, und dem Dampf einer flüssigen organischen Verbindung, die leicht mit Wasser mischbar ist, wie beispielsweise Ethanol, wird durch das Batteriematerial in den Kanal geleitet. Das inerte Gas/organische Dampfgemisch beinhaltet einen organischen Lösungsmitteldampf, der in einer Menge vorhanden ist, die zur Wasserstoffbindung (oder zur anderweitigen effektiven Bindung) mit mindestens einem Teil der Wassermoleküle, die in den Partikeln des Batteriematerials und der zugehörigen Materialien, an die die Elektrodenmaterialien gebunden sind, adsorbiert sind, wirksam ist. Das gasförmige Gemisch wird dazu veranlasst, in engem Kontakt mit dem porösen Batteriematerial für eine vorbestimmte Zeitspanne, bei einer vorbestimmten Temperatur und bei einem vorbestimmten Druck zu fließen, um Wasser aus den Batteriematerialien zu entfernen. Der organische Lösungsmitteldampf, an den mindestens einige Wassermoleküle gebunden sind, wird dann aus dem Batteriematerial entfernt und kann zur Wiederverwendung aufbereitet werden. Wie bereits erwähnt, wird das Abscheiden von Restwasser in den strömenden gasförmigen inerten Gas-/organischen Dampfstrom so gesteuert, dass Batteriematerial mit reduziertem Restwassergehalt entsteht. Die Praxis der Wasserabscheidung erfordert jedoch den Einsatz einer Kombination von geeigneten Aufbereitungseinrichtungen.
Die Praktiken dieses effektiven und nützlichen Prozesses werden durch das Design der Verarbeitungseinrichtung begünstigt, die die Adaption des beschriebenen organischen Dampfes ermöglicht und verbessert, indem sie den Prozess der Restwasserabscheidung von partikulären Elektrodenmaterialien und/oder von geformten Elektroden und/oder von Kernzellen, die einen Stapel von alternierenden positiven und negativen Elektroden enthalten, die mit dazwischen liegenden porösen Separatoren voneinander getrennt sind, anwendet.
ZUSAMMENFASSUNG
Mehrere Verarbeitungsschritte sind bei der Herstellung von Batterien und Kondensatoren mit hoher Kapazität, Sekundär-, Lithium-Ionen-Batterien und -Kondensatoren sowie Lithium-Schwefel-Batterien und -Kondensatoren erforderlich, wobei das Vorhandensein von adsorbiertem Wasser ein Problem bei der Montage von Zellmaterialien darstellt. Das Wasser muss bei einem oder mehreren dieser Verfahrensschritte abgeschieden werden, bevor das nichtwässrige flüssige Elektrolyt in eine Gruppe von Zellenelementen oder Kernen eingebracht wird.
Die Herstellung jeder Elektrode erfordert beispielsweise typischerweise zunächst die Herstellung einer Aufschlämmung aus einer Mischung von Mikrometer-Partikeln aus aktivem Elektrodenmaterial und kleineren leitfähigen Kohlenstoffpartikeln, die in einer Lösung oder Dispersion eines geeigneten Bindemittelharzes dispergiert sind. Die Aufschlämmung des Elektrodenmaterials wird in im Allgemeinen gleichmäßig dicken Schichten auf die gegenüberliegenden Hauptflächen einer kompatiblen, oft rechteckigen oder quadratischen, metallischen Stromabnehmerfolie aufgetragen. Die Stromabnehmerfolie weist typischerweise eine unbeschichtete, von einer Seite ausgehende Lasche für die elektrische Verbindung mit einer oder mehreren anderen Elektroden in einer Anordnung von positiven und negativen Elektroden und dazwischenliegenden Separatoren auf. Die Beschichtungen aus Elektrodenmaterial können auf die Folienoberflächen gepresst und getrocknet oder ausgehärtet werden, um gleichmäßige, gebundene Schichten aus porösem, aktivem Elektrodenmaterial zu bilden, die auf der zentralen Stromabnehmerfolie aufgebracht werden. Jede Elektrode kann auf ihre Elektrodenform und -funktion getrimmt oder gekerbt werden, und wird dann gestapelt, gerollt oder anderweitig mit einem Separator und einer Gegenelektrode zusammengebaut. Die Laschen von ausgewählten positiven Elektroden und negativen Elektroden in einer Baugruppe können miteinander zum Beispiel durch Schweißen verbunden werden, um parallele elektrische Verbindungen oder Reihenschaltungen in der Baugruppe zu bilden, um die beabsichtigten Spannungs- und Stromzuführungsanforderungen der montierten elektrochemischen Zelle zu erhalten.
Eine oder mehrere Zellen können dann in einen geeigneten flexiblen Beutel (z. B. eine flexible Metallfolie, die mit einem polymeren Material beschichtet ist) oder in ein anderes Gefäß eingebracht werden. Jegliches Gas oder Dampf im Gefäß wird evakuiert und die kleinen Poren der Elektrodenmaterialien und Separatoren in der Zelle werden mit einer geeigneten nichtwässrigen Elektrolytlösung hinterfüllt. Das Zellengefäß wird dann geschlossen, typischerweise mit nur elektrischen Anschlüssen, die sich vom Inneren des Zellengefäßes aus erstrecken.
In früheren Verfahren zum Aufbau der Batterie- oder Kondensatorzellen wurde typischerweise nur die Vorbereitung der Aufschlämmung oder des Elektrodenmaterials in einer Luftatmosphäre mit 20 % relativer Luftfeuchtigkeit durchgeführt. Die verbleibenden Schritte der Batterieaufbereitung wurden in einer Atmosphäre aus trockener Luft mit ca. 0,1 % bis 0,2 % RF durchgeführt. Selbst unter derart strengen Verarbeitungsbedingungen erforderten montierte Batterieeinheiten oft einen Vakuum-/Heizungs-Dehydratisierungsschritt, bevor das flüssige nichtwässrige Elektrolyt in die Poren der Zellen infiltriert wurde.
Gemäß den Praktiken dieser Offenbarung können die meisten oder alle der vorstehend beschriebenen Schritte zur Herstellung von Elektroden und zur Zellmontage im Allgemeinen in einer Luftumgebung mit ca. 20% relativer Luftfeuchtigkeit durchgeführt werden. In einem oder mehreren Schritten des Batterieherstellungsprozesses werden jedoch Elektroden oder Zellkerne dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Restwasserabscheidung unterzogen. Und das Verfahren zur Entfernung von organischem Lösemittel aus dem Dampf wird in einer Einrichtung praktiziert, die so konzipiert und ausgelegt ist, dass sie eine vorher festgelegte Ladung von Komponenten der Prozessbatterie für eine effektive, wasserabweisende Exposition gegenüber einem gasförmigen Dampf eines Trägergases und dem Dampf einer geeigneten organischen Verbindung bereitwillig annimmt und in sich trägt.
Diese Offenbarung stellt ein Reaktionsgefäß oder eine Vorrichtung und damit verbundene gasförmige Stromproduktionsausrüstung zur Verfügung, um Wasser aus einer Charge teilchenförmiger Elektrodenmaterialien oder aus derartigen Elektrodenmaterialien, die als Elektrode(n) auf einen Metallfolienstromabnehmer aufgeklebt wurden, zu entfernen. Das Gefäß kann auch zum Entfernen von Wasser aus Zellkernen von montierten Elektroden und dazwischenliegenden Separatoren verwendet werden. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Ausführung des Reaktionsgefäßes zum Entfernen von Restwasser aus einem Stapel oder einer Gruppe von Elektroden oder von Zellkernen gleichartiger Elektroden und Separatoren geeignet.
In einer bevorzugten veranschaulichenden Ausführungsform enthält das Reaktionsgefäß vier flache, komplementär geformte Seitenwände, die in Länge und Breite gleich sind. Die Seitenwände sind so ausgerichtet, dass sie ein Innenvolumen definieren, das im Querschnitt rechteckig (oder quadratisch) ist. In bevorzugten Ausführungsformen sind zwei der Seitenwände vertikal und zwei der Seitenwände horizontal, d. h. Ober- und Unterwände, so dass die Wände rechtwinklig ineinandergreifen und das Reaktionsgefäß eine kastenförmige Form aufweist. In dieser Ausführungsform ist an jedem Ende der montierten Seitenwände eine rechteckige oder quadratische Stirnwand angeordnet. Eine der Seitenwände, oft die obere Seitenwand, ist abnehmbar, um die Batteriematerialien in das Reaktionsgefäß einzulegen und anschließend den Wasserentfernungsprozess unter Verwendung eines Gasstroms aus organischem Lösungsmitteldampf in einem allgemein inerten Trägergas durchzuführen. Die abnehmbare Seitenwand ermöglicht auch die Entwässerung der Batteriekomponenten aus dem Reaktionsgefäß.
Die Stirnwand am stromaufwärts gelegenen Ende des Reaktionsgefäßes weist eine Öffnung zur Aufnahme einer Strömungsleitung auf, in welcher der Gasstrom aus Inertgas und organischem wasserabsaugendem Dampf zur Entwässerung in das Gefäß eingeleitet wird. Und die Stirnwand am stromabwärts gelegenen Ende des Gefäßes weist eine Öffnung zum Entfernen des wasserhaltigen Gasstroms aus dem Gefäß auf. Die innere Form und das Volumen des Reaktionsgefäßes, wie es durch die Anordnung seiner Seitenwände definiert ist, ist so konzipiert, dass sie eine vorgegebene Anzahl an Gefäßen aus teilchenförmigem Elektrodenmaterial oder Elektrodenstapeln oder Zellkernstapeln aufnehmen kann, von denen jedes das Entfernen von Restwasser zur späteren Montage in fertige Batterien, Kondensatoren oder Hybridbatterien/Kondensatoren erfordert. Eine vertikal stehende Gas-Siebplatte am oder in der Nähe des stromaufwärts gelegenen Endes des Reaktionsgefäßes wird verwendet, um einen engen Gasstrom, der in das stromaufwärts gelegene Ende des Gefäßes eintritt, in eine Strömung des Gasstroms umzuleiten und zu lenken, die im Allgemeinen über den Querschnitt des Gefäßes gleichmäßig ist. Dadurch wird der einströmende Gasstrom so weit ausgedehnt, dass er im Allgemeinen gleichmäßig in die porösen Schichten des Elektrodenmaterials fließt, die in den gestapelten Elektrodenelementen oder in die Zellkerne gebunden sind. In speziellen Verarbeitungsanwendungen, bei denen die Menge der in das Wasserentnahmefach geladenen Batterieelemente nicht den gesamten Querschnitt des Gefäßes ausfüllt, können entsprechend geformte, herausnehmbare planare Leitbleche in einem ungefüllten Querschnitt innerhalb des Gefäßes platziert werden, um den gesamten Gas-/Dampfstrom durch die derzeitige Ladung von Batteriematerialien innerhalb des Gefäßes zu leiten.
Des Weiteren ist gemäß den Ausführungsformen dieser Erfindung eine zugehörige Ausrüstungseinheit vorgesehen, um einen gemischten Strom aus organischem Lösungsmitteldampf und einem inerten Trägergas zu erzeugen und in das stromaufwärts gelegene Ende des Reaktionsgefäßes einzuführen.
Ein geeignetes Volumen eines flüssigen organischen Lösungsmittels, wie zum Beispiel Ethanol, das möglicherweise in einer Lösungsmittelbox oder -gefäß enthalten ist und auf einer gewünschten Temperatur und einem gewünschten Druck gehalten wird. Eine unter Druck gesetzte Quelle für trockenes Trägergas, wie Stickstoff, Argon oder Luft, ist vorgesehen. Es ist eine gashaltige und strömungstechnische Vorrichtung vorgesehen, um eine Strömung des Trägergases zu und in den oberen Teil des Lösungsmittelgefäßes und nach unten in das enthaltene Volumen des flüssigen Lösungsmittels zu leiten. Das Trägergas wird über den unteren Teil des Flüssigkeitsvolumens verteilt, sodass das Gas durch das Volumen der organischen Flüssigkeit aufsteigt und einen Trägergas-Lösungsmitteldampfstrom erzeugt. Der Gasstrom des unter Druck gesetzten Trägergases und des organischen Dampfes strömt von oberhalb des enthaltenen Flüssigkeitsniveaus aus dem Lösungsmittelbehälter durch eine Strömungsleitung, die schließlich zum Einlass des Reaktionsbehälters führt. Die Strömungsleitung enthält ein geeignetes Ventil zum Steuern der Durchflussmenge des Gasstroms.
In den meisten Anwendungen wird ein separater zweiter Strom von unter Druck gesetztem inertem Trägergas verwendet, um die gewünschten Anteile an organischem Lösungsmitteldampf und inertem Trägergas einzustellen, die dem Einlass des Reaktionsgefäßes zugeführt werden. Ein Strom von unter Druck gesetztem Inertgas wird auch verwendet, um nach Abschluss eines Entwässerungsschrittes organischen Restdampf aus Batterieelektroden oder Batteriezellenkernen im Reaktionsgefäß zu entfernen. Der Durchfluss des unter Druck gesetzten Inertgases wird in einer zweiten Strömungsleitung bereitgestellt, um das Inertgas an das Einlassende des Reaktionsgefäßes abzugeben. Diese zweite Strömungsleitung verfügt über ein Ventil zum Steuern der Durchflussmenge des Inertgases.
Die Strömungsleitung für den ventilgesteuerten Gasstrom aus druckbeaufschlagtem Trägergas und organischem Dampf und die Strömungsleitung für den ventilgesteuerten Inertgasstrom verschmelzen in einer gemeinsamen Verbindung mit einem einzigen Gasstrom, der die Verbindungsstelle verlässt, um in das Reaktionsgefäß zu gelangen und den Entwässerungsprozess durchzuführen. Somit kann jede separat gesteuerte Strömungsleitung zu der beabsichtigten vorbestimmten Gaszusammensetzung beitragen, die dem Reaktionsgefäß zugeführt werden soll. Im Allgemeinen wird ein kombinierter Trägergas-/Lösungsmitteldampfstrom durch einen Durchflussmesser, ein Manometer und dann in den Einlass am stromaufwärts gelegenen Ende des Reaktionsgefäßes geleitet. Eine geeignete, programmierbare Steuerung der einzelnen Ventile in den beiden Strömungslinien der Gasfördereinrichtung ermöglicht die Steuerung der Zusammensetzung des in das Reaktionsgefäß eintretenden Verarbeitungsmaterialstroms. So kann zum Beispiel auch ein Strom, der reich an organischem Dampfgehalt ist, oder ein Strom, der reines Inertgas ist, in den Einlass des Reaktionsgefäßes geleitet werden. Am Ausgang des Reaktionsgefäßes sind zusätzlich ein Manometer und ein Ventil angebracht. So können Zusammensetzung, Temperatur, Druck, Durchflussrate und Gesamtvolumen des Trägergas-/Lösungsmitteldampfstroms, der durch das Reaktionsgefäß fließt, angemessen überwacht und gesteuert werden.
Das vorstehend beschriebene Reaktionsgefäß ist so bemessen und geformt, wie auch die zugehörige Gasstromerzeugungs- und Durchflussausrüstung, um den Fluss des organischen Lösungsmittels zu formen und zu steuern, das geeignet ist, Wasser aus Batterie- oder Kondensatormaterialien bekannter Größe und Form zu entfernen. So kann beispielsweise das Gefäß so bemessen sein, dass es rechteckige Elektroden mit Seitenabmessungen von bis zu 300 mm x 300 mm und Kernzellen aufnehmen kann, die aus einer Gruppe gleich großer Elektroden und poröser Separatoren bestehen. Die Elemente werden in das Reaktionsgefäß geladen und gestapelt, um den Querschnitt des Reaktionsgefäßes im Wesentlichen auszufüllen und einen direkten Strom des Trägergases/organischen Wasser-Lösungsmitteldampfes durch die porösen Schichten reaktiver Elektrodenmaterialien der Elektroden und durch die Poren der dünnen Trennschichten zu ermöglichen. So können zum Beispiel Elektroden und Zellkerne auf einer Hauptseite flach gestapelt oder an ihren Rändern platziert werden, um den Fluss des Gasstroms zur Wasserabscheidung durch die porösen Schichten aus Elektrodenmaterial zu ermöglichen und zu lenken, die an die Oberflächen ihrer Stromabnehmerfolien gebunden sind. Wie nachstehend in dieser Spezifikation ausführlich beschrieben, können bei Bedarf vertikale Gasleitbleche angebracht werden, um zu verhindern, dass Dampf in einem offenen Raum um die Elektroden oder Zellkerne herum und zwischen den Wänden des Reaktionsgefäßes strömt.
Weitere Vorteile unserer Offenbarung ergeben sich aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen.
Figurenliste

1A veranschaulicht ein Durchflussreaktionsgefäß zur Nutzung eines Gasstroms aus Trägergas und organischem Dampf zum Entfernen von Restwasser aus einem Stapel rechteckiger Elektroden für eine Lithium-Ionen-Batterie. Die linke Seite von 1A enthält auch eine schematische Darstellung eines Gefäßes, das eine organische Flüssigkeit und eine Quelle für unter Druck gesetztes Inertgas enthält, sowie ventilgesteuerte Strömungsleitungen zum Bilden und Leiten des Strömungsflusses eines Trägergases und organischen Dampfes zu einem Einlassende des Reaktionsgefäßes. 1A veranschaulicht eine Ausführungsform, in welcher der Elektrodenstapel den Dampfdurchflussquerschnitt des Reaktionsgefäßes nicht ausfüllt.
1B ist eine schematische Darstellung eines Durchflussreaktionsgefäßes, wie in 1A dargestellt, bei dem der Gasstrom Wasser aus einem Stapel von Batteriezellenkernen abzieht, der den Dampfflussquerschnitt des Reaktionsgefäßes nicht ausfüllt.
1C ist eine schematische Darstellung eines Durchflussreaktionsgefäßes, wie in 1A dargestellt, bei dem der Gasstrom Wasser aus einem Stapel von Zellenkernen abzieht, die flach auf einer Hauptseite in einem Stapel von Zellkernen liegen, der den Dampfflussquerschnitt des Reaktionsgefäßes ausfüllt.
1D ist eine schematische Darstellung eines Durchflussreaktionsgefäßes, wie in 1A dargestellt, bei dem der Gasstrom Wasser aus einem Stapel von Zellenkernen abzieht, die an ihren Rändern in einem vertikalen Stapel von Zellkernen platziert sind, der den Dampfflussquerschnitt des Reaktionsgefäßes ausfüllt.
2A ist eine schematische Darstellung eines früheren Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle in einer speziellen Atmosphäre mit sehr niedriger Luftfeuchtigkeit. 2A veranschaulicht auch, dass Batterie- oder Kondensatormaterialien, die unter trockenen Luftbedingungen hergestellt werden, noch einem oder mehreren speziellen Wärme- und Vakuumbehandlungsschritten unterzogen werden müssen, um den Restwassergehalt der Materialien entsprechend zu reduzieren.
2B ist eine schematische Darstellung der Verarbeitungsschritte zur Herstellung von Batterie- oder Kondensatormaterialien und -elementen in einer herkömmlicheren Umgebung von Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von zum Beispiel zwanzig Prozent. Aber in einem oder mehreren Stufen des Herstellungsprozesses werden die Materialien einem Wasserabscheidungsprozess unterworfen, bei dem eine Ausführungsform von einem Reaktionsgefäß und einer Vorrichtung zum Erzeugen von Gasströmen verwendet wird, wie in den 1A-1D dargestellt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Lithiumsalze, wie eines von LiPF₆, LiBF₄, oder LiCl₄, werden im Allgemeinen als Lösung einer Elektrolytlösung für eine Lithium-Batterie verwendet. Diese Salze dienen als Quelle der Lithium-Ionen-Versorgung in der elektrochemischen Funktion der Batterie. Lithium- und fluorhaltige Salze wie Lithiumhexafluorophosphat, LiPF₆, können für die Verwendung im Elektrolyten ausgewählt werden, da sie geeignet sind, eine hohe Spannung und hohe Ionenstromkapazität in eine Batterie einzubringen. Allerdings ist die auf diesen Fluoridlösungen basierende Elektrolytlösung sehr feuchtigkeitsempfindlich. In der Elektrolytlösung kann LiPF₆ in kleine Mengen LiF und PF₅ dissoziieren, und das Phosphorpentafluorid ist mit jedem nahegelegenen Wasser leicht reaktiv, um Fluorwasserstoff (HF) zu bilden. Das entstehende Fluorwasserstoffgas kann die Kathode und die Stromabnehmer korrodieren, die Kapazität der Batterie verringern und/oder die Nutzungsdauer der Batterie verkürzen.
Daher verwendet der bisherige Herstellungsprozess zur Herstellung von Batterien und/oder Batteriematerialien typischerweise einen Trockenmittel-Entfeuchter in der Produktionsumgebung. Normale Werte der relativen Luftfeuchtigkeit (zum Beispiel 20% relative Luftfeuchtigkeit) können zu Problemen bei der Qualitätskontrolle im Herstellungsprozess von Lithium-Batterien führen. Selbst die im Produktionsraum vorhandene Umgebungsfeuchtigkeit kann die „Memory“-Eigenschaft (d. h. die Fähigkeit, Ladung zu speichern) des Lithiums beeinträchtigen. Die Verarbeitung erfolgt daher in trockenen Räumen, in denen die Umgebung aus Luft besteht, wobei die Taupunkttemperatur im Allgemeinen bei einer sehr niedrigen relativen Luftfeuchtigkeit gesteuert wird (z. B. von ca. 0,1 % bis ca. 5 %, mit einem Beispiel von 0,5 %).
Trockenräume oder Klimakammern werden im Allgemeinen gebaut, um die Produktionsbereiche für Batterien aufzunehmen. Aufgrund der reaktiven Natur der Luftfeuchtigkeit bei der Herstellung von Lithium-Batterien erfordern die meisten Lithium-Batterie-Prozesse typischerweise einen Trockenraumtaupunkt von etwa -40°F (-40°C) bis etwa -50 F (-45 C) oder niedriger, (d. h. von etwa 0,6 bis etwa 0,3 Feuchtigkeitskörnern pro Pfund (g/#), jeweils). Der Feuchtigkeitsgehalt der zugeführten Luft kann von etwa -51 C (-60°F) bis etwa -73°C (-100°F) Taupunkt (0,1 bis 0,0 g/#, jeweils) betragen, unter Berücksichtigung einer möglichen Feuchtigkeitsmigration in den Trockenraum (auch bei Schleuseneintritt) und einer möglichen leichten latenten Zunahme im Raum durch die Beschäftigten. Daher kann die Aufrechterhaltung des Trockenraums mit der niedrigen Luftfeuchtigkeit eine belastende Menge an teurer Energie und Ressourcen erfordern.
In den Beispielen bezüglich des Entwässerungsverfahrens, die in der vorstehend genannten PCT-Anmeldung aufgeführt sind, kann die Notwendigkeit der Nutzung eines Trockenraums auf einen einzigen Schritt bei der Herstellung einer Batterie und/oder eines Batteriematerials reduziert werden. Der Verzicht auf einen Trockenraum während der meisten Herstellungsverfahren kann die Kosten für die Herstellung einer Batterie erheblich senken. Darüber hinaus kann der gesamte Restwassergehalt im Batteriematerial mit weniger Zeitaufwand und einer niedrigeren Temperatur auf eine geringere Menge reduziert werden als bei einigen herkömmlichen Verfahren zum Reduzieren des Restwassergehalts im Batteriematerial. Infolgedessen kann sich durch die Verringerung des Restwassergehalts im Batteriematerial die Nutzungsdauer verlängern, die Korrosion vermindern und den Kapazitätsverlust der Batterie verringern.
Diese Offenbarung und Erfindung sieht Vorrichtungen und Verarbeitungseinrichtungen für die Anwendung des Verfahrens zur Wasserabscheidung bei der Behandlung vorgegebener Losgrößen von Elektrodenmaterial oder von Gruppen von Elektroden oder Gruppen von Zellkernen, die das Batterie- oder Kondensatormaterial enthalten, vor. Wie unter Bezugnahme auf die 1A bis 1D beschrieben wird, werden Verfahrenseinrichtungen beschrieben, die sowohl den wasserabführenden Gasstrom zur Behandlung der Elektrodenmaterialien bereitstellen als auch ein entsprechend dimensioniertes und geformtes Reaktionsgefäß mit einem schützenden Strömungskanal zur Wasserableitung aus dem Elektrodenmaterial bereitstellen. Die Zusammensetzung und Beschaffenheit des Elektrodenmaterials wird ebenfalls beschrieben.
BATTERIEMATERIALIEN
In einem Beispiel kann das Batteriematerial Batterieelektrodenmaterialpulver sein (das zusätzlich zu den Partikeln des aktiven Rohmaterials auch Polymerbindemittel, leitfähige Füllstoffe usw. beinhalten kann). Eine vorgegebene Menge an teilchenförmigem Elektrodenmaterial kann zum Beispiel in einem entsprechend porösen Behälter verarbeitet werden.
In einem zweiten Beispiel kann das Batteriematerial als poröse Schicht in eine Elektrode eingebaut und zur Wasserabscheidung als eine Stapelung von positiven Elektroden, negativen Elektroden oder beidem verarbeitet werden. Jede Elektrode ist normalerweise aus einer Schicht einer trockenen, porösen Elektrodenbeschichtungs-Mischung, bestehend aus aktivem Elektrodenmaterial, Polymerbindemittel und leitfähigem Füllstoff, gebildet, die mit einer Stromabnehmerfolie gebunden ist.
In einem dritten Beispiel kann das Batteriematerial eine Gruppe oder Stapelung von Zellkernen (Anode, Separator und Kathode) sein. So ist beispielsweise jeder Zellkern eine gestapelte oder gewickelte Struktur mit positiven und negativen Elektroden, die mit einem porösen Separator getrennt sind. Es ist davon auszugehen, dass es sich bei dem Batteriematerial um Batteriematerialpulver, eine Elektrode und/oder einen Zellkern für eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Lithium-Schwefel-Batterie, eine Lithium-Luft-Batterie, eine Natrium-Schwefel-Batterie oder einen Kondensator handeln kann.
In der Lithium-Luft-Batterie ist das aktive Rohmaterial für die negative Elektrode Lithium-Metall und das aktive Rohmaterial für die positive Elektrode ist mesoporöser Kohlenstoff einschließlich Metallkatalysatoren (z. B. Mangan, Kobalt, Ruthenium, Platin, Silber oder eine Mischung aus Kobalt und Mangan).
In der Lithium-Ionen-Batterie oder der Lithium-Schwefel-Batterie sind Lithium, Lithium-Titanat, Silizium, Graphit, Weichkohlenstoff und Hartkohlenstoff geeignete Rohstoffe für die negative Elektrode. In der Natrium-Schwefel-Batterie ist Natrium ein geeigneter Rohstoff für die negative Elektrode.
In der Lithium-Ionen-Batterie sind Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LiMn₂O₄); Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂) geeignete Rohstoffe für die positive Elektrode; ein Nickel-Manganoxid-Spinell [Li(Ni_0,5Mn_1,5)O₄]; ein Lithium-Eisen-Polyanionoxid, wie Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO₄) oder Lithium-Eisen-Fluorphosphat (Li₂FePO₄F); ein geschichtetes Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNMC oder NMC) [Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂ oder Li(Ni_xMn_yCo_z)O₄, wobei x, y und z jeweils 1/3 (d. h. LiNMC 1, 1, 1) sein können, oder der Ni-Gehalt mehr sein kann, wobei x = 0,6 und y und z = 0,2 sind (d. h. LiNMC 6,2,2), oder wobei x = 0,8 ist und y und z jeweils 0,1 sind (d. h. LiNMC 8,1,1,), oder wobei x = 0,5, y = 0,3 und z = 0,2 (d. h. LiNMC 5,3,2), oder der Mn-Gehalt kann größer sein als Ni und Co]; xLi₂MnO_3·(1-x)LiMO₂ (M setzt sich aus einem beliebigen Verhältnis von Ni, Mn und/oder Co zusammen); LiNi_xM_1-xO₂ (M setzt sich aus einem beliebigen Verhältnis von Al, Co und/oder Mg zusammen); Aluminium stabilisiertes Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (Li_xMn₂ _xAl_yO₄); Lithium-Vanadium-Oxid (LiV₂O₅); Li₂MSiO₄ (M setzt sich aus einem beliebigen Verhältnis von Co, Fe, und/oder Mn zusammen), und jedem anderen hocheffizienten Nickel-Mangan-Kobalt-Material. Mit „beliebiges Verhältnis“ ist gemeint, dass jedes beliebige Element in jeder beliebigen Menge vorhanden sein kann. So könnte zum Beispiel M Al sein, mit oder ohne Co und/oder Mg, oder jede andere Kombination der gelisteten Elemente.
In der Lithium-Schwefel-Batterie oder der Natrium-Schwefel-Batterie beinhalten die aktiven Rohstoffe für die positive Elektrode einen Schwefel-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit einem Verhältnis von Schwefel zu Kohlenstoff im Bereich von 1:9 bis 9:1.
Zu den geeigneten Rohstoffen im Kondensator zählen Metalloxide (z. B. PbO₂), Metallsulfide (z. B. TiS₂), Kohlenstoff (z. B. Aktivkohle, Graphit) und Polymere (z. B. Polyanilin).
Geeignete Bindemittel in jeder der exemplarischen Elektroden beinhalten Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyethylenoxid (PEO), ein Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Butadien-Kautschuk-Carboxymethylcellulose (SBR-CMC), Polyethylenoxid (PEO), Poly(acrylamid-co-diallyl-dimethylammoniumchlorid), vernetzte Polyacrylsäure-Polyethylenimin, andere wasserlösliche oder auf organischen Lösungsmitteln basierende Bindemittel oder jedes andere geeignete Bindemittelmaterial. Ebenfalls kann in jeder der exemplarischen Elektroden der leitfähige Füllstoff ein Kohlenstoff mit hoher Oberfläche, wie zum Beispiel Acetylenruß oder ein Ofenruß wie Super P sein.
Der Elektrolyt für die Lithium-Ionen-Batterie ist ein Lithiumsalz, das in einer oder mehreren organischen Lösungsmitteln aufgelöst ist. Beispiele für geeignete Salze beinhalten Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆) und Lithiumtrifluorethansulfonimid. Einige Beispiele für Lösungsmittel, die zum Auflösen des Elektrolytsalzes verwendet werden können, beinhalten Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Methylethylcarbonat, Propylencarbonat.
Typische Elektrolytsalze für eine Lithium-Schwefelbatterie sind Lithiumtrifluormethansulfonat (Li[SO₃CF₃], LiTf), LiTFSI, LiPF₆und LiClO₄, die mit einer Vielzahl von Lösungsmitteln, wie beispielsweise den Ethern Tetrahydrofuran (THF), DME und DIOX, sowie Sulfonen, Carbonaten und Glymen kombiniert werden.
Ein typischer Elektrolyt für eine Lithium-Luft-Batterie ist zum Beispiel ein nichtwässriger Elektrolyt von 1 M LiPF₆ in Propylencarbonat (PC).
Typische Elektrolytsalze für Natriumschwefel Batterien sind NaClO₄ und NaCF₃SO₃, die mit einer Vielzahl von Lösungsmitteln, wie beispielsweise EC, DMC, PC, DME und DOL, sowie Gelpolymer PVDF/HFP-TEGDME kombiniert werden.
Typische organische Elektrolytsalze für Kondensatoren sind Tetraethylammoniumtetrafluoroborat (TEATFB) und Lithiumhexafluorophosphat, die mit einer Vielzahl von Lösungsmitteln wie PC und ACN kombiniert werden. Organische Elektrolyte, wie beispielsweise Tetraethylammoniumtetrafluoroborat, gelöst in Acetonitril (TEA-BF4/ACN), werden häufig in handelsüblichen Superkondensatoren verwendet
VERARBEITUNGSEINRICHTUNGEN FÜR DIE WASSERABSCHEIDUNG
Gemäß den Praktiken dieser Erfindung ist der Strömungskanal des Reaktionsgefäßes zur Restwasserabführung aus Batteriematerialien mit einem Querschnitt und einer Länge versehen, die eine gewünschte Menge der zu verarbeitenden elektrochemischen Batterie- oder Kondensatormaterialien effektiv und dicht enthält. In vielen Anwendungen von Lithium- und Natriumbatterien, Kondensatoren und Batterie/Kondensator-Hybriden (oft im Folgenden zusammenfassend kurz als Batterie oder Batterien bezeichnet) werden relativ große Gruppen von Zellen benötigt, um den erforderlichen Energie- und Leistungsbedarf der Batterie zu erzeugen. Bei derartigen Großbatterien werden die einzelnen Elektroden und Separatoren oft als relativ dünne (z. B. gleichmäßig bis etwa 150-250 Mikrometer Dicke) Einheiten mit rechteckigen oder quadratischen Formen von bis zu etwa 300 mm auf jeder Seite gebildet. Stapel dieser rechteckigen Elektroden, die im Allgemeinen die gleiche zweidimensionale Form und Dicke aufweisen, können zur Restwasserabscheidung verarbeitet werden. Oder es können Stapel von montierten Zellkernen, bestehend aus alternierenden positiven und negativen Elektroden mit dazwischenliegenden Separatoren oder einem langen, einfach gewickelten Separator, zur Wasserabscheidung verarbeitet werden. Daher werden gemäß den bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung häufig Reaktionsgefäße mit Strömungskanälen eingesetzt, die rechteckige Querschnitte aufweisen.
1A ist eine schematische Darstellung einer Gruppierung von Verarbeitungseinrichtungen 10 zur Verwendung eines Gasstroms, der den Dampf einer geeigneten organischen Verbindung enthält, um Restwasser aus Elektrodenmaterialien für Lithium- oder Natriumbatterien zu entziehen. Auf der rechten Seite der Gruppierung der Verarbeitungseinrichtung 10 ist ein Durchflussreaktionsgefäß 12 mit einer Länge und einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt veranschaulicht. Im Betrieb ist das Reaktionsgefäß 12 gegen Umgebungseinflüsse verschlossen, um eine optimale Entwässerung der zu trocknenden Batteriematerialien zu ermöglichen. Die gestrichelte Linie 13, die das Durchlaufreaktionsgefäß 12 umgibt, zeigt an, dass auf oder innerhalb des Reaktionsgefäßes geeignete Isolier- und Wärmemittel (oder Kühlmittel) vorhanden sein können.
Die Gruppierung der Verarbeitungseinrichtung 10, die auf der linken Seite von 1A veranschaulicht ist, umfasst ferner einen geschlossenen Tank 14 (oder einen ähnlichen geeigneten Behälter) zur Aufnahme eines Volumens einer geeigneten trockenen organischen Flüssigkeit 20, wie im Wesentlichen reines Ethanol. Es können Vorkehrungen (gekennzeichnet durch die gestrichelte Linie 15 um den Tank 14) in oder auf dem geschlossenen Tank 14 getroffen werden, um die ausgewählte organische Flüssigkeit 20 im Tank 14 zu isolieren und zu erwärmen oder zu kühlen. Ein geeignetes trockenes Inertgas, wie beispielsweise Argon, wird bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck durch die Gasströmungsleitung 16 in das Strömungsrohr 18 geleitet, das den Strom des Inertgases in den oberen Teil des Tanks 16 und unter die Oberfläche der organischen Flüssigkeit 20 leitet. Der Strom des Inertgases verdampft einen Teil der organischen Flüssigkeit und transportiert organischen Dampf in einem Inertgas/organischen Dampfstrom über der Oberfläche der organischen Flüssigkeit und durch die Strömungsleitung 22, die oben aus dem Tank 14 austritt. Die Strömungsleitung 22 beinhaltet ein Ventil 22' zum Steuern der Durchflussmenge des Trägergases und des organischen Dampfes in der Strömungsleitung 22. Die Strömungsleitung 22 führt zu einer Strömungsverbindung 24, deren Funktion in einem nachfolgenden Abschnitt dieser Spezifikation näher beschrieben wird. Vorzugsweise befindet sich das Ventil 22' in der Strömungsleitung 22 nahe der Strömungsverbindung 24.
Eine separate Strömungsleitung 26 liefert einen separaten Strom von im Wesentlichen wasserfreiem Inertgas, wie Argon, zu einer zweiten Einlassöffnung der Strömungsverbindung 24. Die Strömungsleitung 26 enthält auch ein Steuerventil 26', das vorzugsweise in der Nähe des Anschlusses der Strömungsleitung 26 mit der Strömungsverbindung 24 angeordnet ist. Die Ventile 22' und 26' werden so verwaltet und gesteuert, dass sie vorgegebene Proportionen des inerten Trägergases/organischen Dampfstroms in der Strömungsleitung 22 und des Inertgasstroms 26 zur Strömungsverbindung 24 liefern. Von der Strömungsverbindung 24 aus erstreckt sich die Strömungsleitung 28, die zu einem Einlassstutzen in einer Stirnwand des Strömungsrektors 12 führt (der Einlassstutzen und die Stirnwand werden nachfolgend in dieser Spezifikation näher beschrieben wird). Somit wird die Zusammensetzung des Stroms in der Strömungsleitung 28 durch die Ventile 22' und 26' in den jeweiligen Strömungsleitungen 22, 26 gesteuert. Für den Entwässerungsprozess können geeignete Mischungen aus Trägergas und organischem Dampf verwaltet werden. Dampfreiche Ströme in der Strömungsleitung 28 können durch Minimieren oder Eliminieren des Inertgases aus der Strömungsleitung 26 gebildet werden. Und ein reiner Inertgasdampf aus der Strömungsleitung 26 kann (durch Schließen des Ventils 22') in der Strömungsleitung 28 zugeführt werden, z. B. zum Abführen von organischem Restdampf aus dem Reaktionsgefäß 12 nach Abschluss eines Entwässerungsvorgangs.
Die Strömungsleitung 28 ist vorzugsweise mit einem Durchflussmesser 30 und einem Manometer 32 zum Messen der Durchflussmenge und des Durchflussdrucks des Inertgas-/organischen Dampfstroms ausgestattet, der dem Durchflussreaktionsgefäß 12 zugeführt wird.
In der veranschaulichenden Darstellung von 1A ist das Durchflussgefäß 12 aus zwei flachen vertikalen Seitenwänden 34, einer flachen Bodenplatte 36 und einer flachen Deckenplatte 38 gebildet. In dieser Ausführungsform sind die Seitenwände 34, die Bodenplatte 36 und die Deckenplatte 38 in ihrer Größe und Form weitgehend identisch und greifen in einem rechten Winkel ineinander ein. In jeder der 1A-1D ist ein Großteil der stirnseitigen Seitenwand 34 gebrochen, um das Innere des Durchflussgefäßes 12 und dessen Inhalt besser zu veranschaulichen. Eine der Platten, passend zur Deckenplatte 38, ist abnehmbar, um vorgegebene Gruppen oder Stapel von Elektroden, Zellkernen oder dergleichen in das Innenvolumen des Durchflussreaktionsgefäßes 12 zu platzieren. Das Durchflussreaktionsgefäß 12 umfasst ferner an seinem linken Ende, wie in 1A veranschaulicht, eine im Allgemeinen quadratische Endplatte 40 und an seinem rechten Ende eine quadratische Endplatte 42. Die Endplatte 40 dient als Einlass für das Durchflussreaktionsgefäß 12 und verfügt über eine Öffnung, um das Ende der Strömungsleitung 28 unmittelbar stromabwärts des Durchflussmessers 30 und des Manometers 32 dicht einzurasten. Die Endplatte 42 dient als Auslass für das Durchflussreaktionsgefäß 12 und bietet einen Auslass zum Eingreifen in die Strömungsleitung 44. Die Strömungsleitung 44 dient dazu, den wasserhaltigen, gasförmigen Strom, der aus dem Durchflussreaktionsgefäß austritt, zu einer geeigneten Verarbeitungseinheit (nicht veranschaulicht) zum Rückgewinnen der Strömungsbestandteile zu leiten. Die Strömungsleitung 44 enthält vorzugsweise ein Manometer 46 und ein Ventil 48 zur Druckmessung des austretenden Stroms und zum Steuern der Durchflussmenge. Die Einlassendplatte 40 und die Auslassendplatte 42 können mit trichterförmigen Einlass- und Auslassabschnitten (nicht veranschaulicht) ausgebildet werden, um den Einlassgasstrom zu verteilen und den Auslassgasstrom zu sammeln.
Die entsprechenden Platten, welche die Strukturelemente des Durchflussreaktionsgefäßes 12 sind, können zum Beispiel aus einem geeigneten Metall oder einer Metalllegierung, einem polymeren Material oder einem keramischen Material gebildet werden, das die zu behandelnden Batteriematerialien auf die Temperatur und den Druck des Gasstromes unterstützt.
Wie bereits erwähnt, tritt der Strom des Trägergases und des organischen Wasserlösungsmitteldampfes in das Durchflussreaktionsgefäß 12 durch die Strömungsleitung 28 ein, wobei er in eine Öffnung in der Endplatte 40 eingreift. Der Strömungsfluss in der Strömungsleitung 28 ist begrenzt und dehnt sich mit dem Eintritt in das wesentlich größere Innenvolumen des Durchflussreaktionsgefäßes 12 schlagartig aus. Ein senkrecht und quer stehendes (zum Querschnitt des Gefäßes 12) quadratisches Gassieb 50 wird angrenzend an die Einlassendplatte 40 an einer durch den einströmenden Gasstrom in Eingriff zu nehmenden Position angeordnet, um die Strömung des gasförmigen Dampfes gleichmäßiger über den gesamten Querschnitt (der in den abgebildeten Ausführungsformen des Reaktionsgefäßes 12 quadratisch ist) des Längsvolumens, das den zulässigen Strömungsweg der Innenstruktur des Reaktionsgefäßes 12 bestimmt, zu verteilen und zu lenken. Das Gassieb 50 ist geeignet mit horizontalen und vertikalen Reihen von gleichmäßig verteilten Durchgangsbohrungen ausgebildet, wobei sich die Positionen der Bohrungen von Seite zu Seite des Siebes und von oben nach unten erstrecken. Vorzugsweise deckt das Gassieb 50 den gesamten Querschnitt des Durchflussreaktionsgefäßes 12 ab. Das Gassieb 50 kann aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder einem polymeren oder keramischen Material gebildet werden, das den Gasstrom bei der Temperatur und dem Druck des Gasstromes steuert.
In der Ausführungsform von 1A wurde ein Stapel 52 von mehreren einzelnen Batterieelektroden in den Durchflussreaktor 12 eingesetzt. In dieser Ausführungsform werden die Elektroden auf ihren großflächigen Seiten liegend platziert. Die Herstellung der Elektroden ist im Wesentlichen abgeschlossen. In jeder Elektrode wurden auf beiden Hauptflächen einer kompatiblen rechteckigen Stromabnehmerfolie mit einer unbeschichteten Steckverbinderlasche, die sich von oben nach unten erstreckt, einheitliche poröse Schichten aus harzgebundenen, teilchenförmigen Elektrodenmaterialpartikeln gebildet, die oft mit elektrisch leitfähigen Partikeln vermischt sind. Der Stapel 52 der Elektroden kann alle Anoden, alle Kathoden oder Mischungen von Anoden und Kathoden umfassen. In dem Beispiel von 1A sind die Elektroden mit einer Hauptfläche nach unten auf der Bodenplatte 36 des Reaktionsgefäßes 12 gestapelt, wobei die Seitenkanten dicht an den Seitenwänden 34 des Reaktionsgefäßes 12 anliegen, sodass der Gasstrom gezielter in die Poren der Elektrodenmaterialien geleitet wird.
In diesem Beispiel füllt die Anzahl der Elektroden im Stapel 52 den vertikalen Querschnitt des Reaktionsgefäßes 12 nicht aus. Um den Strom des wasserabführenden Gasstroms durch die porösen Elektrodenschichten des Stapels 52 zu leiten, wurden zwei geeignete vertikale Leitbleche 54 angebracht, um die Oberseite des Elektrodenstapels 52, die Seitenwände 34 und die Oberseite 38 in Eingriff zu nehmen, sodass der Strom des wasserabführenden Gasstroms durch jede der porösen Schichten des Elektrodenmaterials auf den Elektroden des Stapels wirksam erzwungen wird. Die Seitenkanten der einen oder mehrerer Leitbleche 54 können in den Rückhaltevorrichtungen 53 an den Seitenwänden 34 des Durchflussreaktionsgefäßes 12 zurückgehalten werden. Dadurch ist das Durchflussreaktionsgefäß 12 so bemessen und geformt, dass es die Batterieelemente eng umschließt und den Durchfluss des wasserabführenden Gasstroms durch die porösen Schichten des Elektrodenmaterials leitet.
Der Stapel 52 der entwässerten Elektroden kann durch Öffnen der Oberseite 38 des Durchflussreaktionsgefäßes 12 entfernt werden.
1B veranschaulicht die Verwendung von Komponenten der Anordnung 10 (1A) zum Abziehen von Wasser aus einem Stapel 60 von Zellkernen 62. Die in 1A veranschaulichte Einrichtung zum Erzeugen des gasförmigen Entwässerungsstroms wird auch in 1B-1D verwendet, wobei die Darstellung des Flüssigkeitssammelbehälters 14 und seines Inhalts und der Einlassleitung für das Trägergas in den 1B-1D nicht wiederholt wird. Die Strömungsleitungen des Treibers der Gas- und Dampfströme sind in den 1B-1D veranschaulicht.
Jeder Zellkern 62 ist aus einer gestapelten Anordnung von alternierenden Anoden und Kathoden (positive oder negative Elektroden) gebildet, die durch eine lange poröse polymere Trennschicht getrennt sind, die zwischen den Elektroden hin und her gewickelt ist. Die Zellkerne 62 sind in einem Stapel 60 mit ihren Hauptelektrodenflächen parallel zur Bodenplatte 36 des Reaktionsgefäßes 12 angeordnet. Die Seitenkanten der gestapelten 60 Zellkerne 62 berühren die senkrechten Seiten 34 des Durchflussreaktionsgefäßes 12. Das Durchflussreaktionsgefäß 12 und die dazugehörige Einrichtung zum Abgeben des wasserabscheidenden Gasstroms sind die gleichen wie in 1A veranschaulicht. Da der horizontale Stapel 60 der vertikalen Leitbleche den vollen vertikalen Querschnitt des Behälters 12 nicht ausfüllt, werden kantengestützte (Halter 53) vertikale Leitbleche 54 wieder an der Oberseite des Stapels 60 platziert, um den Strom des wasserabscheidenden Gasstroms durch die Poren der Elektroden und Abscheider, die die Zellkerne 62 bilden, zu leiten.
1C veranschaulicht die Verwendung von Komponenten der Anordnung 10 (1A) für die Wasserabscheidung aus einem horizontalen Stapel 60 von Zellkernen 62, der den Gasströmungsquerschnitt des Reaktionsgefäßes 12 vollständig ausfüllt. Dabei füllt der Stapel 60 der Zellkerne den Gasströmungsquerschnitt aus; die in der Ausführungsform von 1B verwendeten Leitbleche 54 sind nicht erforderlich.
In der Ausgestaltung von 1D sind die Zellkerne 62 an ihren Kanten gestapelt. Die Breite der Zellkerne 62 in diesem vertikalen Stapel 60' in Kombination mit der Anzahl der Zellkerne 62 füllt den Gasströmungsquerschnitt des Reaktionsgefäßes 12 aus und es werden keine Leitbleche benötigt.
Somit ist der Durchfluss durch das Reaktionsgefäß 12 so bemessen und geformt, dass Wasser aus vorgegebenen Chargenmengen an Batterieelementen in einer bestimmten Größe und Form abgeschieden werden kann. Die Verwendung eines Wasserabscheidesystems 10 soll strategisch so eingesetzt werden, dass ein Großteil der erweiterten Verarbeitung der Batterieelemente in einer normalen Luftatmosphäre von ca. 20 % RF durchgeführt werden kann. Anschließend kann, wie beschrieben, die Verarbeitung einer Charge von Batterieelementen zum Abziehen von Wasser in einer von mehreren vorher festgelegten Stufen des Herstellungsprozesses durchgeführt werden, um eine fertige Batterie oder einen Kondensator mit einem entsprechend niedrigen Restwassergehalt bereitzustellen. Dies wird nachfolgend in dieser Spezifikation ausführlicher abgehandelt. Doch zunächst ist es hilfreich, die Zusammensetzungen von wasserentziehenden Gasströmen zu beschreiben, die in Kombination mit der Ausrüstung dieser Erfindung verwendet werden können.
Das in das Reaktionsgefäß 12 eintretende Gasgemisch beinhaltet einen organischen Lösungsmitteldampf und ein Trägergas. In einem Beispiel wird das Trägergas aus einem Inertgas, einem nicht inerten Gas oder einer Mischung aus einem Inertgas und einem nicht inerten Gas ausgewählt. Das Trägergas weist im Allgemeinen eine hohe Reinheit auf (z. B. einer Reinheit von mindestens 98 %) und ist relativ trocken (z. B. Wasserfeuchte unter 500 ppm). Als Beispiel kann N₂, das als Trägergas verwendet wird, eine Reinheit von 99,9 % und eine Wasserfeuchte von weniger als 200 ppm aufweisen.
Einige geeignete Beispiele für Inertgase sind Argongas, Heliumgas, Neongas, Kryptongas, Xenongas, Radongas, Stickstoffgas und Mischungen daraus. Einige geeignete Beispiele für nicht inerte Gase sind Kohlendioxidgas, Wasserstoffgas, Sauerstoffgas, Luft, Methangas, Ethangas, Propangas und Kombinationen davon. In einem Beispiel ist das ausgewählte Trägergas Argon.
Der organische Lösungsmitteldampf im Gasgemisch bildet Wasserstoffbrücken mit mindestens einigen Wassermolekülen aus dem Restwasser im Batteriematerial. Der organische Lösungsmitteldampf kann mit dem Restwasser eine Wasserstoffbindung bilden, die zum Teil auf die Hydroxylgruppen oder Sauerstoffatome im organischen Lösungsmitteldampf zurückzuführen ist. Es ist anzunehmen, dass die Hydrogenbindungen zwischen dem organischen Lösungsmitteldampf im Gasgemisch und dem Restwasser die Wasserstoffbindungsstruktur der Restwassermoleküle stören. Diese Interferenz destabilisiert die molekulare Struktur des Restwassers. Auf diese Weise lässt sich das Restwasser leichter aus dem Batteriematerial herausziehen.
Einige Beispiele für organische Lösungsmittel, die den organischen Lösungsmitteldampf bilden, sind Alkohole, Aldehyde, Säuren, Ketone, Äther, Furane, Halogenalkane und Kombinationen davon. Einige Beispiele für geeignete organische Lösungsmittel sind ein Chloratom(e), ein Fluoratom(e), ein Sauerstoffatom(e) oder ein Wasserstoffatom(e) und weisen einen relativ niedrigen Siedepunkt (d. h. <150 °C (<302 °F)) auf, da diese organischen Lösungsmittel eine Wasserstoffbindung mit Restwassermolekülen bilden können. Weitere Beispiele für ein geeignetes organisches Lösungsmittel sind entweder Sauerstoffatome oder -OH-Gruppen, die die Wasserstoffbindungsstruktur der Restwassermoleküle beeinträchtigen können.
Einige Beispiele für Alkohole sind Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol oder Kombinationen davon. Einige Beispiele für Aldehyde sind Formaldehyd, Acetaldehyd und Kombinationen davon. Einige Beispiele für Säuren sind Essigsäure, Ameisensäure und Kombinationen davon. Beispiele für Ketone sind Aceton, Butanon und Methylethylketon. Einige Beispiele für Ether sind Diethylether, Methylethylether und Kombinationen davon. Beispiele für Furane sind Tetrahydrofuran und Dihydrofuran. Beispiele für Halogenalkane sind Chloroform und Dichlormethan (d. h. Methylenchlorid). In einem Beispiel ist das organische Lösungsmittel Ethanol.
Es ist zu verstehen, dass der Dampf des organischen Lösungsmittels in der Gasmischung in einer Menge von mehr als 0 bis etwa 99,9 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Gasgemischs, vorliegen kann. In einem Beispiel liegt das organische Lösungsmittel in einer Menge von etwa 5- bis etwa 20 Vol.-% vor. Es ist zu verstehen, dass eine beliebige Menge an organischem Lösungsmitteldampf verwendet werden kann, abhängig von der vorgegebenen Zeit, in der das Gasgemisch durch das Innere des Reaktionsgefäßes strömt (z. B. Reaktionsgefäß 12 in den 1A-1D), von der vorgegebenen Temperatur im Inneren des Reaktionsgefäßes, wenn das Gasgemisch durch dieses hindurchströmt, und vom vorgegebenen Druck im Inneren des Reaktionsgefäßes, wenn das Gasgemisch durch dieses hindurchströmt. Die Volumenkonzentration des organischen Lösungsmittels kann abhängig von der Gesamteffizienz der Wasserabscheidung variiert werden.
In einem Beispiel kann die vorgegebene Zeit, die das Gasgemisch durch das Batteriematerial im Reaktionsgefäß strömt, zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 24 Stunden betragen. In einem weiteren Beispiel beträgt die vorgegebene Zeit, die das Gasgemisch durch das Reaktionsgefäß strömt, zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 5 Stunden.
Die vorgegebene Temperatur des Kanals, wenn das Gasgemisch durch das Reaktionsgefäß hindurchströmt, kann zwischen etwa 0°C und etwa 300 °C betragen. Die vorgegebene Temperatur des Kanals bezieht sich auf die Temperatur der Umgebung innerhalb des Reaktionsgefäßes, welches das Batteriematerial umgibt. Im Inneren des Reaktionsgefäßes kann ein Temperatursensor in der Nähe des Batteriematerials angebracht sein. In einem Beispiel kann die Temperatur von etwa 120 °C bis etwa 300 °C schwanken, z. B. wenn das Batteriematerial ein Batteriematerialpulver ist. In einem weiteren Beispiel kann die Temperatur von etwa 60 °C bis etwa 150 °C schwanken, z. B. wenn das Batteriematerial eine Elektrode ist. In noch einem weiteren Beispiel kann die Temperatur von etwa 30 °C bis etwa 100 °C schwanken, z. B. wenn das Batteriematerial ein Zellenkern ist.
Die Auswahl des Trägergases und der Temperatur ist zumindest teilweise abhängig vom Batteriematerial und eventuell auftretenden unerwünschten Nebenreaktionen. Als Beispiel sollte eine negative Elektrode, die aus einem Aktivkohlematerial und einem Kupferstromabnehmer gefertigt ist, nicht in O₂ oder Luft bei einer Temperatur von mehr als 150 °C erwärmt werden, da Kupferfolie und Kohlenstoff durch Sauerstoff oxidiert werden können. In diesem Sinne sollte die Temperatur bei einem kohlenstoffaktiven Material und O₂ oder einem Luftträgergas 120 °C oder weniger betragen. Die gleiche negative Elektrode aus einem kohlenstoffaktiven Material kann jedoch in Wasserstoffgas bei Temperaturen von ca. 150 °C bis ca. 200 °C erwärmt werden, da in der reduzierenden Umgebung keine nachteiligen Reaktionen auftreten. Und noch ein weiteres Beispiel, wobei eine positive Elektrode aus Metalloxid nicht in Wasserstoffgas bei Temperaturen von ca. 100 °C bis ca. 300 °C erwärmt werden sollte, da Metalloxide unter diesen Bedingungen unerwünschterweise reduziert werden können. Luft kann für Batteriematerialpulver, Elektroden oder Trockenzellenkerne (wie das hierin nachfolgend näher beschriebene anorganische lösungsmittelhaltige Gas 18) bei bestimmten Temperaturen verwendet werden, solange keine unerwünschte Reaktion auftritt. Ist Ethanol das organische Lösungsmittel und Luft das Trägergas, sollte die Temperatur unter 250 °C liegen, da Ethanoldampf und Luft bei Temperaturen von etwa 250 °C bis etwa 350 °C reagieren können. Somit können Trägergas und Temperatur so gewählt werden, dass unerwünschte Reaktionen (z. B. mit dem aktiven Material) vermieden werden.
Der vorgegebene Druck des Reaktionsgefäßes beim Durchströmen des Gasgemisches kann im Bereich von etwa 0 bar bis etwa 10 bar liegen. Der vorgegebene Druck im Reaktionsgefäß bezieht sich auf den Umgebungsdruck im Reaktionsgefäß, der das Batteriematerial umgibt. Im Inneren des Durchflussreaktionsgefäßes kann ein Drucksensor in der Nähe des Batteriematerials angebracht sein. In einem Beispiel bewegt sich der Druck in einem Bereich von etwa 1 bar bis etwa 2 bar. Die hierin aufgeführten exemplarischen Drücke können mit jedem beliebigen Batteriematerial (d. h. Batteriematerialpulver, Elektrode, Zellkern) verwendet werden.
Nach dem Abscheiden des organischen Lösungsmitteldampfes kann die Konzentration des Restwassers im Batteriematerial, das in einem Durchflussreaktionsgefäß verarbeitet wurde, wie in den 1A-1D veranschaulicht, unter 600 ppm liegen. Der endgültige Wasserstand kann je nach Batteriematerial variieren. Es ist wünschenswert, dass der Wasserstand so niedrig wie möglich gehalten wird. Das Batteriematerial mit reduziertem Restwassergehalt kann dann zum Bilden einer Lithium-Ionen-Batterie, einer Lithium-Schwefel-Batterie, einer Lithium-Luft-Batterie oder einer Natrium-Schwefel-Batterie verwendet werden.
Unter Bezugnahme nun auf 2A zeigt ein Diagramm einen Stand der Technik und die Verarbeitungsumgebung 100 für die Herstellung einer Batteriezelle, die zum Beispiel eine zylindrische Batterie, eine prismatische Batterie, eine Beutelzelle oder eine andere geeignete Batteriezelle oder Kondensatorzellenkonfiguration sein kann. Im Stand der Technik und in der Verarbeitungsumgebung 102, schematisch veranschaulicht in 2A, wird ein Großteil der Verarbeitung des Elektrodenmaterials, der Elektroden und der Zellkerne in einer speziellen Trockenluftumgebung (Verarbeitungsbereich 102, wie in 2A angezeigt) durchgeführt, in der die relative Luftfeuchtigkeit schonend im Bereich von etwa 0,1 % RH bis etwa 0,2 % RF gehalten wird. Die Vorbereitung einer ersten Aufschlämmung 104 eines Gemischs aus Elektrodenmaterial, Bindemittelharz und Lösungsmittel oder flüssigem Dispergiermittel und leitfähigen Partikeln kann jedoch in einem Verarbeitungsbereich 105 von Umgebungsluft mit höherer oder höherer relativer Luftfeuchtigkeit, z. B. etwa 20 % RF, durchgeführt werden.
Die Verfahrensschritte bei der Herstellung von Batteriematerialien und -elementen, wie sie in 2A (und in 2B) veranschaulicht sind, beinhalten im Allgemeinen Aufschlämmungsmischen 104, Elektrodenbeschichtung 106, Elektrodenpressen 108, Elektrodenkerben 110, Elektrodenstapeln 112, Laschenschweißen 114, Zellversiegelung 116, Elektrolytfüllung 118 und Zellenentgasung 120.
Wie bereits erwähnt, beinhaltet das Aufschlämmungsmischen 104 im Allgemeinen das Mischen von aktivem, leitfähigem und Bindematerial als Schlamm unter Vakuum, wobei die fertige Mischung an Elektrodenmaterialien in Luft bei 20 % RF (Verarbeitungsumgebung 105) gehandhabt und gelagert werden kann.
Bei den bisherigen Verarbeitungspraktiken werden die folgenden Schritte in der sehr trockenen Luftatmosphäre (Verarbeitungsumgebung 102) durchgeführt. Die Elektrodenbeschichtung 106 beinhaltet in der Regel das Aufbringen einer Schicht(en) von Schlamm auf eine relativ lange Stromabnehmerfolie und das Trocknen mit einem angeschlossenen Heizgerät. Beim Elektrodenpressen 108 (Kalandrieren) wird die Elektrode im Allgemeinen auf eine gewünschte Dicke/Dichte komprimiert. Das Elektrodenkerben 110 beinhaltet im Allgemeinen den Gebrauch einer Schneidemaschine, um ein Elektrodenblech in Streifen einer gewünschten Größe zu schneiden. Das Elektrodenstapeln 112 beinhaltet im Allgemeinen das Formen, z. B. durch eine Wickelmaschine, Schichten von Anode, Separator und Kathode zu einem Zellenkern. Beim Laschenschweißen 114 wird die Zelle im Allgemeinen an einer Kappe befestigt. Die Zellenversiegelung 116 beinhaltet im Allgemeinen z. B. das Verschließen eines Zellengehäuses mit einer Versiegelungsmaschine/Krimpzange, das Ausrichten der Kappe auf das offene Ende des Gehäuses und das Versiegeln des Gehäuses. Die Elektrolytbefüllung 118 beinhaltet im Allgemeinen das Einspritzen des Gehäuses mit einem Elektrolyten.
Wie in 2A abgebildet, wird der verbleibende Teil des Herstellungsverfahrens 100 (z. B. Elektrodenbeschichtung 106, Elektrodenpressung 108, Elektrodenkerbung 110, Elektrodenstapelung 112, Elektrodenschweißen 114, Zellenversiegelung 116, Elektrolytbefüllung 118 und Zellenentgasung 120) im Allgemeinen innerhalb eines Arbeitsbereichs mit niedriger relativer Luftfeuchtigkeit 102 (gekennzeichnet durch die geschlossene Linie) durchgeführt. Die relative Luftfeuchtigkeit der Fläche 102 kann zwischen etwa 0,1 % und etwa 0,2 % betragen. Um die niedrige relative Luftfeuchtigkeit im gesamten Bereich 102 aufrechtzuerhalten, kann ein großer Trockenraum verwendet werden. Darüber hinaus kann nach einer oder mehreren der Elektrodenbeschichtungen 106, der Elektrodenpressung 108, der Elektrodenkerbung 110, der Elektrodenstapelung 112 und der Zellenversiegelung 116 ein ergänzender Trocknungsschritt 122 unter Verwendung von Wärme und Vakuum in die laufenden Arbeiten einbezogen werden, um eine Erhöhung des Restwassergehalts der hergestellten Batteriezelle zu verhindern. In der Darstellung von 2A sind mögliche zusätzliche Trocknungsschritte 122 bei fünf möglichen Schritten in der Batterieherstellung angegeben, aber derartige zwischengeschaltete Trocknungsschritte werden normalerweise nur ein oder zwei Mal während eines derartigen Herstellungsprozesses gemäß dem Stand der Technik durchgeführt.
Im Gegensatz dazu kann bei dem in 2B gezeigten Verfahren 200 die relative Luftfeuchtigkeit 202 (von ca. 0,5 % RF bis ca. 20 % RF) während des gesamten Herstellungsprozesses der Batteriezelle verwendet werden, mit Ausnahme der Elektrolytfüllung 218 und der Zellenentgasung 220. Während der Elektrolytbefüllung 218 kann der Bereich mit einer niedrigen relativen Luftfeuchtigkeit (0,1 % bis 0,2 % RF) verwendet werden. Dieser Bereich mit einer niedrigen relativen Luftfeuchtigkeit kann ein kleiner Trockenraum oder ein Handschuhfach sein. In einem Beispiel enthält ein trockenes Handschuhfach hauptsächlich Argon, kann sauerstofffrei und N₂ frei gehalten werden und weist Wasser <0,1 % RF auf. Darüber hinaus kann ein Trocknungsschritt einmalig nach der Zellenversiegelung 216 erfolgen (im Gegensatz zu den verschiedenen Trocknungsschritten in dem in 2A dargestellten Stand der Technik).
Es ist zu verstehen, dass der Restwassergehalt am Beispiel eines Durchflussreaktionsgefäßes, wie hierin am Batteriematerialpulver offenbart, reduziert werden kann, bevor die Aufschlämmungsmischung 204 erfolgt. In einem weiteren Beispiel kann der Restwassergehalt mittels Beispielen des hierin offenbarten Verfahrens an jeder beliebigen Stelle der Elektrode reduziert werden, nachdem eine Elektrodenaufschlämmung auf einen Stromabnehmer aufgetragen wurde (z. B. nach der Elektrodenbeschichtung 206, dem Elektrodenpressen 208 und/oder dem Elektrodenkerben 210). In noch einem weiteren Beispiel kann der Restwassergehalt beispielsweise mithilfe des hierin offenbarten Verfahrens nach dem Bilden des Zellenkerns reduziert werden (z. B. nach der Elektrodenstapelung 212 und/oder dem Laschenschweißen 214). Dies ermöglicht die Herstellung von Elektroden in einer weniger intensiven Umgebung (z. B. ohne Trockenraum) mit weniger Trocknung im Gesamtprozess. Vorzugsweise wird die Verwendung des betreffenden Durchflussreaktionsgefäßes zum Durchführen des Entwässerungsvorgangs des organischen Wasserlösungsmittels durchgeführt, bevor die montierten Zellenkerne in einen Zellenbehälter eingesetzt und versiegelt 216 werden und bevor der Zellenbehälter mit einem Elektrolyten 218 befüllt und entgast 220 wird.
Wie bereits erwähnt, kann die Kombination 10 (1A-1D) eines Durchflussreaktionsgefäßes 12 und zugehörige Einrichtungen zum Bilden der Gasmischung aus einem Inertgas und einem organischen Wasserlösungsmitteldampf verwendet werden, um Restwasserdampf aus Batterie- oder Kondensatorelektroden oder Zellkernelementen in jeder gewünschten Stufe des schrittweisen Herstellungsprozesses zu entfernen. Die Größe und Form des Durchflussreaktionsgefäßes ist so gewählt, dass die Batterie/Kondensatorelemente einfach in das Reaktionsgefäß eingesetzt werden können, um einen geordneten und effizienten Durchfluss des wasserabscheidenden Stroms durch die Poren oder die Zellenelemente zu gewährleisten. Die entwässerten Zellenelemente lassen sich leicht aus dem Reaktionsgefäß entfernen. Und das wasserhaltige Gasgemisch lässt sich leicht aufbereiten, um das Inertgas und die organische Lösungsmittelflüssigkeit zurückzugewinnen.
Der vorstehende Text dient zur Veranschaulichung von Ausführungsformen der Kombination von Gasstromabgabegeräten und einer Reaktionsgefäßeinrichtung zum Abscheiden von Restwasser aus Batterie- und Kondensatormaterialien, die mit einer nichtwässrigen Elektrolytlösung in einer trockenen elektrochemischen Zelle(n) verwendet werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 2015/082753 [0002]

Claims

Kombination aus einem Reaktionsgefäß und einer Vorrichtung zur Abgabe eines organischen Dampfstroms zum Kontaktieren von Batterie- oder Kondensatorelektrodenelementen oder Kernzellen von Batterie- oder Kondensatorelektrodenelementen und Separatorelementen mit einem fließenden, wasserabführenden Strom eines organischen Dampfes in einem Trägergas, das Reaktionsgefäß umfassend: eine Box mit einer unteren Wandfläche, zwei Seitenwandflächen, einer oberen Wandfläche und zwei stirnseitigen Wandflächen, die ein Innenvolumen zum Aufnehmen einer vorbestimmten Menge von wasserhaltigen Elektrodenmaterialelementen oder Kernzellenelementen definieren, wobei eine Endfläche der Box eine Öffnung zum Eindringen eines fließenden Stroms von organischem Dampf in einem Trägergas in das Innenvolumen der Box aufweist, und die zweite Endfläche der Box verfügt über eine Öffnung zur Abgabe des wasserhaltigen, fließenden Stroms aus dem Innenvolumen der Box, wobei das Innenvolumen der Box des Weiteren eine Siebplatte umfasst, die angrenzend an die Eintrittsendfläche angeordnet ist, um den eintretenden Strom von organischem Dampf in einem Trägergas über den vollen Querschnitt des Innenvolumens der Box zu leiten, während er in Richtung des Austrittsendes des Volumens der Box strömt; und die Ausrüstung zum Abgeben des organischen Dampfstroms, umfassend: einen Behälter zum Einschließen eines Volumens eines flüssigen organischen Lösungsmittels, das aus wasserhaltiger Umgebungsluft isoliert ist, wobei der Behälter einen Einlass zum Beaufschlagen eines unter Druck stehenden Stroms von trockenem Inertgas aufweist, wobei der Einlass oberhalb des vorgesehenen Volumens der organischen Flüssigkeit angeordnet ist, wobei der Einlass mit einem Strömungskanal im Inneren des Behälters verbunden ist, um einen unter Druck gesetzten Strom von inertem Trägergas in den Behälter und unterhalb der Oberfläche eines enthaltenen Volumens eines flüssigen organischen Lösungsmittels aufzunehmen und zu leiten, und wobei der Behälter einen Auslass zum Austritt eines Gasstroms aus inertem Trägergas und Dampf des flüssigen organischen Lösungsmittels aufweist, wobei der Auslass oberhalb des vorgesehenen Volumens der organischen Flüssigkeit angeordnet ist; eine einzelne erste Strömungsleitung, die mit dem Auslass des Behälters verbunden ist, um die Strömung des Gasstroms aus dem Auslass des Behälters zu leiten; eine einzelne zweite Strömungsleitung zum Leiten eines unter Druck gesetzten Stroms eines inerten Trägergases, wobei die erste Strömungsleitung und die zweite Strömungsleitung jeweils in einer Strömungsverbindung enden, in der ihre Flussströme kombiniert sind; und eine dritte Strömungsleitung zum Leiten des Inertgases und des organischen Dampfes vom Auslass der Strömungsverbindung zum Einlass des Reaktionsgefäßes.
Kombination aus einem Reaktionsgefäß und einer Einrichtung zur Abgabe eines organischen Dampfstroms nach Anspruch 1, wobei das Sieb eine flache Platte mit Durchflussbohrungen ist, die über die Oberfläche der Platte und durch die Dicke der Platte verteilt sind.
Kombination aus einem Reaktionsgefäß und einer Einrichtung zur Abgabe eines organischen Dampfstroms nach Anspruch 2, wobei die Siebplatte vier Kanten aufweist, die jeweils in die untere Wandfläche eingreifen, zwei Seitenwandflächen, eine obere Wandfläche, sodass der gesamte fließende Strom durch die Löcher der Siebplatte strömen muss.
Kombination aus einem Reaktionsgefäß und einer Einrichtung zur Abgabe eines organischen Dampfstroms nach Anspruch 1, wobei die erste Strömungsleitung ein erstes Ventil zum Steuern des Durchflusses des Gasstroms durch die Strömungsleitung aufweist, die zweite Strömungsleitung ein zweites Ventil zum Steuern des Durchflusses des inerten Trägergases durch die zweite Strömungsleitung aufweist und die Verhältnisse des Inertgases und des organischen Dampfes in der dritten Strömungsleitung durch die jeweilige Position der Ventile in den ersten und zweiten Strömungsleitungen bestimmt werden
Kombination aus einem Reaktionsgefäß und einer Einrichtung zur Abgabe eines organischen Dampfstroms nach Anspruch 1, wobei die Seitenwandflächen der Box des Reaktionsgefäßes parallele vertikale Rechtecke sind, die gleiche Längen und Höhen aufweisen und deren Längen länger als ihre Höhen sind, und wobei die untere Wandfläche und die obere Wandfläche der Box parallele horizontale Rechtecke sind, welche die gleichen Längen wie die Seitenwandflächen aufweisen.
Kombination aus einem Reaktionsgefäß und einer Einrichtung zur Abgabe eines organischen Dampfstroms nach Anspruch 5, wobei die Breite der Box bemessen ist, um einen vertikalen Stapel gleichgroßer rechteckiger Elektroden aufzunehmen, sodass die Flächen der Elektroden an den Seitenwandflächen der Box anliegen und ein fließender Dampfstrom durch die Poren der Elektroden geleitet wird.
Kombination aus einem Reaktionsgefäß und einer Einrichtung zur Abgabe eines organischen Dampfstroms nach Anspruch 5, wobei die Breite der Box bemessen ist, um einen flachen Stapel gleichgroßer rechteckiger Elektroden aufzunehmen, sodass die Kanten der Elektroden an den Seitenwandflächen der Box anliegen und ein fließender Strom durch die Poren der Elektroden geleitet wird, wobei die Box ferner mindestens ein vertikales Leitblech enthält, das auf dem flachen Stapel angeordnet ist, wenn sich das obere Ende des Stapels nicht über die gesamte Höhe der Seitenwandflächen erstreckt, um zu verhindern, dass ein fließender Strom über das obere Ende des Elektrodenstapels strömt.
Kombination aus einem Reaktionsgefäß und einer Einrichtung zur Abgabe eines organischen Dampfstroms nach Anspruch 5, wobei die Breite der Box bemessen ist, um einen vertikalen Stapel gleichgroßer rechteckiger Zellkerne aufzunehmen, sodass die Seitenflächen der Zellkerne an die Seitenwandflächen der Box anliegen und ein fließender Strom durch die Poren der Elektroden der Zellkerne geleitet wird.
Kombination aus einem Reaktionsgefäß und einer Einrichtung zur Abgabe eines organischen Dampfstroms nach Anspruch 5, wobei die Breite der Box bemessen ist, um einen flachen Stapel gleichgroßer rechteckiger Zellkerne aufzunehmen, sodass die Kanten der Zellkerne gegen die Seitenwandflächen der Box anliegen und ein fließender Strom durch die Poren der Elektroden der Zellkerne geleitet wird, wobei die Box ferner mindestens ein vertikales Leitblech enthält, das auf dem flachen Stapel angeordnet ist, wenn sich das obere Ende des Stapels nicht über die volle Höhe der Seitenwandflächen erstreckt, um zu verhindern, dass ein fließender Strom über das obere Ende des Stapels von Zellkernen strömt.
Eine Kombination eines Reaktionsgefäßes und eines organischen Dampfsystems nach Anspruch 1, wobei der Querschnitt des Innenvolumens der Box ausgebildet ist, um einer Stapelung von zu entwässerndem Batteriematerial zu entsprechen, sodass der Strom von organischem Dampf in einem Trägergas durch die Poren des Batteriematerials strömen muss, um das Ausgangsende des Volumens der Box zu erreichen.