DE112020003504T5

DE112020003504T5 - STRETCHABLE AND FLEXIBLE LITHIUM-ION BATTERY

Info

Publication number: DE112020003504T5
Application number: DE112020003504.2T
Authority: DE
Inventors: Avetik R. Harutyunyan; Oleg A. Kuznetsov
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-10-20
Also published as: CN114175331A

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterien, die mit hoher Energiedichte speichern können. Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie kann flexible Batteriepouchzellen aufweisen, die in einer seriellen, parallelen, flachen oder 3D-Konfiguration zum Beispiel durch strackbares, flexibles, verdrehbares und haltbares Material verbunden sind, die streckbare und flexible leitfähige Verbindungen enthalten können.The present disclosure relates to stretchable and flexible lithium-ion batteries capable of high energy density storage. The stretchable and flexible lithium-ion battery may include flexible battery pouch cells connected in a series, parallel, flat, or 3D configuration by, for example, stretchable, flexible, twistable, and durable material that may include stretchable and flexible conductive connections.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional Application Nr. 62,895,825 , eingereicht am 4. September 2019, der U.S. Provisional Application Nr. 62/895,831 , eingereicht am 4. September 2019, der U.S. Provisional Application Nr. 62/877,165 , eingereicht am 22. Juli 2019, der U.S. Patentanmeldung Nr. 16/560,747 eingereicht am 4. September 2019, und der U.S. Patentanmeldung Nr. 16/777,629 eingereicht am 30. Januar 2020. Die Offenbarungen der obigen Anmeldungen werden hiermit in ihrer Gesamtheit unter Bezugnahme aufgenommen.This application claims the priority of U.S. Provisional Application No. 62,895,825 , filed September 4, 2019, U.S. Provisional Application No. 62/895,831 , filed September 4, 2019, U.S. Provisional Application No. 62/877,165 , filed July 22, 2019, US patent application no. 16/560,747 filed September 4, 2019, and U.S. Patent Application No. 16/777,629 filed January 30, 2020. The disclosures of the above applications are hereby incorporated by reference in their entirety.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Fortschritte in flexibler Elektronik haben die Entwicklung von intelligenten tragbaren Vorrichtungen für Gesundheitspflege, des Internet of Things und mehr verstärkt. Insbesondere verspricht die Nutzung kleindimensionaler Materialien die Entwicklung von leichten, transparenten und flexiblen tragbaren intelligenten System, welche Mensch-Maschine-Beziehungen verbessern. Jedoch erfordern diese intelligenten Systeme, die aus sensierenden, verarbeitenden und agierenden Komponenten bestehen, sehr anspruchsvolle Energiebedürfnisse, die hauptsächlich durch den Stromverbrauch eingebetteter Vorrichtungen vorgegeben werden, wie etwa Sensoren, Aktuatoren, Chips und Antennen.Advances in flexible electronics have fueled the development of smart wearable devices for healthcare, the Internet of Things, and more. In particular, the use of small-dimensional materials promises the development of lightweight, transparent, and flexible wearable intelligent systems that enhance human-machine relationships. However, these intelligent systems, consisting of sensing, processing and acting components, require very demanding energy needs, which are mainly dictated by the power consumption of embedded devices such as sensors, actuators, chips and antennas.

Der Fortschritt tragbarer Elektronik kann sich auf die Parallelentwicklung flexibler Stromversorgungsvorrichtungen beziehen, wie etwa flexibler Batterien. Die letzteren sollten eine große Energiedichte mit hoher Toleranz für verschiedene Typen mechanischer Kräfte kombinieren. Obwohl Batterie-Aktivmaterial (zum Beispiel Li-Metall) selbst eine hohe Energiedichte besitzt (43,1 MJ/kg), liegen die Energiedichten entsprechender Primär- und Sekundärbatterien im Bereich von 1,3-1,8 MJ/kg bzw. 0,36-0,87 MJ/kg. Diese Größenordnungen von Verlusten der spezifischen Energiewerte sind das Ergebnis der Verwendung von elektrochemisch inaktiven Komponenten als Komponenten gegenwärtiger Batteriearchitekturen, wie etwa metallbasierte Stromkollektoren, Separatoren, Elektrolyt, Bindemittel, leitfähige Additive und Verpackung. Daher könnte der Ausschluss einiger dieser Komponenten die Energiedichte der Batterie verbessern. Zusätzlich zur hohen Energiedichte sollten Batterien für tragbare Vorrichtungen streckbar und flexibel sein und angemessen mechanische Belastung tolerieren, die wegen täglicher menschlicher Aktivitäten entsteht, und auch zum Tragen komfortabel sein. Daher gibt es zunehmenden Bedarf nach flexiblen und streckbaren tragbaren Batterien mit hoher Energiedichte.The advancement of portable electronics may relate to the parallel development of flexible power supply devices, such as flexible batteries. The latter should combine high energy density with high tolerance for different types of mechanical forces. Although battery active material (e.g. Li metal) itself has a high energy density (43.1 MJ/kg), the energy densities of corresponding primary and secondary batteries are in the range of 1.3-1.8 MJ/kg and 0, 36-0.87 MJ/kg. These magnitudes of specific energy losses are the result of using electrochemically inactive components as components of current battery architectures, such as metal-based current collectors, separators, electrolyte, binders, conductive additives, and packaging. Therefore, excluding some of these components could improve the battery's energy density. In addition to high energy density, batteries for portable devices should be stretchable and flexible, and adequately tolerate mechanical stress arising from daily human activities, and also be comfortable to carry. Therefore, there is an increasing need for flexible and stretchable high energy density portable batteries.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Die vorliegende Offenbarung ist auf streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterien gerichtet, die in der Lage sind, mit hoher Energiedichte zu speichern. Gemäß einigen Aspekten enthalten die streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterien eine oder mehr flexible Batteriepouch(-beutel)zellen, die in einer seriellen, parallelen, flachen oder 3D-Konfiguration verbunden sind, durch zum Beispiel streckbares, flexibles, faltbares, komprimierbares, verdrehbares und haltbares Material, das streckbare, komprimierbare und flexible elektrische Verbindungen zwischen oder unter den flexiblen Batteriepouchzellen enthalten kann. In einigen Ausführungen können die flexiblen Batteriepouchzellen in kundenspezifizierten Konfigurationen oder Formen verbunden werden, um eine streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie für verschiedene Anwendungen zu bilden, zum Beispiel tragbare Anwendungen, biegbare, streckbare, faltbare, haltbare, komprimierbare und verdrehbare Anwendungen. Gemäß einigen Aspekten enthalten die flexiblen Batteriepouchzellen zwei oder mehr flexible eigenständige Elektroden, die stromkollektor- und bindemittelfrei sein können, die voneinander entweder durch eine separate Membran (falls flüssiger Elektrolyt verwendet wird) oder durch einen festen (Gel-) Elektrolyten getrennt sein können, und diese Elemente sind von einer flexiblen Materialverpackung umschlossen. Eine hohe Energiedichte kann zum Beispiel aus dem Fehlen von elektrochemisch inaktiven Komponenten und aus der miteinander verbundenen Architektur der flexiblen Batteriepouchzellen zur Bildung der streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterie erzielt werden. Diese Aspekte und andere Ausführungen der vorliegenden Offenbarung werden hierin anhand verschiedener nicht einschränkender Beispiele aufgezeigt, die darauf gerichtet sind, eine streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie anzugeben, Verfahren zur Herstellung, Elemente darin, Vorrichtungen, die eine streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie enthalten oder darin eingebettet sind, Verfahren der Nutzung, und verschiedene Anwendungen.The present disclosure is directed to stretchable and flexible lithium-ion batteries capable of high energy density storage. In some aspects, the stretchable and flexible lithium-ion batteries include one or more flexible battery pouch cells connected in a series, parallel, flat, or 3D configuration by, for example, stretchable, flexible, foldable, compressible, torsionable and durable material that can contain stretchable, compressible, and flexible electrical connections between or under the flexible battery pouch cells. In some implementations, the flexible battery pouch cells can be connected in custom configurations or shapes to form a stretchable and flexible lithium-ion battery for various applications, such as portable applications, bendable, stretchable, foldable, durable, compressible, and twistable applications. In some aspects, the flexible battery pouch cells contain two or more flexible self-contained electrodes that may be current collector and binder-free, separated from each other by either a separate membrane (if liquid electrolyte is used) or by a solid (gel) electrolyte, and these elements are enclosed in flexible material packaging. A high energy density can be achieved, for example, from the absence of electrochemically inactive components and from the interconnected architecture of the flexible battery pouch cells to form the stretchable and flexible lithium-ion battery. These aspects and other aspects of the present disclosure are demonstrated herein by various non-limiting examples directed to providing a stretchable and flexible lithium-ion battery, methods of manufacture, elements therein, devices comprising a stretchable and flexible lithium-ion -Battery included or embedded in it, method of use, and various applications.

Figurenlistecharacter list

1 ist eine Darstellung von streckbaren, komprimierbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterien einschließlich flexibler Batteriepouchzellen in einer 2D-Konfiguration und einer 3D-Konfiguration, mit leitfähigen und streckbaren Zungen, die mit flexiblen Batteriepouchzellen verbunden gezeigt sind, zum Beispiel umgebenden Federn oder einer streckbaren Polymermatrix, gemäß einigen Ausführungen der vorliegenden Offenbarung. 1 Figure 13 is an illustration of stretchable, compressible and flexible lithium-ion batteries including flexible battery pouch cells in a 2D configuration and a 3D configuration, with conductive and stretchable tabs shown connected to flexible battery pouch cells, for example surrounding springs or a stretchable polymer matrix , according to some implementations of the present disclosure.
2 ist eine Darstellung einer flexiblen Batteriepouchzelle mit optionalen Verbindern zu streckbaren, flexiblen, komprimierbaren, leitfähigen Batteriezungen, die zum Beispiel mit Federn oder einer umgebenden streckbaren Polymermatrix dargestellt sind, gemäß einigen Ausführungen der vorliegenden Offenbarung. 2 12 is an illustration of a flexible battery pouch cell with optional connectors to stretchable, flexible, compressible, conductive battery tabs, shown for example with springs or a surrounding stretchable polymer matrix, according to some embodiments of the present disclosure.
3 ist eine Darstellung einer flexiblen Batteriepouchzelle mit Batteriezungen und streckbarem (und komprimierbarem) Material, das sich zum Anschluss an eine oder mehr andere flexible Batteriepouchzellen erstreckt. 3 Figure 12 is an illustration of a flexible battery pouch cell with battery tabs and stretchable (and compressible) material extending for connection to one or more other flexible battery pouch cells.
4 ist eine expandierte Ansicht einer flexiblen Batteriepouchzelle, die ein nicht einschränkendes Beispiel von flexiblen, eigenständigen Elektroden, die darin enthalten sind, und von den Elektroden vorstehende und flexible Batteriezungen zeigt, die gemäß einigen Ausführungen der vorliegenden Offenbarung dargestellt sind. 4 14 is an expanded view of a flexible battery pouch cell showing a non-limiting example of flexible, discrete electrodes contained therein and flexible battery tabs protruding from the electrodes, illustrated in accordance with some embodiments of the present disclosure.
5 ist ein Flussdiagramm, das Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer flexiblen, eigenständigen Elektrode darstellt, wobei Elektrolyt in oder auf ein Gemisch von Nanoröhrchen und Elektrodenaktivmaterial abgelagert wird, gemäß einigen Ausführungen der vorliegenden Offenbarung. 5 FIG. 12 is a flow chart depicting steps of a method of fabricating a flexible, self-contained electrode wherein electrolyte is deposited into or onto a mixture of nanotubes and electrode active material, according to some embodiments of the present disclosure.
6 ist ein Flussdiagramm, das Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer flexiblen, eigenständigen Elektrode darstellt, wobei Elektrolyt in oder auf eine flexible, eigenständige Elektrode abgelagert wird, gemäß einigen Ausführungen der vorliegenden Offenbarung. 6 FIG. 12 is a flow chart depicting steps of a method of manufacturing a flexible, self-contained electrode wherein electrolyte is deposited into or onto a flexible, self-contained electrode, in accordance with some embodiments of the present disclosure.
7 zeigt das Eintauchen einer flexiblen, eigenständigen Elektrode in einen Gel- oder flüssigen Elektrolyten in einer nicht einschränkenden Darstellung. 7 Figure 1 shows the immersion of a flexible, self-contained electrode in a gel or liquid electrolyte in a non-limiting representation.
8 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Vorrichtung zur Herstellung einer eigenständigen Elektrode gemäß einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung darstellt. 8th FIG. 12 is a flow chart depicting an exemplary apparatus for manufacturing a stand-alone electrode in accordance with an embodiment of the present disclosure.
9 ist stellt ein nicht einschränkendes Beispiel einer Vorrichtung dar, wobei Elektrolyt vor, während oder nach der Ausbildung einer flexiblen eigenständigen Elektrode eingeführt werden kann. 9 Figure 1 illustrates a non-limiting example of a device wherein electrolyte may be introduced before, during, or after the formation of a flexible, self-contained electrode.
10 ist eine schematische Ansicht, die ein Gefäß darstellt, das für Dispersion gemäß einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung genutzt werden kann. 10 12 is a schematic view illustrating a vessel that may be used for dispersion in accordance with an embodiment of the present disclosure.
11 zeigt flexible, eigenständige Elektroden, wie von einer porösen Oberfläche oder einem Substrat gesammelt. 11 shows flexible, self-contained electrodes as collected from a porous surface or substrate.
12 zeigt flexible, eigenständige Elektroden nach der Behandlung (oder Pressen) zum Erhöhen der Dichte. 12 shows flexible, self-contained electrodes after treatment (or pressing) to increase density.
13 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer behandelten, eigenständigen Elektrode mit Flexibilität, gezeigt durch eine angehobene Ecke der Elektrode. 13 Figure 12 is an enlarged side view of a treated, self-contained electrode with flexibility shown by a raised corner of the electrode.
14 ist eine vergrößerte Draufsicht auf die behandelte flexible eigenständige Elektrode mit einem gezeigten Maßstabbalken von 1 µm. 14 Figure 12 is an enlarged plan view of the treated flexible self-contained electrode with a 1 µm scale bar shown.
15 ist ein nicht einschränkendes Beispiel verschiedener Komponenten, die in die flexiblen Batteriepouchzellen oder in die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie integriert werden können, gemäß verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Offenbarung. 15 FIG. 12 is a non-limiting example of various components that may be integrated into the flexible battery pouch cells or the stretchable and flexible lithium-ion battery, according to various implementations of the present disclosure.
16 zeigt ein nicht einschränkendes Beispiel einer tragbaren und flexiblen Batterie in der Form eines Batteriebands als Smartwatch-Band, das einer Uhr Strom liefert. 16 FIG. 12 shows a non-limiting example of a portable and flexible battery in the form of a battery strap as a smartwatch strap that powers a watch.
17 zeigt eine tragbare und flexible Batterie in der Form eines Uhrbands mit einer am einen Ende angebrachten Schnalle und vom entgegengesetzten Ende vorstehenden flexiblen leitfähigen Batteriezungen gemäß einigen Ausführungen der vorliegenden Offenbarung. 17 FIG. 1 shows a wearable and flexible battery in the form of a watch band with a buckle attached at one end and flexible conductive battery tabs protruding from the opposite end, in accordance with some embodiments of the present disclosure.
18 zeigt ein nicht einschränkendes Beispiel einer tragbaren und flexiblen Batterie in der Form eines Batteriebands als Smartwatchband, das einer Uhr und einem eingebetteten Herzschlagsensor Strom liefert, und der ferner betreibbar ist, um Herzschlagdaten über Bluetooth zu einem Mobiltelefon zu übertragen. 18 Figure 1 shows a non-limiting example of a portable and flexible battery in the form of a battery strap smart watch strap that provides power to a watch and an embedded heart rate sensor, and is further operable to transmit heart rate data via Bluetooth to a mobile phone.
19A ist ein Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bild von eigenständigen Kathoden, die aus LiNMC-Partikeln und 1,5 Gewichts-% einwandigen [Kohlenstoff-] Nanoröhrchen (SWNTs) bestehen, wie in den Beispielen beschrieben. 19A Figure 12 is a scanning electron microscope (SEM) image of discrete cathodes composed of LiNMC particles and 1.5% by weight single-wall [carbon] nanotubes (SWNTs) as described in the examples.
19B ist ein REM-Bild von eigenständigen Kathoden, die aus LiNMC-Partikeln und 1,5 Gewichts-% SWNTs bestehen, wie in den Beispielen beschrieben. 19B Figure 12 is an SEM image of discrete cathodes composed of LiNMC particles and 1.5% by weight SWNTs as described in the examples.
19C ist ein optisches Bild von Kathodenblättern, wie in den Beispielen beschrieben. 19C Figure 1 is an optical image of cathode sheets as described in the examples.
19D ist ein REM-Bild von eigenständigen Anoden, die aus Graphitpartikeln und 11 Gewichts-% SWNTs bestehen, wie in den Beispielen beschrieben. 19D Figure 12 is an SEM image of discrete anodes composed of graphite particles and 11% by weight SWNTs as described in the examples.
19E ist ein REM-Bild von eigenständen Anoden, die aus Graphitpartikeln und 11 Gewichts-% SWNTs bestehen, wie in den Beispielen beschrieben. 19E Figure 12 is an SEM image of stand-alone anodes composed of graphite particles and 11% by weight SWNTs as described in the examples.
19F ist ein optisches Bild von Anodenblättern, wie in den Beispielen beschrieben. 19F Figure 1 is an optical image of anode sheets as described in the examples.
19G ist ein typisches TEM-Bild von gewachsenen SWNTs, wie in den Beispielen beschrieben. 19G is a typical TEM image of grown SWNTs as described in the examples.
20A zeigt eine Pulverdichte/Druck-Kurve für ein Komposit mit 1,1 Gewichts-% SWCN, wie in den Beispielen beschrieben. 20A Figure 12 shows a powder density/pressure curve for a 1.1 wt% SWCN composite as described in the examples.
20B zeigt eine Kurve des spezifischen Widerstands für ein Komposit mit 1,1 Gewichts-% SWCNT, wie in den Beispielen beschrieben. 20B Figure 12 shows a resistivity curve for a composite with 1.1% by weight SWCNT as described in the examples.
20C zeigt die Leitfähigkeit von komprimierten Pulverpellets in Abhängigkeit von SWNT Gewichts-%, wie in den Beispielen beschrieben. 20c shows the conductivity of compressed powder pellets as a function of SWNT weight % as described in the examples.
20D zeigt die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von SWNT Gewichts-% für eigenständige Kompositblätter bei Niederkonzentration-Bereichen von Nanoröhrchen, wie in den Beispielen beschrieben. 20D Figure 12 shows conductivity versus SWNT wt% for discrete composite sheets at low concentration ranges of nanotubes as described in the examples.
21A zeigt eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für Kathodenmaterialblätter mit 0,9 Gewichts-% SWNT, spezifisch die Entwicklung von Hysterese während 25fachen Dehnungszyklus, wie in den Beispielen beschrieben. 21A Figure 12 shows a stress-strain curve for cathode material sheets with 0.9 wt% SWNT, specifically the development of hysteresis during 25-fold strain cycle as described in the examples.
21B zeigt eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für Kathodenmaterialblätter mit 0,9 Gewichts-% SWNT, spezifisch die Hysterese nach dem ersten und 25. Dehnungszyklus, wie in den Beispielen beschrieben. 21B Figure 12 shows a stress-strain curve for cathode material sheets with 0.9 wt% SWNT, specifically the hysteresis after the first and 25th strain cycle as described in the examples.
21C zeigt eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für Cu- und AI-Folien und eigenständige Blätter mit 1,8 Gewichts-% SWNT, 0,9g/cm³ (dickste Linie) und 3,6 Gewichts-% SWCNT, 0,74 g/cm³ (dünne Linie), wie in den Beispielen gezeigt. 21C shows a stress-strain curve for Cu and Al foils and stand-alone sheets with 1.8% by weight SWNT, 0.9g/cm ³ (thickest line) and 3.6% by weight SWCNT, 0.74 g/cm 3 cm ³ (thin line) as shown in the examples.
22A zeigt Änderungen im relativen Widerstand während zyklischen Streckens, wie in den Beispielen beschrieben. 22A shows changes in relative resistance during cyclic stretching as described in the examples.
22B zeigt Änderungen im relativen Widerstand während zyklischen Streckens, wie in den Beispielen beschrieben. 22B shows changes in relative resistance during cyclic stretching as described in the examples.
22C zeigt Änderungen im relativen Widerstand während zyklischen Streckens, insbesondere des ersten Streckzyklus als Funktion der Abtastdichte, wie in den Beispielen beschrieben. 22C Figure 12 shows changes in relative resistance during cyclic stretching, particularly the first cycle of stretching, as a function of sample density as described in the Examples.
22D zeigt Änderungen im relativen Widerstand während zyklischen Streckens, insbesondere des letzten Streckzyklus als Funktion der Abtastdichte, wie in den Beispielen beschrieben. 22D Figure 12 shows changes in relative resistance during cyclic stretching, particularly the final stretch cycle, as a function of sample density as described in the examples.
23A zeigt die Leistungsfähigkeit einer Zelle mit einzelner Kathode (1,4% CNT) und einzelner Anode, wie in den Beispielen beschrieben. 23A Figure 12 shows the performance of a single cathode (1.4% CNT) single anode cell as described in the examples.
23B zeigt die normalisierte Entladekapazität einer Zelle mit einzelner Kathode (2,3% CNT) und doppelter Anode, wie in den Beispielen beschrieben. 23B Figure 12 shows the normalized discharge capacity of a single cathode (2.3% CNT) double anode cell as described in the Examples.
23C zeigt eine Entladekapazität der Zellen, normalisiert auf die Kapazität der Zelle während des ersten Vollentladezyklus bei 0,2C als Funktion des Nanoröhrchen-Prozentsatzes und der Entlade-C-Rate, wie in den Beispielen beschrieben. 23C 12 shows a discharge capacity of the cells normalized to the capacity of the cell during the first full discharge cycle at 0.2C as a function of nanotube percentage and discharge C-rate as described in the examples.
23D zeigt eine normalisierte Entladekapazität von flexiblen vollen Zellen (Prozentsatz des Anfangswerts) mit kollektorfreien, freistehenden Kathoden und Anoden, wie in den Beispielen beschrieben. 23D Figure 12 shows a normalized discharge capacity of flexible full cells (percentage of initial value) with collectorless, free-standing cathodes and anodes as described in the examples.
24A zeigt eine flexible Vollzellen-Pouchbatterie, die eine LED versorgt, während sie gebogen wird, wie in den Beispielen beschrieben. 24A shows a full-cell flexible pouch battery that powers an LED while being flexed as described in the examples.
24B zeigt eine flexible Vollzellen-Pouchbatterie, die eine LED versorgt, während sie gebogen wird, wie in den Beispielen beschrieben. 24B shows a full-cell flexible pouch battery that powers an LED while being flexed as described in the examples.
24C zeigt eine armbandförmige flexible Batterie, die eine handelsübliche Smartwatch versorgt, wie in den Beispielen beschrieben 24C shows a bracelet-shaped flexible battery that powers a commercially available smartwatch, as described in the examples
25 zeigt ein Beispiel einer tragbaren Vorrichtung einschließlich einer armbandförmigen flexiblen Batterie. 25 Fig. 12 shows an example of a wearable device including a bracelet-shaped flexible battery.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die vorliegende Offenbarung ist auf streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterien gerichtet, die zur Speicherung mit hoher Energiedichte in der Lage sind, und zugeordneter Aspekte. In einigen Ausführungen sind Verfahren zur Herstellung einer streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterie offenbart. Gemäß einigen Aspekten wird eine flexible Batteriepouchzelle offenbart, die flexible eigenständige Elektroden enthält, mit Elektrolyt, der innerhalb einer flexiblen Materialverpackung enthalten ist, und streckbaren und flexiblen Batteriezungen, die von der flexiblen Batteriepouchzelle abstehen. Die streckbaren und flexiblen Batteriezungen sind leitfähig und können mit anderen flexiblen Batteriepouchzellen in einer beliebigen Vielzahl von Konfigurationen verbunden werden, um eine streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie in einer flachen, 3D, oder beliebigen Vielzahl von Formen für große oder kleine Anwendungen auszubilden. Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie unterliegt keiner Beschränkung und kann, als nicht einschränkende Beispiele, Prozessoren, verschiedene Sensoren, Farbanzeigen, eingebettete Vorrichtungen, globale Ortungssystem- (GPS-)-Vorrichtungen, Wi-Fi, Zugriffs-Vorrichtungen, Anzeigebildschirme, LEDs oder Audiovorrichtungen enthalten. Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie kann tragbar, implantierbar oder kann zum Entfalten in verschiedene Umgebungen konfiguriert sein. In einigen Ausführungen kann die flexible Materialverpackung der flexiblen Batteriepouchzelle Komponenten oder Prozessoren haben, die zum Beispiel in verschiedene Miniatur-(Mikromaßstab, Nanomaßstab)-Komponenten hineingedruckt oder eingebettet sind. Die flexible Materialverpackung, die streckbaren und flexiblen Batteriezungen und die miteinander verbindenden flexiblen streckbaren Materialien können mechanisch oder elektrisch reaktiv, versorgt, mobil, verdrehbar, komprimierbar, tragbar, implantierbar, biokompatibel, wasserdicht, thermisch isolierend sein, in der Lage sein, nach Formung zu einer festen Gestalt eine feste Form einzuhalten, die Fähigkeit haben, von einer verformten Gestalt (temporären Gestalt) zu einer ursprünglichen (permanenten) Gestalt zurückzukehren, die zum Beispiel in Antwort auf eine Umgebungsänderung oder angelegte Kraft induziert wird.The present disclosure is directed to stretchable and flexible lithium-ion batteries capable of high energy density storage and related aspects. In some implementations, methods of making a stretchable and flexible lithium-ion battery are disclosed. In some aspects, a flexible battery pouch cell is disclosed that includes flexible self-contained electrodes, electrolyte contained within a flexible material package, and stretchable and flexible battery tabs extending from the flexible battery pouch cell. The stretchable and flexible battery tabs are conductive and can be connected to other flexible battery pouch cells in any variety of configurations to form a stretchable and flexible lithium-ion battery in a flat, 3D, or any variety of shapes for large or small applications. The stretchable and flexible lithium-ion battery is not limited and may include, as non-limiting examples, processors, various sensors, color displays, embedded devices, global positioning system (GPS) devices, Wi-Fi, access devices, display screens, LEDs or audio devices included. The stretchable and flexible lithium-ion battery can be portable, implantable, or can be configured to deploy into different environments. In some implementations, the flexible material packaging of the flexible battery pouch cell may have components or processors printed or embedded into various miniature (microscale, nanoscale) components, for example. The flexible material packaging, the stretchable and flexible battery tabs, and the interconnecting flexible stretchable materials can be mechanically or electrically reactive, powered, mobile, twistable, compressible, wearable, implantable, biocompatible, waterproof, thermally insulating, be able to, after molding maintain a fixed shape, have the ability to return from a deformed shape (temporary shape) to an original (permanent) shape induced, for example, in response to an environmental change or applied force.

Eine nicht einschränkende Darstellung streckbarer und flexibler Batterien 110 gemäß verschiedener Ausführungen der vorliegenden Offenbarung ist in 1 gezeigt. Eine 2D-Konfiguration 120 enthält zum Beispiel neun flexible Batteriepouchzellen 122, die durch leitfähige Batteriezungen 124 und Federn 126 miteinander verbunden sind. Die 2D-Konfiguration ist streckbar, komprimierbar und flexibel. Eine streckbare Konfiguration kann eine Dehnung von 5% oder mehr erlauben, ohne zu brechen. Eine komprimierbare Konfiguration kann eine Kompression von 5% oder mehr erlauben. Eine flexible Konfiguration kann eine Biegung von 5° oder mehr erlauben, ohne zu brechen. Es kann ein beliebiges geeignetes Material (zum Beispiel Polymere, Tücher, Elastomere, Gummis) anstelle von den gezeigten Federn enthalten, oder diese umgeben. Wie dargestellt, können die Batteriezungen zwischen Paaren der Federn angeordnet sein. In einigen Ausführungen können die Batteriezungen 124 von den Federn 126 oder einer streckbaren (zum Beispiel Polymer-) Matrix 128 umgeben sein. In einigen Ausführungen können die streckbaren und flexiblen Batteriezungen 124 aus Federmetallen, leitfähigen Kompositen oder einem beliebigen geeigneten leitfähigen, streckbaren und flexiblen Material hergestellt sein. Optional können die streckbaren und flexiblen Batteriezungen 124 die einzige Verbindung zwischen zwei oder mehr flexiblen Batteriepouchzellen sein. In einigen Ausführungen können die leitfähigen Batteriezungen 124 streckbare und flexible Batteriezungenhalterungen enthalten, die mit den leitfähigen Batteriezungen an Verbindern 132 verbunden sind, wobei sich die streckbaren und flexiblen Batteriezungenhalterungen von einer flexiblen Batteriepouchzelle zu einer anderen erstrecken. Die Anzahl flexibler Batteriepouchzellen, die in einer streckbaren und flexiblen Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung enthalten sind, ist nicht beschränkt. Eine 3D-Konfiguration 130 zeigt zum Beispiel, dass die Batteriezungen 124, die die flexiblen Batteriepouchzellen 122 miteinander verbinden, sich von einer beliebigen Seite oder Oberfläche jeder flexiblen Batteriepouchzelle erstrecken können. Federn und eine streckbare Polymermatrix sind nicht einschränkende Beispiele von Materialien, die in einigen Ausführungen zusammen mit den miteinander verbundenen Batteriezungen genutzt werden können.A non-limiting illustration of stretchable and flexible batteries 110 according to various implementations of the present disclosure is shown in FIG 1 shown. For example, a 2D configuration 120 includes nine flexible battery pouch cells 122 interconnected by conductive battery tabs 124 and springs 126 . The 2D configuration is stretchable, compressible and flexible. A stretchable configuration can allow an elongation of 5% or more without breaking. A compressible configuration may allow compression of 5% or more. A flexible configuration can allow 5° or more of bending without breaking. It may contain any suitable material (e.g., polymers, cloths, elastomers, rubbers) in place of, or surround the springs shown. As illustrated, the battery tabs may be positioned between pairs of the springs. In some implementations, the battery tabs 124 may be surrounded by the springs 126 or a stretchable (e.g., polymeric) matrix 128 . In some implementations, the stretchable and flexible battery tabs 124 may be made from spring metals, conductive composites, or any suitable conductive, stretchable and flexible material. Optionally, the stretchable and flexible battery tabs 124 can be the only connection between two or more flexible battery pouch cells. In some implementations, the conductive battery tabs 124 may include stretchable and flexible battery tab supports connected to the conductive battery tabs at connectors 132, with the stretchable and flexible battery tab supports extending from one flexible battery pouch cell to another. The number of flexible battery pouch cells included in a stretchable and flexible battery according to the present disclosure is not limited. For example, a 3D configuration 130 shows that the battery tabs 124 interconnecting the flexible battery pouch cells 122 may extend from any side or surface of each flexible battery pouch cell. Springs and a stretchable polymer matrix are non-limiting examples of materials that may be used with the interconnected battery tabs in some implementations.

In 2 illustrieren die Verbinder 132 optionale Verbinder, wo sich die streckbaren und flexiblen Batteriezungen 124 von den internen Batterieelektroden hinaus erstrecken, die innerhalb der flexiblen Batteriepouchzelle enthalten sind. Gemäß einigen Aspekten können die Verbinder 132 Toleranz auf hohe mechanische Kräfte, die auf streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie zum Beispiel während des Tragens einwirken, und die Wasserbeständigkeit während des Waschens erhöhen. In Abhängigkeit von der Position der flexiblen Batteriepouchzelle 122 innerhalb der Architektur der streckbaren und flexiblen Batterie kann die Anzahl von Verbindungen zu anderen flexiblen Batteriepouchzellen variieren. Zum Beispiel ist in 3 als nicht einschränkendes Beispiel eine flexible Batteriepouchzelle 300 mit vier Paaren von Batteriezungen 322 gezeigt, die sich von der flexiblen Batteriepouchzelle 300 erstrecken. Jedes Paar von Batteriezungen 322 kann von einem Paar von Federn 324 oder streckbaren Polymermaterialien umgeben sein. Die Anzahl von (Batteriezungen)-Verbindungen, die sich von einer flexiblen Batteriepouchzelle erstrecken, kann eins oder mehr sein, in Abhängigkeit von der Position der flexiblen Batteriepouchzelle und der Gesamtarchitektur der streckbaren und flexiblen Batterie.In 2 For example, connectors 132 illustrate optional connectors where the stretchable and flexible battery tabs 124 extend out from the internal battery electrodes contained within the flexible battery pouch cell. In some aspects, connectors 132 may be toleranced to high mechanical cal forces acting on stretchable and flexible lithium-ion battery, for example, during wear and increase water resistance during washing. Depending on the location of the flexible battery pouch cell 122 within the stretchable and flexible battery architecture, the number of connections to other flexible battery pouch cells may vary. For example, is in 3 As a non-limiting example, a flexible battery pouch cell 300 is shown having four pairs of battery tabs 322 extending from the flexible battery pouch cell 300 . Each pair of battery tabs 322 may be surrounded by a pair of springs 324 or stretchable polymeric materials. The number of (battery tab) connections extending from a flexible battery pouch cell can be one or more, depending on the position of the flexible battery pouch cell and the overall architecture of the stretchable and flexible battery.

In einem nicht einschränkenden Beispiel, wie in 4 gezeigt, ist eine flexible Batteriepouchzelle (Einheit) 100 expandiert, um eine flexible Materialpackung 101 einer flexiblen eigenständigen Anode 102 zu zeigen, an der eine leitfähige Batteriezunge 105 angebracht ist, die optional streckbar und flexibel ist, und die eine streckbare und flexible Batteriezungenhalterung haben kann; eine flexible eigenständige Kathode 104, an der eine leitfähige Batteriezunge 106 angebracht ist, die optional streckbar und flexibel ist, und die an einer streckbaren und flexiblen Batteriezungenhalterung angebracht sein kann. Der Elektrolyt 103 ist zwischen der Anode und Kathode dargestellt, und ein Festelektrolyt kann sowohl als Elektrode als auch Separator zwischen der Anode und Kathode fungieren, um somit ohne Separatormembran auszukommen, die eine elektrochemisch inaktive Komponente ist (die nicht als aktiver Elektrolyt fungiert). Es sollte sich verstehen, dass in einigen Ausführungen die in 4 gezeigten Batteriezungen eine beliebige Konfiguration haben können und von zum Beispiel einer streckbaren Polymermatrix oder von Federn umgeben sein kann (oder zentral hierzu sein kann), wie in den 1 bis 3 gezeigt. In einigen Ausführungen sind die in 4 gezeigten leitfähigen Batteriezungen Halterungspunkte für flexible Batteriezungenhalterungen, die an den Batteriezungen angebracht sind und sich weiter von der flexiblen eigenständigen Elektrode weg erstrecken. Die flexible Materialpackung kann Verbinder (1 bis 2) an Kontaktpunkten mit Batteriezungen oder andere flexible Batteriezungenhalterungen aufweisen. Die Verbinder können zum Beispiel dazu beitragen, die flexible Materialpackung abzudichten, die Festigkeit zu erhöhen, die flexiblen Batteriezungenhalterungen stützen und die Haltbarkeit der streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterie erhöhen.In a non-limiting example, as in 4 As shown, a flexible battery pouch cell (unit) 100 is expanded to show a flexible material package 101 of a flexible self-contained anode 102 to which is attached a conductive battery tab 105, which is optionally stretchable and flexible, and which may have a stretchable and flexible battery tab mount ; a flexible, self-contained cathode 104 to which is attached a conductive battery tab 106, which is optionally stretchable and flexible, and which may be attached to a stretchable and flexible battery tab mount. Electrolyte 103 is shown between the anode and cathode, and a solid electrolyte can function as both an electrode and separator between the anode and cathode, thus eliminating the need for a separator membrane, which is an electrochemically inactive component (not functioning as an active electrolyte). It should be understood that in some implementations the in 4 Battery tabs shown may have any configuration and may be surrounded by (or central to), for example, a stretchable polymeric matrix or springs, as in FIGS 1 until 3 shown. In some implementations, the in 4 conductive battery tabs shown support points for flexible battery tab supports attached to the battery tabs and extending farther from the flexible self-contained electrode. The flexible pack of material can contain connectors ( 1 until 2 ) at points of contact with battery tabs or other flexible battery tab supports. For example, the connectors can help seal the flexible material pack, increase strength, support the flexible battery tab mounts, and increase the durability of the stretchable and flexible lithium-ion battery.

Gemäß einigen Aspekten werden Verfahren zur Herstellung flexibler, eigenständiger Elektroden offenbart (5 bis 6), worin ein Festelektrolyt mit hoher Ionenleitfähigkeit eingeführt werden kann, durch entweder zum Beispiel Beschichten (Ablagern) oder Eintauchen im Falle von Gel (7) auf oder in die Oberfläche der entsprechenden flexiblen, eigenständigen Elektroden, optional dadurch gefolgt, zwei Elektroden zusammenzupressen. Optional kann jede Elektrode separat gepresst werden. Der Elektrolyt kann durch beliebige geeignete Mittel eingeführt werden, und kann zum Beispiel nach dem Zusammenbau zu der flexiblen Batteriepouchzelle hinzugefügt werden. Gegenwärtig gibt es unterschiedliche Typen von Lithium-Ionen-Festelektrolyten, zum Beispiel NASICON, Garnet, Perovskit, LISICON, LiPON, Li₃N, Sulfid, Argyrodit oder Anti-Perovskit. In einigen Ausführungen kann ein Festelektrolyt formanpassungsfähig, flexibel und hochionenleitfähig sein. Polymerbasierte, dünne (im Vergleich zur Dicke einer Separatormembran, etwa 10 µm) Elektrolyte sind für diesen Zweck denkbar. Es sollte sich verstehen, dass die flexiblen eigenständigen Elektroden durch verschiedene Verfahren behandelt werden können, und hierin, als nicht einschränkendes Beispiel einer mechanischen Behandlung, Pressen angewendet wird.According to some aspects, methods for manufacturing flexible, self-contained electrodes are disclosed ( 5 until 6 ) wherein a solid electrolyte with high ionic conductivity can be introduced by either, for example, coating (depositing) or immersion in the case of gel ( 7 ) onto or into the surface of the respective flexible, self-contained electrodes, optionally followed by pressing two electrodes together. Optionally, each electrode can be pressed separately. The electrolyte can be introduced by any suitable means, and can be added to the flexible battery pouch cell after assembly, for example. There are currently different types of lithium-ion solid electrolytes, for example NASICON, Garnet, Perovskite, LISICON, LiPON, Li ₃ N, sulfide, argyrodite or anti-perovskite. In some implementations, a solid electrolyte can be conformable, flexible, and highly ionically conductive. Polymer-based, thin (compared to the thickness of a separator membrane, about 10 µm) electrolytes are conceivable for this purpose. It should be understood that the flexible self-contained electrodes can be treated by various methods, and pressing is used herein as a non-limiting example of mechanical treatment.

In einem nicht einschränkenden Beispiel, wie in 5 gezeigt, werden eigenständige Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien hergestellt, indem, in Schritt S100, ein aerosolisiertes (oder fluidisiertes/dispergiertes) Gemisch von Karbonnanoröhrchen und Elektrodenaktivmaterialien bereitgestellt wird, und in Schritt S101 das aerosolisierte Gemisch auf ein poröses Substrat gerichtet wird, um darauf ein Komposit von eigenständigem Elektrodenmaterial mit einer gewünschten Dicke auszubilden, das die gemischten Karbonnanoröhrchen und die Elektrodenaktivmaterialien auf dem porösen Substrat enthält. In Schritt S102 wird Elektrolyt durch beliebige Mittel auf das Komposit aufgelagert. Optional kann Elektrolyt in Schritt S100 dispergiert werden. Das Gemisch wird in Schritt S103 von dem porösen Substrat entfernt, um eine flexible, eigenständige Elektrode mit Elektrolyt zu bilden (11). Optional kann die eigenständige Elektrode in Schritt S104 behandelt werden, um zum Beispiel die Dichte der eigenständigen Elektrode zu erhöhen (12). Die eigenständige Elektrode ist selbsttragend, flexibel und kann optional auf die gewünschten Dimensionen und Formen einer Batterieelektrode geschnitten werden (13). Die eigenständige Elektrode ist optional frei von Bindemittel, optional frei von Separator und kann optional ohne metallbasierten Stromkollektor verwendet werden (typisch Aluminiumoxid oder Kupfer in Abhängigkeit vom Elektrolyt-Typ). Wie in 14 gezeigt, einer vergrößerten Ansicht der flexiblen eigenständigen Elektrode (Maßstabbalken = 1 Mikrometer), enthält eine vernetzte Karbonnanoröhrchen-Morphologie Elektrodenaktivmaterial und miteinander verbundene Räume für Elektrolyt, während die Karbonnanoröhrchen-Netzmorphologie verschiedene Aspekte ermöglicht, zum Beispiel Flexibilität der eigenständigen Elektrode.In a non-limiting example, as in 5 shown, stand-alone electrodes for lithium-ion batteries are prepared by, in step S100, providing an aerosolized (or fluidized/dispersed) mixture of carbon nanotubes and electrode-active materials, and in step S101 directing the aerosolized mixture onto a porous substrate to then forming a composite of discrete electrode material with a desired thickness containing the mixed carbon nanotubes and the electrode active materials on the porous substrate. In step S102, electrolyte is deposited on the composite by any means. Optionally, electrolyte can be dispersed in step S100. The mixture is removed from the porous substrate in step S103 to form a flexible, self-contained electrode with electrolyte ( 11 ). Optionally, the stand-alone electrode can be treated in step S104, for example to increase the density of the stand-alone electrode ( 12 ). The self-contained electrode is self-supporting, flexible and can optionally be cut to the desired dimensions and shapes of a battery electrode ( 13 ). The self-contained electrode is optionally binder-free, optionally separator-free, and optionally can be used without a metal-based current collector (typically alumina or copper depending on the electrolyte type). As in 14 shown, a magnified view of the flexible self-contained electrode (scale bar = 1 micron), contains a cross-linked carbon nanotube morphology electrode active material and interconnected spaces for Electrolyte, while the carbon nanotube mesh morphology allows for various aspects such as flexibility of the standalone electrode.

Es sollte sich verstehen, dass hierin offenbarte verschiedene Ausführungen von Verfahren zur Herstellung von flexiblen eigenständigen Elektroden (z.B. 5 bis 6) die Länge oder das Aspektverhältnis der Karbonnanoröhrchen während der Ausbildung der flexiblen eigenständigen Elektroden nicht signifikant verschlechtern, zumindest aufgrund der nichtdestruktiven Aerosolisierungs- und Auflagerungsschritte. Die Länge und das Aspektverhältnis der Karbonnanoröhrchen ermöglichen, dass sichKarbonnanoröhrchen in einer vernetzten Morphologie während der Bildung der flexiblen eigenständigen Elektrode überlagern, was zur letztendlichen Flexibilität und anderen Aspekten beiträgt. Der hierin benutzte Begriff „die Länge oder das Aspektverhältnis signifikant verschlechtern“ bedeutet eine Reduktion der Länge oder des Aspektverhältnisses um 50% oder mehr.It should be understood that various embodiments disclosed herein of methods for manufacturing flexible self-contained electrodes (e.g 5 until 6 ) do not significantly degrade the length or aspect ratio of the carbon nanotubes during formation of the flexible discrete electrodes, at least due to the non-destructive aerosolization and deposition steps. The length and aspect ratio of the carbon nanotubes allow carbon nanotubes to overlay in a crosslinked morphology during the formation of the flexible self-contained electrode, contributing to ultimate flexibility and other aspects. As used herein, the term "significantly degrade the length or aspect ratio" means a reduction in length or aspect ratio of 50% or more.

In einem nicht einschränkenden Beispiel, wie in 6 gezeigt, werden eigenständige Elektroden für Lithium-Ionen-Batterie hergestellt, indem in Schritt S100 ein aerosolisiertes Gemisch von Karbonnanoröhrchen und Elektrodenaktivmaterialien bereitgestellt wird, und in Schritt S101 das aerosolisierte Gemisch auf ein poröses Substrat gerichtet wird, um darauf ein Komposit von eigenständigem Elektrodenmaterial einer gewünschten Dicke zu bilden, das die gemischten Karbonnanoröhrchen und die Elektrodenaktivmaterialien auf dem porösen Substrat enthält. Das Gemisch wird in Schritt S105 von dem porösen Substrat entfernt, um eine flexible eigenständige Elektrode zu bilden. Der Elektrolyt wird in Schritt S106 durch beliebige Mittel auf oder in die flexible eigenständige Elektrode abgelagert. Optional kann die eigenständige Elektrode in Schritt S104 behandelt werden, um zum Beispiel die Dichte der eigenständigen Elektrode zu erhöhen. Wie in dem nicht einschränkenden Beispiel von 7 gezeigt, kann Eintauchen dazu benutzt werden, Elektrolyt aufzulagern. In verschiedenen Ausführungen kann Elektrolyt durch ein beliebiges geeignetes Verfahren und zu einer beliebigen Produktionsstufe eingebracht werden. Die eigenständige Elektrode ist selbsttragend, flexibel und kann optional auf die gewünschten Dimensionen einer Batterieelektrode geschnitten werden. Die eigenständige Elektrode ist optional frei von Bindemittel, optional frei von Separator und kann optional ohne metallbasierten Stromkollektor verwendet werden (typisch Verweise Aluminiumoxid oder Kupfer in Abhängigkeit vom Elektrolyt-Typ).In a non-limiting example, as in 6 shown, stand-alone electrodes for lithium-ion batteries are manufactured by providing an aerosolized mixture of carbon nanotubes and electrode active materials in step S100, and directing the aerosolized mixture onto a porous substrate in step S101 to deposit thereon a composite of stand-alone electrode material of a desired To form thickness containing the mixed carbon nanotubes and the electrode active materials on the porous substrate. The mixture is removed from the porous substrate in step S105 to form a flexible self-contained electrode. The electrolyte is deposited onto or into the flexible self-contained electrode in step S106 by any means. Optionally, the stand-alone electrode can be treated in step S104, for example to increase the density of the stand-alone electrode. As in the non-limiting example of 7 shown, immersion can be used to deposit electrolyte. In various implementations, electrolyte can be introduced by any suitable method and at any stage of production. The self-contained electrode is self-supporting, flexible and can optionally be cut to the desired dimensions of a battery electrode. The self-contained electrode is optionally binder-free, optionally separator-free, and optionally can be used without a metal-based current collector (typically referenced alumina or copper depending on the electrolyte type).

Die Vorrichtung zum Bereitstellen des aerosolisierten (oder fluidisierten/dispergierten) Gemischs von Karbonnanoröhrchen und Elektrodenaktivmaterialien, entweder separat oder kombiniert, mit oder ohne Elektrolyt, ist keineswegs beschränkt. In einem illustrativen Beispiel, wie in 10 gezeigt, kann ein Gefäß 100 ein pneumatischer Pulverförderer sein, wie etwa ein Venturiförderer, der einen Trichter 11 zur Aufnahme der Nanoröhrchen und des Elektrodenaktivmaterials darin enthält. Das Gefäß 10 kann auch ein Drehventil 12 enthalten, das die Nanoröhrchen und das Elektrodenaktivmaterial in Kontakt mit einem Trägergas 20 fördert, das in das Gefäß 10 eingeführt wird, um die gemischte aerosolisierte Strömung 30 zu bilden. Gemäß einigen Aspekten kann mehr als ein Gefäß 10 dazu benutzt werden, Nanoröhrchen und Elektrodenaktivmaterial (entweder separat oder vorkombiniert) in verschiedene Trägergase oder Gasströmungen zu kombinieren. In einigen Ausführungen kann ein Elektrolyt separat oder mit dem Nanoröhrchen und dem Elektrodenaktivmaterial dispergiert, aerosolisiert oder fluidisiert werden. In einigen Aspekten können die Nanoröhrchen und das Elektrodenaktivmaterial vor dem Mischen und Kombinieren mit einem Elektrolyt auf einem porösen Substrat einzeln aerosolisiert werden.The apparatus for providing the aerosolized (or fluidized/dispersed) mixture of carbon nanotubes and electrode-active materials, either separately or combined, with or without electrolyte, is in no way limited. In an illustrative example, as in 10 As shown, a vessel 100 may be a pneumatic powder feeder, such as a venturi feeder, containing a hopper 11 for receiving the nanotubes and electrode active material therein. The vessel 10 may also include a rotary valve 12 that conveys the nanotubes and electrode active material into contact with a carrier gas 20 that is introduced into the vessel 10 to form the mixed aerosolized flow 30 . In some aspects, more than one vessel 10 can be used to combine nanotubes and electrode active material (either separately or pre-combined) into different carrier gases or gas flows. In some implementations, an electrolyte can be dispersed, aerosolized, or fluidized separately or with the nanotube and the electrode active material. In some aspects, the nanotubes and electrode-active material can be individually aerosolized onto a porous substrate prior to mixing and combining with an electrolyte.

In einem nicht einschränkenden Beispiel, wie in 8 gezeigt, wird eine Vorrichtung 9 für die Produktion von eigenständigen Elektroden angegeben. Die Karbonnanoröhrchen und die Elektrodenaktivmaterialien werden einem Gefäß 10 zugeführt. Die Karbonnanoröhrchen und die Elektrodenaktivmaterialien können einzeln von ihren jeweiligen Herstellungsprozessen gesammelt und direkt oder indirekt von diesen Prozessen in das Gefäß 10 mit einem gewünschten Verhältnis für eine eigenständige Elektrode eingebracht werden. Ein oder mehr Trägergase 20 können dann in das Gefäß 10 eingeführt werden, um das Gemisch der Nanoröhrchen und der Elektrodenaktivmaterialien zu aerosolisieren. Die resultierende gemischte aerosolisierte Strömung 30, welche die im Trägergas mitgenommenen Nanoröhrchen und die Elektrodenaktivmaterialien enthält, wird auf ein poröses Substrat 40 gerichtet, wie etwa einen Filter. Trägergas tritt durch das poröse Substrat 40 als Gasströmung 50 hindurch, während das Gemisch der Nanoröhrchen und des Elektrodenaktivmaterials auf der Oberfläche des porösen Substrats 40 abgefangen wird, um auf der porösen Oberfläche die eigenständige Elektrode 60 zu bilden. Es kann ein beliebiger Elektrolyt 70 entweder vor, während oder nach der Ausbildung der flexiblen eigenständigen Elektrode (auf dem porösen Substrat) eingeführt werden. Die eigenständige Elektrode 60 kann von dem porösen Substrat 40 entfernt werden, wenn sie die gewünschte Dicke erreicht, um die flexible eigenständige Elektrode zu bilden.In a non-limiting example, as in 8th shown, a device 9 for the production of independent electrodes is specified. The carbon nanotubes and the electrode active materials are fed into a vessel 10 . The carbon nanotubes and the electrode active materials can be individually collected from their respective manufacturing processes and introduced directly or indirectly from those processes into the vessel 10 at a desired ratio for a standalone electrode. One or more carrier gases 20 can then be introduced into vessel 10 to aerosolize the mixture of nanotubes and electrode active materials. The resulting mixed aerosolized flow 30, containing the carrier gas-entrained nanotubes and the electrode-active materials, is directed onto a porous substrate 40, such as a filter. Carrier gas passes through the porous substrate 40 as a gas flow 50 while the mixture of the nanotubes and the electrode active material is trapped on the surface of the porous substrate 40 to form the self-contained electrode 60 on the porous surface. Any electrolyte 70 can be introduced either before, during or after the formation of the flexible self-contained electrode (on the porous substrate). The self-contained electrode 60 can be removed from the porous substrate 40 when it reaches the desired thickness to form the flexible self-contained electrode.

Optional kann die Vorrichtung 9 (8) eine Mehrzahl poröser Substrate 40, 41 enthalten, um die kontinuierliche Produktion eigenständiger Elektroden 60, 61 auf porösen Oberflächen zu erlauben. Obwohl nur zwei poröse Substrate gezeigt sind, versteht es sich, dass in der Vorrichtung 9 eine beliebige Anzahl poröser Substrate enthalten sein kann. Wenn in einem nicht einschränkenden Beispiel der Fluss der gemischten aerosolisierten Strömung 30 durch das poröse Substrat die eigenständige Elektrode 60 der gewünschten Dicke produziert, kann das Ventil 33 eingestellt werden, um den Fluss der gemischten aerosolisierten Strömung 30 zu einem zweiten porösen Substrat 41 zu lenken. Die eigenständige Elektrode 60 kann von dem ersten porösen Substrat 40 entfernt werden, während die eigenständige Elektrode 61 auf dem porösen Substrat 41 gebildet wird. Wenn der Fluss der gemischten aerosolisierten Strömung 30 durch das zweite poröse Substrat 41 die eigenständige Elektrode 61 einer gewünschten Dicke produziert, kann das Ventil 33 eingestellt werden, um den Fluss der gemischten aerosolisierten Strömung 30 zurück zum ersten porösen Substrat 40 zu lenken. Die Dicke und/oder die Querschnittsfläche der eigenständigen Elektrode 61 kann gleich oder anders sein als die Querschnittsfläche der eigenständigen Elektrode 60. Zum Beispiel kann die eigenständige Elektrode 61 eine größere Dicke und/oder Querschnittsfläche haben als die eigenständige Elektrode 60.Optionally, the device 9 ( 8th ) contain a plurality of porous substrates 40, 41 to allow the continuous production of discrete electrodes 60, 61 on porous surfaces. Although only two porous substrates are shown, it should be understood that any number of porous substrates may be included in the device 9 . By way of non-limiting example, when the flow of the mixed aerosolized flow 30 through the porous substrate produces the self-contained electrode 60 of the desired thickness, the valve 33 can be adjusted to direct the flow of the mixed aerosolized flow 30 to a second porous substrate 41 . The stand-alone electrode 60 can be removed from the first porous substrate 40 while the stand-alone electrode 61 is being formed on the porous substrate 41 . When the flow of the mixed aerosolized flow 30 through the second porous substrate 41 produces the discrete electrode 61 of a desired thickness, the valve 33 can be adjusted to direct the flow of the mixed aerosolized flow 30 back to the first porous substrate 40 . The thickness and/or cross-sectional area of discrete electrode 61 may be the same as or different than the cross-sectional area of discrete electrode 60. For example, discrete electrode 61 may have a greater thickness and/or cross-sectional area than discrete electrode 60.

Es versteht sich, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren angewendet werden können, um das Ventil 33 automatisch umzuschalten, um den Fluss der gemischten aerosolisierten Strömung 30 von einem porösen Substrat zum anderen umzulenken. Illustrative Beispiele von Systemen, die zum Einstellen des Ventils 33 genutzt werden können, um den Fluss der gemischten aerosolisierten Strömung 30 umzulenken, enthalten einen oder mehrere Sensoren zum Detektieren der Dicke der eigenständigen Elektroden 60 und 61, einen oder mehrere Drucksensoren zum Überwachen eines Druckabfalls über den porösen Substraten 40 und 41, der einer gewünschten Dicke der eigenständigen Elektroden 60 und 61 entspricht, einen Timer, der das Ventil 33 nach einer gesetzten Zeit umschaltet, die einer gewünschten Dicke der eigenständigen Elektroden 60 und 61 für eine gegebene Strömungsrate der gemischten aerosolisierten Strömung 30 entspricht, und beliebige Kombinationen davon; nachdem der eine oder die mehreren Drucksensoren einen Druckabfall gemessen hat, der der gewünschten Dicke der eigenständigen Elektrode 60 oder 61 auf dem porösen Substrat 40 oder 41 zugeordnet ist, oder nachdem der eine oder die mehreren Dicken-Sensoren die gewünschte Dicke der eigenständigen Elektrode 60 oder 61 auf dem porösen Substrat 40 oder 41 detektiert hat, oder nachdem der Timer die gesetzte Zeit gemessen hat, die der gewünschten Dicke der eigenständigen Elektrode 60 oder 61 auf dem porösen Substrat 40 oder 41 entspricht, wird das Gemisch von einem porösen Substrat zum anderen umgelenkt. Es versteht sich, dass das Einführen eines Elektrolyts 70 zusammen mit der Bildung der eigenständigen Elektrode auf der porösen Oberfläche oder danach dosiert werden kann. Es versteht sich auch, dass die porösen Substrate 40 und/oder 41 eine Querschnittsfläche haben können, die zu der gewünschten Querschnittsfläche passt, die zur Verwendung in der Batteriezelle erforderlich ist, die mit der eigenständigen Elektrode 60 und/oder 61 hergestellt werden soll. Dementsprechend wird in die flexiblen eigenständigen Elektroden 60 und/oder 61 keine weitere Bearbeitung der Querschnittsfläche benötigt, wie etwa Schneiden, vor der Montage in der letztendlichen Batteriezelle. In einigen Ausführungen können die flexiblen eigenständigen Elektroden geschnitten, behandelt oder weiter montiert werden, zum Beispiel können nach der Produktion Batteriezungen angebracht werden oder kann Elektrolyt eingeführt werden.It should be understood that a variety of different methods can be used to automatically switch the valve 33 to divert the flow of the mixed aerosolized flow 30 from one porous substrate to another. Illustrative examples of systems that can be used to adjust valve 33 to redirect the flow of mixed aerosolized flow 30 include one or more sensors for detecting the thickness of discrete electrodes 60 and 61, one or more pressure sensors for monitoring a pressure drop across porous substrates 40 and 41 corresponding to a desired thickness of discrete electrodes 60 and 61, a timer that switches valve 33 after a set time corresponding to a desired thickness of discrete electrodes 60 and 61 for a given flow rate of the mixed aerosolized flow 30, and any combination thereof; after the one or more pressure sensors have measured a pressure drop associated with the desired thickness of the discrete electrode 60 or 61 on the porous substrate 40 or 41, or after the one or more thickness sensors have measured the desired thickness of the discrete electrode 60 or 61 on the porous substrate 40 or 41 has been detected, or after the timer has measured the set time corresponding to the desired thickness of the self-contained electrode 60 or 61 on the porous substrate 40 or 41, the mixture is diverted from one porous substrate to the other . It will be appreciated that the introduction of an electrolyte 70 may be metered in conjunction with the formation of the discrete electrode on the porous surface or thereafter. It is also understood that the porous substrates 40 and/or 41 can have a cross-sectional area matching the desired cross-sectional area required for use in the battery cell to be fabricated with the discrete electrode 60 and/or 61 . Accordingly, in the flexible discrete electrodes 60 and/or 61, no further cross-sectional area processing, such as cutting, is required prior to assembly into the final battery cell. In some implementations, the flexible, self-contained electrodes can be cut, treated, or further assembled, for example, battery tabs can be attached after production or electrolyte can be introduced.

Wie in einem nicht einschränkenden Beispiel in 9 gezeigt, kann der Elektrolyt 70 vor, während oder nach der Bildung der eigenständigen Elektrode 60 auf dem porösen Substrat 40 mit dem den Sammelbereich 170 verlassenden Gasstrom 50 bereitgestellt werden. In einigen Ausführungen wird das Gemisch von dem porösen Substrat 40 entfernt, um die flexible eigenständige Elektrode zu bilden. Es sollte sich verstehen, dass in den hierin offenbarten verschiedenen Ausführungen und nicht einschränkenden Beispielen das Einführen eines Elektrolyts in jedem beliebigen Schritt optional ist, und eine Separatormembran innerhalb der flexiblen Batteriepouchzellen verwendet werden kann. In einigen Ausführungen kann ein Elektrolyt zu den flexiblen Batteriepouchzellen nach der Produktion der flexiblen eigenständigen Elektroden hinzugefügt werden.As in a non-limiting example in 9 As shown, the electrolyte 70 may be provided with the gas stream 50 exiting the collection region 170 before, during, or after the formation of the discrete electrode 60 on the porous substrate 40 . In some implementations, the mixture is removed from the porous substrate 40 to form the flexible self-contained electrode. It should be understood that in the various implementations and non-limiting examples disclosed herein, the introduction of an electrolyte at any step is optional, and a separator membrane may be used within the flexible battery pouch cells. In some implementations, an electrolyte can be added to the flexible battery pouch cells after production of the flexible self-contained electrodes.

Als Alternative für die oben angegebene spezifische Vorrichtung, in der das Elektrodenaktivmaterial mit den Nanoröhrchen vermischt wird, nachdem die Nanoröhrchen eingeführt worden sind, kann das Elektrodenaktivmaterial auch in situ in einem Fließbettreaktor oder einer Kammer mit den Nanoröhrchen vermischt werden, wenn die Nanoröhrchen gebildet oder eingeführt werden.As an alternative to the specific device given above, in which the electrode-active material is mixed with the nanotubes after the nanotubes have been introduced, the electrode-active material can also be mixed with the nanotubes in situ in a fluidized bed reactor or chamber when the nanotubes are formed or introduced will.

Träger oder fluidisierende oder aerosolisierende Gase, die zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, enthalten, sind aber nicht beschränkt auf, Argon, Wasserstoff, Stickstoff und Kombinationen davon. Trägergase können mit einem beliebigen geeigneten Druck und mit einer beliebigen geeigneten Strömungsrate dazu verwendet werden, die Nanoröhrchen und die Elektrodenaktivmaterialien zu aerosolisieren und das aerosolisierte Gemisch der Nanoröhrchen und der Elektrodenaktivmaterialien zu dem porösen Substrat mit einer ausreichenden Geschwindigkeit zu transportieren, um auf deren Oberfläche die eigenständige Elektrode zu bilden. Gemäß einigen Aspekten kann Elektrolyt in einem Trägergas fluidisiert oder aerosolisiert werden und mit Karbonnanoröhrchen oder Elektrodenaktivmaterialien kombiniert werden. In einigen Ausführungen kann das Trägergas Argon, Wasserstoff, Helium oder Gemische davon sein.Carriers or fluidizing or aerosolizing gases suitable for use in the present disclosure include, but are not limited to, argon, hydrogen, nitrogen, and combinations thereof. Carrier gases can be used at any suitable pressure and at any suitable flow rate to transport the nanotubes and the electrode active materials aerosolize and transport the aerosolized mixture of nanotubes and electrode-active materials to the porous substrate at a rate sufficient to form the self-contained electrode on the surface thereof. In some aspects, electrolyte can be fluidized or aerosolized in a carrier gas and combined with carbon nanotubes or electrode active materials. In some implementations, the carrier gas may be argon, hydrogen, helium, or mixtures thereof.

Der Typ der in der vorliegenden Offenbarung verwendeten Karbonnanoröhrchen unterliegt keiner Beschränkung und kann einwandig sein (zum Beispiel einwandige (Karbon-) Nanoröhrchen (SWNT) oder mehrwandig). Die Nanoröhrchen können vollständig Kohlenstoff sein oder sie können substituiert sein, d.h. Nicht-Karbon-Gitteratome aufweisen. Karbonnanoröhrchen können extern derivatisiert werden, so dass sie an einer Seite und/oder einer Endposition eine oder mehrere funktionelle Komponenten enthalten. In einigen Aspekten enthalten Karbon- und anorganische Nanoröhrchen zusätzliche Komponenten wie etwa Metalle oder Metalloide, eingebaut in die Struktur des Nanoröhrchens. In bestimmten Aspekten sind die zusätzlichen Komponenten ein Dotierungsstoff, eine Oberflächenbeschichtung oder sind eine Kombination davon.The type of carbon nanotubes used in the present disclosure is not limited and may be single-wall (e.g., single-wall (carbon) nanotubes (SWNT) or multi-wall). The nanotubes can be all-carbon or they can be substituted, i.e., have non-carbon framework atoms. Carbon nanotubes can be externally derivatized to contain one or more functional moieties on one face and/or end position. In some aspects, carbon and inorganic nanotubes contain additional components, such as metals or metalloids, incorporated into the structure of the nanotube. In certain aspects, the additional components are a dopant, a surface coating, or are a combination thereof.

Karbonnanoröhrchen können, in Abhängigkeit von ihrer Chiralität, metallisch, semimetallisch oder halbleitend sein. Die Chiralität von Karbonnanoröhrchen wird durch den Doppelindex (m, n) angegeben, wobei n und m ganze Zahlen sind, die den Schnitt und die Umhüllung von hexagonalem Graphit beschreiben, wenn es zu einer rohrförmigen Struktur geformt wird, wie dies in der Technik gut bekannt ist. Ein Nanoröhrchen einer (m, n)-Konfiguration ist isolierend. Ein Nanoröhrchen einer (n, n)- oder „Sessel“-Konfiguration ist metallisch, und ist daher für seine elektrische und thermische Leitfähigkeit hochwertig. Karbonnanoröhrchen können Durchmesser im Bereich von etwa 0,6nm für einwandige Karbonnanoröhrchen bis zu 500nm oder größer für einwandige oder mehrwandige Nanoröhrchen haben. Die Länge der Nanoröhrchen kann von etwa 50nm bis etwa 10cm oder größer reichen.Depending on their chirality, carbon nanotubes can be metallic, semimetallic or semiconducting. The chirality of carbon nanotubes is indicated by the double index (m,n), where n and m are integers describing the cut and cladding of hexagonal graphite when formed into a tubular structure, as is well known in the art is. A nanotube of (m,n) configuration is insulating. A nanotube of an (n,n) or "chair" configuration is metallic, and is therefore valuable for its electrical and thermal conductivity. Carbon nanotubes can range in diameter from about 0.6 nm for single-wall carbon nanotubes to 500 nm or larger for single-wall or multi-wall nanotubes. The length of the nanotubes can range from about 50nm to about 10cm or more.

Das Sammeln des Gemischs von einwandigen Karbonnanoröhrchen und aerosolisiertem Elektrodenaktivmaterialpulver auf einer Oberfläche und das Entfernen des Trägergases können durch beliebige geeignete Mittel ausgeführt werden. Die Sammeloberfläche des porösen Substrats 40, 41 (8) kann eine poröse Oberfläche sein, einschließlich aber nicht beschränkt auf einen Filter oder Fritte, wo die Poren geeignet bemessen sind, um das Gemisch von Karbonnanoröhrchen und des Elektrodenaktivmaterials (und Elektrolyt, falls hinzugefügt), darauf rückzuhalten, um die flexible eigenständige Elektrode zu bilden, während der Durchtritt der Träger- und Fluidisierungsgase erlaubt wird. Die Träger- und Fluidisierungsgase können nach dem Durchtritt durch die Oberfläche und über einen Auslass abgeführt werden. In einigen Ausführungen kann das Abführen des Trägergases durch eine Vakuumquelle erleichtert werden. In Bezug auf Filter können die Filter in der Form eines Blatts vorliegen und können eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien beinhalten, wie etwa gewobene und nicht gewobene Tücher. Illustrative Filtermaterialien enthalten, sind aber nicht beschränkt auf, Baumwolle, Polyolefine, Nylons, Acryle, Polyester, Glasfaser und Polytetrafluorethylen (PTFE). Insoweit das poröse Substrat auf hohe Temperaturen empfindlich ist, kann einer oder können mehrere der Gasströme mit Verdünnungsgasen geringer Temperatur vorgekühlt werden und/oder es kann oder können ein oder mehrere Strömungen durch einen Wärmeaustauscher hindurchgeleitet werden bevor sie das poröse Substrat kontaktieren.Collecting the mixture of single-walled carbon nanotubes and aerosolized electrode active material powder on a surface and removing the carrier gas can be accomplished by any suitable means. The collecting surface of the porous substrate 40, 41 ( 8th ) can be a porous surface, including but not limited to a filter or frit, where the pores are appropriately sized to retain the mixture of carbon nanotubes and the electrode active material (and electrolyte, if added) thereon to form the flexible self-contained electrode , while allowing the passage of the carrier and fluidizing gases. After passing through the surface, the carrier and fluidizing gases can be discharged via an outlet. In some implementations, the removal of the carrier gas may be facilitated by a vacuum source. With respect to filters, the filters may be in the form of a sheet and may include a variety of different materials such as woven and non-woven fabrics. Illustrative filter materials include, but are not limited to, cotton, polyolefins, nylons, acrylics, polyesters, fiberglass, and polytetrafluoroethylene (PTFE). Insofar as the porous substrate is sensitive to high temperatures, one or more of the gas streams can be pre-cooled with low temperature diluent gases and/or one or more streams can be passed through a heat exchanger before contacting the porous substrate.

Die Beladung oder Gewichts-% von Karbonnanoröhrchen in der flexiblen eigenständigen Elektrode basiert auf den relativen Mengen der Nanoröhrchen (oder der zur Bildung der Nanoröhrchen verwendeten Kohlenstoffquelle), dem Elektrodenaktivmaterial und optional dem Elektrolyt. Es liegt innerhalb der Fähigkeiten normaler Fachkundiger, die relativen Ausgangsmengen von Kohlenstoffquelle, Katalysators/Katalysatorvorläufers, optional Elektrolyten und Elektrodenaktivmaterial zu bestimmen, die eine gegebene Beladung oder Gewichts-% von Karbonnanoröhrchen in der flexiblen eigenständigen Elektrode ergeben. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die flexible eigenständige Elektrode von etwa 0,1 Gewichts-% bis 4 Gewichts-% Karbonnanoröhrchen enthalten, und der Rest das Elektrodenaktivmaterial und optional einen Elektrolyt. Optional kann die flexible eigenständige Elektrode von etwa 0,2 Gewichts-% bis 3 Gewichts-% Karbonnanoröhrchen oder etwa 0,75 Gewichts-% bis 2 Gewichts-% enthalten. Die flexible eigenständige Elektrode kann frei von etwaigen Bindemitteln sein. Das Fehlen eines Bindemittels resultiert in einer eigenständigen Elektrode mit verbesserter Flexibilität. Ferner hat sich herausgestellt, dass ein höherer Karbonnanoröhrchengehalt die Flexibilität der eigenständigen Elektrode erhöht. Ohne an irgendeine bestimmte Theorie gebunden zu sein, liegt dies wahrscheinlich an der Länge und dem Aspektverhältnis der Karbonnanoröhrchen und der vernetzten Morphologie der eigenständigen Elektrode einschließlich einer vernetzten Anordnung von Karbonnanoröhrchen und miteinander verbundener Räume in dem Elektrodenaktivmaterial, das in dem Netz enthalten oder darin eingebettet ist.The loading or weight % of carbon nanotubes in the flexible self-contained electrode is based on the relative amounts of the nanotubes (or carbon source used to form the nanotubes), the electrode active material, and optionally the electrolyte. It is within the ability of one of ordinary skill in the art to determine the starting relative amounts of carbon source, catalyst/catalyst precursor, optional electrolyte, and electrode active material that yield a given loading or weight percent of carbon nanotubes in the flexible self-contained electrode. As a non-limiting example, the flexible self-contained electrode may include from about 0.1% to 4% by weight carbon nanotubes, and the remainder the electrode active material and optionally an electrolyte. Optionally, the flexible self-contained electrode may include from about 0.2% to 3% by weight carbon nanotubes, or about 0.75% to 2% by weight. The flexible self-contained electrode may be free of any binders. The lack of a binder results in a self-contained electrode with improved flexibility. Furthermore, it has been found that a higher carbon nanotube content increases the flexibility of the stand-alone electrode. Without being bound by any particular theory, this is likely due to the length and aspect ratio of the carbon nanotubes and the networked morphology of the discrete electrode including a networked array of carbon nanotubes and interconnected spaces in the electrode active material contained or embedded in the network .

In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die flexible eigenständige Elektrode eine Dichte von 0,9 bis 1,75 g/ml haben. Optional kann die eigenständige Elektrode eine Dichte von 0,95 bis 1,25 g/ml haben. Optional kann die eigenständige Elektrode eine Dichte von 0,75 bis 2,0 g/ml haben. Optional kann die eigenständige Elektrode eine Dichte von 0,95 bis 1,60 g/ml haben. Wenn die flexible eigenständige Elektrode Elektrolyt enthält, kann sich in einigen Ausführungen die Dichte ändern.As a non-limiting example, the flexible, self-contained electrode can have a density of 0.9 to 1.75 g/mL. Optionally, the standalone electrode can have a density of 0.95 to 1.25 g/mL. Optionally, the standalone electrode can have a density of 0.75 to 2.0 g/mL. Optionally, the standalone electrode can have a density of 0.95 to 1.60 g/mL. In some designs, if the flexible self-contained electrode contains electrolyte, the density may change.

In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die flexible eigenständige Elektrode eine Dicke von bis zu 750 µm nach dem Sammeln auf dem porösen Substrat haben. Optional kann die eigenständige Elektrode eine Dicke von 50 µm bis 500 µm nach dem Sammeln auf dem porösen Substrat haben. Optional kann die eigenständige Elektrode eine Dicke von 100 µm bis 450 µm nach dem Sammeln auf dem porösen Substrat haben. Optional kann die eigenständige Elektrode eine Dicke von 175 µm bis 250 µm nach dem Sammeln auf dem porösen Substrat haben.As a non-limiting example, the flexible self-contained electrode can have a thickness of up to 750 μm after being collected on the porous substrate. Optionally, the self-contained electrode can have a thickness of 50 µm to 500 µm after collecting on the porous substrate. Optionally, the self-contained electrode can have a thickness of 100 µm to 450 µm after collection on the porous substrate. Optionally, the self-contained electrode can have a thickness of 175 µm to 250 µm after collection on the porous substrate.

In einigen Ausführungen kann das Verfahren der vorliegenden Offenbarung ferner beinhalten, die Komposit- oder flexible eigenständige Elektrode zu behandeln, einschließlich aber nicht beschränkt auf Pressen der Komposit- oder flexiblen eigenständigen Elektrode. Ohne auf irgendeine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, kann das Pressen die Dichte erhöhen und/oder die Dicke der eigenständigen Elektrode verringern, was Eigenschaften verbessern kann, wie etwa die Leistungsfähigkeit, Energiedichte und Batterielebensdauer. Das Pressen der eigenständigen Elektroden kann durch Anlegen einer Kraft ausgeführt werden, um eine gewünschte Dicke und/oder Dichte zu erzielen, wie etwa mittels einer Walzpresse oder einer Kalendriermaschine, Plattenpresse oder anderen geeigneten Mitteln, wie sie normalen Fachkundigen gut bekannt sind. Es kann eine beliebige geeignete Kraft angelegt werden, um eine gewünschte Dicke und/oder Dichte und/oder Impedanz zu erzielen, wie etwa, aber nicht beschränkt auf eine Kraft von etwa 1 Tonne, etwa 2 Tonnen, etwa 3 Tonnen, etwa 4 Tonnen, etwa 5 Tonnen, etwa 6 Tonnen, etwa 7 Tonnen, etwa 8 Tonnen, etwa 9 Tonnen, etwa 10 Tonnen, etwa 15 Tonnen, oder eine beliebige ganze Zahl oder ein Bereich dazwischen, wie etwa zwischen etwa 7 Tonnen und etwa 10 Tonnen. In einigen Ausführungen kann das Pressen beschränkt werden auf das Pressen auf eine Dicke von etwa 20 Mikrometer, etwa 30 Mikrometer, etwa 40 Mikrometer, etwa 50 Mikrometer, etwa 60 Mikrometer, etwa 70 Mikrometer, etwa 80 Mikrometer, etwa 90 Mikrometer, etwa 100 Mikrometer, etwa 150 Mikrometer, etwa 200 Mikrometer, etwa 250 Mikrometer, etwa 300 Mikrometer, etwa 350 Mikrometer, etwa 400 Mikrometer oder eine beliebige ganze Zahl oder ein Bereich dazwischen. Ohne auf irgendeine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, kann eine zu dicke Elektrode die Energieproduktion verlangsamen oder könnte nicht ausreichend flexibel sein. Wenn die Elektrode zu dünn ist, kann die Energieproduktion schnell sein, aber es könnte der Fall sein, dass nicht genug Energie produziert wird. Darüber hinaus kann es wünschenswert sein, den Abstand zwischen dem Rollen oder Walzen einer Walzpresse oder einer Kalendriermaschine, oder zwischen den Platten einer Plattenpresse, durch beliebige geeignete Mittel zu regulieren, wie sie normalen Fachkundigen bekannt sind.In some implementations, the method of the present disclosure may further include treating the composite or flexible discrete electrode, including but not limited to pressing the composite or flexible discrete electrode. Without wishing to be bound by any particular theory, pressing can increase the density and/or decrease the thickness of the discrete electrode, which can improve properties such as performance, energy density, and battery life. Pressing of the discrete electrodes can be accomplished by applying force to achieve a desired thickness and/or density, such as by means of a roller press or calendering machine, platen press, or other suitable means well known to those of ordinary skill in the art. Any suitable force may be applied to achieve a desired thickness and/or density and/or impedance, such as but not limited to a force of about 1 ton, about 2 tons, about 3 tons, about 4 tons, about 5 tons, about 6 tons, about 7 tons, about 8 tons, about 9 tons, about 10 tons, about 15 tons, or any integer or range in between, such as between about 7 tons and about 10 tons. In some implementations, pressing may be limited to pressing to a thickness of about 20 microns, about 30 microns, about 40 microns, about 50 microns, about 60 microns, about 70 microns, about 80 microns, about 90 microns, about 100 microns , about 150 microns, about 200 microns, about 250 microns, about 300 microns, about 350 microns, about 400 microns, or any integer or range in between. Without wishing to be bound by any particular theory, an electrode that is too thick may slow energy production or may not be sufficiently flexible. If the electrode is too thin, the energy production can be fast, but it could be the case that not enough energy is produced. In addition, it may be desirable to regulate the spacing between the rollers of a roller press or calendering machine, or between the plates of a platen press, by any suitable means known to those of ordinary skill in the art.

Die Bestimmung eines geeigneten Pressbetrags liegt innerhalb des Könnens eines normalen Fachkundigen. Wie es für normale Fachkundige bekannt ist, kann zu starkes Pressen zur Folge haben, dass der Elektrolyt zu weit in die Elektrode eindringt, bestimmt durch Messen der Impedanz und/oder des Widerstands auf Diffusion. Wie es für normale Fachkundige ersichtlich ist, kann es von Interesse sein, den Elektrolytdiffusionswiderstand oder -koeffizient für einen gegebenen Elektrolyt zu minimieren, gemessen durch Impedanz. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die Dicke der eigenständigen Elektrode nach dem Pressen von etwa 40% bis 75% der Dicke der unbehandelten eigenständigen Elektrode betragen, oder der eigenständigen Elektrode nach dem Sammeln auf dem porösen Substrat. Optional kann die Dicke der eigenständigen Elektrode nach dem Pressen von 45% bis 60% der Dicke der unbehandelten eigenständigen Elektrode betragen, oder der eigenständigen Elektrode nach dem Sammeln auf dem porösen Substrat.Determination of an appropriate amount of pressing is within the skill of one of ordinary skill in the art. As is well known to those of ordinary skill in the art, over-squeezing can result in the electrolyte penetrating too far into the electrode, as determined by measuring impedance and/or resistance to diffusion. As will be appreciated by those of ordinary skill in the art, it may be of interest to minimize the electrolyte diffusion resistance or coefficient for a given electrolyte as measured by impedance. As a non-limiting example, the thickness of the discrete electrode after pressing can be from about 40% to 75% of the thickness of the untreated discrete electrode, or the discrete electrode after collection on the porous substrate. Optionally, the thickness of the discrete electrode after pressing can be from 45% to 60% of the thickness of the untreated discrete electrode, or the discrete electrode after collection on the porous substrate.

In einem nicht einschränkenden Beispiel wird die Dichte der eigenständigen Elektrode nach dem Pressen um 40% bis 125% der Dichte der unbehandelten eigenständigen Elektrode erhöht, oder der eigenständigen Elektrode nach dem Sammeln auf dem porösen Substrat. Optional wird die Dichte der eigenständigen Elektrode nach dem Pressen um 45% bis 90% der Dichte der unbehandelten eigenständigen Elektrode erhöht, oder der eigenständigen Elektrode nach dem Sammeln auf dem porösen Substrat.As a non-limiting example, the density of the discrete electrode after pressing is increased by 40% to 125% of the density of the untreated discrete electrode, or the discrete electrode collected on the porous substrate. Optionally, the density of the discrete electrode after pressing is increased by 45% to 90% of the density of the untreated discrete electrode, or the discrete electrode after collection on the porous substrate.

Gemäß einigen Aspekten enthält jede flexible eigenständige Elektrode: eine Vielzahl von Karbonnanoröhrchen, die in einer vernetzten Morphologie mit miteinander verbundenen Räumen zwischen den Karbonnanoröhrchen angeordnet sind, wobei die miteinander verbundenen Räume ein Elektrodenaktivmaterial und einen Elektrolyten enthalten.In some aspects, each flexible, self-contained electrode includes: a plurality of carbon nanotubes arranged in a networked morphology with interconnected spaces between the carbon nanotubes, the interconnected spaces containing an electrode active material and an electrolyte.

In 11 ist das flexible eigenständige Elektrodenmaterial vor der Behandlung gezeigt. 12 zeigt das flexible eigenständige Elektrodenmaterial nach 7 Tonnen Pressung. Eine Seitenansicht des gepressten flexiblen eigenständigen Elektrodenmaterials, in 13 gezeigt, zeigt eine Dicke von etwa 60 Mikrometer und ist die Flexibilität durch eine angehobene Ecke der eigenständigen Elektrode dargestellt. 14 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Maßstab von 1 Mikrometer zeigt, wobei die Aktivmaterialpartikel mit einer vernetzten Karbonnanoröhrchen-Morphologie gezeigt sind.In 11 the flexible self-contained electrode material is shown before treatment. 12 shows the flexible stand-alone electrode material after 7 tons of pressing. A side view of the pressed flexible self-contained electrode material, in 13 shown has a thickness of about 60 microns and flexibility is illustrated by a raised corner of the discrete electrode. 14 Figure 12 is an enlarged view showing a scale of 1 micron showing the active material particles having a crosslinked carbon nanotube morphology.

In einigen Ausführungen enthält das Aerosolisieren (oder Fluidisieren/Dispergieren) des Elektrodenaktivmaterials, ein aerosolisiertes Gas durch eine erste poröse Fritte und ein Bett eines Elektrodenaktivmaterials in einer Aerosolisierungskammer zu verteilen, um das aerosolisierte Elektrodenaktivmaterialpulver zu produzieren. Die Aerosolisierungskammer kann mit einem geeignet bemessenen porösen Material aufgebaut sein, so dass Gas hindurchtreten kann, um das Aerosolisieren zu ermöglichen, aber nicht gestattet, dass das Aktivmaterial durch die Poren hindurchfällt. Die Aerosolisierungskammer ist nicht auf irgendeine bestimmte Konfiguration beschränkt. Beispiele geeigneter Aerosolisierungsgase enthalten, sind aber nicht beschränkt auf Argon, Helium oder Stickstoff. In einigen Ausführungen kann das Aerosolisierungsgas das gleiche wie das Trägergas sein.In some implementations, aerosolizing (or fluidizing/dispersing) the electrode active material includes dispersing an aerosolized gas through a first porous frit and a bed of electrode active material in an aerosolization chamber to produce the aerosolized electrode active material powder. The aerosolization chamber may be constructed with a suitably sized porous material so that gas can pass through to enable aerosolization but does not allow the active material to fall through the pores. The aerosolization chamber is not limited to any particular configuration. Examples of suitable aerosolization gases include, but are not limited to, argon, helium, or nitrogen. In some implementations, the aerosolization gas can be the same as the carrier gas.

Der hierin benutzte Begriff „Elektrodenaktivmaterial“ bezieht sich auf das leitfähige Material in einer Elektrode. Der Begriff „Elektrode“ bezieht sich auf einen elektrischen Leiter, wo Ionen und Elektronen mit einem Elektrolyten und einer äußeren Schaltung ausgetauscht werden. „Positive Elektrode“ und „Kathode“ werden in der vorliegenden Beschreibung synonym benutzt und beziehen sich auf die Elektrode mit dem höheren Elektrodenpotential in einer elektrochemischen Zelle (d.h. höher als die negative Elektrode). „Negative Elektrode“ und „Anode“ werden in der folgenden Beschreibung synonym benutzt und beziehen sich auf die Elektrode mit dem niedrigeren Elektrodenpotential in einer elektrochemischen Zelle (d.h. niedriger als die positive Elektrode). Kathodische Reduktion bezieht sich auf einen Ertrag von Elektron(en) einer chemischen Spezies, und anodische Oxidation bezieht sich auf den Verlust von Elektron(en) einer chemischen Spezies.As used herein, the term "electrode active material" refers to the conductive material in an electrode. The term "electrode" refers to an electrical conductor where ions and electrons are exchanged with an electrolyte and an external circuit. "Positive electrode" and "cathode" are used interchangeably in this specification and refer to the electrode with the higher electrode potential in an electrochemical cell (i.e. higher than the negative electrode). "Negative electrode" and "anode" are used interchangeably in the following description and refer to the electrode with the lower electrode potential in an electrochemical cell (i.e. lower than the positive electrode). Cathodic reduction refers to a gain of electron(s) from a chemical species and anodic oxidation refers to the loss of electron(s) from a chemical species.

In einigen Ausführungen wird das Elektrodenaktivmaterial ausgewählt aus Graphit, hartem Kohlenstoff, Metalloxiden, Lithiummetalloxiden und Lithiumeisenphosphat. In einigen Ausführungen kann das Elektrodenaktivmaterial für die Anode Graphit oder harter Kohlenstoff sein. In einigen Ausführungen kann das Elektrodenaktivmaterial für die Kathode Lithiummetalloxide oder Lithiumeisenphosphat sein.In some implementations, the electrode active material is selected from graphite, hard carbon, metal oxides, lithium metal oxides, and lithium iron phosphate. In some implementations, the electrode active material for the anode can be graphite or hard carbon. In some implementations, the electrode-active material for the cathode can be lithium metal oxides or lithium iron phosphate.

In einem nicht einschränkenden Beispiel kann das Elektrodenaktivmaterial ein beliebiges festes Metalloxidpulver sein, das aerosolisierbar ist. In einem illustrativen Beispiel ist das Metalloxid ein Material zur Verwendung in der Kathode der Batterie. Nicht einschränkende Beispiele von Metalloxiden beinhalten Metalloxide von Ni, Mn, Co, Al, Mg, Ti und beliebige Gemische davon. Das Metalloxid kann lithiiert sein. In einem illustrativen Beispiel ist das Metalloxid Lithiumnickelmangankobaltoxid, Li(Ni,Mn,Co)O₂, Li-Ni-Mn-Co-O, (LiNiMnCoO₂) oder (LiNi_xMn_yCo_zO₂, x+y+z=1). Die Metalloxidpulver können eine Partikelgröße haben, die innerhalb eines Bereichs zwischen etwa 1 nm und etwa 100 µm definiert ist. In einem nicht einschränkenden Beispiel haben die Metalloxidpartikel eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 1 nm bis etwa 10 nm.As a non-limiting example, the electrode active material can be any solid metal oxide powder that is aerosolizable. In an illustrative example, the metal oxide is a material for use in the cathode of the battery. Non-limiting examples of metal oxides include metal oxides of Ni, Mn, Co, Al, Mg, Ti, and any mixtures thereof. The metal oxide can be lithiated. In an illustrative example, the metal oxide is lithium nickel manganese cobalt oxide, Li(Ni,Mn,Co)O ₂ , Li-Ni-Mn-Co-O, (LiNiMnCoO ₂ ) or (LiNi _x Mn _y Co _z O ₂ , x+y+z =1). The metal oxide powders can have a particle size defined within a range between about 1 nm and about 100 μm. In a non-limiting example, the metal oxide particles have an average particle size from about 1 nm to about 10 nm.

Gemäß einigen Aspekten kann ein Festelektrolyt mit hoher Ionenleitfähigkeit entweder durch zum Beispiel Beschichten (Ablagern) (oder Eintauchen im Falle von Gel oder Flüssigkeit, wie in 7 gezeigt) auf der Oberfläche der eigenständigen Elektroden eingeführt werden, optional gefolgt durch Zusammenpressen von zwei Elektroden. Optional kann jede eigenständige Elektrode vor der Kombination mit einer anderen eigenständigen Elektrode komprimiert werden. Die hierin benutzten verschiedenen Beschreibungen der Einführung eines Elektrolyts sind nicht einschränkend, da ein Elektrolyt zu einer beliebigen Stufe oder durch beliebige Mittel eingeführt werden kann, um die eigenständige Elektrode, die flexible Batteriepouchzelle, die streckbare und flexible Batterie oder Komponenten davon bereitzustellen. Gegenwärtig gibt es unterschiedliche Typen von Li-Ionen-Festelektrolyten, zum Beispiel NASICON, Garnet, Perovskit, LISICON, LiPON, Li₃N, Sulfid, Argyrodit oder Anti-Perovskit. In einigen Ausführungen kann der Festelektrolyt eine anpassungsfähige, flexible Form mit hoher Ionenleitfähigkeit haben. Zu diesem Zweck sind polymerbasierte dünne (vergleichbar mit einer Dicke einer Separatormembran, etwa 10 Mikrometer) Elektrolyte denkbar. Gemäß einigen Aspekten können polymerbasierte dünne Elektrolyte, die in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, optional etwa 2 bis 200 Mikrometer dick sein, etwa 5 bis 40 Mikrometer dick, etwa 10 bis 30 Mikrometer dick, etwa 15 bis 25 Mikrometer dick oder etwa 20 Mikrometer dick. In einigen Ausführungen wird ein flüssiger Elektrolyt verwendet, und kann eine Separatormembran, die nicht die Rolle eines Elektrolyten übernimmt, etwa 5 bis 40 Mikrometer dick, etwa 10 bis 30 Mikrometer dick, etwa 15 bis 25 Mikrometer dick oder etwa 20 Mikrometer dick sein.In some aspects, a high ionic conductivity solid electrolyte may be formed either by, for example, coating (depositing) (or immersion in the case of gel or liquid, as in 7 shown) on the surface of the discrete electrodes, optionally followed by pressing two electrodes together. Optionally, each standalone electrode can be compressed before combining with another standalone electrode. The various descriptions of introducing an electrolyte used herein are not limiting, as an electrolyte may be introduced at any stage or by any means to provide the self-contained electrode, flexible battery pouch cell, stretchable and flexible battery, or components thereof. There are currently different types of Li-ion solid electrolytes, for example NASICON, Garnet, Perovskite, LISICON, LiPON, Li ₃ N, sulfide, argyrodite or anti-perovskite. In some implementations, the solid electrolyte can have a conformable, flexible shape with high ionic conductivity. For this purpose, polymer-based thin (comparable to the thickness of a separator membrane, about 10 micrometers) electrolytes are conceivable. In some aspects, polymer-based thin electrolytes used in the present disclosure can optionally be about 2 to 200 microns thick, about 5 to 40 microns thick, about 10 to 30 microns thick, about 15 to 25 microns thick, or about 20 microns thick . In some implementations, a liquid electrolyte is used, and a non-electrolyte separator membrane may be about 5 to 40 microns thick, about 10 to 30 microns thick, about 15 to 25 microns thick, or about 20 microns thick.

Es sollte sich verstehen, dass die hierin benutzten flexiblen Batteriepouchzellen (Batteriezellen oder -einheiten) zwei oder mehr eigenständige Elektroden enthalten können, und es können eine oder mehrere Einheiten kombiniert werden, um eine streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie bereitzustellen (1). Gemäß einigen Aspekten werden hierin Batteriezellen 122 ohne Separatormembrane oder eine polymerbasierte Isolatormembran offenbart, und es kann ein fester (Gel-) Elektrolyt mit hoher Ionenleitfähigkeit, zum Beispiel ein polymerbasierter Gel-Elektrolyt in der Rolle eines Separators verwendet werden, während er gleichzeitig die Rolle eines Elektrolyten übernimmt. Somit kann die Energiedichte der flexiblen Batteriepouchzellen erhöht werden. Gemäß einigen Aspekten haben die Batteriezellen eine hohe Energiedichte und sind frei von Bindemittel, Stromkollektor und Separator. In einigen Ausführungen sind die Batteriezellen in einer 3D-Konfiguration 130 verbunden, wie in 1 gezeigt, was ferner die gesamte Energiedichte der streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterie erhöht. In einigen Ausführungen ist die durchschnittliche Energiedichte von flexiblen Batteriepouchzellen größer als etwa 0,5 MJ/kg, optional größer als etwa 1,0 MJ/kg, optional größer als etwa 1,5 MJ/kg und optional größer als etwa 2,0 MJ/kg.It should be understood that the flexible battery pouch cells (battery cells or units) used herein may contain two or more discrete electrodes, and one or more units may be combined to provide a stretchable and flexible lithium-ion battery ( 1 ). In some aspects, battery cells 122 without separator membranes or a polymer-based insulator membrane are disclosed herein, and a solid (gel) electrolyte with high ionic conductivity, for example a polymer-based gel electrolyte, can be used in the role of a separator while also playing the role of a Electrolytes takes over. Thus, the energy density of the flexible battery pouch cells can be increased. In some aspects, the battery cells have high energy density and are devoid of binder, current collector, and separator. In some implementations, the battery cells are connected in a 3D configuration 130, as shown in FIG 1 shown, which further increases the overall energy density of the stretchable and flexible lithium-ion battery. In some implementations, the average energy density of flexible battery pouch cells is greater than about 0.5 MJ/kg, optionally greater than about 1.0 MJ/kg, optionally greater than about 1.5 MJ/kg, and optionally greater than about 2.0 MJ /kg

Der hierin benutzte Begriff „Stromkollektor“ bezieht sich auf einen metallbasierten Stromkollektor, zum Beispiel Kupfer- oder Aluminium-Stromkollektoren, wie etwa Folien oder Blätter, wie sie in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Der Begriff „frei von Stromkollektor“ bezieht sich auf eine Elektrode oder eigenständige Elektrode ohne metallbasierten Stromkollektor. Der hierin benutzte Begriff „Separator“ oder „Separatormembran“ bezieht sich auf eine permeable Membran, die eine Barriere zwischen der Anode und der Kathode bereitstellt, während der Austausch von Lithium-Ionen von einer Seite zur anderen erlaubt wird, die aber nicht als Elektrolyt fungiert. Zum Beispiel wird hierin ein Polymer, das elektrochemisch inaktiv ist, und das nicht als Elektrolyt fungiert, als „Separatormembran“ bezeichnet. Der hierin benutzte Begriff „frei von Separator“ und „frei von Separatormembran“ bezieht sich auf eine Lithium-Ionen-Batterie, die frei von einem Nicht-Elektrolyt-Separator ist. Gemäß verschiedenen Ausführungen werden hierin streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterien offenbart, die frei von Separatormembran, frei von Stromkollektor und frei von Bindemittel sind.As used herein, the term "current collector" refers to a metal-based current collector, for example, copper or aluminum current collectors such as foils or sheets used in lithium-ion batteries. The term "current collector free" refers to an electrode or standalone electrode without a metal-based current collector. As used herein, the term "separator" or "separator membrane" refers to a permeable membrane that provides a barrier between the anode and cathode while allowing the exchange of lithium ions from side to side, but does not function as an electrolyte . For example, a polymer that is electrochemically inactive and does not function as an electrolyte is referred to herein as a "separator membrane". As used herein, the terms “separator-free” and “separator membrane-free” refer to a lithium-ion battery that is free of a non-electrolyte separator. According to various embodiments, stretchable and flexible lithium-ion batteries that are separator membrane-free, current collector-free, and binder-free are disclosed herein.

Die hierin offenbarten flexiblen Batteriepouchzellen sind flexibel weil, unabhängig, von den flexiblen und eigenständigen Elektroden, der flexiblen Materialverpackung und der flexibel angebrachten Batteriezungen. Die jede Batteriezelle umgebende flexible Materialverpackung kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein und kann, in nicht einschränkenden Beispielen, verdrehbar, tragbar, implantierbar, biokompatibel, wasserfest, wärmeisolierend sein, in der Lage sein, nach Formung zu einer festen Gestalt eine feste Gestalt einzuhalten, die Fähigkeit haben, von einer verformten Gestalt (temporären Gestalt) zu einer ursprünglichen (permanenten) Gestalt zurückzukehren, die zum Beispiel in Antwort auf eine Umgebungsänderung oder angelegte Kraft induziert wird. In einigen Ausführungen kann die flexible Materialverpackung Vorrichtungen haben, die auf sie gedruckt sind, in sie eingebettet sind oder an ihnen angebracht ist, zum Beispiel Umweltsensoren, LEDs, Prozessoren, Anzeigen, Biosensoren und Konnektivitätsverbindungen wie etwa GPS und Wi-Fi, während diese nicht einschränkenden Beispiele abwechselnd in die gesamte streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie oder etwaige Abschnitte davon integriert werden können. Gemäß einigen Aspekten wird die flexible Materialverpackung durch beliebige geeignete Mittel versiegelt, um die flexiblen eigenständigen Elektroden (und Elektrolyt, Elektrodenaktivmaterial, Batteriezungenhalterungen an den Elektroden) darin aufzunehmen. In einigen Ausführungen kann die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie eine Vorrichtung umgeben, kann eine Integrationsplattform für eine Vorrichtung sein, kann von einer Vorrichtung abnehmbar sein, kann innerhalb oder außerhalb einer Vorrichtung sein, mit einer Vorrichtung, die zum Beispiel einen Prozessor, einen Schaltkreis und elektrische Komponenten enthält.The flexible battery pouch cells disclosed herein are flexible because, independent of the flexible and self-contained electrodes, the flexible material packaging, and the flexibly attached battery tabs. The flexible material packaging surrounding each battery cell can be made of any suitable material and can, in non-limiting examples, be twistable, wearable, implantable, biocompatible, waterproof, thermally insulating, be able to hold a fixed shape after being formed into a fixed shape , having the ability to return from a deformed shape (temporary shape) to an original (permanent) shape induced, for example, in response to an environmental change or applied force. In some implementations, the flexible material packaging may have devices printed on, embedded in, or attached to them, for example, environmental sensors, LEDs, processors, displays, biosensors, and connectivity connections such as GPS and Wi-Fi, while these are not limiting examples may alternately be integrated into all or any portion of the stretchable and flexible lithium-ion battery. In some aspects, the flexible material package is sealed by any suitable means to contain the flexible self-contained electrodes (and electrolyte, electrode active material, battery tab mounts on the electrodes) therein. In some implementations, the stretchable and flexible lithium-ion battery can surround a device, can be an integration platform for a device, can be detachable from a device, can be inside or outside of a device, with a device that includes, for example, a processor, contains a circuit and electrical components.

Die leitfähigen Batteriezungen können durch beliebige Mittel an den flexiblen eigenständigen Elektroden angebracht oder darin eingebettet werden. In einigen Ausführungen kann die Batteriezunge ein verschiedenes Material an oder nahe dem Befestigungsbereich an der flexiblen eigenständigen Elektrode und ein verschiedenes Material außerhalb der flexiblen Batteriepouchzelle enthalten oder sich von der flexiblen eigenständigen Elektrode weg erstrecken. Gemäß einigen Aspekten können flexible Batteriezungenhalterungen an den leitfähigen Batteriezungen angebracht werden.The conductive battery tabs may be attached to or embedded within the flexible self-contained electrodes by any means. In some implementations, the battery tab may include a different material at or near the attachment area to the flexible discrete electrode and a different material outside of the flexible battery pouch cell or extending away from the flexible discrete electrode. In some aspects, flexible battery tab mounts can be attached to the conductive battery tabs.

Wie in 3 gezeigt, kann jede flexible Batteriepouchzelle mehrere flexible Batteriezungen oder flexible Batteriezungenhalterungen, zur Verbindung mit anderen flexiblen Batteriepouchzellen aufweisen. Die Konfiguration in 3 ist nicht einschränkend, da die flexiblen Batteriezungenhalterungen oder flexiblen Batteriezungen und streckbaren Materialien in einigen Ausführungen sich vertikal oder abwärts von der flexiblen Batteriepouchzelle in 3D-Konfigurationen der streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterie erstrecken können.As in 3 As shown, each flexible battery pouch cell may have multiple flexible battery tabs, or flexible battery tab mounts, for connection to other flexible battery pouch cells. The configuration in 3 is not limiting as the flexible battery tab mounts or flexible battery tabs and stretchable materials in some implementations can extend vertically or downward from the flexible battery pouch cell in 3D stretchable and flexible lithium-ion battery configurations.

Gemäß einigen Aspekten ist die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie ferner haltbar gemacht, weil mehr als eine flexible Batteriezelle durch eine streckbare Komponente miteinander überbrückt werden, wie etwa eine Polymerfolie, Gummi, Harz, Silikonbänder, Metallfedern oder beliebige andere geeignete Überbrückungskomponenten. In Abhängigkeit von verschiedenen Anwendungen können die Batteriezellen durch serielle, parallele oder andere elektrische Kombinationen verbunden werden. Die Batteriezellen können als Einheiten beschrieben werden. Gemäß einigen Aspekten können die Einheiten in einer 2D-Konfiguration 120 überbrückt werden (1). Gemäß einigen Aspekten können die Einheiten in einer dritten Dimension (3D-Konfiguration 130, 1) oder einer gestapelten Konfiguration überbrückt werden, um die Energiespeicher-/dichte der flexiblen Lithium-Ionen-Batterie weiter zu erhöhen.In some aspects, the stretchable and flexible lithium-ion battery is further made durable because more than one flexible battery cell is bridged together by a stretchable component, such as a polymer film, rubber, resin, silicone straps, metal springs, or any other suitable bridging component. Depending on different applications, the battery cells can be connected by series, parallel or other electrical combinations. The battery cells can be described as units. In some aspects, the units can be bridged in a 2D configuration 120 ( 1 ). In some aspects, the entities may be in a third dimension (3D configuration 130, 1 ) or a stacked configuration to further increase the energy storage/density of the flexible lithium-ion battery.

In einem nicht einschränkenden Beispiel, wie in 1 gezeigt, sind flexible Batteriepouchzellen (Einheiten) durch streckbare und flexible Materialien miteinander überbrückt, die leitfähige, streckbare, komprimierbare und flexible Batteriezungen bilden, um eine streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie (Batterie) zu bilden. Gemäß einigen Aspekten können die Einheiten in einer angenähert beliebigen letztendlichen Form oder Konfiguration von der Batterie überbrückt werden. Es sollte sich verstehen, dass der hierin benutzte Begriff „überbrückt“ und „überbrückend“ sich auf eine Verbindung zwischen Einheiten bezieht und ein beliebiges streckbares und flexibles Material enthält, wobei die in den 1 und 2 gezeigten Batteriezungen in dem streckbaren und flexiblen Material enthalten sind. Die in den 1 und 2 gezeigten Batteriezungen können an einem beliebigen Teil der eigenständigen Elektroden abgebracht oder darin eingebettet sein. Es sollte sich verstehen, dass die Batteriezungen keine Stromkollektoren sind, wie sie hierin benutzt werden. Um die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie zu bilden, können die Batteriezellen aus einem beliebigen geeigneten Material sein, das leitfähig, flexibel und streckbar ist und sich von einer Batteriezelle zu einer anderen in verschiedenen Abständen erstrecken können.In a non-limiting example, as in 1 As shown, flexible battery pouch cells (units) are bridged together by stretchable and flexible materials that form conductive, stretchable, compressible, and flexible battery tabs to form a stretchable and flexible lithium-ion battery (battery). In some aspects, the units may be battery bypassed in almost any ultimate form or configuration. It should be understood that the terms "bridged" and "bridging" as used herein refer to a connection between units and includes any stretchable and flexible material, wherein the in the 1 and 2 battery tabs shown are contained within the stretchable and flexible material. The in the 1 and 2 Battery tabs shown may be attached to or embedded in any portion of the discrete electrodes. It should be understood that the battery tabs are not current collectors as used herein. To form the stretchable and flexible lithium-ion battery, the battery cells can be any suitable material that is conductive, flexible, and stretchable, and can extend from one battery cell to another at varying distances.

Gemäß einigen Aspekten können die in 1 gezeigten Einheiten eine beliebige Größe oder Form haben, und die jede Einheit enthaltende flexible Materialverpackung kann aus einem beliebigen geeigneten Material sein, um die flexiblen eigenständigen Elektroden aufzunehmen, während erlaubt wird, dass sich die Batteriezungen oder die flexiblen Batteriezungenhalterungen davon weg erstrecken. Die flexiblen eigenständigen Elektroden können ein oder mehrere Male gefaltet werden, bevor sie innerhalb der flexiblen Materialverpackung platziert werden. In einigen Ausführungen wird die flexible Materialverpackung mittels Wärme, Klebstoff, Laminat und verschiedenen Behandlungen versiegelt, um die flexible Batteriepouchzelle zu bilden. Die Überbrückung zwischen oder unter den Einheiten kann mit einem beliebigen geeigneten streckbaren (komprimierbaren) und flexiblen Material erreicht werden, wobei die leitfähigen Batteriezungen aus einem beliebigen geeigneten Material sein können, um die Einheiten seriell, parallel oder in Kombinationen zu verbinden, die für verschiedene Anwendungen, Spannungen oder Konfigurationen geeignet sind.According to some aspects, the in 1 The units shown can be of any size or shape and the flexible packaging of material containing each unit can be of any suitable material to accommodate the flexible self-contained electrodes while allowing the battery tabs or flexible battery tab supports to extend therefrom. The flexible, self-contained electrodes can be folded one or more times before being placed within the flexible material package. In some implementations, the flexible material packaging is sealed using heat, adhesive, laminate, and various treatments to form the flexible battery pouch cell. The bridging between or among the units can be achieved with any suitable stretchable (compressible) and flexible material, the conductive battery tabs can be of any suitable material to connect the units in series, in parallel or in combinations suitable for different applications , voltages or configurations are suitable.

2 zeigt ein nicht einschränkendes Beispiel einer flexiblen Batteriepouchzelle mit abstehenden streckbaren und flexiblen Batteriezungen. Die Batteriezungen können an den Elektroden gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung entweder an Vorsprüngen angebracht werden, die sich von dem Hauptkörper der jeweiligen Elektrode erstrecken und mit der anderen Elektrode nicht überlappen; oder an dem Hauptkörper der jeweiligen Elektrode an Ausschnitten der Separatormembran und der Gegenelektrode. Gemäß einigen Aspekten sind Batteriezungen in die Elektroden eingebettet. Geeignete Batteriezungen-Materialien und Verfahren zum Anbringen beinhalten jene, die normalen fachkundigen Personen bekannt sind. In einigen Ausführungen können die leitfähigen Batteriezungen für die Anode Kupfer oder Blei enthalten. In einigen Ausführungen können die leitfähigen Batteriezungen für die Kathode Aluminium oder Blei enthalten. Gemäß einigen Aspekten können die Batteriezungen ein Metall an oder nahe der Halterung zur Elektrode enthalten und ein anderes Material, das sich von der Elektrode weg erstreckt, zum Beispiel ein streckbares und flexibles Material als streckbare und flexible Batteriezungenhalterung. Wie hierin benutzt, sind nicht einschränkende Beispiele von „Federmetall“, Federstahl, in Federn verwendeten Stähle, niedrig legiertes Mangan, Mittelkohlenstoff-Stahl oder Hochkohlenstoff-Stahl mit sehr hoher Streckgrenze, das ermöglicht, dass die abstehenden Bereiche der Batteriezungen, trotz signifikanten Verbiegen oder Verdrehen, zu ihrer ursprünglichen Gestalt wieder zurückkehren. Das Federmetall kann auch komprimiert werden. In den 1 bis 2 sind optional Verbinder gezeigt, wo zum Beispiel Federmetalle an den flexiblen Batteriepouchzellen in Bereichen angebracht werden können, die die flexible Materialverpackung durchqueren, wobei sie sich von den flexiblen eigenständigen Elektroden weg erstrecken, die innerhalb der flexiblen Materialverpackung enthalten sind. Gemäß einigen Aspekten bildet ein streckbares, haltbares und flexibles Material eine streckbare Polymermatrix um das leitfähige Federmetall herum. In einigen Ausführungen können die leitfähigen Batteriezungen ein flexibles Material umgeben. 2 FIG. 12 shows a non-limiting example of a flexible battery pouch cell with protruding stretchable and flexible battery tabs. The battery tabs may be attached to the electrodes in accordance with aspects of the present disclosure either at protrusions that extend from the main body of the respective electrode and do not overlap with the other electrode; or on the main body of each electrode at cutouts of the separator membrane and the counter electrode. In some aspects, battery tabs are embedded in the electrodes. Suitable battery tab materials and methods of attachment include those known to those of ordinary skill in the art. In some implementations, the conductive battery tabs for the anode may include copper or lead. In some implementations, the conductive battery tabs for the cathode may include aluminum or lead. In some aspects, the battery tabs may include a metal at or near the attachment to the electrode and another material extending away from the electrode, for example a stretchable and flexible material as a stretchable and flexible battery tab attachment. As used herein, non-limiting examples of "spring metal" are spring steel, steels used in springs, low alloy manganese, medium carbon steel, or high carbon steel with a very high yield strength that allows the protruding portions of the battery tabs to remain resilient despite significant bending or twisting, returning to their original shape. The spring metal can also be compressed. In the 1 until 2 Optional connectors are shown where, for example, spring metals may be attached to the flexible battery pouch cells in areas traversing the flexible material packaging, extending away from the flexible self-contained electrodes contained within the flexible material packaging. In some aspects, a stretchable, durable, and flexible material forms a stretchable polymeric matrix around the conductive spring metal. In some implementations, the conductive battery tabs may surround a flexible material.

Gemäß einigen Aspekten, wie in der nicht einschränkenden Darstellung in 15 gezeigt, können die hierin offenbarte streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie und die flexiblen Batteriepouchzellen zum Beispiel Sensoren, Elektronik, Prozessoren, Antennen und verschiedene andere Komponenten enthalten. Gemäß einigen Aspekten kann die Oberfläche der flexiblen Materialverpackung als Substrat genutzt werden, um elektronische Vorrichtung anzubringen, aufzudrucken und/oder einzubetten. Nicht einschränkende Beispiele geeigneter elektronischer Vorrichtungen enthalten verschiedene Typen von Sensoren, Mikroprozessoren, drahtlose Kommunikationsvorrichtungen/-sendevorrichtungen (zum Beispiel Wi-Fi), Schaltplatinen und andere Elektronik (zum Beispiel Beschleunigungsmesser, Gyroskop). Beispiele geeigneter Sensoren enthalten jene zum Detektieren von Herzfrequenz, Atemfrequenz, Blutdruck, Blutsauerstoffsättigung, Körpertemperatur, Muskelaktivität, Verletzungsereignisse, Elektroenzephalografie (EEG), epileptische Anfälle, Elektroenzephalogram (ECG), elektromyografische Daten (EMG) und elektrodermale Aktivität (EDA). Zusätzliche Beispiele geeigneter Sensoren enthalten jene zum Überwachen der Konzentrationen von Verunreinigungen und Bewegung von Objekten. In einer Ausführung haben die mit flexiblen Batterien integrierten tragbaren Vorrichtungen einen weiteren Bereich von Anwendungen, einschließlich der Überwachung von Umweltverschmutzung, Raumerkundung, Heimatschutz, Biologie, Implantate und Medizin. Eine der bevorzugten Anwendungen tragbarer Sensoren/Vorrichtungen ist Echtzeitüberwachung menschlicher physiologischer Parameter.In some aspects, as set forth in the non-limiting disclosure in 15 For example, as shown, the stretchable and flexible lithium-ion battery and flexible battery pouch cells disclosed herein may include sensors, electronics, processors, antennas, and various other components. In some aspects, the surface of the flexible material packaging can be used as a substrate to attach, print, and/or embed electronic devices. Non-limiting examples of suitable electronic devices include various types of sensors, microprocessors, wireless communication devices/transmitting devices (e.g., Wi-Fi), circuit boards, and other electronics (e.g., accelerometer, gyroscope). Examples of suitable sensors include those for detecting heart rate, respiratory rate, blood pressure, blood oxygen saturation, body temperature, muscle activity, injury events, electroencephalography (EEG), epileptic seizures, electroencephalogram (ECG), electromyographic data (EMG), and electrodermal activity (EDA). Additional examples of suitable sensors include those for monitoring contaminant concentrations and movement of objects. In one embodiment, portable devices integrated with flexible batteries have a broader range of applications including pollution control, space exploration, homeland security, biology, implants and medicine. One of the preferred applications of wearable sensors/devices is real-time monitoring of human physiological parameters.

Eine nicht einschränkende Darstellung einer flexiblen Batterie in der Form eines Uhrarmbands gemäß verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Offenbarung ist in 16 gezeigt. Wie in 17 gezeigt, kann die flexible Batterie flexible Batteriezungen (16 oben) enthalten, die sich von den flexiblen Batteriepouchzellen erstrecken, und die flexible Batterie in diesem nicht einschränkenden Beispiel enthält in 17 unten eine Schnalle.A non-limiting illustration of a flexible battery in the form of a watch band according to various embodiments of the present disclosure is in FIG 16 shown. As in 17 shown, the flexible battery can have flexible battery tabs ( 16 above) extending from the flexible battery pouch cells, and the flexible battery in this non-limiting example includes in 17 a buckle at the bottom.

Um Ausführungen der vorliegenden Offenbarung weiter zu veranschaulichen, zeigt 18 eine flexible Bandbatterie, die mit einer Smartwatch verbunden ist, wobei sie die Uhr mit Strom versorgt, während Herzschlagdaten zu einem Smartphone gesendet werden. Die hohe Energiedichte der flexiblen Batterie ist in 23A dargestellt, worin eine Endladerate von 0,2C nach 40 Zyklen eine geringe Varianz hat. Die hohe Energiedichte kann von dem Ausschluss elektrochemisch inaktiver Komponenten von der flexiblen Batterie herrühren, zum Beispiel Stromkollektor, Bindemittel und Separator. Gemäß einigen Aspekten enthalten die hierin offenbarten flexiblen Batterien keinen Stromkollektor, kein Bindemittel oder keinen elektrochemisch inaktiven Separator. In einigen Ausführungen fungiert der hierin offenbarte Elektrolyt als elektrochemisch aktiver Separator, was die hohe Energiedichte der flexiblen Lithium-Ionen-Batterie weiter verbessert.To further illustrate embodiments of the present disclosure, FIG 18 a flexible strap battery that connects to a smartwatch, powering the watch while sending heartbeat data to a smartphone. The high energy density of the flexible battery is in 23A where a discharge rate of 0.2C after 40 cycles has little variance. The high energy density can result from the exclusion of electrochemically inactive components from the flexible battery, for example current collector, binder and separator. In some aspects, the flexible batteries disclosed herein do not include a current collector, binder, or electrochemically inactive separator. In some implementations, the electrolyte disclosed herein functions as an electrochemically active separator, further enhancing the high energy density of the flexible lithium-ion battery.

Gemäß einigen Aspekten wird hierin eine streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie offenbart, welche aufweist: eine Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen, wobei jede der Mehrzahl von flexiblen Pouchzellen eine flexible Materialverpackung aufweist, die zwei oder mehr flexible eigenständige Elektroden enthält, wobei jede der zwei oder mehr flexiblen eigenständigen Elektroden eine leitfähige Batteriezunge enthält, und die leitfähige Batteriezunge einer ersten flexiblen Batteriepouchzelle der Mehrzahl von flexiblen Batteriepouchzellen mit der leitfähigen Batteriezunge einer zweiten flexiblen Batteriepouchzelle der Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen elektrisch verbunden ist. In einigen Ausführungen können die leitfähigen Batteriezungen streckbar und flexibel sein. Gemäß einigen Aspekten kann eine jeweilige streckbare und flexible Batteriezungenhalterung an jeder der leitfähigen Batteriezungen angebracht sein, wobei die streckbaren und flexiblen Batteriezungenhalterungen sich durch die flexible Materialverpackung und aus der flexiblen Materialverpackung hinaus erstrecken, um die erste flexible Batteriepouchzelle mit der zweiten flexiblen Batteriepouchzelle zu verbinden. Die flexiblen Batteriezungenhalterungen können als nicht einschränkende Beispiele ein Federmetall, ein Metallgitter oder -gaze, eine Metallfolie (perforiert oder nicht perforiert), ein leitfähiges Polymer, ein leitfähiges Tuch, einen leitfähigen Faden, Karbonnanoröhrchen, ein Karbonnanoröhrchengarn, oder Kombinationen davon aufweisen. In einigen Ausführungen kann eine streckbare Polymermatrix, zum Beispiel ein flexibles Polymer, einen flexiblen Gummi, eine oder mehr Federn, ein streckbares Tuch, Elastomer, oder Kombinationen davon aufweisen, die erste flexible Batteriepouchzelle mit der zweiten flexiblen Batteriepouchzelle und mit anderen flexiblen Batteriepouchzellen verbinden. Die streckbare Polymermatrix kann zum Beispiel die streckbaren und flexiblen Batteriezungenhalterungen überdecken. In einigen Ausführungen ist die erste flexible Batteriepouchzelle mit zumindest einer dritten flexiblen Batteriepouchzelle der Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen separat verbunden. In einigen Ausführungen können ferner Verbinder die flexiblen Materialverpackungen mit den leitfähigen Batteriezungen verbinden. Gemäß einigen Aspekten ist die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie frei von einer Separatormembran, frei von einem Stromkollektor, frei von Bindemittel oder frei von sowohl einem Stromkollektor als auch einem Bindemittel, oder frei von einer Separatormembran, einem Stromkollektor und einem Bindemittel, während sie eine hohe Energiedichte hat.According to some aspects, a stretchable and flexible lithium-ion battery is disclosed herein, comprising: a plurality of flexible battery pouch cells, each of the plurality of flexible pouch cells having a flexible material packaging containing two or more flexible discrete electrodes, each of the two or includes a conductive battery tab of more flexible discrete electrodes, and the conductive battery tab of a first flexible battery pouch cell of the plurality of flexible battery pouch cells is electrically connected to the conductive battery tab of a second flexible battery pouch cell of the plurality of flexible battery pouch cells. In some implementations, the conductive battery tabs can be stretchable and flexible. In some aspects, a respective stretchable and flexible battery tab retainer may be attached to each of the conductive battery tabs, the stretchable and flexible battery tab retainers extending through the flexible material packaging and out of the flexible material packaging to connect the first flexible battery pouch cell to the second flexible battery pouch cell. The flexible battery tab supports may include, as non-limiting examples, spring metal, metal mesh or scrim, metal foil (perforated or non-perforated), conductive polymer, conductive cloth, conductive filament, carbon nanotubes, carbon nanotube yarn, or combinations thereof. In some implementations, a stretchable polymer matrix, such as a flexible polymer, flexible rubber, one or more springs, stretchable cloth, elastomer, or combinations thereof, connects the first flexible battery pouch cell to the second flexible battery pouch cell and to other flexible battery pouch cells. For example, the stretchable polymer matrix can overlay the stretchable and flexible battery tab supports. In some implementations, the first flexible battery pouch cell is separately connected to at least a third flexible battery pouch cell of the plurality of flexible battery pouch cells. In some implementations, connectors can also connect the flexible material packages to the conductive battery tabs. In some aspects, the stretchable and flexible lithium-ion battery is free of a separator membrane, free of a current collector, free of binder, or free of both a current collector and a binder, or free of a separator membrane, a current collector and a binder, while it has a high energy density.

Es sollte sich verstehen, dass die hierin offenbarte externe flexible Materialverpackung keiner Beschränkung unterliegt und flexibles Polymer, Folie, Gummi, Tuch, biokompatibles Material, organisches Material, Material mit Komponenten und Prozessoren, die in der flexiblen Materialverpackung eingebettet und darauf aufgedruckt sind, und Kombinationen davon aufweisen kann. In einigen Ausführungen kann die flexible Materialverpackung eine flexible Batteriepouchzelle bilden, wobei jede flexible Batteriepouchzelle zwei oder mehr flexible eigenständige Elektroden aufweist, welche aufweisen: Karbonnanoröhrchen; Elektrodenaktivmaterial; Elektrolyt und eine angebrachte Batteriezunge. Der Elektrolyt kann darin NASICON, Garnet, Perovskit, LISICON, LiPON, Li₃N, Sulfid, Argyrodit oder Anti-Perovskit aufweisen.It should be understood that the external flexible material packaging disclosed herein is not limited and flexible polymer, film, rubber, cloth, biocompatible material, organic material, material with components and processors embedded in the flexible material packaging and printed thereon, and combinations can have of it. In some implementations, the flexible material packaging can form a flexible battery pouch cell, each flexible battery pouch cell having two or more flexible discrete electrodes that include: carbon nanotubes; electrode active material; Electrolyte and an attached battery tab. The electrolyte may have NASICON, garnet, perovskite, LISICON, LiPON, Li ₃ N, sulfide, argyrodite, or anti-perovskite therein.

Gemäß einigen Aspekten wird hierin ein Verfahren zur Herstellung einer streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterie offenbart, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen, wobei jede der Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen eine flexible Materialverpackung aufweist, die zwei oder mehr flexible eigenständige Elektroden enthält; wobei jede der zwei oder mehr flexiblen eigenständigen Elektroden eine leitfähige Batteriezunge enthält, wobei jede leitfähige Batteriezunge ein streckbares und flexibles Material aufweist; und elektrisches Verbinden der leitfähigen Batteriezunge einer ersten flexiblen Batteriepouchzelle der Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen mit der leitfähigen Batteriezunge einer zweiten flexiblen Batteriepouchzelle der Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen. Das Verfahren kann zum Beispiel ferner aufweisen, eine jeweilige streckbare und flexible Batteriezungenhalterung an jeder der leitfähigen Batteriezungen anzubringen, wobei sich jede streckbare und flexible Batteriezungenhalterung durch die flexible Materialverpackung und aus der flexiblen Materialverpackung einer flexiblen Batteriepouchzelle hinaus erstreckt; und elektrisches Verbinden der streckbaren und flexiblen Batteriezungenhalterung zwischen der ersten flexiblen Batteriepouchzelle und der zweiten flexiblen Batteriepouchzelle. Gemäß einigen Aspekten kann das Verfahren zum Beispiel ferner aufweisen, einen festen oder Gel-Elektrolyten zu der flexiblen eigenständigen Elektrode hinzuzufügen. Der Elektrolyt kann in einer beliebigen Stufe hinzugefügt werden, zum Beispiel nach der Produktion einer flexiblen Batteriepouchzelle. Das Verfahren kann ferner aufweisen, die flexible Materialverpackung mit den leitfähigen Batteriezungen (oder mit den Batteriezungenhalterungen) durch Verbinder zu verbinden. Das Verfahren kann ferner aufweisen, die erste flexible Batteriepouchzelle mit der zweiten flexiblen Batteriepouchzelle mit einer streckbaren und flexiblen Polymermatrix zu verbinden.In some aspects, there is disclosed herein a method of manufacturing a stretchable and flexible lithium-ion battery, the method comprising: providing a plurality of flexible battery pouch cells, each of the plurality of flexible battery pouch cells having a flexible material packaging containing two or more flexible discrete electrodes ; wherein each of the two or more flexible discrete electrodes includes a conductive battery tab, each conductive battery tab comprising a stretchable and flexible material; and electrically connecting the conductive battery tab of a first flexible battery pouch cell of the plurality of flexible battery pouch cells to the conductive battery tab of a second flexible battery pouch cell of the plurality of flexible battery pouch cells. For example, the method may further include attaching a respective stretchable and flexible battery tab retainer to each of the conductive battery tabs, each stretchable and flexible battery tab retainer extending through the flexible material packaging and out of the flexible material packaging of a flexible battery pouch cell; and electrically connecting the stretchable and flexible battery tab mount between the first flexible battery pouch cell and the second flexible battery pouch cell. For example, in some aspects, the method may further include adding a solid or gel electrolyte to the flexible self-contained electrode. The electrolyte can be added at any stage, for example after the production of a flexible battery pouch cell. The method may further include connecting the flexible material packaging to the conductive battery tabs (or to the battery tab holders) with connectors. The method may further include bonding the first flexible battery pouch cell to the second flexible battery pouch cell with a stretchable and flexible polymer matrix.

Gemäß einigen Aspekten wird hierin ein Verfahren zur Verwendung einer streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterie offenbart, wobei das Verfahren aufweist: Anbringen der streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterie an einer elektronischen Vorrichtung; wobei die Form der streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterie und die Halterung an einer elektronischen Vorrichtung ergonomisch und tragbar ist; und die streckbaren und flexiblen Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batterie für Tragekomfort der streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterie sorgen.In some aspects, disclosed herein is a method of using a stretchable and flexible lithium-ion battery, the method comprising: attaching the stretchable and flexible lithium-ion battery to an electronic device; wherein the shape of the stretchable and flexible lithium-ion battery and mounting on an electronic device is ergonomic and portable; and the stretchable and flexible properties of the lithium-ion battery provide comfort for the stretchable and flexible lithium-ion battery.

Während die hierin beschriebenen Aspekte in Verbindung mit den oben umrissenen beispielhaften Aspekten beschrieben worden sind, können normalen Fachkundigen verschiedene Alternativen, Modifikationen, Varianten, Verbesserungen und/oder substantielle Äquivalente, ob sie bekannt sind oder gegenwärtig unvorhersehbar sein können, ersichtlich werden. Dementsprechend sollen die beispielhaften Aspekte, wie sie oben aufgeführt sind, illustrativ und nicht einschränkend sein. Es können verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne von der Idee und dem Umfang der Offenbarung abzuweichen. Daher soll die Offenbarung alle bekannten oder später entwickelten Alternativen, Modifikationen, Varianten, Verbesserungen und/oder substantielle Äquivalente umfassen.While the aspects described herein have been described in connection with the exemplary aspects outlined above, various alternatives, modifications, variants, improvements and/or substantial equivalents, whether known or presently unforeseeable, may become apparent to those of ordinary skill in the art. Accordingly, the exemplary aspects set forth above are intended to be illustrative and not limiting. Various changes can be made without departing from the spirit and scope of the disclosure. Therefore, the disclosure is intended to cover all known or later developed alternatives, modifications, variances, improvements and/or substantial equivalents.

Somit sollen die Ansprüche die hierin aufgezeigten Aspekte nicht beschränken, sondern dem vollen Umfang entsprechen, der mit der Sprache der Ansprüche konsistent ist, wobei Bezug auf ein Element im Singular nicht „ein und nur ein“ bedeuten soll, solange nicht spezifisch gesagt, sondern stattdessen „ein oder mehr“. Alle strukturellen und funktionellen Äquivalente zu den Elementen der verschiedenen Aspekte, die in dieser gesamten Offenbarung beschrieben sind, und die bekannt sind oder normalen Fachkundigen später bekannt werden, sind ausdrücklich hierin durch Bezugnahme aufgenommen und sollen durch die Ansprüche umfasst werden. Kein beanspruchtes Element soll als Mittel plus Funktion ausgelegt werden, solange nicht das Element nicht ausdrücklich mittels des Ausdrucks „Mittel zu“ genannt ist.Thus, the claims are not intended to be limited to the aspects set forth herein, but to be accorded the full scope consistent with the language of the claims, and reference to an element in the singular is not intended to mean "one and only one" unless specifically stated, but instead "one or more". All structural and functional equivalents to the elements of the various aspects described throughout this disclosure that are known or later become known to those of ordinary skill in the art are expressly incorporated herein by reference and are intended to be encompassed by the claims. No claimed element shall be construed as a means plus function unless the element is expressly recited using the phrase "means to."

Diese detaillierte Beschreibung verwendet Beispiele, um die Offenbarung aufzuzeigen, einschließlich der bevorzugten Aspekte und Varianten, und um auch einen Fachkundigen in die Lage zu versetzen, die offenbarten Aspekte in die Praxis umzusetzen, einschließlich Herstellung und Verwendung beliebiger Vorrichtungen oder Systeme und Durchführen etwaiger enthaltener Verfahren. Der patentfähige Umfang der Offenbarung wird durch die Ansprüche definiert, und kann auch andere Beispiele enthalten, die Fachkundigen ersichtlich werden. Diese anderen Beispiele sollen im Umfang der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente haben, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von der wörtlichen Sprache der Ansprüche enthalten. Aspekte von den beschriebenen verschiedenen Ausführungen, sowie andere bekannte Äquivalente für jeden solchen Aspekt, können von einem normalen Fachkundigen gemischt und angepasst werden, um zusätzliche Ausführungen und Techniken gemäß den Prinzipien dieser Anmeldung zu konstruieren.This detailed description uses examples to show the disclosure, including preferred aspects and variations, and also to enable any person skilled in the art to practice the disclosed aspects, including making and using any devices or systems and performing any incorporated methods . The patentable scope of the disclosure is defined by the claims, and may also include other examples that occur to those skilled in the art. These other examples are intended to be within the scope of the claims if they are structural Have elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they contain equivalent structural elements with insubstantial differences from the literal language of the claims. Aspects from the various implementations described, as well as other known equivalents for each such aspect, may be mixed and matched by one of ordinary skill in the art to construct additional implementations and techniques in accordance with the principles of this application.

Hierin kann die Nennung numerischer Bereiche durch Endpunkte alle Zahlen enthalten, die innerhalb dieses Bereichs subsummiert werden, zum Beispiel enthält zwischen etwa 30 Mikrometer und 400 Mikrometer, 31, 52, 63 und 74 Mikrometer als Endpunkte innerhalb des spezifizierten Bereichs. Somit sind zum Beispiel auch Bereiche 110-400, 250-320, 230-290, etc., auch Bereiche mit Endpunkten, die in den Bereich von 30-400 subsummiert werden, in Abhängigkeit von den verwendeten Ausgangsmaterialien, spezifischen Anwendungen, spezifischen Ausführungen oder Beschränkungen der Ansprüche, falls erforderlich. Die hierin offenbarten Beispiele und Verfahren demonstrieren die genannten Bereiche, die jeden Punkt innerhalb der Bereiche subsummieren, weil offenbart ist, dass verschiedene Produkte aus der Änderung von einem oder mehreren Endpunkten resultieren können. Ferner beschreiben die hierin offenbarten Verfahren und Beispiele verschiedene Aspekte der offenbarten Bereiche und Effekte, wenn die Bereiche einzeln geändert werden oder in Kombination mit anderen genannten Bereichen.Herein, reference to numerical ranges by endpoints may include all numbers subsumed within that range, for example between about 30 microns and 400 microns, includes 31, 52, 63 and 74 microns as endpoints within the specified range. Thus, for example, ranges 110-400, 250-320, 230-290, etc., are also ranges with endpoints subsumed into the 30-400 range, depending on the starting materials used, specific applications, specific designs or Restrictions on Claims, if Required. The examples and methods disclosed herein demonstrate the stated ranges subsuming each point within the ranges because it is disclosed that different products may result from changing one or more endpoints. Furthermore, the methods and examples disclosed herein describe various aspects of the disclosed ranges and effects when the ranges are changed individually or in combination with other stated ranges.

Die hierin benutzten Begriffe „etwa“ und „angenähert“ sind als nahezu definiert, wie dies von normalen Fachkundigen verstanden wird. In einer nicht einschränkenden Ausführung sind die Begriffe „etwa“ und „angenähert“ als innerhalb 10%, bevorzugt innerhalb 5%, noch weiter bevorzugt innerhalb 1 % und am meisten bevorzugt innerhalb 0,5% definiert.As used herein, the terms "about" and "approximately" are defined as approximate as understood by those of ordinary skill in the art. In a non-limiting embodiment, the terms "about" and "approximately" are defined as within 10%, preferably within 5%, even more preferably within 1%, and most preferably within 0.5%.

Ferner bedeutet das hierin benutzte Wort „Beispiel“ „dient als Beispiel, Fall oder Illustration“. Jeder hierin als „Beispiel“ beschriebene Aspekt ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Aspekten auszulegen. Solange nicht anderweitig spezifisch ausgedrückt, bezieht sich der Begriff „einige“ auf ein oder mehr. Kombinationen wie etwa „zumindest eines von A, B oder C“, „zumindest eines von A, B und C“ und „A, B, C oder eine beliebige Kombination davon“ beinhalten eine beliebige Kombination von A, B und/oder C und können Mehrfache von A, Mehrfache von B oder Mehrfache von C enthalten. Insbesondere können Kombinationen wie etwa „zumindest eines von A, B oder C“, „zumindest eines von A, B und C“, und „A, B, C oder eine beliebige Kombination davon“, nur A, nur B, nur C, A und B, A und C, B und C, oder A und B und C sein, wobei jede solche Kombination ein Element oder mehr Elemente von A, B oder C enthalten kann. Nichts von hierin Offenbarten soll der Öffentlichkeit gewidmet sein, unabhängig davon, ob diese Offenbarung ausdrücklich in den Ansprüchen genannt ist.Also, as used herein, the word "example" means "serving as an example, case, or illustration." Each aspect described herein as an "example" is not necessarily to be construed as preferred or advantageous over other aspects. Unless otherwise specifically stated, the term "some" refers to one or more. Combinations such as "at least one of A, B, or C," "at least one of A, B, and C," and "A, B, C, or any combination thereof" include any combination of A, B, and/or C and may contain multiples of A, multiples of B, or multiples of C. In particular, combinations such as "at least one of A, B or C", "at least one of A, B and C", and "A, B, C or any combination thereof", only A, only B, only C, A and B, A and C, B and C, or A and B and C, any such combination may contain one or more elements of A, B or C. Nothing disclosed herein is intended to be dedicated to the public, regardless of whether that disclosure is expressly recited in the claims.

Die Beispiele werden aufgeführt, um normalen Fachkundigen eine vollständige Offenbarung und Beschreibung davon zu bieten, wie die vorliegende Erfindung herzustellen und zu verwenden ist, und sie sollen nicht den Umfang von dem einschränken, was die Erfinder als ihre Erfindung betrachten, noch sollen sie ausdrücken, dass die Offenbarung durch die angegebenen Beispiele irgendwie beschränkt ist. Man hat sich bemüht, die Genauigkeit in Bezug auf die verwendeten Zahlen sicherzustellen (zum Beispiel Mengen, Dimensionen, etc.), aber es sollten experimentelle Fehler und Abweichungen berücksichtigt werden.The examples are presented to provide those of ordinary skill in the art with a complete disclosure and description of how to make and use the present invention, and are not intended to limit the scope of what the inventors consider their invention, nor are they intended to express that the disclosure is somehow limited by the examples provided. Efforts have been made to ensure accuracy with respect to the numbers used (e.g., quantities, dimensions, etc.), but experimental errors and deviations should be accounted for.

BEISPIELEEXAMPLES

BEISPIEL I(a): Herstellung einer eigenständigen KompositelektrodeEXAMPLE I(a): Preparation of a self-contained composite electrode

Die Vorrichtung zum Herstellen der eigenständigen Kompositelektrode enthält einen Reaktor für die Synthese von SWNTs, eine Kammer zum Erzeugen von aerosolisiertem Aktivmaterialpulver, das mit einer Mischkammer zum Mischen mit SWNTs in Fluidverbindung steht, sowie eine Kammer zur gemeinsamen Ablagerung von SWNTs und Aktivmaterialgem isch.The apparatus for making the self-contained composite electrode includes a reactor for synthesizing SWNTs, a chamber for generating aerosolized active material powder in fluid communication with a mixing chamber for mixing with SWNTs, and a chamber for co-depositing SWNTs and active material mixture.

SWNTs ließ man bei Umgebungsdruck über eine Schwimmkatalysator-CVD-Verfahren unter Verwendung von Ferrozen und Ethanol jeweils als Katalysatorkohlenstoffquelle wachsen. Ferrozen (0,4 Gewichts-%) und Thiophen (0,2 Gewichts-%) wurden durch milde Sonikation in Ethanol aufgelöst. Der Quartzrohrreaktor wurde auf die Wachstumstemperatur (1025 °C) mittels eines Rohrofens unter konstanter Argonströmung (860 sccm) und Wasserstoff (300 sccm) erhitzt. Nachdem der Ofen die Wachstumstemperatur erreicht hatte, wurde die Ferrozen/Ethanollösung kontinuierlich in den Reaktor mit einer Rate von 6 mL/h über die Dauer des CNT-Wachstums injiziert. Das Wachstum der SWNTs und ihre Qualität (G/D>70) wurde durch REM, TEM und Raman-Spektroskopie (inVia, Renishaw) und TGA-Analyse (TGA/DSC1, Mettler Toledo) überprüft.SWNTs were grown at ambient pressure via a floating catalyst CVD method using ferrocene and ethanol as catalyst carbon sources, respectively. Ferrozene (0.4% by weight) and thiophene (0.2% by weight) were dissolved in ethanol by mild sonication. The quartz tube reactor was heated to the growth temperature (1025°C) using a tube furnace under constant flow of argon (860 sccm) and hydrogen (300 sccm). After the furnace reached growth temperature, the ferrozene/ethanol solution was continuously injected into the reactor at a rate of 6 mL/h for the duration of the CNT growth. The growth of the SWNTs and their quality (G/D>70) was checked by SEM, TEM and Raman spectroscopy (inVia, Renishaw) and TGA analysis (TGA/DSC1, Mettler Toledo).

Die wie gewachsenen SWNTs können von wenige bis mehr als 15 Gewichts-% Fe-Katalysatorpartikel enthalten, in Abhängigkeit von Synthesebedingungen. Die Optimierung der Bedingungen erlaubt die Produktion von Nanoröhrchen mit weniger als 5 Gewichts-% Fe-Katalysatorpartikel, die durch den mehrschichtigen Kohlenstoff verkapselt sind und die hierdurch mit elektrochemischen Reaktionen nicht stören.The as-grown SWNTs can contain from few to more than 15% by weight Fe catalyst particles, depending on synthesis conditions. The optimization of the conditions allows the production of nanotubes with less than 5% by weight of Fe catalyst particles, which are encapsulated by the multilayer carbon and thus do not interfere with electrochemical reactions.

Die durch diesen Prozess produzierten eigenständigen Kompositblätter enthielten von 0,26 bis 23 Gewichts-% SWNTs, geprüft mit TGA. Das verwendete Aktivkathodenmaterial war Li-Ni₀,₅Mn₀,₃Co₀,₂O₂ (NMC=5:3:2) (MTI Corporation) und Graphitflocken für Anode (Alfa Aesar 7-10 Mikrometer, 99%). REM und Raman-Messungen bestätigten, dass beim Mischen mit SWNTs die Aktivmaterialien intakt blieben. Das Verhältnis zwischen SWNTs und Batterieaktivmaterial (LNMC oder Graphitflocken) wurde durch Veränderung der Trägergas (Ar)-Strömung gesteuert.The discrete composite blades produced by this process contained from 0.26 to 23% by weight SWNTs as tested by TGA. The active cathode material used was Li-Ni 0.5 Mn 0.3 Co _0.2 _O ₂ ₍ NMC= ₅ :3: ₂ ) (MTI Corporation) and graphite flakes for anode (Alfa _Aesar 7-10 microns, 99%). SEM and Raman measurements confirmed that when mixed with SWNTs, the active materials remained intact. The ratio between SWNTs and battery active material (LNMC or graphite flakes) was controlled by changing the carrier gas (Ar) flow.

Die fertigen Elektroden wurden von dem abgelagerten Film auf die gewünschte Dicke mittels eines Walzwerks gepresst, und wurden dann auf die benötigte Größe geschnitten, was in eigenständigen Kompositblättern von LNMC oder Gr, eingebettet in ein SWNT-Netzwerk, resultierte.The finished electrodes were pressed from the deposited film to the desired thickness by a roller mill, and were then cut to the required size, resulting in self-contained composite sheets of LNMC or Gr embedded in a SWNT network.

BEISPIEL I(b): Physische Analyse der eigenständigen KompositelektrodeEXAMPLE I(b): Physical Analysis of the Self-contained Composite Electrode

Rasterelektronen-Mikroskopie (REM)-Bilder von abgelagerten Elektrodenmaterialien, hergestellt gemäß Beispiel I(a), zeigen lose gepackte LNMC (Gr)-Partikel, eingebettet in ein homogenes dreidimensionales vernetztes feines SWCNT-Netzwerk (19A). Das SWNT-Netzwerk schien primär aus entweder einzelnen Nanoröhrchen oder kleinen Bündeln von diesen zu bestehen. Eine moderate Pressung führte zu einer dichteren Packung der Aktivmaterialpartikel, reduzierter Porosität des Materials und erhöhter mechanischer Robustheit des Blatts.Scanning electron microscopy (SEM) images of deposited electrode materials prepared according to Example I(a) show loosely packed LNMC (Gr) particles embedded in a homogeneous three-dimensional crosslinked fine SWCNT network ( 19A) . The SWNT network appeared to consist primarily of either single nanotubes or small bundles of them. A moderate compression led to a denser packing of the active material particles, reduced porosity of the material and increased mechanical robustness of the sheet.

Die 19A, 19B und 19C zeigen ein Beispiel eines flexiblen Kathodenblatts (NMC-Pulver in 0,5 Gewichts-% SWNTs, 68,6 µm dick), während die 19D, 19E und 19F ein Beispiel eines flexiblen Anodenblatts zeigen (Graphitflocken in 11 Gewichts-% SWNTs, 348 µm dick). Die Raman-Spektroskopie-Untersuchungen bestätigten, dass während der Fabrikation des eigenständigen Blatts die SWNTs intakt blieben. Die Kathodenbeladung erreichte 170 mg von NMC pro cm², übersetzt zu einer Flächenkapazitätsdichte von 25 mAh/cm².the 19A , 19B and 19C show an example of a flexible cathode sheet (NMC powder in 0.5 wt% SWNTs, 68.6 µm thick), while the 19D , 19E and 19F show an example of a flexible anode sheet (graphite flakes in 11% by weight SWNTs, 348 µm thick). The Raman spectroscopy studies confirmed that the SWNTs remained intact during the fabrication of the self-contained sheet. The cathode loading reached 170 mg of NMC per cm ² , which translates to an areal capacity density of 25 mAh/cm ² .

BEISPIEL II(a): Messungen elektrischer und mechanischer Eigenschaften der eigenständigen KompositelektrodeEXAMPLE II(a): Measurements of Electrical and Mechanical Properties of the Self-contained Composite Electrode

Pulverwiderstandsmessungen der Elektroden, die gemäß Beispiel I(a) hergestellt wurden, wurden in situ mit einem kundenspezifizierten Stempelsatz ausgeführt, um die Pulver zu komprimieren, während ihr spezifischer Widerstand in einer 4-Punkt-Sondengeometrie gemessen wurde. Die Pulver wurden mit der Sonde unter konstantem Druck mit einem Applent AT528 Mikro-Ohmmeter gemessen. Der Stempelsatz bestand aus einem rostfreien Stahlrohr von entweder 10mm oder 5mm Durchmesser, mit einem isolierenden Keramikeinsatz, der dicht in die Außenwand eingesetzt war. Der spezifische Widerstand wurde mit der Gleichung berechnet: $ρ = \frac{A * R}{L} = \frac{π * {(\frac{b}{2})}^{2} * R}{L} = \frac{π D^{2} R}{4 L}$

wobei A die Fläche ist, R der Widerstand ist, L die Dicke ist und D der Durchmesser des komprimierten Pellets ist. Die Pelletdichte wurde berechnet durch

ρ_{w} = \frac{W e i g h t}{V o l u m e} = \frac{4 W}{π D^{2} L}

wobei W (weight) das Gewicht ist, Volume das Volumen ist, L die Dicke ist und D der Durchmesser des Pellets ist. Typische Spezifischer-Widerstand-gegen-Druck und Pelletdichte-gegen-Druck-Kurven, einem logarithmusartigen Verhalten folgend, sind in den 20A, 20B, 20C gezeigt, wobei das Zeitintervall zwischen sequentiellen Druckdatenpunkten 5 Minuten betrug.Powder resistivity measurements of the electrodes prepared according to Example I(a) were performed in situ using a custom punch set to compress the powders while their resistivity was measured in a 4-point probe geometry. The powders were probed under constant pressure with an Applet AT528 micro-ohmmeter. The punch set consisted of a stainless steel tube of either 10mm or 5mm diameter, with an insulating ceramic insert tightly fitted into the outer wall. The resistivity was calculated using the equation:

ρ = \frac{A * R}{L} = \frac{π * {(\frac{b}{2})}^{2} * R}{L} = \frac{π D^{2} R}{4 L}

where A is the area, R is the resistance, L is the thickness and D is the diameter of the compressed pellet. The pellet density was calculated by

ρ_{w} = \frac{W e i G H t}{V O l and m e} = \frac{4 W}{π D^{2} L}

where W (weight) is the weight, Volume is the volume, L is the thickness, and D is the diameter of the pellet. Typical resistivity versus pressure and pellet density versus pressure curves, following a logarithmic-like behavior, are shown in FIGS 20A , 20B , 20c where the time interval between sequential print data points was 5 minutes.

Der elektrische Widerstand des Elektrodenmaterials wurde mittels eines handelsüblichen Aufbaus gemessen. Die Probe wurde an silberbeschichteten Kupferklemmen angebracht, die als elektrische Kontakte dienten. Zur Konsistenz wurde das gleiche Moment verwendet, wenn Proben in den Klemmen fixiert wurden. Der minimale Abstand zwischen den Klemmen/Kontakten betrug 30mm. Der Widerstand wurde mittels einer 4-Punkt-Sondengeometrie mit einem Applent AT528 Mikro-Ohmmeter gemessen. Eine der Klemmen war stationär, während die zweite mit einer Mikrometer-Schraube bewegt wurde, um hierdurch die Probe zu strecken. Die Änderungen in der Probengeometrie wurden verfolgt und die Blattwiderstand- und Leitfähigkeitsberechnungen berücksichtigt.The electrical resistance of the electrode material was measured using a commercially available setup. The sample was attached to silver plated copper terminals used as electrical contacts served. For consistency, the same moment was used when fixing samples in the clamps. The minimum distance between the clamps/contacts was 30mm. Resistance was measured using a 4-point probe geometry with an Applet AT528 micro-ohmmeter. One of the clamps was stationary while the second was moved with a micrometer screw to stretch the sample. The changes in the sample geometry were tracked and the sheet resistivity and conductivity calculations were taken into account.

Spannungs-Dehnungs-Charakteristiken von Elektrodenmaterialien wurden mittels einer 7600 (ADMET)-Testmaschine mit einem Hub von 1 mm/Sekunde gemessen. Die Proben waren 10mm breit und wurden in die Testmaschine derart eingesetzt, dass der Abstand zwischen den Klemmen 30mm betrug.Stress-strain characteristics of electrode materials were measured using a 7600 (ADMET) testing machine with a stroke of 1 mm/second. The samples were 10mm wide and were set in the testing machine such that the distance between the clamps was 30mm.

BEISPIEL II(b): Elektrische und mechanische Analyse der eigenständigen KompositelektrodeEXAMPLE II(b): Electrical and Mechanical Analysis of the Self-Contained Composite Electrode

Die elektrische Leitfähigkeit von Elektroden ist ein wichtiger Parameter, insbesondere für Kathoden, weil die Leitfähigkeit von NMC (5:3:2)-komprimiertem Pulver als etwa 10^-2 Ω^-1m^-1 gemessen wurde. 20A-20D zeigen die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des NMC- und SWNT-Kompositmaterials von Gewichts-% von SWNTs, gemessen mittels komprimierter Pulverpellets. Auch bei relativ geringen Nanoröhrchenkonzentrationen wurde die Leitfähigkeit des Kompositmaterials etwa 100x höher als die Leitfähigkeit von Pristin-NMC-Pulver, das als Perkolationsschwellenwert betrachtet wurde. Die Abhängigkeit des Elektrische-Leitfähigkeit-Perkolationsschwellenwerts von Nanoröhrchen-Eigenschaften (z.B. Durchmesser, Länge, Bündelgröße und Dispersionshomogenität) ist intensiv untersucht wurden, insbesondere basierend auf Stabmodellen. Obwohl die meisten Modelle das Perkolationsproblem mit einem 2D-Rahmen betrachten, ist anzumerken, dass, außer für die verwendeten Parameter, die Eigenschaft der Interaktion oder Verbundenheit zwischen den Röhrchen den Perkolationsschwellenwert merklich verändern kann. Ohne theoretisch gebunden sein zu wollen, wird die Hypothese aufgestellt, dass das hierin beschriebene Verfahren die Auswertung der intrinsischen Merkmale von Pristin-SWNTs ohne Beeinträchtigung durch etwaige Postsynthese-Behandlungen oder Vorhandensein von restlichen Oberflächenaktivantien erlaubt.The electrical conductivity of electrodes is an important parameter, especially for cathodes, because the conductivity of NMC (5:3:2) compressed powder has been measured to be about 10 ^-2 Ω ^-1 m ^-1 . 20A-20D show the dependence of the electrical conductivity of the NMC and SWNT composite material on weight % of SWNTs measured using compressed powder pellets. Even at relatively low nanotube concentrations, the conductivity of the composite material became about 100x higher than the conductivity of pristin-NMC powder, which was considered the percolation threshold. The dependence of the electrical conductivity percolation threshold on nanotube properties (eg, diameter, length, bundle size, and dispersion homogeneity) has been extensively studied, in particular based on stick models. Although most models consider the percolation problem with a 2D framework, it should be noted that, except for the parameters used, the nature of the interaction or connectivity between the tubes can alter the percolation threshold significantly. Without wishing to be bound by theory, it is hypothesized that the method described herein allows the evaluation of the intrinsic characteristics of pristin SWNTs without interference from any post-synthetic treatments or the presence of residual surface activants.

Während komprimierte Kompositpulverpellets verwendet wurden, wurde der elektrische Leitfähigkeit-Perkolationspunkt geschätzt und wurde die Dispersionshomogenität überprüft. In Batterieanwendungen können eigenständige Kompositblätter allgemein ein unterschiedliches Verhalten aufzeigen, und auch in der Größenordnung höherer Leitfähigkeitswerte. Daher wurde auch die Leitfähigkeit-Abhängigkeit von der Nanoröhrchenkonzentration der eigenständigen Blätter untersucht (20D). Es wurde festgestellt, dass die eigenständigen Kompositblätter eine merklich höhere Leitfähigkeit aufzeigten (20D). Dieser Unterschied wurde, unter anderen Gründen, den Nanoröhrchenanordnungen in dem gepressten Pulver und den Blättern zugerechnet.While using compressed composite powder pellets, the electrical conductivity percolation point was estimated and the dispersion homogeneity was checked. In battery applications, stand alone composite sheets can exhibit different behavior generally, and also on the order of higher conductivity values. Therefore, the dependence of the conductivity on the nanotube concentration of the individual leaves was also investigated ( 20D ). It was found that the discrete composite sheets exhibited noticeably higher conductivity ( 20D ). This difference was attributed to the nanotube assemblies in the pressed powder and the sheets, among other reasons.

Für Batterieanwendungen nimmt man an, dass eine geringe Konzentration von Nanoröhrchen in dem Elektrodenblatt bevorzugt ist, da dies in einer höheren gravimetrischen Energiedichte der Batterie resultiert. Jedoch besitzen eigenständige Elektroden mit geringer Konzentration von Nanoröhrchen (ca. 0,25-0,5 Gewichts-%) typischerweise eine Leitfähigkeit von etwa 10^1-2 Ω^-1m^-1 und sind typischerweise mechanisch weich und neigen zu irreversibler Verformung, während Elektrodenblätter mit hoher Konzentration von Nanoröhrchen (>5 Gewichts-%) mechanisch robust, sehr flexibel sind, und eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben (≥ 10³ Ω^-1m^-1), jedoch sehr stark auf verschiedenen Oberflächen haften und hierdurch schwer zu bearbeiten sind. Basierend auf dem Obenstehendem war es notwendig, die optimale CNT-Konzentration zu bestimmen, die sowohl energetischen als auch mechanischen Anforderungen genügt.For battery applications, it is believed that a low concentration of nanotubes in the electrode sheet is preferred as this results in a higher gravimetric energy density of the battery. However, discrete electrodes with low concentrations of nanotubes (ca. 0.25-0.5% by weight) typically have a conductivity of about 10 ^1-2 Ω ^-1 m ^-1 and are typically mechanically soft and prone to irreversible deformation during Electrode sheets with a high concentration of nanotubes (>5% by weight) are mechanically robust, very flexible, and have high electrical conductivity (≥ 10 ³ Ω ^-1 m ^-1 ), but are very adhesive to various surfaces, making them difficult to process are. Based on the above, it was necessary to determine the optimal CNT concentration that satisfies both energetic and mechanical requirements.

Die Dicke der Blätter ist ein anderer Parameter die Batterieelektroden. In dickeren Elektroden ist der durchschnittliche Diffusionsweg für Li-Ionen allgemein größer als jener für dünnere, was häufig in einer schlechteren dynamischen Leistungsfähigkeit der Batterien mit sehr dicken Elektroden resultiert, und möglicherweise reduzierter Kapazität aufgrund der zu geringen Nutzung der inneren Teile der Elektrode. Darüber hinaus zeigen, während des Biegens flexibler Batterien, dickere Elektroden allgemein eine höhere differenzielle Verformung (Strecken an der äußeren Oberfläche und Kompression an der inneren), was eventuell eine Beschädigung während wiederholten Biegens hervorrufen könnte. Daher sollte eine eigenständige Elektroden-Zusammensetzung optimiert werden, unter Berücksichtigung des maximal möglichen Li-Speicherwerts, akzeptabler elektrischer Leitfähigkeit, leichter Handhabung und robuster mechanischer Eigenschaften, einschließlich Toleranz gegenüber verschiedenen mechanischen Belastungen.The thickness of the sheets is another parameter of the battery electrodes. In thicker electrodes, the average diffusion distance for Li-ions is generally longer than that for thinner ones, often resulting in poorer dynamic performance of batteries with very thick electrodes, and possibly reduced capacity due to underutilization of the inner parts of the electrode. In addition, during flexing of flexible batteries, thicker electrodes generally exhibit higher differential deformation (stretching on the outer surface and compression on the inner), which could eventually cause damage during repeated flexing. Therefore, a standalone electrode composition should be optimized considering the maximum possible Li storage value, acceptable electrical conductivity, easy handling, and robust mechanical properties including tolerance to various mechanical stresses.

Basierend auf dem Obenstehendem wurden die mechanischen Eigenschaften von Kompositblättern mit unterschiedlichen Konzentrationen von SWNTs und Dichten sowie die Toleranz ihres Blattwiderstands auf verschiedene mechanische Kräfte untersucht, wie hierin beschrieben. Die 21A und 21B zeigen Beispiele von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen eigenständiger Kathodenblätter mit unterschiedlichen Nanoröhrchenkonzentrationen, Dichten und Dicken, wie hierin beschrieben. 21B zeigt eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für Kathodenmaterialblätter mit 0,9 Gewichts-% SWNT, spezifisch die Hysterese nach dem ersten Dehnungszyklus 191 und dem 25. Dehnungszyklus 192, wie in den Beispielen beschrieben.Based on the above, the mechanical properties of composite blades with different concentrations of SWNTs and densities and the tolerance of their blade drag were evaluated tested for various mechanical forces as described herein. the 21A and 21B show examples of stress-strain curves of stand-alone cathode sheets with different nanotube concentrations, densities and thicknesses as described herein. 21B Figure 12 shows a stress-strain curve for cathode material sheets with 0.9 wt% SWNT, specifically the hysteresis after the first strain cycle 191 and the 25th strain cycle 192 as described in the examples.

Im Vergleich zu Aluminium- und Kupferfolien, die in handelsüblichen Batterien als Stromkollektor verwendet werden, tolerierten die untersuchten Elektrodenblätter weniger Spannung, tolerierten aber eine doppelt so hohe Dehnung, wie nachfolgend in Tabelle 1 und auch in 21C gezeigt. 21C zeigt eine Spannungs-Dehnungs-Kurve 193 für Cu-Folie und eine Spannungs-Dehnungs-Kurve 94 für AI-Folien, eine Spannungs-Dehnungs-Kurve 195 eigenständiger Blätter mit 1,8 Gewichts-% SWNT, 0,9g/cm³, und eine Spannungs-Dehnungs-Kurve 196 für eigenständige Blätter mit 3,6% Gewichts-% SWCNT, 0,74 g/cm³, wie im Beispiel für tragbare Batterieelektroden beschrieben. Dehnungstoleranz ist wichtig, weil während des Biegens der Batterie die inneren Komponenten Streckung/Kompression unterliegen. Tabelle 1: Messwerte vom Young's Modul für eigenständiges Komposit und eigenständige Reinkohlenstoffnanoröhrchen Blätter/Buckypaper Eigenständiges Blatt Dichte (g/cm ³ ) Young's Modul (MPa) Zugfestigkeit (MPa) Dehnung bei Bruch (%) Dichte (g/cm ³ ) LiNMC + 0,9 Gewichts-% SWNTs 1,33 28,0 0,4 5,2 1,33 LiNMC +3,6 Gewichts-% SWNTs 0,74 72,7 1,3 6,5 0,74 Graphit +10,0 Gewichts-% SWNTs 0,7 3,7 0,1 6,0 0,7 SWNT/Au-Nanopartikel Buckypaper 5,33 19,55 SWNT Buckypaper 0,65 6,48; 293 42 0,65 MWNT Buckypaper 0,35 1,39; 3,75; 282; 1370 11,2; 11,6; 28,7 2,2; 8,9 0,35 Compared to aluminum and copper foils used as current collectors in commercial batteries, the electrode sheets studied tolerated less stress but tolerated twice the strain, as shown in Table 1 below and also in 21C shown. 21C shows a stress-strain curve 193 for Cu foil and a stress-strain curve 94 for Al foil, a stress-strain curve 195 of stand-alone sheets with 1.8% by weight SWNT, 0.9 g/cm ³ , and a stress-strain curve 196 for 3.6% wt. SWCNT, 0.74 g/cm ³ stand alone sheets as described in the portable battery electrode example. Strain tolerance is important because during battery flexing, the internal components undergo stretch/compression. Table 1: Readings from Young's modulus for standalone composite and standalone pure carbon nanotube sheets/buckypaper standalone sheet Density (g/cm ³ ) Young's modulus (MPa) Tensile Strength (MPa) Elongation at break (%) Density (g/cm ³ ) LiNMC + 0.9 wt% SWNTs 1.33 28.0 0.4 5.2 1.33 LiNMC +3.6 wt% SWNTs 0.74 72.7 1.3 6.5 0.74 Graphite +10.0% by weight SWNTs 0.7 3.7 0.1 6.0 0.7 SWNT/Au nanoparticles Buckypaper 5.33 19.55 SWNT Buckypaper 0.65 6.48; 293 42 0.65 MWNT Buckypaper 0.35 1.39; 3.75; 282; 1370 11.2; 11.6; 28.7 2.2; 8.9 0.35

Der Young's Modul für die in Tabelle 1 gezeigten SWNT-haltigen Kompositblätter wurden mittels der folgenden Formeln in Abhängigkeit von der Nanoröhrchenkonzentration und -dichte im Bereich von 0,9-3,6 Gewichts-% und von 0,7-1,33 g/cm³ geschätzt. $E \equiv \frac{σ (ε)}{ε} = \frac{F / A}{Δ L / L_{0}} = \frac{F L_{0}}{A Δ L}$

wobei σ- die Spannung ist, F die angelegte Kraft ist, A die Querschnittsfläche des Blatts, L₀ und ΔL jeweils die Anfangslänge und Längung sind. In einer Ausführung einer tragbaren Vorrichtung hat eine eigenständige Elektrode einen Young's Modul von zwischen etwa 20 und 75 MPa.The Young's Modulus for the SWNT-containing composite sheets shown in Table 1 were calculated using the following formulas as a function of nanotube concentration and density ranging from 0.9-3.6% by weight and from 0.7-1.33 g/ cm ³ estimated.

E \equiv \frac{σ (e)}{e} = \frac{f / A}{Δ L / L_{0}} = \frac{f L_{0}}{A Δ L}

where σ- is the stress, F is the applied force, A is the cross-sectional area of the blade, L ₀ and ΔL are the initial length and elongation, respectively. In one embodiment of a portable device, a self-contained electrode has a Young's modulus of between about 20 and 75 MPa.

Wie in 21B ersichtlich, demonstrierte das Kathodenblatt unter zyklischer Last ein Hystereseverhalten, ähnlich einem elastisch-plastischen Zugverhalten. Es wurde beobachtet, dass dieses Verhalten in Abhängigkeit von der Nanoröhrchenkonzentration und der Spannungsbelastung variiert. Die Proben zeigten sowohl reversible als auch irreversible Streckungskomponenten. Proben mit geringerem Nanoröhrchengehalten zeigten höhere Plastizität. Proben mit höherem Nanoröhrchengehalt waren steifer als jene mit geringerem Nanoröhrchengehält. Jedoch verringerte sich nach wenigen Zyklen das Hystereseverhalten, wenn sich die Probe an ihre neuen Bedingungen „justierte“.As in 21B As can be seen, the cathode sheet demonstrated hysteresis behavior under cyclic loading, similar to elastic-plastic tensile behavior. It has been observed that this behavior varies depending on nanotube concentration and strain. The samples showed both reversible and irreversible stretching components. Samples with lower nanotube contents showed higher plasticity. Samples with higher nanotube content were stiffer than those with lower nanotube content. However, after a few cycles, the hysteresis behavior decreased as the sample "adjusted" to its new conditions.

Es wurde auch der elektrische Widerstand von Blättern mit verschiedenen SWNT-Konzentrationen untersucht, die mechanischen Belastungen ausgesetzt wurden, wie in den 22A bis 22D gezeigt. In diesen Experimenten wurde das Elektrodenmaterial durchschnittlich etwa 2µm/Sekunde gestreckt, und die meisten Proben überlebten eine 10-15%ige Längung bevor sie brachen (22A und 22B), signifikant mehr als nur 5-6% Bruchdehnung, die in Experimenten an der Spannungsdehnungs-Testmaschine beobachtet wurde, wo sie viel schneller mit 1000µm/Sekunde gestreckt wurden. Zyklischer-Widerstand-gegen-Dehnungs-Messungen zeigten ein distinktes Hystereseverhalten der Elektrodenblätter. Es wird angenommen, dass die Hystereseparameter (nicht-reversibler Widerstand und Länge), nicht nur vom Nanoröhrchengehalt abhängig ist, sondern auch vom Kompressionsgrad des Probenblatts. Zum Beispiel zeigte die Probe, die auf 2 g/cm³ Dichte komprimiert wurde, eine viel höhere Rate des Widerstandsanstiegs während des Streckens und eine breitere Hysterese als die gleiche Probe, die auf 1 g/cm³ komprimiert wurde, und viel weiter als die „wie abgelagerte“ Probe (ca. 0,4 g/cm³) (22C). Nach mehreren Zyklen wurde die Hysterese für alle Proben angenähert vernachlässigbar (22D), wahrscheinlich, weil sich das Kompositmaterial (und sein SWNT-Netzwerk) auf die neuen Dimensionen justierte. In 22D zeigen die Kreise 181 eine „wie abgelagerte“ Probe, ca. 0,4 g/cm³ (R_o=42,46 Ω, für 1 g/cm³ Probe, R_o= 33,35 Ω, für 2 g/cm³ Probe, R_o= 31,11Ω); die Dreiecke 182 bezeichnen die Probe, die vor dem Strecken auf 1 g/cm³ komprimiert wurde; die Rauten 183 bezeichnen 2g/cm³. Der Fotoeinschub in 22D zeigt eine Kathodenprobe vor und nach dem Strecken. Auch sichtbar sind stationäre und bewegliche silberbeschichtete Kupferklemmen, die als elektrische Kontakte dienen.The electrical resistance of sheets with different SWNT concentrations subjected to mechanical stresses was also studied, as in the 22A until 22D shown. In these experiments, the electrode material was stretched an average of about 2µm/second, and most samples survived a 10-15% elongation before breaking ( 22A and 22B) , significantly more than just 5-6% elongation at break observed in experiments on the stress-elongation testing machine, where they were stretched much faster at 1000µm/second. Cyclic resistance versus strain measurements showed a distinct hysteresis behavior of the electrode sheets. It is believed that the hysteresis parameters (non-reversible resistance and length) depend not only on the nanotube content but also on the degree of compression of the sample sheet. For example, the sample compressed to 2 g/cm ³ density showed a much higher rate of resistance increase during stretching and wider hysteresis than the same sample compressed to 1 g/cm ³ and much wider than that "As deposited" sample (approx. 0.4 g/cm ³ ) ( 22C ). After several cycles, the hysteresis became approximately negligible for all samples ( 22D ), probably because the composite material (and its SWNT network) adjusted to the new dimensions. In 22D the circles 181 show an “as-deposited” sample, ca. 0.4 g/cm ³ (R _o =42.46 Ω, for 1 g/cm ³ sample, R _o = 33.35 Ω, for 2 g/cm ³ sample, Ro = _31.11Ω ); triangles 182 denote the sample that was compressed to 1 g/cm ³ before stretching; the diamonds 183 denote 2g/cm ³ . The photo insert in 22D shows a cathode sample before and after stretching. Also visible are stationary and moveable silver-plated copper terminals that serve as electrical contacts.

Es ist bemerkenswert, dass der Widerstand aller Proben, die gestreckt und gelöst wurden, etwas niedriger war als der Anfangswiderstand, wahrscheinlich wegen einer gewissen Ordnung (und möglicherweise Vernetzung) des Nanoröhrchennetzwerks entlang der Streckachse. Mehrere Streckzyklen schienen diesen Effekt zu verstärken. Dies steht im Gegensatz zu vorherigen Untersuchungen, die vom Widerstandsdehnungsverhalten von dünnen Karbonnanoröhrchenfilmen berichtet haben, die auf einem Polymersubstrat abgelagert wurden. In einigen vorherigen Untersuchungen zeigte der elektrische Widerstand von dünnen CNT-Filmen auch eine Hystereseabhängigkeit von der Dehnung unter zyklischer Belastung, aber die Hystereseform war sehr unterschiedlich, und der Widerstand des CNT-Films nahm nur zu, und nahm niemals ab, auch nach dem Entspannen der Probe. Es wird angenommen, dass dieser Unterschied im Verhalten auf der Tatsache beruhen kann, dass die hierin beschriebenen Blätter eigenständig sind (d.h. das CNT-Netzwerk das einzige ist, was dieses zusammenhält, ohne ein Substrat zu benötigen) und dreidimensionale gut verteilte Netzwerke von Pristin-Nanoröhrchen enthalten. Diese Netzwerke, wenn komprimiert oder gestreckt, können sich umorientieren, vernetzen und bündeln, was die Anzahl von elektrischen Kontakten erhöht und demzufolge die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Allgemein nimmt die Leitfähigkeit der eigenständigen Elektrodenblätter mit zunehmender Blattdichte zu, bis sie die Bulkdichte des Aktivmaterials erreicht, wonach sie typischerweise abzunehmen beginnt, wahrscheinlich weil während des Pressens Aktivmaterialpartikel kollidieren und beginnen, das CNT-Netzwerk zu unterbrechen.It is noteworthy that the resistance of all samples that were stretched and released was slightly lower than the initial resistance, likely due to some ordering (and possibly cross-linking) of the nanotube network along the stretching axis. Multiple stretching cycles seemed to increase this effect. This is in contrast to previous studies that reported the resistance strain behavior of carbon nanotube thin films deposited on a polymer substrate. In some previous studies, the electrical resistance of CNT thin films also showed a hysteresis dependence on strain under cyclic loading, but the hysteresis shape was very different, and the resistance of the CNT film only increased, and never decreased, even after relaxing the sample. It is believed that this difference in behavior may be due to the fact that the sheets described herein are self-contained (i.e. the CNT network is the only thing holding them together without the need for a substrate) and three-dimensional well distributed networks of pristin- contain nanotubes. These networks, when compressed or stretched, can reorient, crosslink, and bundle, increasing the number of electrical contacts and consequently increasing electrical conductivity. In general, the conductivity of the discrete electrode sheets increases with increasing sheet density until it reaches the bulk density of the active material, after which it typically begins to decrease, probably because active material particles collide during pressing and begin to disrupt the CNT network.

Die Bulkdichte von NMC-Pulver wurde als 2,79±0,1 g/cm³ gemessen, während seine Kristalldichte, gemessen mittels eines Archimedes-Prinzips, 4,56±0,1 g/cm³ betrug. Nahe der Bulkdichte begannen die Blätter, spröde zu werden, was daher die praktische Obergrenze für die NMC-CNT-Kathodendichte repräsentiert. Graphit-CNT-Anoden werden typischerweise jenseits ca. 1,1 g/cm³ brüchig.The bulk density of NMC powder was measured to be 2.79±0.1 g/cm ³ while its crystal density measured by Archimedes' principle was 4.56±0.1 g/cm ³ . Near bulk density, the sheets began to become brittle, thus representing the practical upper limit for NMC-CNT cathode density. Graphite CNT anodes typically become brittle beyond about 1.1 g/cm ³ .

BEISPIEL III(a): Batterieanordnung und LeistungsbewertungEXAMPLE III(a): Battery placement and performance evaluation

Für Pouchzellenbatterie-Anordnungen wurden Blätter mit optimierten Eigenschaften, wie in den Beispielen I und II beschrieben, auf die erforderliche Größe geschnitten, und Zungen wurden an den eigenständigen kollektorfreien Blättern angebracht. Freistehende Kathoden wurden an freistehende Anoden basierend auf den Mengen der Aktivmaterialien und ihrer theoretischen Kapazitäten angepasst. Beim Anbringen der Zungen wurden Pouchzellen mittels der vorbereiteten Elektroden, Celgard 2325 Separator von 25 µm Dicke, und LP71 Elektrolyt (1M LiPF₆ in EC/DEC/DMC, 1:1:1 Gemisch in Volumen, BASF) zusammengebaut.For pouch cell battery assemblies, sheets with optimized properties were cut to the required size as described in Examples I and II, and tabs were attached to the self-contained collectorless sheets. Free-standing cathodes were matched to free-standing anodes based on the amounts of active materials and their theoretical capacities. Attaching the tabs, pouch cells were assembled using the prepared electrodes, Celgard 2325 separator 25 µm thick, and LP71 electrolyte (1M LiPF ₆ in EC/DEC/DMC, 1:1:1 mixture by volume, BASF).

Der Ratentestzyklus wurde mittels eines Parstat MC (Princeton Applied Research)-Potentiostat zwischen den Abschaltspannungen von 3,0 V und 4,3 V durchgeführt. Das Laden erfolgte bei 0,2 C; das Entladen erfolgte bei 0,2, 0,4, 1, 2, 5, 7, 10, 20, 30, 50 C.The rate test cycle was performed using a Parstat MC (Princeton Applied Research) potentiostat between cut-off voltages of 3.0V and 4.3V. Charging was at 0.2 C; discharging took place at 0.2, 0.4, 1, 2, 5, 7, 10, 20, 30, 50 C.

Die Leistungsfähigkeit flexibler Zellen, die mechanischer Belastung ausgesetzt wurden, wurde mittels der folgenden Prozedur getestet: nach 10 Zyklen von 0,2 C-Ladung und 0,2 C Entladung wurden die Zellen über eine Stange mit 1 Zoll Durchmesser gebogen, dann in der entgegengesetzten Richtung über die gleiche Stange gebogen. Dies wurde 10 Mal wiederholt. Dann wurden weitere 10 Zyklen von 0,2 C Ladung/Entladung durchgeführt. Dann wurden weitere 10 Biegungen nach vorne und hinten durchgeführt, und dann wurde die Prozedur wiederholt.The performance of flexible cells subjected to mechanical stress was tested using the following procedure: after 10 cycles of 0.2 C charge and 0.2 C discharge, the cells were flexed over a 1 inch diameter rod, then in the opposite Direction bent over the same rod. This was repeated 10 times. Then another 10 cycles of 0.2 C charge/discharge performed. Then another 10 forward and backward flexions were performed, and then the procedure was repeated.

BEISPIEL III(b): Batterieanordnung und LeistungsbewertungEXAMPLE III(b): Battery placement and performance evaluation

Es wurden zwei Zellkonfigurationen getestet: Einzelne eigenständige kollektorfreie Kathode (23A) und einzelne eigenständige kollektorfreie Kathode mit zwei Anoden an beiden Seiten (23B). In den 23A und 23B bezeichnen offene Dreiecke die Ladeleistung und bezeichnen Rauten die Entladeleistung. Es wurde beobachtet, dass die eigenständigen kollektorfreien Kathoden mit einer Nanoröhrchenkonzentration von ≥1 Gewichts-% und einer Dicke von 0,1-0,3mm eine hohe C-Raten-Toleranz aufzeigten und etwa die Hälfte ihrer Kapazität (im Vergleich zu jener bei 0,2 C) bei einer 5-C-Rate behielten, und die gleiche Kapazität auch bei 20C ( 23C) behielten. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden Zellen mit sowohl eigenständiger als auch kollektorfreier Kathode und Anode ausgewählt und zusammengebaut.Two cell configurations were tested: Single self-contained collectorless cathode ( 23A) and single self-contained collectorless cathode with two anodes on both sides ( 23B) . In the 23A and 23B open triangles denote charging power and diamonds denote discharging power. It was observed that the self-contained collectorless cathodes with a nanotube concentration of ≥1% by weight and a thickness of 0.1-0.3mm showed a high C-rate tolerance and about half their capacity (compared to that at 0 .2 C) at a 5 C rate, and the same capacity also at 20C ( 23C ) kept. Based on these results, cells with both self-contained and collectorless cathode and anode were selected and assembled.

23D zeigt die elektromechanische Leistung der Zelle (5,3 Gewichts-% SWNT in 0,18 mm dicker Kathode, 16,6 Gewichts-% SWCNT, 0,2 mm dicker Anode), die getestet wurde, während sie mechanischer Belastung ausgesetzt war, wie in Beispiel III(a) beschrieben. In 23D bezeichnen die Symbole 171 die Zyklen, wenn die Zelle mechanischen Belastungen ausgesetzt wurde. Die mit Dreiecken 172 markierte Zelle wurde alle 10 Zyklen mechanischer Belastung ausgesetzt, während die in Kreisen 173 markierte Zelle für den Großteil des Experiments ungestört blieb. Der Einschub zeigt die Impedanz der Zelle vor und nach den Zyklen. Die Leistung der flexiblen Batterie, die regulärer mechanischer Belastung ausgesetzt war, war angenähert identisch mit jener einer ähnlichen Batterie, die während des Großteils der Experimente ungestört blieb (23D). Man nimmt an, dass der beobachtete Leistungseinschränkungseffekt auf die Zyklusstabilität primär einer ineffizienten Verkapselung durch handelsübliche Verpackungsfolie für herkömmliche Zellen zuzurechnen war, die eine ungenügende Kompaktierung der Elektroden der Separatormembran lieferte. 23D Figure 12 shows the electromechanical performance of the cell (5.3 wt% SWNT in 0.18 mm thick cathode, 16.6 wt% SWCNT, 0.2 mm thick anode) tested while subjected to mechanical loading, such as described in Example III(a). In 23D the symbols 171 denote the cycles when the cell was subjected to mechanical stresses. The cell marked with triangles 172 was subjected to mechanical stress every 10 cycles, while the cell marked in circles 173 remained undisturbed for the majority of the experiment. The inset shows the cell impedance before and after cycling. The performance of the flexible battery subjected to regular mechanical stress was approximately identical to that of a similar battery left undisturbed for most of the experiments ( 23D ). It is believed that the observed performance limitation effect on cycle stability was primarily attributable to inefficient encapsulation by commercial packaging film for conventional cells, which provided insufficient compaction of the separator membrane electrodes.

Um die Eignung der hierin beschriebenen Batteriearchitektur aufzuzeigen, wurde eine als Armband geformte flexible Batterie hergestellt und dazu benutzt, eine handelsübliche Smartwatch zu betreiben. Die Uhr hatte einen Herzschlagmonitorsensor, der in der Lage war, Daten über Bluetooth zu einem Bildtelefon (24C) zu übertragen, und kam mit einer Stromquelle von 3,7 V und 250 mAh. Wie in den 24A bis 24C gezeigt, wurde eine wie hierin beschriebene Batterie über das USB-Ladegerät der Uhr erfolgreich geladen, startete und ließ die Uhr laufen, betrieb den Sensor und überführte Daten zu dem Mobiltelefon.To demonstrate the suitability of the battery architecture described herein, a flexible battery shaped as a bracelet was fabricated and used to power a commercially available smartwatch. The watch had a heartbeat monitor sensor capable of sending data over Bluetooth to a videophone ( 24C ) to transfer, and came with a power source of 3.7 V and 250 mAh. As in the 24A until 24C As shown, a battery as described herein was successfully charged via the watch's USB charger, starting and running the watch, operating the sensor and transferring data to the mobile phone.

BEISPIEL IV: SchlussfolgerungenEXAMPLE IV: Conclusions

Basierend auf den Beispielen I bis III wurde geschlossen, dass der neuartige Mischprozess von wie gewachsenen schwimmenden SWNTs und aerosolisierten Batterieaktivmaterialpulvern, wie hierin beschrieben, eigenständige, bindemittelfreie, flexible Elektrodenkompositblätter erzeugte. Das Verfahren bot eine außerordentlich homogene Dispersion von Pristin-Karbonnanoröhrchen durch das gesamte Kompositmaterial. Im Ergebnis betrug, auch bei der geringen Beladung von Nanoröhrchen (~0.3 Gewichts- %), die elektrische Leitfähigkeit des Materials 10^1-2 Ω^-1m^-1, stieg auf 10^3-4 Ω^-1m^-1 jenseits 5 Gewichts-% CNT.Based on Examples I through III, it was concluded that the novel mixing process of as-grown floating SWNTs and aerosolized battery active material powders as described herein produced self-contained, binderless, flexible electrode composite sheets. The process provided an exceptionally homogeneous dispersion of pristin-carbon nanotubes throughout the composite. As a result, even with the low loading of nanotubes (~0.3 wt%), the electrical conductivity of the material was 10 ^1-2 Ω ^-1 m ^-1 , rising to 10 ^3-4 Ω ^-1 m ^-1 beyond 5 wt -%CNT.

Das Material zeigte eine hohe Toleranz gegenüber verschiedenen mechanischen Belastungen. Die Spannungs-Dehnungs-Ergebnisse wiesen auf einen Young's Modul im Bereich von 20-75 MPa hin, in Abhängigkeit von der Nanoröhrchenkonzentration, und eine Bruchdehnung von bis zu 10-15% Bruchdehnung bei 2 µm/Sekunde Streckungsrate.The material showed a high tolerance to various mechanical loads. Stress-strain results indicated a Young's modulus in the range of 20-75 MPa, depending on the nanotube concentration, and an elongation at break of up to 10-15% elongation at break at 2 µm/second strain rate.

Die Elektrischer-Widerstand-gegen-Dehnung-Graphen demonstrierten ein Hystereseverhalten für anfängliche Zyklen, jedoch wurde nach 5-6 Zyklen die Hysterese vernachlässigbar und zeigte eine hohe Konformität des Materials.The electrical resistance versus strain graphs demonstrated hysteresis behavior for initial cycles, however, after 5-6 cycles the hysteresis became negligible and showed high conformance of the material.

Es wurde geschlossen, dass die geeigneten Parameter für die freistehenden NMC-CNT-Kathoden 0,5-5 Gewichts-% SWNT, 1-2,3 g/cm³ Dichte, und 0,05-0,5 mm Dicke enthalten können. Freistehende Gr-SWNT-Anoden können 2-20 Gewichts-% SWNT, 0,5-1,1 g/cm³ Dichte und 0,05-0,5 mm Dicke enthalten. Die Anwendung solcher eigenständiger Blätter als Elektroden können Batterien ohne Metallstromkollektorfolien und Bindemittel erzeugen, und erübrigen somit elektrochemisch inaktive Komponenten von der Batteriestruktur. Daher sind solche Batterien in der Lage, die Grenzen spezifischer Energiedichtewerte, die sich durch Li-Speicheraktivmaterial, zum Beispiel NMC-Pulver, ergeben, zu erreichen.It was concluded that the appropriate parameters for the free-standing NMC-CNT cathodes may include 0.5-5 wt% SWNT, 1-2.3 g/cm ³ density, and 0.05-0.5 mm thickness. Freestanding Gr-SWNT anodes can contain 2-20% by weight SWNT, 0.5-1.1 g/cm ³ density and 0.05-0.5 mm thickness. The use of such discrete sheets as electrodes can produce batteries without metal current collector foils and binders, thus eliminating electrochemically inactive components from the battery structure. Therefore, such batteries are able to reach the limits of specific energy density values that result from Li storage active material, for example NMC powder.

Die armbandförmige flexible Batterie, die mit dieser Technologie hergestellt wurde, demonstrierte eine erfolgreiche Stromversorgung für eine handelsübliche Smartwatch mit einem Herzschlagsensor und Fähigkeiten zur drahtlosen Datenübertragung. Die Herstellung von eigenständigen Elektroden und vorgeschlagener stromkollektor- und bindemittelfreier Batteriearchitektur, wie hierin beschrieben, kann daher benutzt werden, um flexible Sekundärbatterien mit hoher Energiedichte für tragbare Elektronik bereitzustellen.The bracelet-shaped flexible battery made with this technology demonstrated a successful power supply for a commercial smartwatch with a heart rate sensor and wireless data transfer capabilities. The fabrication of discrete electrodes and proposed current collector and binderless battery architecture as described herein can therefore be used to provide flexible, high energy density secondary batteries for portable electronics.

25 zeigt eine beispielhafte tragbare Vorrichtung 200, die eine hierin beschriebene flexible Batterie enthält. Die tragbare Vorrichtung 200 enthält ein Gehäuse 210. Das Gehäuse 210 kann einen Innenraum definieren, der eine elektronische Komponente 214 enthält, die innerhalb des Gehäuses 210 angeordnet ist. Zum Beispiel kann das Gehäuse 210 ein Uhrgehäuse sein, das eine digitale elektronische Uhrkomponente enthält, wie etwa eine gedruckte Schaltplatine und eine Anzeige. Eine Innenwand des Gehäuses 210 definiert eine Öffnung 212, die sich von dem Innenraum zur Außenseite des Gehäuses 210 erstreckt. Die tragbare Vorrichtung 200 enthält einen ersten Band 220 mit einem ersten Ende 222 und einem zweiten Ende 224. Eine Länge 226 erstreckt sich von dem ersten Ende 222 zu dem zweiten Ende 224. Der Band kann zum Beispiel aus Leder, Kunststoff oder Silikon ausgebildet sein. Die tragbare Vorrichtung 200 enthält eine erste eigenständige Elektrode 230. Wie hierin beschrieben, enthält die erste eigenständige Elektrode 230 ein Batterieaktivmaterial in einem Karbonnanoröhrchen-Netzwerk (zum Beispiel einem SWNT-Netzwerk). Die erste eigenständige Elektrode 230 kann sich durchgehend entlang der Länge 226 von dem ersten Ende 222 zu dem zweiten Ende 224 erstrecken. Die tragbare Vorrichtung 200 enthält eine erste Zunge 240, die ein erstes Ende 242 und ein zweites Ende 244 enthält. Das erste Ende 242 ist in dem ersten Band 220 in Kontakt mit der ersten eigenständigen Elektrode 230 positioniert. Das zweite Ende 244 erstreckt sich von dem zweiten Ende 224 des ersten Bands 220 durch die Öffnung 212 hinaus und ist in dem Gehäuse 210 in elektrischer Verbindung mit der elektronischen Komponente 210 positioniert. Zum Beispiel kann die Öffnung 212 ein Port sein, der die erste Zunge 240 aufnimmt und die erste Zunge 240 mit der elektronischen Komponente 214 elektrisch verbindet, wenn die erste Zunge 240 aufgenommen ist. 25 FIG. 1 shows an example portable device 200 that includes a flexible battery as described herein. The portable device 200 includes a housing 210. The housing 210 may define an interior space containing an electronic component 214 disposed within the housing 210. FIG. For example, case 210 may be a watch case that contains a digital electronic watch component, such as a printed circuit board and a display. An interior wall of housing 210 defines an opening 212 that extends from the interior to the exterior of housing 210 . The portable device 200 includes a first strap 220 having a first end 222 and a second end 224. A length 226 extends from the first end 222 to the second end 224. The strap may be formed of leather, plastic, or silicone, for example. The wearable device 200 includes a first discrete electrode 230. As described herein, the first discrete electrode 230 contains a battery active material in a carbon nanotube network (e.g., a SWNT network). The first discrete electrode 230 may extend continuously along the length 226 from the first end 222 to the second end 224 . The handheld device 200 includes a first tongue 240 that includes a first end 242 and a second end 244 . The first end 242 is positioned in the first band 220 in contact with the first discrete electrode 230 . The second end 244 extends from the second end 224 of the first strap 220 through the opening 212 and is positioned within the housing 210 in electrical communication with the electronic component 210 . For example, opening 212 may be a port that receives first tab 240 and electrically connects first tab 240 to electronic component 214 when first tab 240 is received.

In einer Ausführung kann die tragbare Vorrichtung 250 eine zweite eigenständige Elektrode 232 enthalten, die sich von dem ersten Ende 222 zu dem zweiten Ende 224 erstreckt. Die tragbare Vorrichtung 250 kann eine zweite Zunge 250 enthalten, die in elektrischer Verbindung mit der elektronischen Komponente 214 und der zweiten eigenständigen Elektrode 232 positioniert ist.In one implementation, portable device 250 may include a second discrete electrode 232 extending from first end 222 to second end 224 . The wearable device 250 may include a second tab 250 positioned in electrical communication with the electronic component 214 and the second discrete electrode 232 .

In einer Ausführung enthält das Gehäuse 210 eine erste Seite 216 und eine zweite Seite 217. Die Öffnung 212 ist an der ersten Seite 260 des Gehäuses 210 positioniert. Das erste Ende 222 des Bands 220 kann an der zweiten Seite 270 des Gehäuses 210 gesichert sein. Zum Beispiel kann das erste Ende 222 an der zweiten Seite 270 permanent angebracht sein und kann sich ein Abschnitt des Bands 220 strecken, um es anlegen und abnehmen zu können. Als anderes Beispiel kann das erste Ende 222 an dem zweiten Ende 270 über ein Befestigungselement wie etwa eine Klemme oder Schnalle gesichert sein. Das zweite Ende 224 des Bands 220 kann eine Nase 264 enthalten, die sich durch das zweite Ende 224 orthogonal zur Länge 226 des ersten Bands 220 hindurch erstreckt. Die erste Zunge 240 und die zweite Zunge 250 können um die Nase 264 herum verlegt und durch den ersten Band 220 oder ein separates Isoliermaterial isoliert sein. Die Nase 264 kann an dem ersten Ende 260 des Gehäuses 210 zum Beispiel über Haltearme 262 gesichert sein.In one embodiment, the housing 210 includes a first side 216 and a second side 217. The opening 212 is positioned on the first side 260 of the housing 210. FIG. The first end 222 of the strap 220 can be secured to the second side 270 of the housing 210 . For example, the first end 222 may be permanently attached to the second side 270 and a portion of the strap 220 may stretch to allow for donning and doffing. As another example, the first end 222 may be secured to the second end 270 via a fastener such as a clip or buckle. The second end 224 of the strap 220 may include a tab 264 that extends through the second end 224 orthogonal to the length 226 of the first strap 220 . First tongue 240 and second tongue 250 may be routed around tab 264 and insulated by first tape 220 or a separate insulating material. The tab 264 may be secured to the first end 260 of the housing 210 via retaining arms 262, for example.

In einer anderen Ausführung kann die tragbare Vorrichtung 200 eine Schnalle 280 und eine Schnallenzunge 282 enthalten. Die Schnalle 280 und die Schnallenzunge können an dem ersten Ende 222 des ersten Bands 220 gesichert sein. Die Schnalle 280 kann an dem zweiten Band 290 zum Beispiel über Einstelllöcher 292 gesichert sein. Der zweite Band 290 kann an dem zweiten Ende 270 über Haltearme 272 und Nase 274 gesichert sein.In another embodiment, the portable device 200 may include a buckle 280 and a tongue 282 . The buckle 280 and the tongue of the buckle may be secured to the first end 222 of the first strap 220 . The buckle 280 may be secured to the second strap 290 via adjustment holes 292, for example. The second strap 290 can be secured to the second end 270 via retaining arms 272 and tab 274 .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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US 62/895831 [0001]US62/895831 [0001]
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US 16/777629 [0001]US 16/777629 [0001]

Claims

Streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie, welche aufweist: eine Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen, wobei jede der Mehrzahl flexibler Pouchzellen eine flexible Materialverpackung aufweist, die zwei oder mehr flexible eigenständige Elektroden enthält, wobei jede der zwei oder mehr flexiblen eigenständigen Elektroden eine leitfähige Batteriezunge enthält, und die leitfähige Batteriezunge einer ersten flexiblen Batteriepouchzelle der Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen mit der leitfähigen Batteriezunge einer zweiten flexiblen Batteriepouchzelle der Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen elektrisch verbunden ist.Stretchable and flexible lithium-ion battery, which has: a plurality of flexible battery pouch cells, each of the plurality of flexible pouch cells having a flexible material package containing two or more flexible discrete electrodes, each of the two or more flexible discrete electrodes containing a conductive battery tab, and the conductive battery tab of a first flexible battery pouch cell of the plurality of flexible battery pouch cells is electrically connected to the conductive battery tab of a second flexible battery pouch cell of the plurality of flexible battery pouch cells.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 1, wobei die leitfähigen Batteriezungen streckbar und flexibel sind.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 1 , wherein the conductive battery tabs are stretchable and flexible.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 1, die ferner eine jeweilige streckbare und flexible Batteriezungenhalterung aufweist, die an jeder der leitfähigen Batteriezungen angebracht ist, wobei die streckbaren und flexiblen Batteriezungenhalterungen sich durch die flexible Materialverpackung und aus der flexiblen Materialverpackung hinaus erstrecken, um die erste flexible Batteriepouchzelle mit der zweiten flexiblen Batteriepouchzelle zu verbinden.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 1 further comprising a respective stretchable and flexible battery tab retainer attached to each of the conductive battery tabs, the stretchable and flexible battery tab retainers extending through the flexible packaging of material and out of the flexible packaging of material to interconnect the first flexible battery pouch cell with the second flexible battery pouch cell associate.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 3, wobei die flexiblen Batteriezungenhalterungen ein Federmetall, ein Metallgitter oder -gaze, eine Metallfolie, ein leitfähiges Polymer, ein leitfähiges Tuch, einen leitfähigen Faden, Karbonnanoröhrchen, ein Karbonnanoröhrchengarn, oder Kombinationen davon aufweisen.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 3 wherein the flexible battery tab supports comprise spring metal, metal mesh or scrim, metal foil, conductive polymer, conductive cloth, conductive filament, carbon nanotubes, carbon nanotube yarn, or combinations thereof.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 1, wobei die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie frei von einem Stromkollektor, frei von Bindemittel, oder frei von sowohl einem Stromkollektor als auch Bindemittel ist.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 1 wherein the stretchable and flexible lithium-ion battery is current collector-free, binder-free, or both current collector and binder-free.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 1, die ferner eine streckbare Polymermatrix aufweist, die die erste flexible Batteriepouchzelle mit der zweiten flexiblen Batteriepouchzelle verbindet.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 1 further comprising a stretchable polymer matrix connecting the first flexible battery pouch cell to the second flexible battery pouch cell.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 6, wobei die streckbare Polymermatrix ein flexibles Polymer, einen flexiblen Gummi, eine oder mehr Federn, ein streckbares Tuch, ein Elastomer, oder Kombinationen davon aufweist.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 6 wherein the stretchable polymer matrix comprises a flexible polymer, a flexible rubber, one or more springs, a stretchable cloth, an elastomer, or combinations thereof.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 1, die ferner eine oder mehr Federn aufweist, die sich zwischen der ersten flexiblen Batteriepouchzelle und der zweiten flexiblen Batteriepouchzelle erstrecken und diese verbinden.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 1 further comprising one or more springs extending between and connecting the first flexible battery pouch cell and the second flexible battery pouch cell.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 3, die ferner eine streckbare Polymermatrix zwischen der ersten flexiblen Batteriepouchzelle und der zweiten flexiblen Batteriepouchzelle aufweist, wobei die streckbare Polymermatrix die streckbaren und flexiblen Batteriezungenhalterungen überdeckt.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 3 further comprising a stretchable polymer matrix between the first flexible battery pouch cell and the second flexible battery pouch cell, the stretchable polymer matrix overlying the stretchable and flexible battery tab supports.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 9, wobei die streckbare Polymermatrix ein flexibles Polymer, ein streckbares Tuch, ein Elastomer, oder Kombinationen davon aufweist.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 9 wherein the stretchable polymer matrix comprises a flexible polymer, a stretchable sheet, an elastomer, or combinations thereof.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 1, die ferner Verbinder aufweist, die die flexible Materialverpackung mit den leitfähigen Batteriezungen verbinden.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 1 further comprising connectors connecting the flexible material packaging to the conductive battery tabs.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 1, wobei die erste flexible Batteriepouchzelle mit zumindest einer dritten flexiblen Batteriepouchzelle der Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen separat verbunden ist.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 1 , wherein the first flexible battery pouch cell is separately connected to at least a third flexible battery pouch cell of the plurality of flexible battery pouch cells.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 1, wobei die flexible Materialverpackung flexibles Polymer, Folie, Gummi, Tuch, biokompatibles Material, organisches Material oder Kombinationen davon aufweist.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 1 wherein the flexible material packaging comprises flexible polymer, film, rubber, cloth, biocompatible material, organic material, or combinations thereof.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 1, wobei die leitfähigen Batteriezungen ein Federmetall, ein leitfähiges Polymer, ein leitfähiges Tuch, Karbonnanoröhrchen, oder eine beliebige Kombination davon aufweisen.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 1 wherein the conductive battery tabs comprise a spring metal, a conductive polymer, a conductive cloth, carbon nanotubes, or any combination thereof.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 1, wobei jede flexible, eigenständige Elektrode aufweist: eine Vielzahl von Karbonnanoröhrchen, die in einer vernetzten Morphologie mit unter den Karbonnanoröhrchen miteinander verbundenen Räumen angeordnet sind, wobei die miteinander verbundenen Räume aufweisen: ein Elektrodenaktivmaterial; und einen Elektrolyten.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 1 wherein each flexible, self-contained electrode comprises: a plurality of carbon nanotubes arranged in a networked morphology with interconnected spaces among the carbon nanotubes, the interconnected spaces comprising: an electrode active material; and an electrolyte.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 15, wobei der Elektrolyt aus NASICON, Garnet, Perovskit, LISICON, LiPON, Li₃N, Sulfid, Argyrodit und Anti-Perovskit ausgewählt ist.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 15 , wherein the electrolyte is selected from NASICON, Garnet, Perovskite, LISICON, LiPON, Li ₃ N, Sulfide, Argyrodite and Anti-Perovskite.

Die streckbare und flexible Lithium-Ionen-Batterie von Anspruch 15, wobei der Elektrolyt ein Festelektrolyt mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer bis 20 Mikrometer ist.The stretchable and flexible lithium-ion battery from claim 15 wherein the electrolyte is a solid electrolyte having a thickness of about 10 microns to 20 microns.

Verfahren der Herstellung einer streckbaren und flexiblen Lithium-Ionen-Batterie, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen, wobei jede der Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen eine flexible Materialverpackung aufweist, die zwei oder mehr flexible eigenständige Elektroden enthält; wobei jede der zwei oder mehr flexiblen eigenständigen Elektroden eine leitfähige Batteriezunge enthält, wobei jede leitfähige Batteriezunge ein streckbares und flexibles Material aufweist; und elektrisches Verbinden der leitfähigen Batteriezunge einer ersten flexiblen Batteriepouchzelle der Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen mit der leitfähigen Batteriezunge einer zweiten flexiblen Batteriepouchzelle der Mehrzahl flexibler Batteriepouchzellen.A method of making a stretchable and flexible lithium-ion battery, the method comprising: providing a plurality of flexible battery pouch cells, each of the plurality of flexible battery pouch cells having a flexible packaging of material containing two or more flexible discrete electrodes; wherein each of the two or more flexible discrete electrodes includes a conductive battery tab, each conductive battery tab comprising a stretchable and flexible material; and electrically connecting the conductive battery tab of a first flexible battery pouch cell of the plurality of flexible battery pouch cells to the conductive battery tab of a second flexible battery pouch cell of the plurality of flexible battery pouch cells.

Das Verfahren von Anspruch 18, das ferner aufweist, eine jeweilige streckbare und flexible Batteriezungenhalterung an jeder der leitfähigen Batteriezungen anzubringen, wobei sich jede streckbare und flexible Batteriezungenhalterung durch die flexible Materialverpackung und aus der flexiblen Materialverpackung einer flexiblen Batteriepouchzelle hinaus erstreckt; und elektrisches Verbinden der streckbaren und flexiblen Batteriezungenhalterung zwischen der ersten flexiblen Batteriepouchzelle und der zweiten flexiblen Batteriepouchzelle.The procedure of Claim 18 further comprising attaching a respective stretchable and flexible battery tab retainer to each of the conductive battery tabs, each stretchable and flexible battery tab retainer extending through the flexible material packaging and out of the flexible material packaging of a flexible battery pouch cell; and electrically connecting the stretchable and flexible battery tab mount between the first flexible battery pouch cell and the second flexible battery pouch cell.

Das Verfahren von Anspruch 18, das ferner aufweist, einen festen oder Gel-Elektrolyten zu den flexiblen eigenständigen Elektroden hinzuzufügen.The procedure of Claim 18 further comprising adding a solid or gel electrolyte to the flexible self-contained electrodes.

Das Verfahren von Anspruch 18, das ferner aufweist, die flexible Materialverpackung mit den leitfähigen Batteriezungen durch Verbinder zu verbinden.The procedure of Claim 18 , further comprising connecting the flexible material packaging to the conductive battery tabs with connectors.

Das Verfahren von Anspruch 18, das ferner aufweist, die erste flexible Batteriepouchzelle mit der zweiten flexiblen Batteriepouchzelle mit einer streckbaren und flexiblen Polymermatrix zu verbinden.The procedure of Claim 18 , further comprising bonding the first flexible battery pouch cell to the second flexible battery pouch cell with a stretchable and flexible polymer matrix.

Flexible eigenständige Elektrode, welche aufweist: eine Vielzahl von Karbonnanoröhrchen, die in einer vernetzten Morphologie mit unter den Karbonnanoröhrchen miteinander verbundenen Räumen angeordnet sind, wobei die miteinander verbundenen Räume aufweisen: ein Elektrodenaktivmaterial; und einen Elektrolyten.A flexible, self-contained electrode comprising: a plurality of carbon nanotubes arranged in an interconnected morphology with interconnected spaces beneath the carbon nanotubes, the interconnected spaces having: an electrode active material; and an electrolyte.

Die flexible eigenständige Elektrode von Anspruch 23, wobei der Elektrolyt aus NASICON, Garnet, Perovskit, LISICON, LiPON, Li₃N, Sulfid, Argyrodit und Anti-Perovskit ausgewählt ist.The flexible standalone electrode from Claim 23 , wherein the electrolyte is selected from NASICON, Garnet, Perovskite, LISICON, LiPON, Li ₃ N, Sulfide, Argyrodite and Anti-Perovskite.

Die flexible eigenständige Elektrode von Anspruch 23, wobei der Elektrolyt ein Festelektrolyt mit einer Dicke von etwa 2 Mikrometer bis 200 Mikrometer ist.The flexible standalone electrode from Claim 23 wherein the electrolyte is a solid electrolyte having a thickness of about 2 microns to 200 microns.

Die flexible eigenständige Elektrode von Anspruch 23, die ferner eine leitfähige Batteriezunge aufweist.The flexible standalone electrode from Claim 23 , further comprising a conductive battery tab.

Die flexible eigenständige Elektrode von Anspruch 23, wobei der Elektrolyt ein Gel ist.The flexible standalone electrode from Claim 23 , where the electrolyte is a gel.