WO2018077908A1 - Method for producing a lithium ion cell and for producing a lithium ion battery, and lithium ion battery - Google Patents

Method for producing a lithium ion cell and for producing a lithium ion battery, and lithium ion battery Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a rechargeable lithium-ion cell for a lithium-ion battery, in which initially a cell with at least one cathode, an anode, a separator and an electrolyte is provided. Subsequently, the cell is formed by at least one charging and / or discharging process, for which at least one forming voltage, a charging current, a discharge current and / or a charging temperature are specified.
  • the invention relates to a method for producing a lithium-ion battery, in which a plurality of lithium-ion cells are prepared, which were prepared as described above.
  • the invention relates to a lithium-ion battery with correspondingly prepared lithium-ion cells.
  • Components of a lithium-ion cell such as the anode, the cathode, the electrolyte and the separator, is followed by the so-called forming process, in which the lithium-ion cell is converted from its inactive ground state into an operable state.
  • the forming process is intended to form and stabilize a defined boundary layer between the anode and the electrolyte.
  • This boundary layer is a corrosion layer that has positive properties in controlled growth with regard to the further behavior of the lithium-ion cell and the performance of the lithium-ion cell. The given during formation settings with respect to the forming voltage, the
  • Charge current, the discharge current, a cell and / or ambient temperature, are therefore important for the formation of an advantageous, efficient and high-life lithium-ion cell or battery.
  • the aim of formation is to increase an initial capacity of the lithium-ion cell, to minimize a drop in capacitance over time and to improve the cycle stability, ie the long-term behavior of the lithium-ion battery as a result of a large number of charging and discharging processes.
  • the publication WO 2016/045887 A1 discloses, for example, a method in which at least one first charging process up to the maximum operating voltage with the decomposition of lithium peroxide is carried out to produce a lithium-ion cell.
  • the invention has for its object to provide an improved process for the production of lithium-ion cells or lithium-ion batteries, by which in particular the cycle stability is improved.
  • the at least one forming voltage is kept temporarily constant or nearly constant. Depending on voltage value and
  • Charge value is identified as an optimal time at which maintaining the formation voltage constant causes the cycle stability increases in the later use of the lithium-ion cell.
  • the detection or determination of voltage value and charge value can be done by standard means, so that thereby no
  • Pausing the charging or discharging corresponds to a current voltage value, leads to a defined formation of a boundary layer between the anode and electrolyte, and this in turn leads to an improved performance potential of the lithium-ion cell leads, in particular with respect to the cycle stability.
  • the detected inflection points and / or maxima and / or minima represent the time at which the at least one forming voltage is kept constant during the formation process. This makes use of the fact that at the time at which a chemical reaction takes place in the cell, this is maximally exploited by keeping the voltage constant.
  • the determination of the inflection points, maxima and / or minima preferably takes place on a reference lithium-ion cell, so that during the formation process these data need not be determined again.
  • the duration of 10 hours, in particular more than 10 hours is specified.
  • a sufficiently long forming voltage is provided at a constant value, by which the chemical reaction is supported and the cycle stability of the lithium-ion cell is improved.
  • This forming process advantageously produces a powerful and multiple times rechargeable and dischargeable lithium-ion cell.
  • it is preferably provided that for forming the cell is discharged with a constant discharge current of C / 10 up to the at least one forming voltage and discharged after the predetermined period of time to the discharge end voltage. This also ensures that the lithium-ion cells advantageously have a high efficiency and a good continuous capacity.
  • the formation voltage is kept constant according to the invention for the predeterminable period of time in order to increase the cycle stability of the cell.
  • the forming process is repeated several times, in particular at least three times or exactly three times. By carrying out the forming process several times, the efficiency of the lithium-ion cell is increased and the
  • the inventive method for producing a rechargeable lithium-ion battery having the features of claim 9 is characterized in that the lithium-ion cell of the lithium-ion battery are produced by the inventive method. This results in the already mentioned advantages.
  • the lithium-ion battery according to the invention with the features of claim 10 is characterized by lithium-ion cells, which were produced by the method according to the invention. This also results in the already mentioned advantages.
  • FIG. 1 shows a flow chart for explaining an advantageous method for producing a lithium-ion battery
  • FIG. 2 shows a method for determining an advantageous forming voltage
  • FIG. 3 shows a diagram for illustrating an improved cycle stability of a lithium-ion cell produced by the process.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a flowchart for explaining an advantageous method for producing a lithium-ion battery.
  • a lithium-ion cell which comprises an anode, a cathode, a separator and an electrolyte.
  • the anode of the lithium-ion cell made of graphite and the cathode of LiNi 0 , 6Mno , 2Coo , 20 2 manufactured.
  • the lithium-ion battery is expediently made of a plurality of lithium-ion cells produced in this way, which are electrically connected to one another. After assembly of the components, the respective lithium-ion cell is in an inactive state.
  • a forming process then ensues in step S2, which is described below:
  • the lithium-ion cell is monitored for current electrical voltage values and charges during a charging and discharging process. For this purpose, in a step S3 before the execution of the forming process or as a first step of
  • FIG. 2 shows a diagram of a dQ / dV measurement (differential capacitance measurement) of a lithium-ion cell, wherein a first curve K1 shows a first formation cycle, ie a first charge and discharge process, and a second curve K2 shows a second one and third forming cycle.
  • a first curve K1 shows a first formation cycle, ie a first charge and discharge process
  • a second curve K2 shows a second one and third forming cycle.
  • step S2 the lithium-ion cell for the first time with a
  • the charging voltage or forming voltage is kept constant for a predefinable period of time, in the present case 10 hours, in order to utilize the chemical reactions taking place in the lithium-ion cell as advantageously as possible. Subsequently the lithium-ion cells in a step S4 to a predetermined
  • Discharge voltage of 3.0V Discharge voltage of 3.0V.
  • step S5 in the discharge process, first a discharge with the discharge current takes place up to a further one
  • Breakpoint resulting from the differential capacitance measurement is kept constant over a predeterminable period of time, in particular 10 hours, and only then, in a step S6, is the lithium-ion cell discharged to the discharge end voltage.
  • Cycle stability of the lithium-ion cell is significantly improved. It is already advantageous if, during the charging process, the forming voltage at least once
  • the forming voltage is kept constant for a maximum of 10 hours both when a maximum is reached in the charging process and when a minimum in the discharging process is reached.
  • FIG. 3 shows in a further diagram, over the charging cycles Z carried out, the residual capacity SoH of an exemplary lithium-ion cell produced by the method described above.
  • the cyclizations were performed at an ambient temperature of 45 ° C and a discharge current and charge current of 1 C / 1 C to simulate rapid aging of the lithium-ion cell.
  • the curve K3_1 shows the remaining capacity for the lithium-ion cell, which was prepared according to the method described above with a constant holding the forming voltage during the charging process.
  • a curve K3_2 shows the residual capacity for a lithium-ion cell produced by a conventional method. It can be seen that the residual capacity of the advantageously produced lithium-ion cell exceeds that of the standard produced lithium-ion cell.
  • the residual capacity may be different at different forming voltages, which are kept constant.
  • a further curve K3_3 is shown, which shows the residual capacity of a lithium-ion cell, which was produced by the method of Figure 1, wherein not the forming voltage during the charging process, but was kept constant during the discharge process for 10 hours.

Abstract

The invention relates to a method for producing a rechargeable lithium ion cell for a lithium ion battery, having the following steps: providing a lithium ion cell having at least a cathode, an anode, a separator, and an electrolyte, forming the cell by means of at least one charging and discharging operation, for which a forming voltage, a charging current, a discharging current, and/or a charging temperature are specified. According to the invention, the forming voltage is held constant or nearly constant over time in accordance with a current charge value and a current voltage value of the lithium ion cell.

Description

Beschreibung  description
Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Zelle und einer Lithium-Ionen-Batterie, Lithium- Ionen-Batterie Method of manufacturing a lithium-ion cell and a lithium-ion battery, lithium-ion battery
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zelle für eine Lithium-Ionen-Batterie, bei welchem zunächst eine Zelle mit zumindest einer Kathode, einer Anode, einen Separator und einem Elektrolyten bereitgestellt wird. Anschließend wird die Zelle formiert durch wenigstens einen Auflade- und/oder Entladevorgang, für den wenigstens eine Formierungsspannung, ein Ladestrom, ein Entladestrom und/oder eine Ladetemperatur vorgegeben werden. The invention relates to a method for producing a rechargeable lithium-ion cell for a lithium-ion battery, in which initially a cell with at least one cathode, an anode, a separator and an electrolyte is provided. Subsequently, the cell is formed by at least one charging and / or discharging process, for which at least one forming voltage, a charging current, a discharge current and / or a charging temperature are specified.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie, bei welchem mehrere Lithium-Ionen-Zellen bereitgestellt werden, die wie zuvor beschrieben hergestellt wurden. Furthermore, the invention relates to a method for producing a lithium-ion battery, in which a plurality of lithium-ion cells are prepared, which were prepared as described above.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Lithium-Ionen-Batterie mit entsprechend hergestellten Lithium-Ionen-Zellen. In addition, the invention relates to a lithium-ion battery with correspondingly prepared lithium-ion cells.
Verfahren und Lithium-Ionen-Batterien der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Nach der Herstellung und Zusammensetzung der einzelnen Methods and lithium-ion batteries of the type mentioned are already known from the prior art. After the preparation and composition of each
Komponenten einer Lithium-Ionen-Zelle, wie der Anode, der Kathode, des Elektrolyten und des Separators, folgt der sogenannte Formierungsprozess, bei welchem die Lithium-Ionen-Zelle aus ihrem inaktiven Grundzustand in einen betriebsfähigen Zustand überführt wird. Durch den Formierungsprozess soll eine definierte Grenzschicht zwischen Anode und Elektrolyt ausgebildet und stabilisiert werden. Diese Grenzschicht ist eine Korrosionsschicht, die im kontrollierten Wachstum positive Eigenschaften in Bezug auf das weitere Verhalten der Lithium- Ionen-Zelle sowie die Leistungsfähigkeit der Lithium-Ionen-Zelle aufweist. Die während der Formierung vorgegebenen Einstellungen in Bezug auf die Formierungsspannung, den Components of a lithium-ion cell, such as the anode, the cathode, the electrolyte and the separator, is followed by the so-called forming process, in which the lithium-ion cell is converted from its inactive ground state into an operable state. The forming process is intended to form and stabilize a defined boundary layer between the anode and the electrolyte. This boundary layer is a corrosion layer that has positive properties in controlled growth with regard to the further behavior of the lithium-ion cell and the performance of the lithium-ion cell. The given during formation settings with respect to the forming voltage, the
Ladestrom, den Entladestrom, eine Zell- und/oder Umgebungstemperatur, sind daher bedeutend für die Ausbildung einer vorteilhaften, effizienten und eine hohe Lebensdauer aufweisenden Lithium-Ionen-Zelle beziehungsweise -Batterie. Ziel einer Formierung ist es, eine Anfangskapazität der Lithium-Ionen-Zelle zu erhöhen, einen Kapazitätsabfall über die Zeit zu minimieren und die Zyklenstabilität, also das Dauerverhalten der Lithium-Ionen-Batterie in Folge einer Vielzahl von Lade- und Entladevorgängen, zu verbessern. Aus der Offenlegungsschrift WO 2016/045887 A1 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei welchem zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle zumindest ein erster Ladevorgang bis zur maximalen Betriebsspannung unter Zersetzung von Lithiumperoxid durchgeführt wird. Charge current, the discharge current, a cell and / or ambient temperature, are therefore important for the formation of an advantageous, efficient and high-life lithium-ion cell or battery. The aim of formation is to increase an initial capacity of the lithium-ion cell, to minimize a drop in capacitance over time and to improve the cycle stability, ie the long-term behavior of the lithium-ion battery as a result of a large number of charging and discharging processes. The publication WO 2016/045887 A1 discloses, for example, a method in which at least one first charging process up to the maximum operating voltage with the decomposition of lithium peroxide is carried out to produce a lithium-ion cell.
Aus der Offenlegungsschrift WO 2009/134283 A1 ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei welchem zur Herstellung beziehungsweise Bereitstellung einer nutzbaren Lithium-Ionen-Zelle, diese mit einer Initialspannung beaufschlagt wird, die größer ist als die maximale From the published patent application WO 2009/134283 A1, a further method is known in which for producing or providing a usable lithium-ion cell, it is charged with an initial voltage that is greater than the maximum
Ladespannung, um zumindest einen Teil des Elektrolyten einer Reduktion zu unterziehen. Charge voltage to subject at least a portion of the electrolyte to a reduction.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen beziehungsweise Lithium-Ionen-Batterien zu schaffen, durch welches insbesondere die Zyklenstabilität verbessert wird. The invention has for its object to provide an improved process for the production of lithium-ion cells or lithium-ion batteries, by which in particular the cycle stability is improved.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieses hat den Vorteil, dass durch einen modifizierten Formierungsprozess die Zyklenstabilität der Lithium-Ionen-Zelle im Vergleich zu einem standartmäßigen The problem underlying the invention is achieved by a method having the features of claim 1. This has the advantage that by a modified forming process, the cycle stability of the lithium-ion cell compared to a standard
Formierungsprozess einfach und kostengünstig erhöht wird. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass während der Formierung ein aktueller Ladungswert und ein aktueller Spannungswert der Lithium-Ionen-Zelle erfasst werden, wobei in Abhängigkeit von Forming process is increased easily and inexpensively. According to the invention, provision is made for a current charge value and a current voltage value of the lithium-ion cell to be detected during the formation, wherein as a function of
Ladungswert und Spannungswert die wenigstens eine Formierungsspannung zeitweise konstant oder nahezu konstant gehalten wird. In Abhängigkeit von Spannungswert und Charge value and voltage value, the at least one forming voltage is kept temporarily constant or nearly constant. Depending on voltage value and
Ladungswert wird ein optimaler Zeitpunkt ausgemacht, zu welchem das Konstanthalten der Formierungsspannung dazu führt, dass sich die Zyklenstabilität bei der späteren Verwendung der Lithium-Ionen-Zelle erhöht. Das Erfassen beziehungsweise Ermitteln von Spannungswert und Ladungswert kann durch Standardmittel erfolgen, sodass hierdurch kein Charge value is identified as an optimal time at which maintaining the formation voltage constant causes the cycle stability increases in the later use of the lithium-ion cell. The detection or determination of voltage value and charge value can be done by standard means, so that thereby no
Kostenmehraufwand entsteht. Cost overhead arises.
Insbesondere ist vorgesehen, dass eine differentielle Kapazitätsmessung mittels des In particular, it is provided that a differential capacitance measurement by means of
Ladungswerts und des Spannungswerts durchgeführt wird, und dass Wendepunkte, Maxima und/oder Minima einer durch die Kapazitätsmessung erstellten Messkurve bestimmt werden. Die Wendepunkte beziehungsweise Maxima und Minima der Messkurve deuten auf chemische Reaktionen in der Lithium-Ionen-Zelle hin. Durch Kenntnis des Zeitpunkts der chemischen Reaktionen wird dann das Konstanthalten der Formierungsspannung vorteilhaft gewählt, um die Zyklenstabilität zu erhöhen. Das Konstanthalten der Formierungsspannung, das einem Charge value and the voltage value is performed, and that inflection points, maxima and / or minima of a measured curve created by the capacitance measurement are determined. The inflection points or maxima and minima of the trace indicate chemical reactions in the lithium-ion cell. By knowing the time of the chemical reactions, keeping the formation voltage constant is then advantageously selected in order to increase the cycle stability. Keeping constant the forming voltage, the one
Pausieren des Lade- oder Entladevorgangs auf einem aktuellen Spannungswert entspricht, führt zu einer definierten Ausbildung einer Grenzschicht zwischen Anode und Elektrolyt, und dies führt wiederum zu einem verbesserten Leistungspotential der Lithium-Ionen-Zelle führt, insbesondere in Bezug auf die Zyklenstabilität. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Formierungsspannung zum Zeitpunkt eines Wendepunkts, eines Maximums und/oder Pausing the charging or discharging corresponds to a current voltage value, leads to a defined formation of a boundary layer between the anode and electrolyte, and this in turn leads to an improved performance potential of the lithium-ion cell leads, in particular with respect to the cycle stability. According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the forming voltage at the time of a point of inflection, a maximum and / or
Minimums für eine vorgebbare Zeitdauer konstant oder nahezu konstant gehalten wird. Damit stellen die erfassten Wendepunkte und/oder Maxima und/oder Minima den Zeitpunkt dar, zu welchem die wenigstens eine Formierungsspannung beim Formierungsprozess konstant gehalten wird. Damit wird ausgenutzt, dass zu dem Zeitpunkt, zu welchem eine chemische Reaktion in der Zelle stattfindet, diese durch das Konstanthalten der Spannung maximal ausgenutzt wird. Das Ermitteln der Wendepunkte, Maxima und/oder Minima erfolgt bevorzugt an einer Referenz-Lithium-Ionen-Zelle, sodass während des Formierungsprozesses diese Daten nicht erneut ermittelt werden müssen. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, bei einer Erstformierung der Lithium-Ionen-Zelle während eines ersten Lade- und Entladevorgangs Spannungswerte und Ladungswerte zu erfassen und die differentielle Kapazitätsmessung auszuführen, um die Wendepunkte beziehungsweise Maxima und/oder Minima zu erkennen. Als Folge dieser Untersuchung kann in jedem Fall festgestellt werden, dass für einen Minimums is kept constant or nearly constant for a predetermined period of time. Thus, the detected inflection points and / or maxima and / or minima represent the time at which the at least one forming voltage is kept constant during the formation process. This makes use of the fact that at the time at which a chemical reaction takes place in the cell, this is maximally exploited by keeping the voltage constant. The determination of the inflection points, maxima and / or minima preferably takes place on a reference lithium-ion cell, so that during the formation process these data need not be determined again. Alternatively, however, it is also conceivable to detect voltage values and charge values during a first charging and discharging process during initial formation of the lithium-ion cell and to carry out the differential capacitance measurement in order to detect the inflection points or maxima and / or minima. As a result of this investigation it can be stated in any case that for a
Aufladevorgang und/oder einen Entladevorgang auch mehr als nur ein Maximum oder Minimum vorliegt, und somit mehrere Formierungsspannungen für den jeweiligen Prozess festgelegt werden. Charging and / or unloading more than just a maximum or minimum is present, and thus several forming voltages for each process are set.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zeitdauer mit 10 Stunden, insbesondere mehr als 10 Stunden vorgegeben wird. Hierdurch wird eine ausreichend lange Formierungsspannung auf einem konstanten Wert zur Verfügung gestellt, durch welche die chemische Reaktion unterstützt und die Zyklenstabilität der Lithium-Ionen- Zelle verbessert wird. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the duration of 10 hours, in particular more than 10 hours is specified. As a result, a sufficiently long forming voltage is provided at a constant value, by which the chemical reaction is supported and the cycle stability of the lithium-ion cell is improved.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Formierung die Lithium-Ionen-Zelle zunächst mit einem konstanten Ladestrom von insbesondere C/10 bis zum Erreichen der Furthermore, it is preferably provided that for the formation of the lithium-ion cell initially with a constant charging current of in particular C / 10 until reaching the
Formierungsspannung geladen und dann erst nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer mit einem konstanten Ladestrom von insbesondere C/20 vollständig aufgeladen wird. Hierdurch wird das Konstanthalten der Formierungsspannung in vorteilhafter Weise in den Forming voltage charged and then fully charged only after the expiration of the predetermined period of time with a constant charging current of C / 20 in particular. As a result, the keeping constant of the forming voltage in an advantageous manner in the
Formierungsprozess integriert. Der Formierungsprozess beziehungsweise der erste Auflade- und Entladevorgang wird bevorzugt dadurch abgeschlossen, dass anschließend eine Entladung mit einem konstanten Entladestrom von C/10 bis zu einer Entladeschlussspannung von insbesondere UEs = 3,0V durchgeführt wird. Durch diesen Formierungsprozess wird in vorteilhafter Weise eine leistungsfähige und vielfach auflad- und entladbare Lithium-Ionen-Zelle hergestellt. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Formierung die Zelle mit einem konstanten Entladestrom von C/10 bis zu der wenigstens einen Formierungsspannung entladen und nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer auf die Entladeschlussspannung entladen wird. Auch hierdurch wird gewährleistet, dass die Lithium-Ionen-Zellen in vorteilhafter Weise eine hohe Effizienz und eine gute Dauerbelastbarkeit aufweist. Mit Erreichen der Formierungsspannung wird die Formierungsspannung erfindungsgemäß für die vorgebbare Zeitdauer konstant gehalten, um die Zyklenstabilität der Zelle zu erhöhen. Integrated forming process. The forming process or the first charging and discharging process is preferably completed by subsequently carrying out a discharge with a constant discharge current of C / 10 up to a discharge end voltage of in particular U E s = 3.0V. This forming process advantageously produces a powerful and multiple times rechargeable and dischargeable lithium-ion cell. Furthermore, it is preferably provided that for forming the cell is discharged with a constant discharge current of C / 10 up to the at least one forming voltage and discharged after the predetermined period of time to the discharge end voltage. This also ensures that the lithium-ion cells advantageously have a high efficiency and a good continuous capacity. Upon reaching the formation voltage, the formation voltage is kept constant according to the invention for the predeterminable period of time in order to increase the cycle stability of the cell.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Formierungsprozess mehrmals, insbesondere mindestens drei Mal oder genau drei Mal wiederholt wird. Durch das mehrfache Durchführen des Formierungsprozess wird die Effizient der Lithium-Ionen-Zelle gesteigert und die Furthermore, it is preferably provided that the forming process is repeated several times, in particular at least three times or exactly three times. By carrying out the forming process several times, the efficiency of the lithium-ion cell is increased and the
Zyklenstabilität weiter verbessert. Cycle stability further improved.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Formierungsprozess bei einer Furthermore, it is preferably provided that the forming process at a
Umgebungstemperatur von Tu = 23°C durchgeführt wird. Hierbei liegen vorteilhafte Ambient temperature of Tu = 23 ° C is performed. Here are advantageous
Bedingungen zur Durchführung des Formierungsprozess vor, durch welche das gewünschte Ergebnis sicher gewährleistet wird. Conditions for carrying out the forming process, by which the desired result is guaranteed.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen- Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich dadurch aus, dass die Lithium- Ionen-Zelle der Lithium-Ionen-Batterie durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. The inventive method for producing a rechargeable lithium-ion battery having the features of claim 9 is characterized in that the lithium-ion cell of the lithium-ion battery are produced by the inventive method. This results in the already mentioned advantages.
Die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch Lithium-Ionen-Zellen aus, die durch das erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden. Es ergeben sich auch hierdurch die bereits genannten Vorteile. The lithium-ion battery according to the invention with the features of claim 10 is characterized by lithium-ion cells, which were produced by the method according to the invention. This also results in the already mentioned advantages.
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Further advantages and preferred features and combinations of features emerge in particular from the previously described and from the claims.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Show this
Figur 1 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines vorteilhaften Verfahrens zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie, FIG. 1 shows a flow chart for explaining an advantageous method for producing a lithium-ion battery,
Figur 2 ein Verfahren zum Bestimmen einer vorteilhaften Formierungsspannung und Figur 3 ein Diagramm zur Darstellung einer verbesserten Zyklenstabilität einer durch das Verfahren hergestellten Lithium-Ionen-Zelle. FIG. 2 shows a method for determining an advantageous forming voltage and FIG. 3 shows a diagram for illustrating an improved cycle stability of a lithium-ion cell produced by the process.
Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines vorteilhaften Verfahrens zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie. FIG. 1 shows a simplified representation of a flowchart for explaining an advantageous method for producing a lithium-ion battery.
In einem ersten Schritt S1 wird eine Lithium-Ionen-Zelle bereitgestellt, die eine Anode, eine Kathode, einen Separator und einen Elektrolyten aufweist. In dem vorliegenden In a first step S1, a lithium-ion cell is provided which comprises an anode, a cathode, a separator and an electrolyte. In the present
Ausführungsbeispiel ist die Anode der Lithium-Ionen-Zelle aus Graphit und die Kathode aus LiNi0,6Mno,2Coo,202 gefertigt. Die Lithium-Ionen-Batterie wird zweckmäßigerweise aus mehreren derartig hergestellten Lithium-Ionen-Zellen gefertigt, die elektrisch miteinander verbunden werden. Nach dem Zusammenbau der Komponenten befindet sich die jeweilige Lithium-Ionen- Zelle in einem inaktiven Zustand. Um die Lithium-Ionen-Zelle zu aktivieren, erfolgt anschließend ein Formierungsprozess in Schritt S2, der im Folgenden beschrieben wird: Zu Beginn des Formierungsprozess wird die Lithium-Ionen-Zelle während eines Lade- und Entladevorgangs auf aktuelle elektrische Spannungswerte und Ladungen überwacht. Dazu werden in einem Schritt S3 vor der Durchführung des Formierungsprozesses oder als erster Schritt des Embodiment , the anode of the lithium-ion cell made of graphite and the cathode of LiNi 0 , 6Mno , 2Coo , 20 2 manufactured. The lithium-ion battery is expediently made of a plurality of lithium-ion cells produced in this way, which are electrically connected to one another. After assembly of the components, the respective lithium-ion cell is in an inactive state. In order to activate the lithium-ion cell, a forming process then ensues in step S2, which is described below: At the beginning of the forming process, the lithium-ion cell is monitored for current electrical voltage values and charges during a charging and discharging process. For this purpose, in a step S3 before the execution of the forming process or as a first step of
Formierungsprozesses in einem Auflade- und Entladevorgang eine Messkurve erstellt, die sich aus Ladungswerten und Spannungswerten ergibt, die insbesondere in zeitlich regelmäßigen Abständen während des Lade- und Entladeprozesses erfasst/ermittelt wurden. Aus den Ladungswerten und Spannungswerten wird mittels einer differentiellen Kapazitätsmessung eine Messkurve hergestellt, die auf Maximal, Minima und Wendepunkte überwacht wird. Forming process created in a charging and discharging a waveform that results from load values and voltage values that were detected / determined in particular at regular intervals during the charging and discharging process. From the charge values and voltage values, a measurement curve is produced by means of a differential capacitance measurement, which is monitored for maximum, minimum and inflection points.
Figur 2 zeigt dazu in einem Diagramm eine dQ/dV-Messung (differentielle Kapazitätsmessung) einer Lithium-Ionen-Zelle, wobei eine erste Kurve K1 einen ersten Formierungszyklus, also einen ersten Lade- und Entladevorgang, zeigt, und eine zweite Kurve K2 einen zweiten und dritten Formierungszyklus. Es sind in Abhängigkeit von der Spannung U der Lithium-Ionen-Zelle Wendepunkte und insbesondere Spitzen von Maxima und Minima zu erkennen. Diese werden als interessante Spannungspunkte beziehungsweise Haltepunkte registriert, weil an diesen chemischen Reaktionen in der Lithium-Ionen-Zelle ablaufen, die für die Effizienz und 2 shows a diagram of a dQ / dV measurement (differential capacitance measurement) of a lithium-ion cell, wherein a first curve K1 shows a first formation cycle, ie a first charge and discharge process, and a second curve K2 shows a second one and third forming cycle. Depending on the voltage U of the lithium-ion cell, it is possible to detect inflection points and, in particular, peaks of maxima and minima. These are registered as interesting voltage points or breakpoints, because of these chemical reactions in the lithium-ion cell, which are responsible for the efficiency and efficiency
Dauerbelastbarkeit der Lithium-Ionen-Zelle von Vorteil sind. Continuous load capacity of the lithium-ion cell are beneficial.
Wird nun bei der Formierung in Schritt S2 die Lithium-Ionen-Zelle erstmalig mit einem Now, in the formation in step S2, the lithium-ion cell for the first time with a
Ladestrom beaufschlagt, so wird dieser derart lange gehalten, bis der dem ersten Charging current applied, so this is held until the first
Spannungspunkt beziehungsweise Haltepol entsprechende Spannungswert erreicht ist. Ab diesem Zeitpunkt wird die Ladespannung beziehungsweise Formierungsspannung für eine vorgebbare Zeitdauer, vorliegend 10 Stunden, konstant gehalten, um die in der Lithium-Ionen- Zelle ablaufenden chemischen Reaktionen möglichst vorteilhaft auszunutzen. Anschließend wird die Lithium-Ionen-Zellen in einem Schritt S4 bis zu einer vorgebbaren Voltage point or holding pole corresponding voltage value is reached. From this point on, the charging voltage or forming voltage is kept constant for a predefinable period of time, in the present case 10 hours, in order to utilize the chemical reactions taking place in the lithium-ion cell as advantageously as possible. Subsequently the lithium-ion cells in a step S4 to a predetermined
Ladeschlussspannung von insbesondere 4,2V weitergeladen. Anschließend folgt eine Charge end voltage of 4.2V in particular further charged. Then follows one
Entladung der Lithium-Ionen-Zelle mit einem Entladestrom von C/10 bis zu einer Discharge of the lithium-ion cell with a discharge current of C / 10 up to one
Entladeschlussspannung von 3,0V. Alternativ oder zusätzlich erfolgt in dem Schritt S5 bei dem Entladevorgang zunächst eine Entladung mit dem Entladestrom bis zu einem weiteren Discharge voltage of 3.0V. Alternatively or additionally, in the step S5, in the discharge process, first a discharge with the discharge current takes place up to a further one
Haltepunkt, der sich aus der differentiellen Kapazitätsmessung ergibt. Die dort vorliegende Formierungsspannung wird über einen vorgebbaren Zeitraum von insbesondere 10 Stunden konstant gehalten, und erst anschließend, in einem Schritt S6, wird die Lithium-Ionen-Zelle bis zur Entladeschlussspannung entladen. Versuche haben gezeigt, dass dadurch die Breakpoint resulting from the differential capacitance measurement. The forming voltage present there is kept constant over a predeterminable period of time, in particular 10 hours, and only then, in a step S6, is the lithium-ion cell discharged to the discharge end voltage. Experiments have shown that thereby the
Zyklenstabilität der Lithium-Ionen-Zelle deutlich verbessert wird. Dabei ist es bereits von Vorteil, wenn während des Aufladevorgangs die Formierungsspannung zumindest einmal Cycle stability of the lithium-ion cell is significantly improved. It is already advantageous if, during the charging process, the forming voltage at least once
beziehungswiese an einem der erfassten Maxima gehalten wird, oder an nur einem erfassten Minima währen des Entladevorgangs. Vorteilhafterweise wird die Formierungsspannung sowohl bei Erreichen eines Maximums im Aufladevorgang als auch bei Erreichen eines Minimums in Entladevorgang jeweils für 10 Stunden konstant gehalten. reference meadow is held at one of the detected maxima, or at only one detected minima during the unloading process. Advantageously, the forming voltage is kept constant for a maximum of 10 hours both when a maximum is reached in the charging process and when a minimum in the discharging process is reached.
Figur 3 zeigt hierzu in einem weiteren Diagramm auftragen über die durchgeführten Ladezyklen Z die Restkapazität SoH einer beispielhaften Lithium-Ionen-Zelle, die durch das zuvor beschriebene Verfahren hergestellt wurde. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden die Zyklisierungen bei einer Umgebungstemperatur von 45°C und einem Entladestrom und Ladestrom von 1 C/1 C durchgeführt, um eine schnelle Alterung der Lithium-Ionen-Zelle zu simulieren. Die Kurve K3_1 zeigt dabei die Restkapazität für die Lithium-Ionen-Zelle, die gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren mit einem Konstanthalten der Formierungsspannung während des Aufladevorgangs hergestellt wurde. Eine Kurve K3_2 zeigt die Restkapazität für eine Lithium-Ionen-Zelle, die nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellt wurde. Es ist dadurch zu erkennen, dass die Restkapazität der vorteilhaft hergestellten Lithium-Ionen-Zelle die der standartmäßig hergestellten Lithium-Ionen-Zelle übersteigt. FIG. 3 shows in a further diagram, over the charging cycles Z carried out, the residual capacity SoH of an exemplary lithium-ion cell produced by the method described above. In the present embodiment, the cyclizations were performed at an ambient temperature of 45 ° C and a discharge current and charge current of 1 C / 1 C to simulate rapid aging of the lithium-ion cell. The curve K3_1 shows the remaining capacity for the lithium-ion cell, which was prepared according to the method described above with a constant holding the forming voltage during the charging process. A curve K3_2 shows the residual capacity for a lithium-ion cell produced by a conventional method. It can be seen that the residual capacity of the advantageously produced lithium-ion cell exceeds that of the standard produced lithium-ion cell.
Die Restkapazität kann sich dabei bei unterschiedlichen Formierungsspannungen, die konstant gehalten werden, unterschiedlich ergeben. So ist eine weitere Kurve K3_3 eingezeichnet, welche die Restkapazität einer Lithium-Ionen-Zelle zeigt, die nach dem Verfahren von Figur 1 hergestellt wurde, wobei hier nicht die Formierungsspannung beim Ladeprozess, sondern beim Entladeprozess für 10 Stunden konstant gehalten wurde. Hier ergibt sich eine höhere The residual capacity may be different at different forming voltages, which are kept constant. Thus, a further curve K3_3 is shown, which shows the residual capacity of a lithium-ion cell, which was produced by the method of Figure 1, wherein not the forming voltage during the charging process, but was kept constant during the discharge process for 10 hours. Here's a higher one
Restkapazität bei einer geringeren Anzahl von Zyklen gegenüber der Kurve K3_1 , wobei die Restkapazität insgesamt höher ist als die der Standardkurve K3_2. Im Ergebnis zeigt sich also, dass die Lithium-Ionen-Zellen, die durch das vorteilhafte Verfahren hergestellt werden, und Haltezeiten von 10 Stunden bei bestimmten Formierungsspannungen während der Ladung und/oder Entladung hatten, einen sehr geringen Kapazitätsabfall im Laufe der Zyklisierungen aufweisen. Remaining capacity with a smaller number of cycles compared to the curve K3_1, wherein the residual capacity is higher than that of the standard curve K3_2. As a result, it can be seen that the lithium-ion cells produced by the advantageous method and holding times of 10 hours at certain forming voltages during charging and / or discharge have a very small capacity drop in the course of the cyclizations.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
U Spannung U voltage
K1 Kurve  K1 curve
K2 Kurve  K2 curve
K3_1 Kurve  K3_1 curve
K3_2 Kurve  K3_2 curve
K3_3 Kurve  K3_3 curve
Z Ladezyklus  Z charging cycle
SoH Restkapazität  SoH residual capacity

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Herstellen einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zelle für eine Lithium- Ionen-Batterie, mit folgenden Schritten: A method of manufacturing a rechargeable lithium ion cell for a lithium ion battery, comprising the steps of:
- Bereitstellen einer Lithium-Ionen-Zelle mit zumindest einer Kathode, einer Anode, einem Separator und einem Elektrolyten, Providing a lithium-ion cell with at least one cathode, an anode, a separator and an electrolyte,
- Formieren der Zelle durch wenigstens einen Lade- und Entladevorgang, für den eine elektrische Formierungsspannung, ein Ladestrom, ein Entladestrom und/oder eine Ladetemperatur vorgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einem aktuellen Ladungswert und einem aktuellen Spannungswert der Lithium-Ionen-Zelle die Formierungsspannung zeitweise konstant oder nahezu konstant gehalten wird. Forming the cell by at least one charging and discharging process, for which an electrical forming voltage, a charging current, a discharge current and / or a charging temperature are predetermined, characterized in that depending on a current charge value and a current voltage value of the lithium-ion Cell is the formation voltage temporarily constant or nearly constant.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine differentielle 2. The method according to claim 1, characterized in that a differential
Kapazitätsmessung mittels der erfassten Ladungswerte und Spannungswerte durchgeführt wird, und dass Wendepunkte, Maxima und/oder Minima einer daraus erzeugten Messkurve ermittelt werden.  Capacitance measurement is carried out by means of the detected charge values and voltage values, and that inflection points, maxima and / or minima of a measurement curve generated therefrom are determined.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formierungsspannung zum Zeitpunkt eines Wendepunkts, Maximums und/oder Minimums für eine vorgebbare Zeitdauer konstant oder nahezu konstant gehalten wird. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the forming voltage at the time of a point of inflection, maximum and / or minimum for a predetermined period of time is kept constant or nearly constant.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer mit 10 Stunden oder mehr als 10 Stunden vorgegeben wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the duration is specified as 10 hours or more than 10 hours.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Formierung die Lithium-Ionen-Zelle mit einem konstanten Ladestrom bis zu der Formierungsspannung geladen und nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer mit einem konstanten Ladestrom vollständig aufgeladen wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for forming the lithium-ion cell is charged with a constant charging current up to the forming voltage and fully charged after the predetermined period of time with a constant charging current.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Formierung die Zelle beim Entladen mit einem konstanten Entladestrom bis auf die Formierungsspannung entladen und nach Ablauf der Zeitdauer auf die 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that to discharge the cell during discharge with a constant discharge current discharged to the forming voltage and after the expiration of the time on the
Entladeschlussspannung entladen wird. Discharge final voltage is discharged.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formierung mehrmals, insbesondere drei Mal wiederholt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the formation is repeated several times, in particular three times.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formierung bei einer Umgebungstemperatur von 23°C durchgeführt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the formation is carried out at an ambient temperature of 23 ° C.
9. Verfahren zum Herstellen einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterie, wobei 9. A method of manufacturing a rechargeable lithium-ion battery, wherein
mehrere Lithium-Ionen-Zellen bereitgestellt und elektrisch miteinander verbunden werden, gekennzeichnet durch die Herstellung der Lithium-Ionen-Zellen gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.  a plurality of lithium-ion cells are provided and electrically connected to each other, characterized by the production of the lithium-ion cells according to the method of any one of claims 1 to 8.
10. Lithium-Ionen-Batterie, die mehrere Lithium-Ionen-Zellen aufweist, die elektrisch 10. Lithium-ion battery, which has several lithium-ion cells that are electrically
miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithium-Ionen-Zellen durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wurden.  interconnected, characterized in that the lithium-ion cells were prepared by a method according to one or more of claims 1 to 8.
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