DE102022111682A1

DE102022111682A1 - Kathodenstruktur für eine batterie und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE102022111682A1
Application number: DE102022111682.4A
Authority: DE
Inventors: Nicole Ellison; Xiaosong Huang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2022-05-10
Publication date: 2023-02-16
Also published as: US20230050401A1; CN115706204A

Abstract

Eine Kathodenstruktur für eine Batterie umfasst ein Substrat mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer auf der elektrisch leitenden Oberfläche aufgebrachten Elektrode. Die Elektrode besteht aus zwei oder mehr Elektrodenmaterialien, darunter (i) ein oder mehrere aktive Materialien und (ii) bestimmte Gewichtsprozentbereiche von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren („MWCNT“) oder gefrästen Kohlenstofffasern („MCF“) oder einer Mischung aus MWCNT und MCF. Unter Verwendung der angegebenen Gewichtsprozentbereiche kann die Elektrode mit einer Dicke von mehr als 120 µm hergestellt werden. Ferner werden eine Aufschlämmungsformulierung zur Herstellung dicker Elektroden für eine Batterie und ein Verfahren zur Herstellung einer Kathodenstruktur für eine Batterie offengelegt.

Description

EINFÜHRUNG
Diese Offenbarung bezieht sich auf Kathodenstrukturen für elektrische Batterien und auf Verfahren zur Herstellung solcher Kathodenstrukturen.
Elektrische Batterien, wie z. B. Lithium-Ionen-Batterien, verwenden gegenüberliegende Elektroden - d. h. Anoden und Kathoden -, die räumlich voneinander getrennt sind, aber elektrochemisch über einen chemischen Elektrolyten miteinander verbunden sind. Jede Elektrode kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Die Herstellung einer Kathode kann beispielsweise darin bestehen, dass eine Aufschlämmung von Bestandteilen auf eine elektrisch leitende Oberfläche eines Substrats aufgebracht und dann durch Erhitzen ausgehärtet wird, um flüchtige Bestandteile zu verdampfen und die verbleibenden Bestandteile auszuhärten oder zu fixieren. Zu den flüchtigen Bestandteilen kann ein Lösungsmittel gehören, und die übrigen Bestandteile können aktive Materialien (wie Lithiumoxid), leitfähige Füllstoffe und polymere Bindemittel enthalten.
Bei der oben erwähnten Methode, eine Aufschlämmung aufzutragen und dann zu erhitzen, um eine Elektrode zu formen, gibt es aufgrund der rheologischen Eigenschaften der Aufschlämmung und anderer Faktoren eine Grenze dafür, wie dick und/oder hoch die resultierende Elektrode sein kann.
BESCHREIBUNG
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Kathodenstruktur für eine Batterie ein Substrat mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und eine auf der elektrisch leitenden Oberfläche abgeschiedene Elektrode. Die Elektrode besteht aus zwei oder mehr Elektrodenmaterialien, einschließlich (i) einem oder mehreren aktiven Materialien und (ii) 0,05-10,0 Gew.-% mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren („MWCNTs“) oder 0,1-20,0 Gew.-% gemahlener Kohlenstofffasern („MCFs“) oder 0,3-20,0 Gew.-% einer Mischung aus MWCNTs und MCFs, wobei die Elektrode eine Dicke von mehr als 120 µm aufweist.
In dieser Ausführungsform können die zwei oder mehr Elektrodenmaterialien homogen miteinander vermischt werden, und bei dem einen oder den mehreren aktiven Materialien kann es sich um mindestens eines der folgenden Materialien handeln: Lithiummanganoxid, Lithiummanganeisenphosphat, Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminiumoxid, Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid und Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid. Die zwei oder mehr Elektrodenmaterialien können außerdem Kohlenstoffpartikel und/oder einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren enthalten, und die zwei oder mehr Elektrodenmaterialien können außerdem ein polymeres Bindemittel enthalten.
Die MWCNTs und/oder die MCFs können zufällig in der Elektrode verteilt sein, um eine zusätzliche elektrische Leitfähigkeit zwischen benachbarten Partikeln des aktiven Materials zu gewährleisten. Darüber hinaus kann jedes der MWCNTs mit einer funktionellen Carbonsäuregruppe, einer funktionellen Hydroxylgruppe, einer funktionellen Amingruppe, einer funktionellen Epoxidgruppe oder einer funktionellen Estergruppe verbunden sein. Eine von der Elektrode bereitgestellte Elektrodenladung kann mindestens 5,0 mAh/cm² betragen; insbesondere kann die von der Elektrode bereitgestellte Elektrodenladung mindestens 5,0 mAh/cm² und weniger als oder gleich 6,0 mAh/cm² betragen. Jedes der MWCNTs kann einen ersten Durchmesser von mehr als oder gleich 5 nm und weniger als oder gleich 100 nm haben, und jedes der MCFs kann einen zweiten Durchmesser von mehr als oder gleich 2 µm und weniger als oder gleich 20 µm und eine Länge von mindestens 10 µm haben.
Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält eine Aufschlämmungsformulierung zur Herstellung dicker Elektroden für eine Batterie: 40-85 Gew.-% aktives Material; und 0,02-8,0 Gew.-% mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren oder 0,05-16,0 Gew.-% gemahlene Kohlenstofffasern oder 0,1-16,0 Gew.-% einer Mischung aus mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren und gemahlenen Kohlenstofffasern. Diese Aufschlämmungsformulierung hat einen Feststoffgehalt von mehr als 66 Gew.-%. Die Aufschlämmungsformulierung kann ferner einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten: (i) 0,5-8,0 Gew.-% Kohlenstoffpartikel und/oder einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren, (ii) 0,5-15 Gew.-% polymeres Bindemittel und (iii) 20-50 Gew.-% eines Lösungsmittels.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Kathodenstruktur für eine Batterie: (i) Mischen von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren und/oder gemahlenen Kohlenstofffasern mit Ruß und einem Lösungsmittel, um ein erstes Gemisch zu erzeugen; (ii) Mischen eines polymeren Bindemittels mit dem ersten Gemisch, um ein zweites Gemisch zu erzeugen; (iii) Mischen von aktivem Material mit dem zweiten Gemisch, um ein drittes Gemisch zu erzeugen; (iv) Beschichten einer elektrisch leitenden Oberfläche eines Substrats mit dem dritten Gemisch, um ein beschichtetes Substrat zu erzeugen; und (v) Erhitzen des beschichteten Substrats auf eine Temperatur von mindestens 50°C, um das Lösungsmittel im Wesentlichen zu entfernen. Das Verfahren kann ferner das Mischen von zusätzlichem Lösungsmittel mit dem dritten Gemisch umfassen.
Bei dem aktiven Material kann es sich um mindestens eines der folgenden Materialien handeln: Lithiummanganoxid, Lithiummanganeisenphosphat, Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminiumoxid, Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid und Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid. Die dritte Mischung kann einen Feststoffgehalt von mehr als 66 Gew.-% aufweisen. Der Schritt des Erhitzens des beschichteten Substrats kann eine Elektrode mit einer Dicke von mehr als 120 µm ergeben. Ferner kann jede der mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren mit einer funktionellen Carbonsäuregruppe, einer funktionellen Hydroxylgruppe, einer funktionellen Amingruppe, einer funktionellen Epoxidgruppe oder einer funktionellen Estergruppe verbunden sein.
Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehre sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger der besten Modi und anderer Ausführungsformen zur Durchführung der vorliegenden Lehre, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leicht ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnitts-Seitenansicht einer Batterie.
2 ist eine schematische Seitenansicht einer Kathodenstruktur für eine Batterie.
3 ist eine vergrößerte schematische perspektivische Ansicht eines Endabschnitts eines mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens.
4 ist eine vergrößerte rasterelektronenmikroskopische Ansicht von gefrästen Kohlenstofffasern.
5 ist eine schematische Querschnitts-Seitenansicht einer Ausführungsform einer Kathodenstruktur, die mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren enthält.
6 ist eine schematische Querschnitts-Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer Kathodenstruktur, die gefräste Kohlenstofffasern enthält.
7 ist eine schematische Querschnitts-Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Kathodenstruktur, die eine Mischung aus mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren und gefrästen Kohlenstofffasern enthält.
8 ist ein Blockdiagramm, das verschiedene Materialien zeigt, die zur Herstellung einer Elektrode verwendet werden.
9 ist ein Blockdiagramm, das verschiedene Bestandteile zeigt, die zur Herstellung einer Aufschlämmungsformulierung verwendet werden.
10 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung einer Kathodenstruktur für eine Batterie.
11 ist eine schematische Querschnitts-Seitenansicht einer Basis-Kathodenstruktur, die keine mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren oder gefräste Kohlenstofffasern enthält.
12 ist ein Diagramm, in dem die Entladekapazität und der Rückhaltegrad für eine Kathodenstruktur mit mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer Basis-Kathodenstruktur ohne mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren verglichen wird.
13 ist ein Diagramm, in dem die Entladekapazität und der Rückhaltegrad für eine Kathodenstruktur mit gemahlenen Kohlenstofffasern mit einer Basiskathodenstruktur ohne gemahlene Kohlenstofffasern verglichen wird.
14 ist ein Diagramm, in dem die Ladekapazität und die Retention für verschiedene Ladegeschwindigkeiten für eine Kathodenstruktur mit mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer Basis-Kathodenstruktur ohne mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren verglichen werden.
15 ist ein Diagramm, in dem die Ladekapazität und die Rückhaltung für verschiedene Ladegeschwindigkeiten für eine Kathodenstruktur, die eine Kombination aus mehrwandigen und einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren enthält, mit einer Kathodenstruktur verglichen wird, die mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren ohne einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren enthält.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Ziffern gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, werden hier eine Kathodenstruktur 20 für eine Batterie 10, eine Aufschlämmungsformulierung 70 zur Herstellung dicker Elektroden 26 für eine Batterie 10 und ein Verfahren 100 zur Herstellung einer Kathodenstruktur 20 für eine Batterie 10 gezeigt und beschrieben. Die Kathodenstruktur 20, die Aufschlämmungsformulierung 70 und das Verfahren 100 der vorliegenden Offenbarung nutzen mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren („MWCNTs“) 32 und/oder gefräste Kohlenstofffasern („MCFs“) 34 auf einzigartige Weise, um Elektroden 26 herzustellen, die viel dicker sind als bei bisher bekannten Ansätzen. Zum Beispiel können die Elektroden 26 und Kathodenstrukturen 20, die mit der hier beschriebenen Aufschlämmungsformulierung 70 und dem Verfahren 100 hergestellt werden, dicke Elektroden 26 erzeugen, die über 120 µm hoch sein können.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Batterie 10 mit einem Außengehäuse 12, einer Anode 14 und einer Kathode 16, die innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet sind und sich an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 12 befinden, und einem Elektrolyt 18, der zwischen der Anode 14 und der Kathode 16 angeordnet ist und diese elektrisch verbindet. Ein externer elektrischer Pfad 17 verbindet die Anode 14 und die Kathode 16 miteinander, wobei der elektrische Pfad 17 durch eine Last 19 (z. B. einen oder mehrere Motoren, elektrische/elektronische Komponenten, Widerstandselemente usw.) verläuft. Was nun die Kathode 16 betrifft, so zeigt 11 eine schematische Querschnitts-Seitenansicht einer Basis-Kathodenstruktur 90 (d.h. einer gewöhnlichen Kathodenkonstruktion), die keine MWCNTs 32 oder MCFs 34 enthält. Die Basiskathodenstruktur 90 enthält eine Mischung aus zwei oder mehr Elektrodenmaterialien 28, wie z. B. aktives Material 30 und Kohlenstoffpartikel 46, die in einem polymeren Bindemittel 50 eingeschlossen sind, das auf einer elektrisch leitenden Oberfläche 24 eines Substrats 22 gebildet wird, um eine Elektrode 26 zu bilden.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Kathodenstruktur 20 für eine Batterie 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung, und die 5-7 zeigen drei verschiedene Konfigurationen dieser Ausführungsform. Die Kathodenstruktur 20 umfasst ein Substrat 22 mit einer elektrisch leitenden Oberfläche 24 und eine auf der elektrisch leitenden Oberfläche 22 aufgebrachte oder beschichtete Elektrode 26. Das Substrat 22 selbst kann aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, wobei in diesem Fall eine oder mehrere (und vielleicht alle) seiner Oberflächen elektrisch leitend sein können, z. B. wenn das Substrat 22 eine Platte aus unbeschichtetem oder unisoliertem Kupfer, Aluminium oder dergleichen wäre. Das Substrat 22 kann aber auch aus einem Material bestehen, das ganz oder teilweise nicht leitend ist. In diesem Fall kann eine leitende Materialschicht darauf aufgebracht oder anderweitig angeordnet werden, um die elektrisch leitende Oberfläche 24 zu bilden. Die Elektrode 26, die auf dem Substrat 22 aufgebracht oder anderweitig angeordnet ist, besteht aus zwei oder mehr Elektrodenmaterialien 28. Diese Elektrodenmaterialien 28 umfassen eine Kombination aus (i) einem oder mehreren aktiven Materialien 30 und (ii) entweder MWCNTs 32 oder MCFs 34 oder einer Mischung aus MWCNTs 32 und MCFs 34. Das heißt, die Elektrode 26 kann aus (a) einem oder mehreren aktiven Materialien 30 und MWCNTs 32 (5), oder (b) einem oder mehreren aktiven Materialien 30 und MCFs 34 (6), oder (c) einem oder mehreren aktiven Materialien 30 und einer Mischung aus MWCNTs 32 und MCFs 34 (7) bestehen.
Beachten Sie, dass es sich bei den , und um vereinfachte schematische Zeichnungen handelt, deren jeweilige Elemente nicht unbedingt maßstabsgetreu zueinander gezeichnet sind. In einigen Ausführungsformen von 1 kann es beispielsweise mehr als eine Anode 14, eine Kathode 16 und einen Elektrolytbereich 18 geben, und die Dicke jedes Elektrolytbereichs 18 kann viel dünner sein als die der benachbarten Anode 14 und Kathode 16. Zum Beispiel kann jeder Elektrolytbereich 18 etwa 20 Mikrometer dick sein, und jede der Anoden 14 und Kathoden 16 kann etwa 20 bis 150 Mikrometer dick sein. Und obwohl in 2 das Substrat 22 viel dicker als die Elektrode 26 ist, kann das Substrat 22 in einigen Ausführungsformen die gleiche Dicke wie die Elektrode 26 oder viel dünner als diese haben. Zum Beispiel kann das Substrat 22 10 bis 20 Mikrometer dick sein, und die Elektrode 26 kann über 120 Mikrometer dick sein. (Zur Vermeidung von Zweifeln sei angemerkt, dass 1 Mikrometer gleichbedeutend ist mit 1µm, 1 Mikrometer und 1 × 10^-6 Meter).
3 zeigt eine vergrößerte schematische perspektivische Ansicht eines Endabschnitts eines MWCNT 32, und 4 zeigt eine vergrößerte rasterelektronenmikroskopische Ansicht einer Sammlung von MCFs 34. Man beachte, dass die MWCNT 32 von 3 eine röhren- oder zylinderförmige Gesamtform aufweist, die aus drei (wie hier gezeigt) oder mehr konzentrischen einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs“) 48 besteht. Hier besteht jede der drei (oder mehr) SWCNTs 48 aus einer entsprechenden Graphenschicht (bestehend aus einer Reihe miteinander verbundener Kohlenstoffatome), wobei die gesamte MWCNT 32 einen ersten Durchmesser D₁ aufweist, der dem Außendurchmesser der äußersten der konzentrischen SWCNTs 48 entspricht. Dieser erste Durchmesser D₁ kann größer als oder gleich 5 nm und kleiner als oder gleich 100 nm sein. In 4 kann jedes der MCFs 34 einen zweiten Durchmesser D₂ von mehr als oder gleich 2 µm und weniger als oder gleich 20 µm und eine Länge L von mindestens 10 µm haben. (Es sollte beachtet werden, dass SWCNTs 48, MWCNTs 32 und MCFs 34 zwar einige ähnliche Eigenschaften miteinander teilen, aber auch einige sehr unterschiedliche Eigenschaften voneinander haben, so dass sie nicht allgemein untereinander austauschbar sind).
Zurück zu den : Die MWCNTs 32 ( ), die MCFs 34 ( ) oder die Mischung aus MWCNTs 32 und MCFs 34 ( ) können jeweils innerhalb eines entsprechenden Gewichtsprozentbereichs des Gesamtgewichts der Elektrodenmaterialien 28 bereitgestellt werden. Insbesondere können die MWCNTs 32 0,05-10,0 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Elektrodenmaterialien 28 ausmachen; die MCFs 34 können 0,1-20,0 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Elektrodenmaterialien 28 ausmachen; und eine Mischung aus MWCNTs 32 und MCFs 34 kann 0,3-20,0 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Elektrodenmaterialien 28 ausmachen. (Beachten Sie, dass „Gewichtsprozent“ hier „Gewichtsprozent“ bedeutet.) In jedem dieser Fälle kann die Elektrode 26 eine Dicke T (d. h. eine Höhe über der leitenden Oberfläche 24) von mehr als 120 µm haben. Wie in den dargestellt, können die MWCNTs 32 und/oder die MCFs 34 zufällig und/oder homogen in der Elektrode 26 verteilt sein, um eine zusätzliche oder verbesserte elektrische Leitfähigkeit zwischen benachbarten Partikeln des aktiven Materials 30 zu schaffen und so die elektrische Gesamtleitfähigkeit der dicken Elektrode 26 zu verbessern.
8 zeigt ein Blockdiagramm verschiedener Elektrodenmaterialien 28, die zur Herstellung einer Elektrode 26 verwendet werden können. In dieser Ausführungsform können die zwei oder mehr Elektrodenmaterialien 28 homogen miteinander vermischt werden. Das eine oder die mehreren aktiven Materialien 30 können Lithium-Mangan-Oxid („LMO“) 36, Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat („LMFP“ oder „LFP“, manchmal auch Lithium-Mangan-Ferro-Phosphat genannt) 38, Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminium-Oxid („NCMA“) 40, Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid („NCA“) 42, Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid („NMC“) 44 oder eine Mischung aus zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien umfassen. Die zwei oder mehr Elektrodenmaterialien 28 können ferner Kohlenstoffpartikel 46 und/oder SWCNTs 48 enthalten, und die zwei oder mehr Elektrodenmaterialien 28 können ferner ein polymeres Bindemittel 50, wie Polyvinylidenfluorid („PVDF“), enthalten.
Wie auch in 8 gezeigt, kann jedes der MWCNTs 32 mit einer funktionellen Carbonsäuregruppe 52 (z.B. RCOOH), einer funktionellen Hydroxylgruppe 54 (z.B. ROH), einer funktionellen Amingruppe 56 (RNH₂), einer funktionellen Epoxidgruppe 58 (z.B. ein zyklischer Ether mit einem dreiatomigen Ring) oder einer funktionellen Estergruppe 60 (z.B. RCOOR') verbunden sein. Jede dieser funktionellen Gruppen kann der Elektrode 26, der Kathodenstruktur 20, der Aufschlämmungsformulierung 70 und/oder dem Verfahren 100 chemische, rheologische, mechanische und/oder andere Eigenschaften verleihen, die bei Verwendung von MWCNTs 32 ohne solche funktionellen Gruppen nicht vorhanden wären.
In einer beispielhaften Formulierung kann die Kathodenstruktur 20 aus 97,0 Gew.-% Aktivmaterial(en) 30, 0,3 Gew.-% MWCNT 32 und/oder MCF 34, 1,1 Gew.-% Ruß 46, 0,1 Gew.-% SWCNTs 48 und 1,5 Gew.-% PVDF bestehen. In einer anderen beispielhaften Formulierung kann die Kathodenstruktur 20 aus 97,0 Gew.-% Aktivmaterial(en) 30, 0,3 Gew.-% MWCNT 32 und/oder MCF 34, 1,2 Gew.-% Ruß 46 und 1,5 Gew.-% PVDF bestehen.
9 zeigt ein Blockdiagramm, das eine andere Ausführungsform illustriert und verschiedene Bestandteile zeigt, die zur Herstellung einer Aufschlämmungsformulierung 70 zur Herstellung dicker Elektroden 26 für eine Kathodenstruktur 20 und/oder eine Batterie 10 verwendet werden. Die Aufschlämmungsformulierung 70 enthält eine Kombination aus: (i) einem oder mehreren aktiven Materialien 30; und (ii) entweder MWCNTs 32, oder MCFs 34, oder einer Mischung aus MWCNTs 32 und MCFs 34. (Das heißt, die Aufschlämmungsformulierung 70 kann aus (a) einem oder mehreren aktiven Materialien 30 und MWCNTs 32 oder (b) einem oder mehreren aktiven Materialien 30 und MCFs 34 oder (c) einem oder mehreren aktiven Materialien 30 und einem Gemisch aus MWCNTs 32 und MCFs 34 hergestellt werden). Insbesondere kann die Aufschlämmungsformulierung 70 (i) 40-85 Gewichtsprozent des/der aktiven Materials/Materialien 30 und (ii) 0,02-8,0 Gewichtsprozent MWCNTs 32 oder 0,05-16,0 Gewichtsprozent MCFs 34 oder 0,1-16,0 Gewichtsprozent einer Mischung aus MWCNTs 32 und MCFs 34 enthalten.
Die Aufschlämmungsformulierung 70 kann ferner eines oder mehrere der folgenden Elemente enthalten: (iii) 0,5-8,0 Gew.-% Kohlenstoffpartikel 46 und/oder SWCNTs 48, (iv) 0,5-15 Gew.-% eines polymeren Bindemittels 50 (wie PVDF) und (v) 20-50 Gew.-% eines Lösungsmittels 72 (wie n-Methyl-2-pyrrolidon, auch bekannt als „NMP“ oder C₅ H₉ NO). Die Aufschlämmungsformulierung 70 ist so konfiguriert, dass sie in ihrer gemischten oder „nassen“ Form einen Feststoffgehalt von mehr als 66 Gew.-% aufweist, bevor sie gemäß einem vorgegebenen Temperatur-Zeit-Profil zum Abbinden/Härten/Trocknen erhitzt wird. Nachdem die vorhergehende „nasse“ Aufschlämmungsformulierung 70 gemäß diesem Profil der Wärme ausgesetzt wurde, härtet sie in eine „trockene“ Form aus, in der im Wesentlichen das gesamte Lösungsmittel 72 verdampft ist, und die gebildete(n) Elektrode(n) 26 kann (können) die oben für eine fertige Elektrode 26 angegebenen „trockenen“ MWCNT- und/oder MCF-Gewichtsprozentbereiche aufweisen, d. h. die MWCNTs 32 können 0.05-10,0 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Elektrodenmaterialien 28 ausmachen; die MCFs 34 können 0,1-20,0 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Elektrodenmaterialien 28 ausmachen; und eine Mischung aus MWCNTs 32 und MCFs 34 kann 0,3-20,0 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Elektrodenmaterialien 28 ausmachen.
10 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren 100 zur Herstellung einer Kathodenstruktur 20 für eine Batterie 10. Beachten Sie, dass die Bestandteile oder „Eingaben“ links von jedem Block oder Schritt und die Ergebnisse oder „Ausgaben“ rechts von jedem Block oder Schritt dargestellt sind. Das Verfahren 100 umfasst in Block 110 den Schritt des Mischens von MWCNTs 32 und/oder MCFs 34 mit Ruß/Kohlenstoffpartikeln 46 (die SWCNTs 48 enthalten können) und einem Lösungsmittel 72, um eine erste Mischung 74 herzustellen. In Block 120 wird ein polymeres Bindemittel 50 mit dem ersten Gemisch 74 gemischt, um ein zweites Gemisch 76 herzustellen, und in Block 130 wird das aktive Material 30 mit dem zweiten Gemisch 76 gemischt, um ein drittes Gemisch 78 herzustellen. In Block 140 kann ein optionaler Schritt des Mischens von zusätzlichem Lösungsmittel 72 mit der dritten Mischung 78 durchgeführt werden. In Block 150 wird eine elektrisch leitende Oberfläche 24 eines Substrats 22 mit der dritten Mischung 78 beschichtet, um ein beschichtetes Substrat 80 herzustellen. Und in Block 160 wird das beschichtete Substrat 80 (mit Wärme 82, z. B. aus einem Ofen oder einer anderen Heizquelle) auf eine Temperatur von mindestens 50 °C erhitzt, um das Lösungsmittel 72 im Wesentlichen zu entfernen und gegebenenfalls das polymere Bindemittel 50 zu härten oder zu verfestigen, wodurch die fertige Kathodenstruktur 20 entsteht. Man beachte, dass die Aufschlämmungsformulierung 70 (dargestellt in 9) in dem Verfahren 100 (dargestellt durch 10) verwendet werden kann, um die Elektrode 26 und/oder die Kathodenstruktur 20 (dargestellt durch eine oder mehrere der 2 und 5-7) herzustellen, die aus den zwei oder mehreren oben besprochenen Elektrodenmaterialien 28 (dargestellt durch 8) besteht, die entweder MWCNTs 32 (3 und 5) oder MCFs 34 (4 und 6) oder sowohl MWCNTs 32 als auch MCFs 34 (3, 4 und 7) enthalten.
In diesem Verfahren 100 kann das aktive Material 30 mindestens eines der folgenden Materialien sein: Lithiummanganoxid 36, Lithiummanganeisenphosphat 38, Nickelkobaltmanganaluminiumoxid 40, Nickelkobaltaluminiumoxid 42 und Lithiumnickelkobaltmanganoxid 44, und die dritte Mischung 78 kann einen Feststoffgehalt von mehr als 66 Gew.-% aufweisen. Der Schritt 160 des Erhitzens des beschichteten Substrats 80 kann eine Elektrode 26 mit einer Dicke oder Höhe T von mehr als 120 µm ergeben. Ferner kann jede der MWCNTs 32 mit einer funktionellen Carbonsäuregruppe 52, einer funktionellen Hydroxylgruppe 54, einer funktionellen Amingruppe 56, einer funktionellen Epoxidgruppe 58 oder einer funktionellen Estergruppe 60 verbunden sein.
Die 12-15 zeigen verschiedene Diagramme, in denen die Lade- und Entladekapazitäten (und die prozentualen Rückhaltewerte) von (i) Kathodenstrukturen 20₃₂, die MWCNTs 32 (und SWCNTs 48) enthalten, (ii) Kathodenstrukturen 20₃₄, die MCFs 34 enthalten, (iii) Kathodenstrukturen 20₉₉, die MWCNTs 32 ohne SWCNTs 48 enthalten, und (iv) einer Basiskathodenstruktur 90, die keine MWCNTs 32 oder MCFs 34 enthält, verglichen werden. Für die Kathodenstrukturen 20₃₂, die MWCNTs 32 (und SWCNTs 48) enthalten, kann eine beispielhafte Formulierung oder Zusammensetzung 97 Gew.-% aktive(s) Material(e) 30, 0,3 Gew.-% MWCNTs 32, 0,1 Gew.-% SWNCTs 48, 1,1 Gew.-% Kohlenstoffpartikel 46 und 1,5 Gew.-% PVDF-Bindemittel 50 umfassen. Für die Kathodenstrukturen 20₃₄, die MCFs 34 enthalten, kann eine beispielhafte Formulierung oder Zusammensetzung 97 Gew.-% aktive(s) Material(e) 30, 0,3 Gew.-% MCFs 34, 0,1 Gew.-% SWNCTs 48, 1,1 Gew.-% Kohlenstoffpartikel 46 und 1,5 Gew.-% PVDF-Bindemittel 50 umfassen. Für die Kathodenstrukturen 20₉₉, die MWCNTs 32, aber keine SWCNTs 48 enthalten, kann eine beispielhafte Formulierung oder Zusammensetzung 97 Gew.-% aktive(s) Material(e) 30, 0,3 Gew.-% MWCNTs 32, 1,2 Gew.-% Kohlenstoffpartikel 46 und 1,5 Gew.-% PVDF-Bindemittel 50 umfassen. Und für die Basiskathodenstruktur 90 kann eine beispielhafte Formulierung oder Zusammensetzung 97 Gew.-% aktive(s) Material(e) 30, 0,1 Gew.-% SWNCTs 48, 1,4 Gew.-% Kohlenstoffpartikel 46 und 1,5 Gew.-% PVDF-Bindemittel 50 enthalten.
12 zeigt ein Diagramm, in dem die Entladekapazität und die Beibehaltung der Entladekapazität für eine Kathodenstruktur 20₃₂, die MWCNTs 32 enthält (5), mit einer Basiskathodenstruktur 90 verglichen wird, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die MWCNT-haltige Kathodenstruktur 20₃₂, die aber keine MWCNTs 32 enthält (11). Das Diagramm zeigt die Entladungskapazität (gemessen in mAh/cm² ) auf der linken vertikalen Achse 86 und die Beibehaltung der Entladungskapazität (gemessen in %) auf der rechten vertikalen Achse 88, die beide in Abhängigkeit von der Anzahl der durchgeführten Zyklen aufgetragen sind, wie auf der unteren horizontalen Achse 84 dargestellt. Für dieses Diagramm wurde eine Elektrodenladung 62 von etwa 5,0 mAh/cm² verwendet. Die Referenznummer 90 und die offenen kreisförmigen Markierungen (o) zeigen die Diagramme für die Basis-Kathodenstruktur 90, während die Referenznummer 92 und die gefüllten kreisförmigen Markierungen (•) die Diagramme für die Kathodenstruktur 20₃₂ zeigen, die MWCNTs 32 enthält. Die tiefgestellten Ziffern 86 und 88 geben an, gegen welche vertikale Achse eine bestimmte Darstellung aufgetragen ist. Zum Beispiel ist 90₈₆ eine Darstellung der Entladungskapazität der Basisstruktur 90 (gegen die linke vertikale Achse 86), 90₈₈ ist eine Darstellung der Entladungskapazitätsretention in % der Basisstruktur 90 (gegen die rechte vertikale Achse 88), 92₈₆ ist eine Darstellung der Entladungskapazität der Kathodenstruktur 20₃₂ (gegen die linke vertikale Achse 86) und 92₈₈ ist eine Darstellung der Entladungskapazitätsretention in % der Kathodenstruktur 20₃₂ (gegen die rechte vertikale Achse 88).
In 12 ist zu beachten, dass bei etwa 40 Zyklen die Diagramme der Entladungskapazität 90s₆ und der Beibehaltung der Entladungskapazität 90₈₈ für die Basisstruktur 90 (ohne MWCNTs 32) abzufallen beginnen, während die Diagramme der Entladungskapazität 92₈₆ und der Beibehaltung der Entladungskapazität 92₈₈ für die Kathodenstruktur 20₃₂ (mit MWCNTs 32) ziemlich konstant bleiben. Dies zeigt, dass die Verwendung von MWCNTs 32 in Kathodenstrukturen 20, 20₃₂, wie hier beschrieben, viel effektiver ist als gewöhnliche Kathodenkonstruktionen 90, um die Entladungskapazität und die Beibehaltung der Entladungskapazität für eine längere Anzahl von Zyklen beizubehalten.
13 zeigt ein Diagramm, in dem die Entladekapazität und die Beibehaltung der Entladekapazität für eine Kathodenstruktur 20₃₄, die MCFs 34 enthält (6), mit einer Basiskathodenstruktur 90 verglichen wird, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die MCF-haltige Kathodenstruktur 20₃₄, die aber keine MCFs 34 enthält (11). Das Diagramm zeigt die Entladungskapazität (gemessen in mAh/cm² ) auf der linken vertikalen Achse 86 und die Beibehaltung der Entladungskapazität (gemessen in %) auf der rechten vertikalen Achse 88, die beide in Abhängigkeit von der Anzahl der durchgeführten Zyklen aufgetragen sind, wie auf der unteren horizontalen Achse 84 dargestellt. Für dieses Diagramm wurde eine Elektrodenladung 62 von etwa 5,0 mAh/cm² verwendet. Die Referenznummer 90 und die offenen kreisförmigen Markierungen (o) zeigen die Diagramme für die Basis-Kathodenstruktur 90 an, während die Referenznummer 94 und die gefüllten Diamantmarkierungen (♦) die Diagramme für die Kathodenstruktur 20₃₄ anzeigen, die MCFs 34 enthält. Die Indizes 86 und 88 geben an, gegen welche vertikale Achse eine bestimmte Darstellung aufgetragen ist. Zum Beispiel ist 90₈₆ eine Darstellung der Entladungskapazität der Basisstruktur 90 (gegen die linke vertikale Achse 86), 90₈₈ ist eine Darstellung der Entladungskapazitätsretention in % der Basisstruktur 90 (gegen die rechte vertikale Achse 88), 94₈₆ ist eine Darstellung der Entladungskapazität der Kathodenstruktur 20₃₄ (gegen die linke vertikale Achse 86) und 94₈₈ ist eine Darstellung der Entladungskapazitätsretention in % der Kathodenstruktur 20₃₄ (gegen die rechte vertikale Achse 88).
In 13 ist zu beachten, dass bei etwa 40 Zyklen die Kurven der Entladekapazität 90₈₆ und der Aufrechterhaltung der Entladekapazität 90₈₈ für die Basisstruktur 90 (ohne MCFs 34) abzufallen beginnen, während die Kurven der Entladekapazität 94₈₆ und der Aufrechterhaltung der Entladekapazität 94₈₈ für die Kathodenstruktur 20₃₄ (mit MCFs 34) ziemlich konstant bleiben. Dies zeigt, dass die Verwendung von MCFs 34 in Kathodenstrukturen 20, 20₃₄, wie hier beschrieben, viel effektiver ist als gewöhnliche Kathodenkonstruktionen 90, um die Entladungskapazität und die Beibehaltung der Entladungskapazität für eine längere Anzahl von Zyklen beizubehalten.
14 ist ein Diagramm, das die Ladekapazität und die Ladekapazitätserhaltung für verschiedene Ladezustände für eine Kathodenstruktur 20₃₂, die MWCNTs 32 enthält (5), mit der Basis-Kathodenstruktur 90 vergleicht, die keine MWCNTs 32 enthält (11). Das Diagramm zeigt die Ladekapazität (gemessen in mAh/cm²) auf der linken vertikalen Achse 96 und die Beibehaltung der Ladekapazität (gemessen in %) auf der rechten vertikalen Achse 98, die beide in Abhängigkeit von der Anzahl der durchgeführten Zyklen aufgetragen sind, wie auf der unteren horizontalen Achse 84 dargestellt. Für dieses Diagramm wurde eine Elektrodenladung 62 von etwa 5,6 bis 5,9 mAh/cm² verwendet. Die Referenznummer 90 und die offenen quadratischen Markierungen (□) zeigen die Diagramme für die Basis-Kathodenstruktur 90, während die Referenznummer 97 und die gefüllten quadratischen Markierungen (■) die Diagramme für die Kathodenstruktur 20₃₂ zeigen, die MWCNTs 32 enthält. Die tiefgestellten Ziffern 96 und 98 geben an, gegen welche vertikale Achse eine bestimmte Darstellung aufgetragen ist. Beispielsweise ist 90₉₆ eine Darstellung der Ladungskapazität der Basisstruktur 90 (gegen die linke vertikale Achse 96), 90₉₈ ist eine Darstellung der Ladungskapazitätsretention in % der Basisstruktur 90 (gegen die rechte vertikale Achse 98), 97₉₆ ist eine Darstellung der Ladungskapazität der Kathodenstruktur 20₃₂ (gegen die linke vertikale Achse 96) und 97₉₈ ist eine Darstellung der Ladungskapazitätsretention in % der Kathodenstruktur 20₃₂ (gegen die rechte vertikale Achse 98). Die Diagrammbeschriftungen, die den Buchstaben „C“ enthalten, geben verschiedene „C-Raten“ oder Ladegeschwindigkeiten an, wobei „1C“ für eine nominale oder normale Ladegeschwindigkeit steht, „4C“ für eine sehr schnelle Ladegeschwindigkeit und „C/10“ für eine sehr langsame Ladegeschwindigkeit. So beginnen die Diagramme mit einer Laderate von C/10 und erhöhen sich stetig bis zu einer Laderate von 4C bis etwa zum 33.^rd Zyklus, an dem die Laderate von C/3 für die restlichen Zyklen eingestellt wird.
In 14, beachten Sie, dass, wenn die Laderate von 4C bis C/3 bei etwa der 33^rd Zyklus geändert wird, die Diagramme der Ladekapazität 97₉₆ und Ladekapazität Retention 97₉₈ für die Kathodenstruktur 20₃₂ (mit MWCNTs 32) bleiben ziemlich konstant und auf einem relativ höheren Niveau, im Vergleich zu den Diagrammen der Ladekapazität 90₉₆ und Ladekapazität Retention 90₉₈ für die Grundlinie Struktur 90 (ohne MWCNTs 32), die relativ niedriger sind und beginnen, langsam zu verringern, wie Zyklus weiter. Dies zeigt, dass die Verwendung von MWCNTs 32 in Kathodenstrukturen 20, 20₃₂, wie hier beschrieben, viel effektiver ist als gewöhnliche Kathodenkonstruktionen 90 bei der Wiederherstellung (und Aufrechterhaltung) früherer Ladezustände.
15 ist ein Diagramm, das die Ladekapazität und die Ladekapazitätserhaltung für verschiedene Ladezustände für eine Kathodenstruktur 20₃₂, die eine Kombination aus MWCNTs 32 und SWCNTs 48 enthält, mit einer Kathodenstruktur 20₉₉ vergleicht, die MWCNTs 32 ohne SWCNTs 48 enthält. Das Diagramm zeigt die Ladekapazität (gemessen in mAh/cm²) auf der linken vertikalen Achse 96 und die Beibehaltung der Ladekapazität (gemessen in %) auf der rechten vertikalen Achse 98, die beide in Abhängigkeit von der Anzahl der durchgeführten Zyklen aufgetragen sind, wie auf der unteren horizontalen Achse 84 dargestellt. Für dieses Diagramm wurde eine Elektrodenbeladung 62 von etwa 5,6 bis 5,9 mAh/cm² verwendet, die mit der in 14 verwendeten übereinstimmt. Es ist auch zu beachten, dass die Diagramme der Ladungskapazität 97₉₆ und der Ladungskapazitätserhaltung 97₉₈ für die Kathodenstruktur 20₃₂ (die MWCNTs 32 und SWCNTs 48 enthält) aus den ersten 30 Zyklen von 14 hier in 15 wiederholt werden und mit den Diagrammen der Ladungskapazität 99₉₆ und der Ladungskapazitätserhaltung 99₉₈ für die Kathodenstruktur 20₉₉ (die MWCNTs 32, aber keine SWCNTs 48 enthält) überlagert sind. Die Kennziffer 97 und die gefüllten quadratischen Markierungen (■) zeigen die Diagramme für die Kathodenstruktur 20₃₂, die MWCNTs 32 und SWCNTs 48 enthält, während die Kennziffer 99 und die gefüllten dreieckigen Markierungen (▲) die Diagramme für die Kathodenstruktur 20₉₉ zeigen, die MWCNTs 32, aber keine SWCNTs 48 enthält. Die Indizes 96 und 98 geben an, gegen welche vertikale Achse eine bestimmte Darstellung aufgetragen ist. Beispielsweise ist 97₉₆ eine Darstellung der Ladungskapazität der Kathodenstruktur 20₃₂ (gegen die linke vertikale Achse 96), 97₉₈ ist eine Darstellung der Ladungskapazitätsretention in % der Kathodenstruktur 20₃₂ (gegen die rechte vertikale Achse 98), 99₉₆ ist eine Darstellung der Ladungskapazität der Kathodenstruktur 20₉₉ (gegen die linke vertikale Achse 96) und 99₉₈ ist eine Darstellung der Ladungskapazitätsretention in % der Kathodenstruktur 20₉₉ (gegen die rechte vertikale Achse 98).
In 15 ist zu beachten, dass die beiden Diagramme 97₉₆, 99₉₆ für die Ladekapazität für alle dargestellten Ladeströme, mit Ausnahme der 1C- und 2C-Ladeströme, ungefähr gleich sind; ebenso sind die beiden Diagramme 97₉₈, 99₉₈ für die Ladekapazitätserhaltung für alle dargestellten Ladeströme, mit Ausnahme der 1C- und 2C-Ladeströme, ungefähr gleich. Beachten Sie, dass ein großes gestricheltes abgerundetes Rechteck um die 1C-Diagramme und ein kleineres gestricheltes abgerundetes Rechteck um die 2C-Diagramme gezeichnet wurde, um diese beiden besonderen Ladegeschwindigkeiten hervorzuheben. Innerhalb dieser beiden Ladungsraten zeigt sich, dass die Kathodenstruktur 20₉₉, die MWCNTs 32, aber keine SWCNTs 48 enthält, eine höhere Ladekapazität und Ladekapazitätserhaltung aufweist als die Kathodenstruktur 20₃₂, die sowohl MWCNTs 32 als auch SWCNTs 48 enthält. Somit kann eine Kathodenstruktur 20₉₉, die MWCNTs 32, aber keine SWCNTs 48 enthält, für eine oder mehrere Ladungsraten eine höhere Ladekapazität und Ladekapazitätserhaltung bieten als eine ähnliche Kathodenstruktur 20₃₂, die sowohl MWCNTs 32 als auch SWCNTs 48 enthält.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Ansätze kann die von der Elektrode 26 bereitgestellte Elektrodenladung 62 (manchmal auch als Elektrodenladekapazität 62 bezeichnet) mindestens 5,0 mAh/cm² betragen. Genauer gesagt, kann die von der Elektrode 26 bereitgestellte Elektrodenladung 62 mindestens 5,0 mAh/cm² und weniger als oder gleich 6,0 mAh/cm² betragen. Da die Elektrodenladekapazität 62 gewöhnlicher abgeschiedener Elektroden oft im Bereich von 2 bis 3 mAh/cm² und in einigen Fällen bis zu 4 mAh/cm² (z. B. für kurze Spitzen oder Arbeitszyklen) liegt, ist es verständlich, dass die von den dicken Elektroden 26 der vorliegenden Offenbarung bereitgestellte Elektrodenladekapazität 62 eine Verbesserung gegenüber früheren Ansätzen darstellt. Es sollte auch beachtet werden, dass, während die obige Kathodenstruktur 20, die Schlammformulierung 70 und das Verfahren 100 als auf Kathoden 16 und deren Herstellung anwendbar beschrieben wurden, die gleiche Struktur 20, die Schlammformulierung 70 und das Verfahren 100 auch auf Anoden 14 und deren Herstellung anwendbar sein können.
Die Verwendung von MWCNTs 32 und/oder MCFs 34 in der Kathodenstruktur 20, der Aufschlämmungsformulierung 70 und dem Verfahren 100, wie oben beschrieben, bietet Vorteile und technische Vorteile, die konkurrierende Strukturen, Formulierungen und Verfahren nicht bieten. Erstens ermöglichen sie dickere Elektroden 26, die eine Höhe oder Dicke T von über 120 µm haben können. Zweitens ermöglichen sie eine gleichmäßigere elektrische Leitfähigkeit über die Elektrode 26 in x-, y- und z-Richtung während des Batteriezyklus, um die elektrochemische Leistung der Batterie 10 zu verbessern. Drittens können aufgrund der einzigartigen Morphologie und Oberflächenchemie der MWCNTs 32 und/oder MCFs 34 die rheologischen Eigenschaften der Aufschlämmungsformulierung 70 verbessert werden, was einen höheren Feststoffgehalt ermöglicht, der während des Prozesses der dicken Elektrodenabscheidung von Vorteil ist. Viertens kann die Zykluslebensdauer erhöht werden. Und fünftens wird die Ladekapazität der Elektrode 62 verbessert.
Die obige Beschreibung dient der Veranschaulichung und ist nicht einschränkend. Die hier beschriebenen Abmessungen und Materialtypen sind zwar illustrativ, aber keineswegs einschränkend und stellen beispielhafte Ausführungsformen dar. In den folgenden Ansprüchen werden die Begriffe „erster“, „zweiter“, „oberer“, „unterer“ usw. lediglich zur Kennzeichnung verwendet und sollen keine numerischen oder positionellen Anforderungen an ihre Objekte stellen. Ein Element oder ein Schritt, der in der Einzahl genannt wird und dem das Wort „a“ oder „an“ vorangestellt ist, schließt die Mehrzahl solcher Elemente oder Schritte nicht aus, es sei denn, ein solcher Ausschluss wird ausdrücklich erwähnt. Darüber hinaus sollten die Formulierung „mindestens eines von A und B“ und die Formulierung „A und/oder B“ jeweils so verstanden werden, dass sie „nur A, nur B oder sowohl A als auch B“ bedeuten. Darüber hinaus können Ausführungsformen, die ein Element oder eine Vielzahl von Elementen mit einer bestimmten Eigenschaft „umfassen“ oder „haben“, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, zusätzliche Elemente umfassen, die diese Eigenschaft nicht haben. Und wenn hier allgemein beschreibende Adverbien wie „im Wesentlichen“ und „im Allgemeinen“ verwendet werden, um ein Adjektiv zu modifizieren, so bedeuten diese Adverbien „zum größten Teil“, „in erheblichem Maße“ und/oder „in hohem Maße“ und nicht notwendigerweise „vollkommen“, „vollständig“, „strikt“ oder „ganz“.
In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele, einschließlich der besten Ausführungsform, verwendet, um den Fachleuten die Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen, Systemen und Stoffzusammensetzungen sowie die Durchführung von Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Die folgenden Ansprüche, einschließlich der Äquivalente, definieren den Umfang der vorliegenden Offenbarung.

Claims

Eine Kathodenstruktur für eine Batterie, die Folgendes umfasst: ein Substrat mit einer elektrisch leitenden Oberfläche; und eine Elektrode, die auf die elektrisch leitende Oberfläche aufgebracht ist, wobei die Elektrode aus zwei oder mehr Elektrodenmaterialien hergestellt ist, umfassend: ein oder mehrere aktive Materialien; und 0,05-10,0 Gew.-% mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren („MWCNTs“) oder 0,1-20,0 Gew.-% gemahlene Kohlenstofffasern („MCFs“) oder 0,3-20,0 Gew.-% einer Mischung aus MWCNTs und MCFs; wobei die Elektrode eine Dicke von mehr als 120 µm aufweist.
Kathodenstruktur nach Anspruch 1, wobei die zwei oder mehr Elektrodenmaterialien homogen miteinander vermischt sind.
Kathodenstruktur nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem einen oder den mehreren aktiven Materialien um mindestens eines der folgenden Materialien handelt: Lithiummanganoxid, Lithiummanganeisenphosphat, Nickel-Kobalt-Mangan-Aluminiumoxid, Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid und Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid.
Kathodenstruktur nach Anspruch 1, wobei die zwei oder mehr Elektrodenmaterialien außerdem Kohlenstoffpartikel und/oder einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren enthalten.
Kathodenstruktur nach Anspruch 1, wobei die zwei oder mehr Elektrodenmaterialien außerdem ein polymeres Bindemittel enthalten.
Kathodenstruktur nach Anspruch 1, wobei die MWCNTs und/oder die MCFs zufällig in der Elektrode verteilt sind, um eine zusätzliche elektrische Leitfähigkeit zwischen benachbarten Partikeln des aktiven Materials zu schaffen.
Kathodenstruktur nach Anspruch 1, wobei jedes der MWCNTs mit einer funktionellen Carbonsäuregruppe, einer funktionellen Hydroxylgruppe, einer funktionellen Amingruppe, einer funktionellen Epoxidgruppe oder einer funktionellen Estergruppe verbunden ist.
Kathodenstruktur nach Anspruch 1, wobei die von der Elektrode bereitgestellte Ladung mindestens 5,0 mAh/cm2 beträgt.
Kathodenstruktur nach Anspruch 1, wobei die von der Elektrode bereitgestellte Elektrodenladung mindestens 5,0 mAh/cm2 und weniger als oder gleich 6,0 mAh/cm2 beträgt.
Kathodenstruktur nach Anspruch 1, wobei jedes der MWCNTs einen ersten Durchmesser von größer als oder gleich 5 nm und kleiner als oder gleich 100 nm hat und jedes der MCFs einen zweiten Durchmesser von größer als oder gleich 2 µm und kleiner als oder gleich 20 µm und eine Länge von mindestens 10 µm hat.