DE69839345T2

DE69839345T2 - Polyamid batterie

Info

Publication number: DE69839345T2
Application number: DE69839345T
Authority: DE
Inventors: Scott D. Jacksonville Gustafson; Joseph T. Jacksonville Antonucci
Original assignee: Solicore Inc
Current assignee: Solicore Inc
Priority date: 1997-02-12
Filing date: 1998-02-12
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2018-02-13
Also published as: ATE392018T1; CA2281697A1; DE69841867D1; JP4308915B2; CA2281697C; EP1008197A4; EP1901376B1; EP1008197B1; JP2001518228A; KR100369858B1; EP1901376A1; CN1247639A; AU6155998A; HK1023852A1; WO1998035397A1; ATE479212T1; KR20000070968A; DE69839345D1; CN1147953C; AU716977B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Lithiumionen-Batterien. Insbesondere betrifft sie Lithiumionen-Batterien, die mit löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimiden hergestellt sind.
STAND DER TECHNIK
Die Technik der Lithiumbatterien ist ein relativ neues Gebiet und Gegenstand intensiver Untersuchungen. Die Hauptmerkmale, die durch die neuen Untersuchungen zu verbessern sind, sind die Größe, das Gewicht, die Energiedichte, die Kapazität, niedrigere Selbstentladungsgeschwindigkeiten und die Umweltverträglichkeit. Die Aufgabe besteht in einer Vereinfachung der Herstellungstechniken und in der Verbesserung der Zwischenschicht-Haftung zur Herstellung einer Trockenbatterie, die klein und leicht ist, eine lange Nutzungsdauer hat, eine größere Energiedichte hat und wenig oder gar keine toxischen Verbindungen enthält, die bei der Entsorgung in die Umwelt gelangen können. Diese Batterien sind für viele Anwendungen wie als Stromversorgung für Mobiltelefone, Chipkarten, Rechner, tragbare Computer und elektrische Geräte brauchbar.
Schmutz et al. ( U.S. 5,470,357 ) widmen sich dem Problem der Haftung zwischen der Elektrode und Kollektorelementen. Ihre Lösung besteht in einer Vorbehandlung der Kollektorelemente, wobei eine Lösung von 0,25% bis 3,0% eines polymeren, mit dem Matrixpolymer verträglichen Materials auf die Kollektorfolie oder das Kollektorgitter aufgetragen und getrocknet wird, wodurch ein aufgetragener Film gebildet wird. Das resultierende beschichtete Kollektorelement wird erwärmt, um das Polymer klebrig zu machen. Das vorbehandelte beschichtete Kollektorelement wird weiterbearbeitet, indem eine zweckmäßige Elektrodenzusammensetzung darauf aufgetragen wird, wodurch eine Anode oder eine Kathode gebildet wird. Diese Elektroden- und Separatorelemente werden als Schichten von weichgemachten polymeren Matrixzusammensetzungen formuliert, die auf die elektrisch leitfähigen Kollektorelemente laminiert werden, wodurch eine einzigartige Batteriezellenstruktur gebildet wird.
Gozdz et al. ( U.S. 5,587,253 ) offenbaren eine Lithiumionenbatterie mit einer Elektrolyt-Separator-Zusammensetzung, die ein Polyvinylidenfluorid-Copolymer und einen Weichmacher umfasst. Die kristalline Struktur des Polyvinylidenfluorid-Copolymers bedingt die Einführung von Weichmachern, um die kristallinen Bereiche der Copolymermatrix zu zerstören, wodurch ein amorpher Bereich simuliert wird, der zu einer höheren Innenleitfähigkeit führt. Darüber hinaus hilft die Einführung von Weichmachern bei der Senkung der Glasübergangstemperatur des Polymers, wodurch es während des Betriebs der Batterie einen Schmelzfluss oder eine Erweichung erfahren kann. Dies hilft dabei, die Mobilisierung der Ionen durch die Membran zu erleichtern. Schließlich muss der Weichmacher durch eine Elektrolytsalzlösung ersetzt. werden, die eine andere Weichmacherkombination aus Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat enthält.
Die Batterie wird durch das getrennte Laminieren sowohl der Anoden- als auch der Kathoden-Verbundzusammensetzung auf Drahtgitter-Stromkollektoren gebildet. Gozdz et al. widmen sich weiterhin dem Haftungsproblem durch eine Oberflächenreinigung der Elektrodenelemente in einer üblichen Kupfer-Glanzbrennlösung, Spülen in Wasser, Trocknen an der Luft, Tauchbeschichten in einer Acetonlösung der Copolymerlösung und deren Trocknen bis zu einem klebrigen Zustand. Insbesondere wurde jede Elektrode hergestellt, indem eine Folie zugeschnitten und auf das tauchbeschichtete Gitter gelegt wurde, wodurch ein Elementepaar gebildet wurde. Das Elementepaar wurde zwischen Pufferfolien aus haftfähigem Polyethylenterephthalat angeordnet und dann durch eine Laminierstation geführt. Ein Elektrode/Kollektor-Paar wurde mit einer dazwischen angeordneten Elektrolytseparatormembran laminiert. Zur Aktivierung der Batterie wurde eine wesentliche Menge des Weichmachers, der die Polymermatrizes der laminierten Schichten, insbesondere des Separators/Elektrolyten, umfasste, aus der laminierten Batteriekonstruktion extrahiert. Die extrahierte Batteriestruktur wurde dann zur Vorbereitung für ein Testen von Lade/Entladezyklen durch Tauchen in einer im Wesentlichen feuchtigkeitsfreien Atmosphäre aktiviert. Während des Tauchens absorbierte die Batterie etwa 20 min lang eine Menge einer 1 M Elektrolytlösung von LiPF₆ in 50:50 Ethylencarbonat (EC):Dimethylcarbonat (DMC), wobei die Batterie eine Menge der Lösung absorbierte, wodurch im Wesentlichen der extrahierte Weichmacher durch die EC/DMC-Lösung ersetzt wurde.
Skotheim et al. ( U.S. 5,601,947 ) offenbaren feste Elektrolyten vom "Geltyp", die aus einer Matrix mit einem hohen Molekulargewicht bestehen, in der ein Elektrolytsalz gelöst ist, die man anschließend mit einer Flüssigkeit mit einem niedrigen Molekulargewicht (Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Glymes, Polysiloxane mit niedrigem Molekulargewicht und Mischungen davon), die tatsächlich als Weichmacher für die Salz-Polymer-Matrix dient, quellen lässt. Brauchbare Elektrolyte vom Geltyp umfassen sulfonierte Polyimide, die aufgequollen sind. Die Einführung dieser Weichmacher beeinflusst die Formstabilität des Materials dahingehend, als sie die Tendenz haben, das Material auszulaugen, wodurch es wieder einen brüchigen und unbiegsamen Zustand einnimmt. Dies beeinflusst die Innenbeweglichkeit des Systems und bewirkt ein Versagen der Haftung.
Whang ( U.S. 5,407,593 ) lehrt, dass der Hauptpfad für den Innentransport in einem Polymerelektrolyten über den amorphen Bereich einer Polymermatrix erfolgt. Somit kann die Innenleitfähigkeit eines polymeren Elektrolyten erhöht werden, indem der kristalline Bereich der Polymermatrix verkleinert und ihr amorpher Bereich vergrößert werden. Die Verfahren, die oft eingesetzt werden, um dies zu erreichen, sind wie folgt: (1) Herstellung eines neuen Polymers wie eines Copolymers oder Polymers mit einer Netzwerkstruktur, (2) Zugabe unlöslicher Additive zur Verbesserung der Elektrolyteigenschaft und (3) die Zugabe von löslichen Additiven zum Erhalt eines neuen Weges für die Innenleitfähigkeit. Polymeren mit hohen Dielektrizitätskonstanten sind gute Matrizes zur Herstellung von polymeren Elektrolyten. Sie ergeben jedoch keine wünschenswerten polymeren Elektrolyten, weil sie hohe Glasübergangstemperaturen oder hohe Kristallinitätsgrade haben. Um dies zu beheben, offenbart Whang einen polymeren Elektrolyten, der keine flüchtigen Komponenten enthält. Dadurch wird gewährleistet, dass keine Änderung der Leitfähigkeit und der Zusammensetzung aufgrund einer Verflüchtigung einiger darin enthaltener Komponenten erfolgt. Somit wird die Leitfähigkeit konstant gehalten. Die polymeren Elektrolyten dieser Erfindung umfassen eine polymere Polymermatrix, ein dissoziierbares Salz und einen Weichmacher aus einem Polyether- oder Polyester-Oligomer mit halogenierten terminalen Gruppen.
Fujimoto et al. ( U.S. 5,468,571 ) offenbaren eine Sekundärbatterie mit einer negativen Elektrode, die ein Kohlenstoffpulver umfasst, wobei Teilchen, aus denen das Pulver besteht, mit einem Polyimid-Bindemittel verfestigt sind. Beim Polymer kann es sich entweder um ein duroplastisches Polyimid oder ein thermoplastisches Polyimid handeln, wobei ersteres sowohl den Kondensationstyp als auch den Additionstyp einschließt. Ein repräsentatives Beispiel für Polyimidharze vom Kondensationstyp ist eines, das durch eine Warmhärtung (Dehydratations-Kondensationsreaktion) einer Lösung einer Polyamidsäure (einer Polyamid-Zwischenstufe) in N-Methyl-2-pyrrolidon erhalten wird. Die Polyamidsäure wird wiederum erhalten, indem ein aromatisches Diamin mit einem aromatischen Tetracarbonsäureanhydrid umgesetzt wird. Die Warmhärtung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von wenigstens 350°C wenigstens 2 h lang durchgeführt, um die Dehydrations-Kondensationsreaktion zu vervollständigen. Sie stellen fest, dass die Polyimid-Zwischenstufe, bei der die Dehydratations-Kondensationsreaktion nicht abgeschlossen ist, nach der Warmhärtung in der negativen Elektrode verbleibt und kondensiert, wenn die Batterietemperatur anormal hoch wird, wodurch Wasser freigesetzt wird, das mit Lithium heftig reagieren kann. Bei Polyimiden vom Additionstyp ist ebenfalls eine Warmhärtung erforderlich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Polyimidbatterie auf der Grundlage eines löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Polyimidelektrolyten, bei dem ein Quellen oder eine Einführung von Weichmachern nicht erforderlich ist.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Polyimidbatterie, die eine hervorragende Haftung zwischen den Schichten aufweist.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Polyimidbatterie, die dazu fähig ist, eine große Menge an Lithiumsalz zu lösen.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Polyimidbatterie, die ökologisch sicher ist.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Polyimidbatterie, die eine hohe ionische Leitfähigkeit mit einer unwesentlichen Änderung über einen Bereich von Temperaturen und Drücken aufweist.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Polyimidbatterie.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Polyimidbatterie, die keine Vorbehandlung der Stromkollektoren erfordert.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Polyimidbatterie, die keine Härtung des Polyimids erfordert.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Polyimidbatterie, bei dem kein Erwärmen des Polyimids über seine Glasübergangstemperatur erforderlich ist.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Polyimidbatterie, bei dem keine hohe Temperatur und kein hoher Druck zur Bildung der Batterie erforderlich sind.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer biegsamen Polyimidbatterie.
KURZBESCHREIBUNG DER EFFINDUNG
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Polyimidbatterie mit einer hervorragenden Haftung zwischen den Schichten, einer hervorraggenden Biegsamkeit und einer hohen Innenleitfähigkeit (1 × 10^–4 Ohm^–1 cm^–1) über einen Bereich von Temperaturen und Drücken bereitgestellt. Die Batterie umfasst wenigstens eine Anode, wenigstens eine Kathode und wenigstens einen Elektrolyten, der zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Jede Anode umfasst einen Anoden-Stromkollektor, ein erstes lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid, einen elektrisch leitfähigen Füllstoff und ein Einschlussmaterial. Jede Kathode umfasst einen Kathoden-Stromkollektor, ein zweites lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid, einen elektrisch leitfähigen Füllstoff und ein Einschlussmaterial. Schließlich umfasst jeder Elektrolyt ein drittes lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid und ein Lithiumsalz. Das erste, das zweite und das dritte lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid können dieselbe chemische Zusammensetzung haben oder nicht und in verschiedenen Kombinationen davon vorliegen.
Die Herstellung der Batterie ist einfach und erfordert eine minimale Anzahl von Schritten. Eine Anodenaufschlämmung wird aus einer Lösung des ersten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids, einem elektrisch leitfähigen Füllstoff und einem Einschlussmaterial hergestellt. Eine Kathodenauf schlämmung, die eine zweite Lösung des löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids, einen elektrisch leitfähigen Füllstoff und ein Einschlussmaterial umfasst, wird ebenfalls hergestellt. Schließlich wird eine Elektrolytlösung hergestellt, die eine Lösung des dritten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids und ein Lithiumsalz umfasst. Die Elektrolytlösung wird zu einem Film gegossen, wodurch eine Elektrolytschicht gebildet wird. Die Anodenaufschlämmung wird auf einen ersten Stromkollektor aufgetragen, wodurch eine Anode gebildet wird, und die Kathodenaufschlämmung wird auf einen zweiten Stromkollektor aufgetragen, wodurch eine Kathode gebildet wird. Die Elektrolytschicht, die Anode und die Kathode werden getrocknet. Die Anode wird mit Lithiumionen beladen, indem die Anode in einer Lithiumsalzlösung eingeweicht wird. Schließlich werden die Anode, die Elektrolytschicht und die Kathode montiert, wodurch eine Batterie gebildet wird.
Diese Herstellungstechnik weist gegenüber bisherigen Techniken mehrere Vorteile auf. Ein Vorteil besteht darin, dass die Stromkollektoren keinem Vorbehandlungsverfahren unterzogen werden müssen, bevor die Anoden- und die Kathodenaufschlämmung aufgetragen werden. Darüber hinaus werden die Anoden- und die Kathodenaufschlämmung aufgetragen, indem sie auf die Stromkollektoren aufgetragen werden, statt sie auf die Stromkollektoren zu laminieren. Weil das Polyimid ein lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid ist, liegt es als vollständig imidisiertes Pulver vor, bevor es dem System zugemischt wird. Andererseits besteht keine Notwendigkeit für ein Erwärmen der Anode, der Kathode und der Elektrolytschicht zum Antreiben einer Polymerisationsreaktion. Stattdessen wird Wärme bei einer niedrigen Temperatur einwirken gelassen, um das Lösungsmittel zu entfernen und das Polymer auszutrocknen. Darüber hinaus gibt es keine Nebenprodukte der Kondensationsreaktion, wie Wasser, zur Wechselwirkung mit dem Lithiumsalz, weil die Imidisierung bereits vor dem Einbringen des Polymers in das System erfolgt ist. Schließlich ergibt die Eigenschaft der Amorphie des Polyimids einen natürlichen Strompfad für die Innenleitfähigkeit. Deswegen besteht keine Notwendigkeit für die Erzeugung eines Pfades durch die Zugabe von Weichmachern oder anderer Additive mit einer niedrigen Molmasse. Die resultierende Batterie ist biegsam, weist eine hervorragende Haftung der Zwischenschichten auf und weist über einen Temperaturbereich eine Ionenleitfähigkeit auf.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind teilweise in der folgenden Beschreibung aufgeführt und sind teilweise aus der Beschreibung offensichtlich oder können durch das Praktizieren der Erfindung gelernt werden. Die Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden durch kombinierte Mittel erhalten, die in den beiliegenden Ansprüchen speziell ausgeführt sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Begleitzeichnungen veranschaulichen eine vollständige Ausführungsform der Erfindung gemäß der besten Modi, die bisher zur praktischen Anwendung ihrer Prinzipien entwickelt wurden und wobei:
1 eine perspektivische Ansicht der Polyimidbatterie der vorliegenden Erfindung ist.
2 ist ein Querschnitt, der entlang der Linien II-II von 1 genommen ist.
3 ist ein Diagramm der Leitfähigkeit bei verschiedenen Temperaturen.
OFFENBARUNG DER EFINDUNG, BESTER MODUS ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG UND INDUSTIELLE ANWENDBARKEIT
Die Polyimidbatterie der vorliegenden Erfindung weist eine hervorragende Haftung zwischen den Schichten auf, ist biegsam, ökologisch sicher und weist eine Ionenleitfähigkeit über einen Bereich von Temperaturen und Drücken auf. Die Batterie umfasst wenigstens eine Anode, wenigstens eine Kathode und wenigstens einen Elektrolyten, der zwischen einer jeden Anode und einer jeden Kathode angeordnet ist. Die Anode, die Kathode und der Elektrolyt können als sehr dünne Schichten oder Schichten mit einer Dicke von weniger als 1 mil (1 mil = 2,54 · 10^–5 m) aufgetragen werden. Aufgrund dieser Fähigkeit können die Anode, die Kathode und der Elektrolyt in mehreren Schichten ähnlich wie bei einer mehrschichtigen Platine aufeinander geschichtet werden. Die Batterie wiederum kann Kombinationen wie die folgenden umfassen: 1) eine Anode, einen Elektrolyten und eine Kathode, 2) zwei Anoden, zwei Elektrolyten und eine Kathode, 3) zwei Kathoden, zwei Elektrolyten und eine Anode oder 4) viele Anoden, viele Elektrolyten und viele Kathoden oder 5) eine bipolare Konfiguration, so dass eine Kathode um eine Anode gefaltet ist, die vom Elektrolyten umgeben ist. Die Endkonfiguration hängt von der gewünschten Anwendung der Batterie ab. 1 zeigt die einfachste Konfiguration für die Batterie 10, bei der es einen Anoden-Stromkollektor 11 und einen Kathoden-Stromkollektor 12 gibt, die zum Anschluss an die gewünschte Schaltung und zur Beförderung von Spannung und Strom oder zum Wiederaufladen der Batterie aus dem Hauptkörperteil der Batterie herausragen. Der Hauptkörperteil ist von einer Abdeckfolie 13 umhüllt, bei der es sich um eine ein- oder mehrschichtige Folie handelt, die gegenüber Gasen oder Flüssigkeit undurchlässig ist. Vorzugsweise ist die Abdeckfolie eine sehr dünne, laminierte Folie mit einer hohen Sperrwirkung, die für die Anwendung geeignet ist und hinsichtlich der Bildung der Batterie leicht verarbeitbar ist. Viele dieser Abdeckfolien wie die laminierten dreischichtigen Folien KAPAK KSP-150 oder KSP-120 von Kapak, Inc. sind in der Industrie wohlbekannt. Alternativ kann die von der Sealright Flexible Packaging Group hergestellte mehrschichtige PET/LDPE/0,000285-Folie mit einer Dicke von 48 × 10^–3 inch (48 gauge) ebenfalls verwendet werden.
Es sei jetzt auf 2 verwiesen, in der ein Querschnitt der Zusammensetzung der Batterie 10 veranschaulicht ist. Jede Anode 14 umfasst einen Anoden-Stromkollektor 11, ein erstes lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid (nicht dargestellt), einen elektrisch leitfähigen Füllstoff (nicht dargestellt) und ein Einschlussmaterial (nicht dargestellt). Der Anoden-Stromkollektor 11 kann aus jedem den Fachleuten bekannten Material hergestellt sein. Es ist ein elektrisch leitfähiges Element aus einem Metall wie Aluminium. Vorzugsweise ist der Anoden-Stromkollektor 11 eine dünne (etwa 0,5–1,0 mil (1 mil = 2,54 ∙ 10^–5 m)), aufgeweitete Folie mit regelmäßigen Öffnungen darin, wie sie bei einem Sieb gefunden werden. Ein Teil des Anoden-Stromkollektors 11 erstreckt sich vom Hauptkörper der Batterie 10, wodurch eine Vorrichtung für eine externen Anschluss erhalten wird, wobei der Hauptteil des Anoden-Stromkollektors 11 sich innerhalb des Deckels 13 befindet und von einem Anoden-Verbundmaterial 21 umhüllt ist. Das Anoden-Verbundmaterial 21 besteht aus einem ersten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimid, einem elektrisch leitfähigen Füllstoff und einem Einschlussmaterial. Das erste lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid ist ein beliebiges lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid, das den Fachleuten bekannt ist. Das erste lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid kann dieselbe chemische Zusammensetzung wie das für die Kathode bzw. den Elektrolyten verwendete zweite bzw. dritte lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid haben oder davon verschieden sein. Insbesondere umfassen diese Polyimide, ohne darauf beschränkt zu sein: MATRIMID XU5218, von Ciba-Geigy kommerziell erhältlich, ULTEM 1000P, von General Electric kommerziell erhältlich, und LaRC-CP1, LaRC-CP2 und LaRC-SI, alle von Imitec, Inc., Schenectady, New York, erhältlich. Ein beliebiger, den Fachleuten bekannter elektrisch leitfähiger Füllstoff kann mit dem ersten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimid und einem Lösungsmittel unter Bildung einer Aufschlämmung vermischt sein. Beispiele für den elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, leitfähigen Kohlenstoff, Ruß, Graphit, Graphitfaser und Graphitpapier. Zusätzlich zum elektrisch leitfähigen Füllstoff bildet ein Einschlussmaterial ebenfalls einen Bestandteil der Anode. Jedes beliebige Einschlussmaterial, das den Fachleuten bekannt ist, kann verwendet werden, und ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Aktivkohle, Graphit, Petrolkoks, einer Lithiumlegierung, Nickelpulver und einem Lithium-Einschlussmaterial mit niedriger Spannung. Als alternative Ausführungsform kann die Anode weiterhin ein Lithiumsalz umfassen. Jedes beliebige, den Fachleuten bekannte Lithiumsalz, aber insbesondere diejenigen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO₄), Li(BF₄), Li(PF₆), Li(AsF₆), Li(CH₃CO₂), Li(CF₃SO₃), Li(CF₃SO₂)₂N, Li(CF₃SO₂)₃, Li(CF₃CO₂), Li(B(C₆H₅)₄), Li(SCN) und Li(NO₃), kann verwendet werden. Am meisten bevorzugt ist das Lithiumsalz Li(PF₆). Die Zugabe des Lithiumsalzes zur Anode führt zu einer erhöhten Innenleitfähigkeit.
Die Kathode 15 umfasst einen Kathoden-Stromkollektor 12. Wie beim Anoden-Stromkollektor erstreckt sich ein Teil des Kathoden-Stromkollektors 12 vom Hauptkörper der Batterie 10, wodurch eine Vorrichtung für einen externen Anschluss erhalten wird. Der größte Teil des Kathoden-Stromkollektors 12 befindet sich jedoch innerhalb des Deckels 13 und ist in einem Kathoden-Verbundmaterial 22 eingeschlossen. Beim Kathoden-Stromkollektor 12 handelt es sich um einen beliebigen Kathoden-Stromkollektor, der den Fachleuten bekannt ist, und er ist vorzugsweise eine dünne 0,25–1,0 mil (1 mil = 2,54 · 10^–5 m), aufgeweitete Metallfolie mit Öffnungen darin. Vorzugsweise handelt es sich beim Metall um Kupfer. Die Öffnungen haben vorzugsweise eine regelmäßige Konfiguration, wie sie bei einem Sieb gefunden wird. Das Kathoden-Verbundmaterial 22 besteht aus einem zweiten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimid, einem elektrisch leitfähigen Füllstoff und einem Metalloxid. Das zweite lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid kann dieselbe chemische Zusammensetzung wie das erste bzw. das dritte lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid haben, die in der Anode bzw. im Elektrolyten verwendet werden. Das zweite lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid kann ein beliebiges lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid sein, das den Fachleuten bekannt ist. Spezielle Beispiele umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein: MATRIMID XU5218, von Ciba-Geigy kommerziell erhältlich, ULTEM 1000P, von General Electric kommerziell erhältlich, und LaRC-CP1, LaRC-CP2 und LaRC-SI, alle von Imitec, Inc., Schenectady, New York, erhältlich. Ein beliebiger, den Fachleuten bekannter elektrisch leitfähiger Füllstoff kann mit dem zweiten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimid und einem Lösungsmittel unter Bildung einer Aufschlämmung vermischt sein. Beispiele für solche elektrisch leitfähigen Füllstoffe umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, leitfähigen Kohlenstoff, Ruß, Graphit, Graphitfaser und Graphitpapier. Darüber hinaus umfasst die Kathode ein Metalloxid. Jedes beliebige, den Fachleuten bekannte Metalloxid kann verwendet werden, wobei das Metalloxid insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiCoO₂, LiMnO₂, LiNiO₂, V₆O₁₃, V₂O₅ und LiMn₂O₄. Als alternative Ausführungsform kann die Kathode weiterhin ein Lithiumsalz umfassen. Jedes beliebige, den Fachleuten bekannte Lithiumsalz kann verwendet werden, aber insbesondere diejenigen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO₄), Li(BF₄), Li(PF₆), Li(AsF₆), Li(CH₃CO₂), Li(CF₃SO₃), Li(CF₃SO₂)₂N, Li(CF₃SO₂)₃, Li(CF₃CO₂), Li(B(C₆H₅)₄), Li(SCN) und Li(NO₃). Am meisten bevorzugt ist das Lithiumsalz Li(PF₆). Wie bei der Anode führt die Zugabe eines Lithiumsalzes zur Kathode zu einer Erhöhung der Innenleitfähigkeit.
Der Elektrolyt 16 befindet sich zwischen der Anode 14 und der Kathode 15. Der Elektrolyt 16 umfasst ein drittes lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid und ein Lithiumsalz 23. Beim dritten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimid kann es sich um ein beliebiges lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid handeln, das den Fachleuten bekannt ist, und es kann dieselbe chemische Zusammensetzung wie das erste bzw. das zweite lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid aufweisen, die für die Anode bzw. die Kathode verwendet werden. Spezielle Beispiele umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, MATRIMID XU5218, von Ciba-Geigy kommerziell erhältlich, ULTEM 1000P, von General Electric kommerziell erhältlich, LaRC-CP1, LaRC-CP2 und LaRC-Si, von Imitec. Inc., Schenectady, New York, kommerziell erhältlich. Das Lithiumsalz ist ein beliebiges, den Fachleuten bekanntes Lithiumsalz. Insbesondere ist das Lithiumsalz ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO₄), Li(BF₄), Li(PF₆), Li(AsF₆), Li(CH₃CO₂), Li(CF₃SO₃), Li(CF₃SO₂)₂N, Li(CF₃SO₂)₃, Li(CF₃CO₂), Li(B(C₆H₅)₄), Li(SCN) und Li(NO₃). Am meisten bevorzugt ist das Lithiumsalz Li(PF₆). In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Elektrolyt etwa 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids und etwa 1 Gew.-% bis etwa 12 Gew.-% des Lithiumsalzes.
Der Schlüssel zur Erfindung liegt in den löslichen, amorphen, thermoplasti schen Polyimiden. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimide sind vollständig imidisiert und liegen üblicherweise in Pulverform vor. Zur Herstellung der Folie, der Beschichtung oder Aufschlämmung aus dem Polyimid muss dieses in einem Lösungsmittel wie N,N-Methylpyrrolidinon (NMP), Dimethylacetamid (DMAc) und Dimethylformamid (DMF) gelöst werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Polyimide sich in diesen Lösungsmitteln lösen. Das Lösungsmittel wird weder zum Quellen des Polymers verwendet, noch quillt das Polymer, weil es ein Thermoplast ist. Darüber hinaus besteht keine Notwendigkeit für ein weiteres Härten der Polyimide bei höheren Temperaturen, was eine Beschädigung der Batterie verursachen könnte, weil die Polyimide vollständig imidisiert sind. Stattdessen werden die Polyimde beim Flammpunkt des Lösungsmittels ausschließlich zum Zweck einer Entfernung des Lösungsmittels getrocknet. Keine weitere Polymerisation erfolgt, somit gibt es keine Nebenprodukte der Kondensationsreaktion (Wasser), die mit den Lithiumsalzen Wechselwirken. Das Merkmal der Amorphie des Polyimids ergibt anders als bei den kristallinen oder halbkristallinen Polymeren, die bisher verwendet wurden, einen ungehinderten Weg für die Innenbeweglichkeit. Darüber hinaus wurde gefunden, dass große Mengen an Lithiumsalzen in diesen Polyimidlösungen gelöst werden konnten, ohne die Polymermatrix zu stören. Schließlich wiesen diese Polyimide eine hervorragende Haftung an den Stromkollektoren sowie eine hervorragende Haftung zwischen den Zwischenschichten auf. Diese Haftung zwischen den Schichten vermindert den Widerstand und Polarisierungseffekte in der Batterie.
Die chemischen Zusammensetzungen des ersten, zweiten und dritten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids können in verschiedenen Kombinationen vorliegen. Beispielsweise können alle drei Polyimide gleich sein, wie MATRIMID XU5218. Alternativ können andere Kombinationen wie die folgenden existieren: 1) das erste und das zweite Polyimid sind gleich, und das dritte ist verschieden, 2) das erste und das dritte Polyimid sind gleich, und das zweite ist verschieden, 3) das zweite und das dritte Polyimid sind gleich, und das erste ist verschieden, oder 4) alle drei Polyimide sind verschieden.
Das Verfahren zur Herstellung der Polyimidbatterie der vorliegenden Erfindung ist leichter als frühere Verfahren. Insbesondere ist bei diesem Verfahren eine Vorbehandlung der Stromkollektoren nicht erforderlich. Darüber hinaus ist zur Verarbeitung des Polyimidpolymers weder ein weiteres Härten noch eine Erwärmung über seine Glasübergangstemperatur erforderlich. Schließlich ist zur Bildung des Laminats der Polyimidbatterie keine hohe Temperatur oder hoher Druck erforderlich.
Das Verfahren umfasst mehrere Schritte. Zuerst wird eine Anodenaufschlämmung hergestellt, die eine Lösung des ersten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids, einen elektrisch leitfähigen Füllstoff und ein Einschlussmaterial umfasst. Die Lösung des ersten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids wird hergestellt, indem etwa 8 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% eines ersten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimidpulvers mit etwa 80 Gew.-% bis etwa 92 Gew.-% eines Lösungsmittels vermischt werden. Das erste lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimidpulver kann dieselbe chemische Zusammensetzung wie diejenige aufweisen, die im Elektrolyten oder in der Kathodenaufschlämmung gefunden wird, oder auch nicht. Als alternative Ausführungsform wird ein Lithiumsalz zur Lösung des ersten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids gegeben.
Eine Kathodenaufschlämmung, die eine Lösung des zweiten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids, einen elektrisch leitfähigen Füllstoff und ein Metalloxid umfasst, wird ebenfalls hergestellt. Die Lösung des zweiten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids wird hergestellt, indem etwa 8 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% eines zweiten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimidpulvers mit etwa 80 Gew.-% bis etwa 92 Gew.-% eines Lösungsmittels vermischt werden. Das erste lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimidpulver kann dieselbe chemische Zusammensetzung wie diejenige aufweisen, die im Elektrolyten oder in der Anodenaufschlämmung gefunden wird, oder auch nicht. Als alternative Ausführungsform wird ein Lithiumsalz zur Lösung des zweiten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids gegeben.
Es wird eine Elektrolytlösung hergestellt, die eine Lösung des dritten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids und ein Lithiumsalz umfasst. Die Lösung des dritten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids wird hergestellt, indem etwa 8 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% eines zweiten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimidpulvers mit etwa 80 Gew.-% bis etwa 92 Gew.-% eines Lösungsmittels vermischt werden. Etwa 20 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-% eines Lithiumsalzes werden in etwa 65 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% eines Lösungsmittels gelöst, wodurch eine Lösung gebildet wird. Die Lösung wird dann mit der Lösung des ersten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids vermischt, wodurch die Elektrolytlbsung gebildet wird. Der Elektrolyt umfasst etwa 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids und etwa 1 Gew.-% bis etwa 12 Gew.-% des Lithiumsalzes.
Eine Elektrolytschicht wird durch das Gießen eines Films der Elektrolytlbsung gebildet. Der Film wird unter Anwendung einer standardmäßigen Dünnfilmtechnik wie dem Rotationsgießen oder unter Verwendung einer Rakel zum Dünnermachen der Lösung zu einem Film mit einer von 0,25 mil bis etwa 20 mil reichenden Dicke gegossen. Die Elektrolytschicht wird mit einem Verfahren, das den Fachleuten bekannt ist, und insbesondere in einem Ofen bei etwa 70 bis etwa 150°C etwa 20 bis etwa 60 min lang getrocknet, um das Lösungsmittel abzutreiben. Insbesondere kann die Elektrolytschicht in einem Ofen bei etwa 150°C etwa 30 bis 60 min lang vollständig getrocknet werden, wodurch ein opaker, biegsamer, glatter, zäher Film gebildet wird.
Eine Anode wird gebildet, indem die Anodenaufschlämmung auf einen ersten Stromkollektor aufgetragen wird. Jede den Fachleuten bekannte Beschichtungstechnik kann verwendet werden, vorausgesetzt, sie ist nicht laminierend. Eine solche Beschichtungstechnik umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, die Abscheidung aus der Dampfphase, das Tauchbeschichten, Schleu derbeschichten, Siebbeschichten und das Beschichten mit einem Pinsel. Eine Vorbereitung des Stromkollektors ist nicht erforderlich. Darüber hinaus wird die Anodenaufschlämmung als relativ dünne Schicht auf den ersten Stromkollektor aufgetragen. Die Anode wird durch jedes beliebige, den Fachleuten bekannte Verfahren und insbesondere in einem Ofen mit Schwerkraftabfluss etwa 20 bis etwa 60 min lang bei etwa 70 bis 150°C getrocknet, wodurch das Lösungsmittel abgetrieben wird und ein klebriger Film verbleibt. Vorzugsweise kann die Anode in einem Ofen bei etwa 150°C in etwa 30 bis 60 min vollständig getrocknet werden. Es wurde beobachtet, dass die Anodenaufschlämmung eine hervorragende Haftung am ersten Stromkollektor aufwies. Die Anode wird mit Lithiumionen beladen, indem sie etwa 20 bis etwa 45 min lang in einer 1 M Lithiumsalzlösung eingeweicht wird. Die Lithiumsalzlösung umfasst ein Lithiumsalz, das in einem 50/50-Gemisch aus Ethylencarbonat (EC)/Propylencarbonat (PC) gelöst ist. Nachdem das Einweichen der Anode beendet ist, wird sie trocken gewischt, um überschüssige Lösung zu entfernen.
Eine Kathode wird gebildet, indem die Kathodenaufschlämmung auf einen zweiten Stromkollektor aufgetragen wird. Jede den Fachleuten bekannte Beschichtungstechnik kann verwendet werden, vorausgesetzt, sie ist nicht laminierend. Eine solche Beschichtungstechnik umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, die Abscheidung aus der Dampfphase, das Tauchbeschichten, Schleuderbeschichten, Siebbeschichten und das Beschichten mit einem Pinsel. Wie bei der Anode ist eine Vorbereitung des Stromkollektors erforderlich. Die Kathodenaufschlämmung wird als relativ dünne Schicht auf den zweiten Stromkollektor aufgetragen. Die Kathode wird durch jedes beliebige, den Fachleuten bekannte Verfahren und insbesondere in einem Ofen etwa 20 bis etwa 60 min lang bei etwa 70 bis 150°C getrocknet, wodurch das Lösungsmittel abgetrieben wird und ein klebriger Film verbleibt. Alternativ kann die Kathode in einem Ofen bei etwa 150°C etwa 30 bis 60 min lang getrocknet werden. Es wurde beobachtet, dass die Kathodenaufschlämmung eine hervorragende Haftung am zweiten Stromkollektor aufwies.
Die Anode, die Elektrolytschicht und die Kathode werden montiert, wodurch eine Batterie gebildet wird. Das Montageverfahren erfolgt unter Verwendung verschiedener Verfahren. In einer Ausführungsschicht wird die Anode bereitgestellt. Zuletzt wird ein Tropfen der Elektrolytlösung auf die Anode aufgetragen. Ein Tropfen ist als die Menge definiert, die aus einer standardmäßige Pipette ausgedrückt wird. Die Unterseite der Elektrolytschicht wird so auf der Anode angeordnet, dass die Elektrolytlösung dazwischen angeordnet ist. Wenigstens ein Tropfen der Elektrolytlösung wird auf die Oberseite der Elektrolytschicht aufgetragen. Alternativ könnte ein Tropfen der Elektrolytlösung auf die Kathode statt auf die Elektrolytschicht aufgetragen werden. Die Kathode wird auf der Oberseite der Elektrolytschicht angeordnet, wobei die Elektrolytschicht dazwischen angeordnet ist, wodurch eine Anordnung gebildet wird. Die Anordnung wird auf eine Temperatur erwärmt, die ausreichend ist, um ein Trocknen der Elektrolytlösung zu ermöglichen und bei der jedes lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid ein Erweichen oder einen Schmelzfluss erfährt. Das Erweichen des Polymers ermöglicht einen innigen lateralen Kontakt zwischen den Schichten, wodurch schließlich eine gleichmäßige Anordnung gebildet wird, die mit sich selbst verklebt ist und eine hervorragende Haftung zwischen den Zwischenschichten aufweist. Nach dem Erwärmen wird die Anordnung auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Als zusätzlicher Schritt wird die Anordnung in einem Schutzgehäuse positioniert und mit 0,5 mA bei einer konstanten Spannung oder einem konstanten Strom geladen.
Als alternatives Montageverfahren werden die Elektrolytschicht, die Anode und die Kathode bis zu einem klebrigen Zustand getrocknet. Die Batterie wird durch das Bereitstellen der Anode montiert. Die Elektrolytschicht wird auf der Anode positioniert. Die Kathode wird auf der Elektrolytschicht positioniert, wodurch eine Anordnung gebildet wird. Druck wird auf die Anordnung einwirken gelassen. Der Druck kann so klein wie möglich sein, wobei die Schichten von Hand oder durch das Einwirkenlassen von Druck in einer Presse zusammengepresst werden. Die Höhe des erforderlichen Drucks ist ausreichend, um einen innigen Kontakt zwischen den Schichten zu ermöglichen. In einem zusätzlichen Verfahrensschritt wird die Anordnung auf eine Temperatur erwärmt, bei der jedes lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid einen Schmelzfluss erfährt. Dann wird die Anordnung auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Schließlich wird die Anordnung in einem Schutzgehäuse eingeschlossen und mit 0,5 mA bei einer konstanten Spannung oder einem konstanten Strom geladen. Die aus diesem Verfahren resultierenden Batterien weisen eine hervorragende Haftung zwischen den Schichten auf, sind biegsam und weisen eine Innenleitfähigkeit über einen weiten Temperaturbereich auf.
BEISPIELE
Beispiel 1
Eine Elektrolytlösung wurde gemäß der folgenden Formulierung hergestellt:

Ausgangsmaterial Gew.-%

Li(PF₆) 8,5

MATRIMID XU5218 6,4

NMP 85,1
8,0 g Li(PF₆) wurden in einer trockenen Inertatmosphäre und unter konstantem Rühren in 40 g NMP gelöst, wodurch eine Lösung gebildet wurde. In einem getrennten Kolben wurden 6,0 g MATRIMID XU5218, ein lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid, das von Ciba-Geigy kommerziell erhältlich ist, in 40 g NMP gelöst. Dann wurde die Lithiumsalzlösung unter konstantem Rühren zur löslichen Polyimidlösung gegeben.
Ein Film wurde unter Verwendung einer Rakel gegossen, die auf eine Dicke von 6 bis 8 mal eingestellt war. Der Film wurde in einem Ofen bei etwa 140°C etwa 30 bis 45 min lang getrocknet, wodurch ein opaker, biegsamer, glatter, zäher Film mit einer Dicke von etwa 0,5 mal erhalten wurde. Leitfähigkeitstests der Elektrolytschicht wurden bei verschiedenen Temperaturen durchge führt. Der Temperaturzyklus umfasste eine Rampe und ein Halten bei 80°C, gefolgt von zwei Rampen von Raumtemperatur nach oben und nach unten bis 60°C. Der Wert von log(ε'' · 2πF) betrug über diese Temperatursequenz etwa 1,1 × 10⁹. Weil σ = ε₀(ε'' · 2πF), wobei ε₀ = 8,85 × 10^–14 J^–1 cm^–1, betrug der Wert von σ in diesem Temperaturbereich 1 × 10^–4 Ohm^–1 cm^–1. Die Ergebnisse dieses Tests sind in 3 veranschaulicht.
Beispiel 2
Eine Anode wurde gemäß der folgenden Formulierung hergestellt:

Ausgangsmaterial Gew.-%

Graphit 46,0

Ruß 2,4

Li(PF₆) 2,3

MATRIMID XU5218 3,4

NMP 45,9
Das lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid MATRIMID XU5218, das von Ciba-Geigy kommerziell erhältlich ist, wurde in einem Teil des NMP gelöst, wodurch eine Polyimidlösung gebildet wurde. Zur Polyimidlösung wurden der Graphit und der Kohlenstoff gegeben. In einem getrennten Kolben wurde das Li(PF₆) in einem Teil des Lösungsmittels gelöst, wodurch eine Lithiumsalzlösung gebildet wurde. Die Lithiumsalzlösung wurde zur Polyimidlösung gegeben, wodurch eine Aufschlämmung gebildet wurde. Die Aufschlämmung wurde etwa 60 min lang kugelgemahlen. Die Aufschlämmung wurde dann mit dem übrigen Lösungsmittel verdünnt und weitere 60 min lang kugelgemahlen. Die resultierende Anodenaufschlämmung wurde auf einen Aluminiumstreifen aufgetragen und in einem Ofen bei etwa 70 bis 150 °C etwa 20 bis 60 min lang getrocknet. Die Anode wurde mit Lithiumionen beladen, indem sie etwa 20 bis etwa 45 min lang in einer 1 M Lithiumsalzlösung eingeweicht wurde. Die Lithiumsalzlösung umfasst Li(PF₆), das in einem 50/50-Gemisch von Ethylencarbonat (EC)/Propylencarbonat (PC) gelöst ist, wodurch eine 1-molare Lösung gebildet wird. Nachdem das Einweichen der Anode beendet war, wurde sie trocken gewischt, um überschüssige Lösung zu entfernen.
Beispiel 3
Eine Kathode wurde gemäß der folgenden Formulierung hergestellt:

Ausgangsmaterial Gew.-%

Metalloxid 42,34

Ruß 4,77

Li(PF₆) 2,24

MATRIMID XU5218 4,84

NMP 45,81
Das lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid MATRIMID XU5218, das von Ciba-Geigy kommerziell erhältlich ist, wurde in einem Teil des NMP gelöst, wodurch eine Polyimidlösung gebildet wurde. Zur Polyimidlösung wurden das Oxid und der Kohlenstoff gegeben. In einem getrennten Kolben wurde das Li(PF₆) in einem Teil des Lösungsmittels gelöst, wodurch eine Lithiumsalzlösung gebildet wurde. Die Lithiumsalzlösung wurde zur Polyimidlösung gegeben, wodurch eine Aufschlämmung gebildet wurde. Die Aufschlämmung wurde etwa 60 min lang kugelgemahlen. Die Aufschlämmung wurde dann mit dem übrigen Lösungsmittel verdünnt und weitere 60 min lang kugelgemahlen. Die resultierende Kathodenaufschlämmung wurde auf einen Kupferstreifen aufgetragen und in einem Ofen bei etwa 70 bis 150°C etwa 20 bis 60 min lang getrocknet.
Beispiel 4
Eine Batterie wurde mit der Elektrodenschicht von Beispiel 1, der Anode von Beispiel 2 und der Kathode von Beispiel 3 hergestellt. Ein Tropfen der in Beispiel 1 hergestellten Elektrolytlösung wurde auf die Oberfläche der Anode aufgetragen. Die Elektrolytschicht wurde so auf der Anode angeordnet, dass die Elektrolytlösung als Klebstoff diente. Ein zweiter Tropfen der Elektrolytlösung wurde auf die Oberseite der Elektrolytschicht aufgetragen, und die Kathode wurde darauf positioniert. Dann wurde die Anordnung von Hand zusammengedrückt und in einen Ofen gelegt. Die Anordnung wurde etwa 30 bis 60 min lang auf etwa 150°C erwärmt. Dann wurde die Anordnung auf Raumtemperatur abkühlen gelassen und auf Anzeichen einer Delaminierung untersucht. Es gab kein Versagen der Haftung zwischen den Schichten. Die Anordnung wurde dann in einem Schutzgehäuse positioniert und mit 0,5 A bei konstanter Spannung oder konstantem Strom geladen, wodurch ein fertiges Batterieprodukt gebildet wurde.
Beispiel 5
Mehrere Batterien von Beispiel 4 wurden miteinander verbunden, um ein Mobiltelefon mit Strom zu versorgen. Das Mobiltelefon wurde für mehrere Fern- und Ortsgespräche verwendet. Jeder Anruf dauerte ununterbrochen etwa 5 min. Nach jedem Anruf wurden die Batterien wieder aufgeladen.

Claims

Batterie, umfassend: wenigstens eine Anode, wobei jede Anode Folgendes umfasst: einen Anoden-Stromkollektor, ein erstes lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid, wobei das Polyimid in einem Lösungsmittel löslich ist, das aus der aus N-Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylacetamid (DMAc) und Dimethylformamid (DMF) bestehenden Gruppe ausgewählt ist, einen elektronisch leitfähigen Füllstoff und ein Einschlussmaterial, wenigstens eine Kathode, wobei jede Kathode Folgendes umfasst: einen Kathoden-Stromkollektor, ein zweites lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid, wobei das Polyimid in einem Lösungsmittel löslich ist, das aus der aus N-Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylacetamid (DMAc) und Dimethylformamid (DMF) bestehenden Gruppe ausgewählt ist, einen elektronisch leitfähigen Füllstoff und ein Metalloxid, und wenigstens einen Elektrolyten, der zwischen jeder Anode und jeder Kathode angeordnet ist, wobei jeder Elektrolyt aus einer getrockneten Elektrolytlösung besteht, die ein drittes lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid und ein Lithiumsalz umfasst, wobei das Polyimid in einem Lösungsmittel löslich ist, das aus der aus N-Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylacetamid (DMAc) und Dimethylformamid (DMF) bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Batterie nach Anspruch 1, wobei wenigstens zwei des ersten, des zweiten und des dritten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimids dieselbe chemische Zusammensetzung haben.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kathode und/oder die Anode weiterhin ein Lithiumsalz umfassen.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lithiumsalz aus der aus LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO₄), Li(BF₄), Li(PF₆), Li(AsF₆), Li(CH₃CO₂), Li(CF₃SO₃), Li(CF₃SO₂)₂N, Li(CF₃SO₂)₃, Li(CF₃CO₂), Li(B(C₅H₅)₄), Li(SCN) und Li(NO₃) bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Batterie nach Anspruch 4, wobei das Lithiumsalz Li(PF₆) ist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anoden-Stromkollektor und/oder der Kathoden-Stromkollektor eine aufgeweitete Metallfolie mit Öffnungen umfasst.
Batterie nach Anspruch 6, wobei der Anoden-Stromkollektor eine aufgeweitete Aluminiumfolie mit Öffnungen umfasst.
Batterie nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Kathoden-Stromkollektor eine aufgeweitete Kupferfolie mit Öffnungen umfasst.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einschlussmaterial aus der aus Kohlenstoff, Aktivkohle, Graphit, Petrolkoks, einer Lithiumlegierung, Nickelpulver und einer Lithium-Einschlussverbindung mit niedriger Spannung bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metalloxid aus der aus LiCoO₂, LiMnO₂, LiNiO₂, V₆O₁₃, V₂O₅ und LiMn₂O₄ bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie nach einem der Ansprüche 1–10, umfassend die Schritte des: a) Herstellens einer Anodenaufschlämmung, die ein erstes lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid, das in einem Lösungsmittel gelöst ist, das aus der aus N-Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylacetamid (DMAc) und Dimethylformamid (DMF) bestehenden Gruppe ausgewählt ist, einen elektronisch leitfähigen Füllstoff und ein Einschlussmaterial umfasst b) Herstellens einer Kathodenaufschlämmung, die ein zweites lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid, das in einem Lösungsmittel gelöst ist, das aus der aus N-Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylacetamid (DMAc) und Dimethylformamid (DMF) bestehenden Gruppe ausgewählt ist, einen elektronisch leitfähigen Füllstoff und ein Metalloxid umfasst, c) Herstellens einer Elektrolytlösung, die ein drittes lösliches, amorphes, thermoplastisches Polyimid, das in einem Lösungsmittel gelöst ist, das aus der aus N-Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylacetamid (DMAc) und Dimethylformamid (DMF) bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und ein Lithiumsalz umfasst, d) Gießens eines Films der Elektrolytlösung, wodurch eine Elektrolytschicht gebildet wird, e) Gießens der Anodenaufschlämmung auf einen ersten Stromkollektor, wodurch eine Anode gebildet wird, f) Gießens der Kathodenaufschlämmung auf einen zweiten Stromkollektor, wodurch eine Kathode gebildet wird, g) Trocknens der Elektrolytschicht, der Anode und der Kathode, h) Einweichens der Anode in einer Lithiumsalzlösung und i) Montierens der Anode, der getrockneten Elektrolytschicht und der Kathode, wodurch eine Batterie gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine oder mehrere der löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimidlösungen durch das Vermischen eines löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimidpulvers mit einem Lösungsmittel hergestellt wird bzw. werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Lithiumsalz zur ersten und/oder zweiten löslichen, amorphen, thermoplastischen Polyimidlösung gegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–13, wobei die Batterie montiert wird durch das: a) Bereitstellen der Anode, b) Auftragen wenigstens eines Tropfens der Elektrolytlösung auf die Anode, c) Positionieren der getrockneten Elektrolytschicht auf der Anode, wobei die Elektrolytschicht dazwischen angeordnet ist, d) Auftragen wenigstens eines Tropfens der Elektrolytlösung auf die getrocknete Elektrolytschicht, e) Positionieren der Kathode auf der getrockneten Elektrolytschicht, wobei die Elektrolytlösung dazwischen angeordnet wird, wodurch eine Anordnung gebildet wird, f) Erwärmen der Anordnung bei einer Temperatur, die ausreichend ist, um ein Trocknen der Elektrolytlösung zu ermöglichen und wobei jedes lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid einen Schmelzfluss erfährt, und das g) Abkühlen der Anordnung auf Raumtemperatur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–13, wobei die Elektrolytschicht, die Anode und die Kathode bis zu einem klebrigen Zustand getrocknet werden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Batterie montiert wird durch das: a) Bereitstellen der Anode, b) Positionieren der Elektrolytschicht auf der Anode, c) Positionieren der Kathode auf der Elektrodenschicht, wodurch eine Anordnung gebildet wird, und das d) Einwirkenlassen von Druck auf die Anordnung.
Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend die Schritte des Erwärmens der Anordnung auf eine Temperatur, bei der jedes lösliche, amorphe, thermoplastische Polyimid einen Schmelzfluss erfährt, und des Abkühlens der Anordnung auf Raumtemperatur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–17, weiterhin umfassend den Schritt des Einschließens der Anordnung in einem Schutzgehäuse.