DE102018218414A1 - Process for the production of composite electrodes and electrolytes for lithium-ion batteries - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Komposit-Elektrode, eines Festkörper-Elektrolyten, eines Polymer-Elektrolyten und/oder einer diese umfassenden Schichtanordnung, wobei Schichten der Komposit-Elektrode, des Festkörper-Elektrolyten und/oder des Polymer-Elektrolyten mittels Verfestigung eines Gemischs umfassend ein Bindemittel sowie ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und/oder ein Lithiumsalz, und optional Aktivmaterial und Leitzusatz, ausgebildet werden, wobei das Bindemittel ein Einkomponenten-Polymerisationsklebstoff ist. Die Erfindung betrifft ferner einen entsprechend hergestellten Lithium-Ionen-Akkumulator, Komposit-Elektrode, Festkörper-Elektrolyt oder Polymer-Elektrolyt.The invention relates to a method for producing a composite electrode, a solid electrolyte, a polymer electrolyte and / or a layer arrangement comprising these, wherein layers of the composite electrode, the solid electrolyte and / or the polymer electrolyte by means of solidification of a Mixture comprising a binder and an ion-conducting solid electrolyte material and / or a lithium salt, and optionally active material and conductive additive, are formed, the binder being a one-component polymerization adhesive. The invention further relates to a correspondingly manufactured lithium-ion battery, composite electrode, solid electrolyte or polymer electrolyte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Komposit-Elektrode, eines Festkörper-Elektrolyten, eines Polymer-Elektrolyten und/oder einer diese umfassenden Schichtanordnung.The invention relates to a method for producing a composite electrode, a solid electrolyte, a polymer electrolyte and / or a layer arrangement comprising these.

Batteriekomponenten, vornehmlich Elektroden, werden heutzutage über das Schlickerverfahren hergestellt. Die Schlicker für Anode und Kathode werden jeweils auf eine Metall-Folie beschichtet. Hierbei wird üblichweise für die Kathode Aluminiumfolie verwendet, für die Anode eine Kupferfolie. Zum Erreichen einer hohen Energiedichte der Batteriezelle kann für die Anode auf die Kupferfolie noch eine Lithium-Folie gepresst werden. Die Anode wird anschließend mit den restlichen Komponenten zu einer Festkörperbatterie zusammengefügt. Die Verarbeitung von Lithium-Metall benötigt hierbei einen Trockenraum und weitere Sicherheitsvorkehrungen.Battery components, primarily electrodes, are now manufactured using the slip process. The slips for the anode and cathode are each coated on a metal foil. Aluminum foil is usually used for the cathode and copper foil for the anode. In order to achieve a high energy density of the battery cell, a lithium foil can be pressed onto the copper foil for the anode. The anode is then joined together with the remaining components to form a solid-state battery. The processing of lithium metal requires a drying room and further safety precautions.

Den Schlickern für die Elektrodenschichten werden Polymere zugesetzt, die als Bindemittel fungieren und die Elektrodenschichten zusammenhalten. Nach der Beschichtung ist eine lange Trocknungsstrecke in der Prozessierung notwendig, während derer das Lösemittel des Schlickers verdampft wird. Bei der Herstellung einer Festkörperbatterie wird neben der Elektrodenmischung auch ein Festkörperelektrolyt, meist auf keramischer Basis, der in diesem Fall auch als Separator dient, zwischen Anode und Kathode implementiert. Hierfür sind verschiedene Methoden gebräuchlich. Häufig wird auch für die Herstellung des Festelektrolyten das Schlickerverfahren verwendet, welches ebenfalls genutzt wird, um freistehende Membranen oder Beschichtungen auf der Kathode herzustellen. Auch in diesen Fällen ist eine intensive Trocknung zur Entfernung des Lösemittels notwendig.Polymers that act as binders and hold the electrode layers together are added to the slips for the electrode layers. After coating, a long drying section in the processing is necessary, during which the solvent of the slip is evaporated. In the production of a solid-state battery, in addition to the electrode mixture, a solid-state electrolyte, usually on a ceramic basis, which in this case also serves as a separator, is implemented between the anode and cathode. Various methods are used for this. The slip process is also frequently used for the production of the solid electrolyte, which is also used to produce free-standing membranes or coatings on the cathode. In these cases too, intensive drying is necessary to remove the solvent.

Durch die Trocknung und die Entfernung des Lösemittels wird in den Schichten eine Porosität erzeugt, die für die Festkörperbatterie nachteilig ist, da diese die Kontaktpfade für den Ladungstransport unterbrechen. Weiterhin kann durch die Auftragung eines Schlickers für die keramische Festelektrolytschicht auf die Kathodenschicht Lösemittel aus dem Schlicker in die bereits getrocknete Kathodenschicht eindringen und diese wieder anlösen. Eine Herstellung, bei der auf den Einsatz von Lösemitteln verzichtet werden kann, wäre wünschenswert. Zudem sind üblicherweise verwendete Bindersysteme für Kathoden teilweise ungeeignet für Festelektrolyte, da chemische Reaktionen auftreten können.The drying and removal of the solvent creates a porosity in the layers, which is disadvantageous for the solid-state battery, since these interrupt the contact paths for the charge transport. Furthermore, by applying a slip for the ceramic solid electrolyte layer to the cathode layer, solvents from the slip can penetrate into the already dried cathode layer and redissolve it. A production in which the use of solvents can be dispensed with would be desirable. In addition, commonly used binder systems for cathodes are sometimes unsuitable for solid electrolytes, since chemical reactions can occur.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dessen Hilfe auf die Verwendung von Lösemitteln verzichtet werden kann.It is the object of the invention to provide a method by means of which the use of solvents can be dispensed with.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner durch die Merkmale der Ansprüche 8 bis 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention, the object is achieved by the features of claim 1. The object is also achieved by the features of claims 8 to 10. Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Komposit-Elektrode, eines Festkörper-Elektrolyten, eines Polymer-Elektrolyten und/oder einer diese umfassenden Schichtanordnung, wobei Schichten der Komposit-Elektrode, des Festkörper-Elektrolyten und/oder des Polymer-Elektrolyten mittels Verfestigung eines Gemischs umfassend ein Bindemittel sowie ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und/oder ein Lithiumsalz, und optional Aktivmaterial und Leitzusatz, ausgebildet werden, wobei das Bindemittel ein Einkomponenten-Polymerisationsklebstoff ist.The object is achieved in particular by a method for producing a composite electrode, a solid electrolyte, a polymer electrolyte and / or a layer arrangement comprising these, wherein layers of the composite electrode, the solid electrolyte and / or the polymer electrolyte by solidifying a mixture comprising a binder and an ion-conducting solid electrolyte material and / or a lithium salt, and optionally active material and conductive additive, wherein the binder is a one-component polymerization adhesive.

Die Verwendung von Einkomponenten-Polymerisationsklebstoffen als Bindemittel erlaubt, dass Komposit-Elektroden, Polymer- und Festkörper-Elektrolyte bzw. Separatoren sowie diese umfassende Schichtanordnungen lösemittelfrei herzustellen.The use of one-component polymerization adhesives as binders allows composite electrodes, polymer and solid-state electrolytes or separators, as well as layer arrangements comprising these, to be produced without solvents.

Der Begriff Einkomponenten-Polymerisationsklebstoff bezeichnet einen chemisch härtenden Klebstoff, dessen Aushärtung durch Veränderung der Umgebungsbedingungen initiiert wird. Die Aushärtung erfolgt durch chemische Reaktion (Polymerisation). Die Initiatoren der Polymerisation können durch Strahlung, Additive oder Wasser aus der Umgebung zur Verfügung gestellt werden. Auch Metallionen aus der Umgebung können als Initiatoren der Härtung fungieren, beispielsweise wenn ein chemisch härtender Klebstoff unter Luftabschluss verwendet wird.The term one-component polymerization adhesive denotes a chemically curing adhesive, the curing of which is initiated by changing the ambient conditions. The curing takes place by chemical reaction (polymerization). The initiators of the polymerization can be made available from the environment by radiation, additives or water. Metal ions from the environment can also act as initiators of the hardening, for example if a chemically hardening adhesive is used in the absence of air.

Die Einkomponenten-Polymerisationsklebstoffe können mit den Materialien zur Herstellung von Komposit-Elektroden oder Polymer- und Festkörper-Elektrolyten gemischt werden, wobei kein Lösemittel für die Herstellung eines Schlickers benötigt wird. Hierdurch kann der üblicherweise benötigte Trocknungsschritt entfallen oder zumindest deutlich reduziert werden. Damit können aufwendige Trocknungsstrecken bei der Herstellung entfallen oder deutlich verkürzt werden. Dies resultiert in einer Verringerung der Materialkosten wie auch der Prozesskosten. Zudem erhöht sich das Gewicht eines entsprechend hergestellten Bauteils nicht oder allenfalls in geringem Ausmaß. Dadurch, dass kein Lösemittel mehr ausgetrieben werden muss, ist die Porosität der hergestellten Schichten weiterhin deutlich geringer. Eine Nachverdichtung kann optional mittels Kalandrieren erreicht werden.The one-component polymerization adhesives can be mixed with the materials for the production of composite electrodes or polymer and solid-state electrolytes, with no solvent being required for the production of a slip. As a result, the drying step usually required can be omitted or at least significantly reduced. This eliminates the need for complex drying sections during manufacture or can be significantly shortened. This results in a reduction in material costs as well as process costs. In addition, the weight of a correspondingly manufactured component does not increase, or at most only to a small extent. The fact that no more solvent has to be driven off means that the porosity of the layers produced is still significantly lower. Post-compaction can optionally be achieved by calendering.

In Ausführungsformen ist der Einkomponenten-Polymerisationsklebstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend Acrylat-Klebstoffe und/oder anaerob härtende Klebstoffe.In embodiments, the one-component polymerization adhesive is selected from the Group comprising acrylate adhesives and / or anaerobic curing adhesives.

Acrylat-Klebstoffe sind Einkomponenten-Klebstoffe auf Basis von Cyanacrylsäureestern mit unterschiedlich langen Alkylketten. Geeignete Cyanacrylat-Klebstoffe sind beispielsweise aus der US 6977278 B1 und der US 20080241249 A1 bekannt. Ein cyanacrylatbasierter Klebstoff kann Monomere ausgewählt aus 2-Cyanacrylsäuremethylester, 2-Cyanacrylsäureethylester, n-Butylcyanacrylat, Isobutylcyanacrylat, Octylcyanacrylat, 2-Octylcyanacrylat und deren Mischungen umfassen. Die zur Härtung führende Polymerisationsreaktion kann schon durch geringe Mengen an Wasser gestartet werden. Als Starter für die Polymerisation kann insbesondere Wasser dienen, das in den Materialien, die für die Herstellung von Kathoden und Elektrolytschichten verwendet werden, wie Aktivmaterial oder Festkörperionenleiter, enthalten ist. Hierbei kann die Reakton mit Wasser als Initiator die hergestellte Elektrode auch trocknen. Additive wie Weichmacher, Radikalinhibitoren oder anionische Polymerisationsinhibitoren können zugegeben werden.Acrylate adhesives are one-component adhesives based on cyanoacrylic acid esters with alkyl chains of different lengths. Suitable cyanoacrylate adhesives are, for example, from the US 6977278 B1 and the US 20080241249 A1 known. A cyanoacrylate-based adhesive can comprise monomers selected from methyl 2-cyanoacrylate, ethyl 2-cyanoacrylate, n-butyl cyanoacrylate, isobutyl cyanoacrylate, octyl cyanoacrylate, 2-octyl cyanoacrylate and mixtures thereof. The polymerization reaction leading to curing can be started with only small amounts of water. Water, which is contained in the materials used for the production of cathodes and electrolyte layers, such as active material or solid-state ion conductors, can in particular serve as a starter for the polymerization. The reactone can also dry the produced electrode with water as the initiator. Additives such as plasticizers, radical inhibitors or anionic polymerization inhibitors can be added.

Anaerob härtende Klebstoffe härten unter Luftabschluss durch radikalische Polymerisation, die solange unterbunden ist, wie der Klebstoff Kontakt mit Sauerstoff hat. Geeignete anaerob härtende Klebstoffe, Monomere, Radikalstarter und Aktivatoren sind beispielsweise aus der WO 2001/051577 A2 und der US 3682875 A bekannt. In Ausführungsformen umfasst der anaerob härtende Klebstoff ein anaerob vernetzendes Di(meth)acrylat-Monomer, vorzugsweise ein Alkylenglycoldiacrylat. Mono-, Di-, Tri-, Tetra- und Polyethylenglykoldimethacrylat und entsprechende Diacrylate sind beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Di(pentamethylenglycol)dimethacrylat, Tetraethylenglycoldi(chloracrylat), Diglyceroldiacrylat, Diglycerintetramethacrylat, Butylenglycoldimethacrylat, Neopentylglycoldiacrylat, Trimethylpropantriacrylat, Dipropylenglykoldimethacrylat, Polyethylenglycoldimethacrylat, Polypropylenglycoldimethacrylat, Tetraethylenglycoldiacrylat, Diglyceroldiacrylat, Tetramethylendimethacrylat, Ethylendimethacrylat und deren Mischungen.Anaerobically curing adhesives harden in the absence of air through radical polymerization, which is prevented as long as the adhesive is in contact with oxygen. Suitable anaerobically curing adhesives, monomers, radical initiators and activators are for example from the WO 2001/051577 A2 and the US 3682875 A known. In embodiments, the anaerobic curing adhesive comprises an anaerobic cross-linking di (meth) acrylate monomer, preferably an alkylene glycol diacrylate. Mono-, di-, tri-, tetra- and polyethylene glycol dimethacrylate and corresponding diacrylates are selected, for example, from the group comprising di (pentamethylene glycol) dimethacrylate, tetraethylene glycol di (chloroacrylate), diglycerol diacrylate, diglycerol tetramethacrylate, butylene glycol dimethacrylate, neopentyl methacrylate, neopentyl methacrylate, neopentyl methacrylate, neopentyl methacrylate Tetraethylene glycol diacrylate, diglycerol diacrylate, tetramethylene dimethacrylate, ethylene dimethacrylate and mixtures thereof.

Neben den polymerisationsfähigen Di(meth)acrylat-Monomeren können anaerob härtende Klebstoffe ein Härtersystem umfassend mindestens ein Material, welches Radikale ausbildet und die Vernetzung startet (Radikalstarter), ein reduzierendes Additiv für die Radikal-Stabilisierung, und einen oder mehrere Beschleuniger oder Co-Beschleuniger und/oder Aktivatoren enthalten. Als reduzierendes Additiv können Amine oder Amide verwendet werden. Als Radikalstarter sind Hydroperoxide verwendbar, beispielsweise in Mengen von 0,1 bis 10 Gew-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Härtersystems. Aktivatoren können in Mengen von 0,1 bis 5 Gew-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Härtersystems, enthalten sein. Verwendbare Beschleuniger, Co-Beschleuniger und Aktivatoren können ausgewählt sein aus Sulfonamid, Aminen oder Amiden, insbesondere Saccharin und/oder Dimethyl-p-toluidin. Diese sind insbesondere vorteilhaft verwendbar, wenn sich auf den Metalloberflächen dichte Oxidschichten ausgebildet haben.In addition to the polymerizable di (meth) acrylate monomers, anaerobically curing adhesives can include a curing system comprising at least one material which forms free radicals and starts crosslinking (free radical initiator), a reducing additive for free radical stabilization, and one or more accelerators or co-accelerators and / or activators included. Amines or amides can be used as a reducing additive. Hydroperoxides can be used as radical initiators, for example in amounts of 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the hardener system. Activators can be contained in amounts of 0.1 to 5% by weight, based on the total weight of the hardener system. Accelerators, co-accelerators and activators that can be used can be selected from sulfonamide, amines or amides, in particular saccharin and / or dimethyl-p-toluidine. These can be used with particular advantage if dense oxide layers have formed on the metal surfaces.

Alkylenglycoldiacrylate, die -CH2-CH2-O-oder -CH2-CH2-O-artige Strukturabschnitte aufweisen, können mit einem Lithiumsalz, welches als Leitsalz wirkt, versetzt werden. Diese Alkylenglycoldiacrylate können dann nicht nur als Binder fungieren, sondern in Anwesenheit eines Leitsalzes ebenfalls als Polymerelektrolyt fungieren. Der Polymereletrolyte kann dann den Leitungspfad des keramischen Festelelektrolyten unterstützen.Alkylene glycol diacrylates which have -CH 2 -CH 2 -O- or -CH 2 -CH 2 -O-like structural sections can be mixed with a lithium salt, which acts as a conductive salt. These alkylene glycol diacrylates can then not only act as a binder, but also act as a polymer electrolyte in the presence of a conductive salt. The polymer electrolyte can then support the conduction path of the ceramic solid electrolyte.

Als Starter für die Polymerisation eines anaerob härtenden Klebstoffs können insbesondere Metallionen aus der Umgebung dienen, insbesondere wenn der Klebstoff unter Luftabschluss verwendet wird. Die Metallionen können hierbei aus Metallfolien stammen, die als Stromsammler für Elektroden verwendet werden, beispielsweise Kupferfolien und/oder Aluminiumfolien.Metal ions from the environment can in particular serve as starters for the polymerization of an anaerobically curing adhesive, in particular if the adhesive is used with the exclusion of air. The metal ions can originate from metal foils that are used as current collectors for electrodes, for example copper foils and / or aluminum foils.

Der anaerob härtenden Klebstoff bzw. dessen Monomere können mit einem Festkörperlektrolytmaterial vermischt und das Gemisch auf eine Metallfolie, beispielsweise eine Kupferfolie, die als anodischer Stromsammler dient, aufgebracht werden. Diese Schicht kann in einem Akuumulator als Separator dienen. Da die Vernetzung erst unter Luftabschluss stattfindet, kann auf diese Schicht, die noch feucht sein kann, eine weitere Schicht für eine Komposit-Elektrode aufgebracht werden. Das Gemisch, das diese Schicht ausbildet, enthält ebenfalls einen anaerob härtenden Klebstoff. Auf diese kann eine weitere Metallfolie, beispielsweise eine Aluminiumfolie, die als kathodischer Stromsammler dient, aufgebracht werden. Durch die zweite Metallfolie wird die Schichtanordnung von der Umgebung abgedichtet, und eine Vernetzung mittels der Metallionen aus den Metallfolien kann stattfinden.The anaerobically curing adhesive or its monomers can be mixed with a solid electrolyte material and the mixture can be applied to a metal foil, for example a copper foil, which serves as an anodic current collector. This layer can serve as a separator in an vacuumator. Since the crosslinking takes place only in the absence of air, a further layer for a composite electrode can be applied to this layer, which can still be moist. The mixture that forms this layer also contains an anaerobic curing adhesive. A further metal foil, for example an aluminum foil, which serves as a cathodic current collector, can be applied to this. The layer arrangement is sealed off from the surroundings by the second metal foil, and crosslinking by means of the metal ions from the metal foils can take place.

In Ausführungsformen kann das Verfahren entsprechend die folgenden Schritte umfassen:

  • - Bereitstellen einer ersten Metallfolie;
  • - Aufbringen einer ersten Schicht eines ersten Gemischs umfassend einen anaerob härtenden Klebstoff sowie ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und/oder ein Lithiumsalz auf die erste Metallfolie;
  • - Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Gemischs umfassend einen anaerob härtenden Klebstoff, ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial, ein Kathoden-Aktivmaterial und einen Leitzusatz auf die erste Schicht;
  • - Aufbringen einer zweiten Metallfolie auf die zweite Schicht; und
  • - Vernetzen der Schichten unter Luftabschluss.
Accordingly, in embodiments, the method may include the following steps:
  • - Providing a first metal foil;
  • Applying a first layer of a first mixture comprising an anaerobic curing adhesive and an ion-conducting solid electrolyte material and / or a lithium salt to the first metal foil;
  • - Applying a second layer of a second mixture comprising an anaerobic curing adhesive, an ion-conducting Solid electrolyte material, a cathode active material and a conductive additive on the first layer;
  • Applying a second metal foil to the second layer; and
  • - Crosslinking the layers with exclusion of air.

In dieser Ausführungsform dient die erste Metallfolie insbesondere als anodischer Stromsammler und die zweite Metallfolie als kathodischer Stromsammler. Metallfolien können beispielsweise aus Kupfer, Messing, Bronze, niedrig legierten Stählen oder Aluminium ausgebildet sein. Insbesondere kann eine Aluminiumfolie als kathodischer Stromsammler und eine Kupferfolie als anodischer Stromsammler verwendet werden.In this embodiment, the first metal foil serves in particular as an anodic current collector and the second metal foil serves as a cathodic current collector. Metal foils can be formed, for example, from copper, brass, bronze, low-alloy steels or aluminum. In particular, an aluminum foil can be used as the cathodic current collector and a copper foil as the anodic current collector.

Die Reihenfolge der Schritte ist hierbei nicht festgelegt, insbesondere kann der Aufbau für eine Schichtanordnung für einen Festkörper-Akkumulator auch umgekehrt erfolgen.The sequence of the steps is not fixed here, in particular the structure for a layer arrangement for a solid-state accumulator can also be reversed.

In anderen Ausführungsformen kann das Verfahren entsprechend die folgenden Schritte umfassen:

  • - Bereitstellen einer ersten Metallfolie;
  • - Aufbringen einer ersten Schicht eines ersten Gemischs umfassend einen anaerob härtenden Klebstoff, ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial, ein Kathoden-Aktivmaterial und einen Leitzusatz auf die erste Metallfolie;
  • - Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Gemischs umfassend einen anaerob härtenden Klebstoff sowie ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und/oder ein Lithiumsalz auf die erste Schicht;
  • - Aufbringen einer zweiten Metallfolie auf die zweite Schicht; und
  • - Vernetzen der Schichten unter Luftabschluss.
In other embodiments, the method may accordingly include the following steps:
  • - Providing a first metal foil;
  • Applying a first layer of a first mixture comprising an anaerobically curing adhesive, an ion-conducting solid electrolyte material, a cathode active material and a conductive additive to the first metal foil;
  • Applying a second layer of a second mixture comprising an anaerobic curing adhesive and an ion-conducting solid electrolyte material and / or a lithium salt to the first layer;
  • Applying a second metal foil to the second layer; and
  • - Crosslinking the layers with exclusion of air.

In dieser Ausführungsform dient die erste Metallfolie insbesondere als kathodischer Stromsammler und die zweite Metallfolie als anodischer Stromsammler, wobei vorzugsweise wiederum eine Aluminiumfolie als kathodischer Stromsammler und eine Kupferfolie als anodischer Stromsammler verwendbar ist.In this embodiment, the first metal foil serves in particular as a cathodic current collector and the second metal foil serves as an anodic current collector, an aluminum foil as cathodic current collector and a copper foil as anodic current collector preferably being used in turn.

In beiden Ausführungsformen wird eine Schichtanordnung für einen Festkörper-Akkumulator erhalten. Nach der Polymerisation kann der Schichtaufbau für das Aufschichten der Festkörperzellen geschnitten werden. Insbesondere die Handhabung der dünnen Kupferfolien, die als anodische Stromsammler verwendet werden, wird erleichtert. Die Anode, Lithium-Metall, wird in-situ während des ersten Ladevorgangs gebildet. In vorteilhafter Weise ist somit keine Verarbeitung von Lithiummetall notwendig, welches unter anderem eines Trockenraums bedarf.In both embodiments, a layer arrangement for a solid-state accumulator is obtained. After the polymerization, the layer structure can be cut for the layering of the solid-state cells. In particular, the handling of the thin copper foils, which are used as anodic current collectors, is made easier. The anode, lithium metal, is formed in-situ during the first charge. Advantageously, it is therefore not necessary to process lithium metal, which, inter alia, requires a drying room.

Bei Verwendung eines Acrylat-Klebstoffs wird die Vernetzung durch Wasser aus der Umgebung oder den für einen Schichtaufbau verwendeten Rohstoffen gestartet. Hierdurch beginnt die Vernetzung innerhalb kurzer Zeit. Da hierdurch eine Selbsttrocknung der Schicht beginnt, ist nur eine kurze oder Trocknungsstrecke notwendig. Gegebenenfalls kann auf eine Trocknungsstrecke auch verzichtet werden. Auf die Schicht kann in einem nächsten Schritt eine weitere Schicht aufgetragen werden.When using an acrylate adhesive, the crosslinking is started by water from the environment or the raw materials used for a layer structure. As a result, networking begins within a short time. Since this causes the layer to self-dry, only a short or drying section is necessary. If necessary, a drying section can also be dispensed with. In a next step, another layer can be applied to the layer.

Ein entsprechendes Verfahren ist zur Herstellung eines Festkörper-Akkumulators geeignet. In Ausführungsformen kann das Verfahren entsprechend die folgenden Schritte umfassen:

  1. a) Bereitstellen eines kathodischen Stromsammlers;
  2. b) Aufbringen einer ersten Schicht eines ersten Gemischs umfassend einen Acrylat-Klebstoff, ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial, ein Kathoden-Aktivmaterial und einen Leitzusatz auf den kathodischen Stromsammler;
  3. c) Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Gemischs umfassend einen Acrylat-Klebstoff sowie ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und/oder ein Lithiumsalz auf die erste Schicht.
A corresponding method is suitable for producing a solid-state accumulator. Accordingly, in embodiments, the method may include the following steps:
  1. a) providing a cathodic current collector;
  2. b) applying a first layer of a first mixture comprising an acrylate adhesive, an ion-conducting solid electrolyte material, a cathode active material and a conductive additive to the cathodic current collector;
  3. c) applying a second layer of a second mixture comprising an acrylate adhesive and an ion-conducting solid electrolyte material and / or a lithium salt to the first layer.

Hierbei kann die Trocknung der ersten Kathodenschicht durch Wasser aus der Umgebung und/oder dem Gemisch sofort einsetzen, wobei die zweite Separator-Schicht auf eine bereits angetrocknete oder getrocknete Schicht erfolgt. Auf die erhaltene Sandwich-Anordnung aus Kathoden- und Separator-Schicht kann in einem nachfolgenden Schritt die Anode, beispielsweise eine Lithiummetall-Folie, aufgebracht insbesondere aufgepresst werden.Here, the drying of the first cathode layer by water from the environment and / or the mixture can begin immediately, the second separator layer taking place on a layer that has already dried or dried. In a subsequent step, the anode, for example a lithium metal foil, can be applied, in particular pressed, onto the sandwich arrangement obtained from the cathode and separator layer.

Der Einkomponenten-Polymerisationsklebstoff kann in einem ersten und einer zweiten Gemisch gleich oder unterschiedlich sein. In Ausführungsformen ist der Einkomponenten-Polymerisationsklebstoff in beiden Gemischen gleich. Dies kann zu einer höheren Homogenität der Schichten und/oder verbesserten Anbindung der Schichten untereinander führen. Gleichfalls kann das ionenleitende Festkörperelektrolytmaterial in einem ersten und einer zweiten Gemisch gleich oder unterschiedlich sein. In Ausführungsformen ist das ionenleitende Festkörperelektrolytmaterial in beiden Gemischen gleich. Dies kann zu einer verbesserten Ionenleitung in der Schichtanordnung führen.The one-component polymerization adhesive can be the same or different in a first and a second mixture. In embodiments, the one-component polymerization adhesive is the same in both mixtures. This can lead to a higher homogeneity of the layers and / or improved connection of the layers to one another. Likewise, the ion-conducting solid electrolyte material can be the same or different in a first and a second mixture. In embodiments, the ion-conducting solid electrolyte material is the same in both mixtures. This can lead to an improved ion conduction in the layer arrangement.

Gemische zur Ausbildung von Elektrolyt-Schichten enthalten jeweils wenigstens den Einkomponenten-Polymerisationsklebstoff sowie weiterhin ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial, oder ein Lithiumsalz, oder ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und ein Lithiumsalz. Bei Verwendung eines Festkörperelektrolytmaterials und des Einkomponenten-Polymerisationsklebstoffs ist eine Schicht eines ionenleitenden Festkörperelektrolyts herstellbar. Bei Verwendung eines Festkörperelektrolytmaterials und eines Lithiumsalzes und Einkomponenten-Polymerisationsklebstoff ist ein Polymerelektrolyt herstellbar. Auch durch Verwendung eines Lithiumsalzes und des Einkomponenten-Polymerisationsklebstoffs sind Polymerelektrolyte herstellbar.Mixtures for forming electrolyte layers each contain at least the one-component polymerization adhesive and furthermore an ion-conductive solid electrolyte material, or a lithium salt, or an ion-conductive solid electrolyte material and a lithium salt. When using a solid electrolyte material and the one-component polymerization adhesive, a layer of an ion-conducting solid electrolyte can be produced. When using a solid electrolyte material and a lithium salt and one-component polymerization adhesive, a polymer electrolyte can be produced. Polymer electrolytes can also be produced by using a lithium salt and the one-component polymerization adhesive.

Gemische zur Ausbildung einer Komposit-Elektrode enthalten den Einkomponenten-Polymerisationsklebstoff, ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial, ein Aktivmaterial für die Elektrode und einen Leitzusatz. Der Begriff „Aktivmaterial“ bezeichnet ein Material, das unter den Arbeitsbedingungen eines Lithium-Ionen-Akkumulators Lithiumionen reversibel aufnehmen und abgeben kann. Zur Herstellung einer Komposit-Elektrode wird das Elektrodenmaterial in Form eines Gemisches auf eine Metallfolie, vorzugsweise Aluminium für die Kathode, aufgebracht, die als Stromsammler dient. Eine solche Elektrode wird allgemein als Komposit- oder Verbund-Elektrode bezeichnet.Mixtures to form a composite electrode contain the one-component polymerization adhesive, an ion-conducting solid electrolyte material, an active material for the electrode and a conductive additive. The term “active material” refers to a material that can reversibly absorb and release lithium ions under the working conditions of a lithium-ion battery. To produce a composite electrode, the electrode material is applied in the form of a mixture to a metal foil, preferably aluminum for the cathode, which serves as a current collector. Such an electrode is generally referred to as a composite or composite electrode.

Das Festkörperelektrolytmaterial kann ein keramischer, glaskeramischer und/oder glasiger Lithium-Ionenleiter sein. Eine Glaskeramik kann insbesondere eine Lithium-Germanium-Phosphatphase, eine Lithium-Titan-Phosphatphase, eine Lithium-Zirkon-Phosphatphase, eine Lithium-Lanthan-Zirkonatphase, eine Lithium-Lanthan-Titanatphase, eine Spinellphase, eine Granatphase, oder eine dazu ähnliche, insbesondere isostrukturelle Phasen, enthalten.The solid electrolyte material can be a ceramic, glass ceramic and / or glassy lithium ion conductor. A glass ceramic can in particular be a lithium germanium phosphate phase, a lithium titanium phosphate phase, a lithium zirconium phosphate phase, a lithium lanthanum zirconate phase, a lithium lanthanum titanate phase, a spinel phase, a garnet phase, or a similar one, especially isostructural phases.

In Ausführungsformen ist das ionenleitende Festkörperelektrolytmaterial ausgewählt aus der Gruppe umfassend LiPON, Lithiumhaltige keramische und glaskeramische Ionenleiter, die eine LiSICon oder LiSICon-artige, NaSICon oder NaSICon-artige, granatartige, Perowskit- oder Anti-Perovkit-, oder Argyrodit-Kristallphase aufweisen, Lithium enthaltende Nitride, Hydride oder Halogenide, Lithiumhaltige glasige lonenleiter sowie Kombinationen davon. Die Kristallstruktur stellt einen wesentlichen Faktor für eine hohe ionische Leitfähigkeit über Kristalldefekte dar. In Glaskeramiken ist für die Ionenleitung wichtig, dass das Festkörperelektrolytmaterial zusätzlich amorphe, beispielsweise glasige, Strukturen aufweisen, die den Ladungstransport erlauben bzw. unterstützen.In embodiments, the ion-conducting solid electrolyte material is selected from the group comprising LiPON, lithium-containing ceramic and glass-ceramic ion conductors which have a LiSICon or LiSICon-like, NaSICon or NaSICon-like, garnet-like, perovskite or anti-Perovkit, or argyrodite crystal phase, lithium containing nitrides, hydrides or halides, lithium-containing glassy ion conductors and combinations thereof. The crystal structure represents an essential factor for a high ionic conductivity over crystal defects. In glass ceramics it is important for the ion conduction that the solid electrolyte material additionally have amorphous, for example glassy, structures which allow or support the charge transport.

Bevorzugt sind Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) und eine Klasse von glaskeramischen Materialien, die allgemein als LiSICon (ein Akronym für Lithium Super-Ionic Conductor) Strukturtyp-Materialien bezeichnet werden, und NaSICon (ein Akronym für Natrium Super-Ionic Conductor) strukturartige Materialien. LiPON ist ein häufig verwendeter Feststoffelektrolyt. Die Abkürzung LiPON steht für „Lithium Phosphor Oxynitrid“ und wird als Synonym für Materialien der Zusammensetzung LixPOyNz verwendet.Preferred are lithium phosphorus oxynitride (LiPON) and a class of glass-ceramic materials commonly referred to as LiSICon (an acronym for Lithium Super-Ionic Conductor) structure type materials and NaSICon (an acronym for Sodium Super-Ionic Conductor) structural materials. LiPON is a commonly used solid electrolyte. The abbreviation LiPON stands for "Lithium Phosphor Oxynitrid" and is used as a synonym for materials with the composition Li x PO y N z .

Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit einer kristallinen NaSICon- oder NaSICon-artigen Struktur sind ausgewählt aus Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, LiTi2(PO4)3, LiGe2(PO4)3 und LiZr(PO4)3. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit einer kristallinen LiSICon oder LiSICon-artigen Struktur sind ausgewählt aus Li10GeP2S12, Li3PS4, Li3Si0,4P0,6S4 und Sn-dotiertes Li3PS4. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Granat-Kristallphase sind ausgewählt aus Li6,75La3Zr2Ta0,25O12 und Li7La3Zr2O12 (LLZO). Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Perowskit-Kristallphase sind ausgewählt aus Li0,34La0,51TiO2,94, LiSr2Ti2NbO9 und Li0,06La0,66Ti0,93Al0,03O3. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Anti-Perovkit-Kristallphase sind ausgewählt aus Li3OCl und Li3OCl0,5Br0,5. Bevorzugte Lithium-Argyrodit sind ausgewählt aus Li6PS5Br, Li6PS5Cl, Li7PS6 und Li6PO5Cl. Bevorzugte Lithium enthaltende Nitride sind ausgewählt aus LiPON, Li3N, Li7PN4 und LiSi2N3). Bevorzugte Lithium enthaltende Hydride sind ausgewählt aus Li2NH, LiBH4, LiAlH4 und Li3(NH2)2I. Bevorzugte Lithium enthaltende Halogenide sind ausgewählt aus Li2CdCl4, Li2MgCl4 und Li2ZnI4.Preferred lithium-containing ceramics or glass ceramics with a crystalline NaSICon or NaSICon-like structure are selected from Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 , LiTi 2 (PO 4 ) 3 , LiGe 2 (PO 4 ) 3 and LiZr (PO 4 ) 3 . Preferred lithium-containing ceramics or glass ceramics with a crystalline LiSICon or LiSICon-like structure are selected from Li 10 GeP 2 S 12 , Li 3 PS 4 , Li 3 Si 0.4 P 0.6 S 4 and Sn-doped Li 3 PS 4 . Preferred lithium-containing ceramics or glass ceramics with a garnet crystal phase are selected from Li 6.75 La 3 Zr 2 Ta 0.25 O 12 and Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO). Preferred lithium-containing ceramics or glass-ceramics with perovskite crystal phase selected from Li 0, 34 La 0.51 TiO 2.94, LisR 2 Ti 2 NbO 9 and Li 0.06 La 0.66 Ti 0.93 Al 0.03 O 3 . Preferred lithium-containing ceramics or glass ceramics with an anti-perovkite crystal phase are selected from Li 3 OCl and Li 3 OCl 0.5 Br 0.5 . Preferred lithium argyrodite are selected from Li 6 PS 5 Br, Li 6 PS 5 Cl, Li 7 PS 6 and Li 6 PO 5 Cl. Preferred lithium-containing nitrides are selected from LiPON, Li 3 N, Li 7 PN 4 and LiSi 2 N 3 ). Preferred lithium-containing hydrides are selected from Li 2 NH, LiBH 4 , LiAlH 4 and Li 3 (NH 2 ) 2 I. Preferred lithium-containing halides are selected from Li 2 CdCl 4 , Li 2 MgCl 4 and Li 2 ZnI 4 .

Weiterhin können glasige Festelektrolyte verwendet werden, die eine amorphe Struktur aufweisen. Es ist auch möglich, Lithium enthaltende glasige Elektrolyte wie Lithiumsilikate, Lithiumborate, Lithiumaluminate, Lithiumphosphate, Lithium-Phosphor-Oxinitride, Lithium-Siliziumsulfide, Lithium-Germaniumsulfide, Lithium-Lantanoxide, Lithium-Titanoxide, Lithium-Borsulfide, Lithium-Aluminiumsulfide und Lithium-Phosphorsulfide sowie Kombinationen davon zu verwenden.Glassy solid electrolytes which have an amorphous structure can also be used. It is also possible to use lithium-containing glassy electrolytes such as lithium silicates, lithium borates, lithium aluminates, lithium phosphates, lithium phosphorus oxynitrides, lithium silicon sulfides, lithium germanium sulfides, lithium lanthanum oxides, lithium titanium oxides, lithium borosulfides, lithium aluminum sulfides and lithium To use phosphorus sulfides and combinations thereof.

Als Aktivmaterial für eine Komposit-Kathode sind insbesondere Lithium-Übergangsmetalloxide verwendbar, die mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe umfassend Cobalt, Nickel, Mangan, Vanadium, Eisen, Antimon, Zinn und Tellur enthalten und optional Niob, Wolfram, Zirkon, Aluminium, Chrom, Magnesium oder Titan dotiert sind. Ein in einer Lithium-Ionen-Festkörperbatterie verwendbares Lithium-Übergangsmetalloxid weist vorzugsweise die allgemeine Formel LixMyOz auf, wobei M wenigstens ein Metall ist ausgewählt aus Co, Mn, Ni, V, Fe, Nb, W, Sb und/oder Te, bevorzugt ein Übergangsmetall ausgewählt aus Co, Ni und/oder Mn. Das Lithium-Übergangsmetalloxid ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, LiVO2, LiV2O5, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiMn2O, Li(Ni0,5Mn1,5)O4, Li1,3Nb0,3Mn0,4O2, LixNb2O5 und Li4Ti4,95Nb0,05O12. Auch polyanionische Materialien mit Olivin-Struktur wie LiFePO4, LiMnPO4, LiNiPO4 oder LiCoPO4 sind verwendbar. Weiter verwendbar sind Li2FeSiO4, Li2MnSiO4, Li3V2(PO4)3 oder LiFexMn1-xPO4, Fluorphosphate wie LiVPO4F, oder Fluorsulfate wie LiFeSO4F, LiCoSO4F, LiNiSO4F. Weiter sind Lithium-reiche Kathodenmaterialien geeignet, die durch die Summenformel Li1+xMe1-xO2 beschrieben werden, wobei „Me“ wenigstens ein Metall ist ausgewählt aus Co, Mn und/oder Ni. Das Aktivmaterial der Komposit-Kathode weist vorzugsweise ein Potential gegen Lithium von wenigstens 2,8 V auf.Lithium transition metal oxides which contain at least one element selected from the group comprising cobalt, nickel, manganese, vanadium, iron, antimony, tin and tellurium and optionally niobium, tungsten, zirconium, aluminum and chromium can be used in particular as active material for a composite cathode , Magnesium or titanium are doped. A lithium transition metal oxide which can be used in a lithium-ion solid-state battery preferably has the general formula Li x M y O z , where M is at least one metal selected from Co, Mn, Ni, V, Fe, Nb, W, Sb and / or Te, preferably a transition metal selected from Co, Ni and / or Mn. The lithium transition metal oxide is preferably selected from the group comprising LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiV 2 O 5 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O, Li (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4 , Li 1, 3 Nb 0.3 Mn 0.4 O 2 , Li x Nb 2 O 5 and Li 4 Ti 4.95 Nb 0.05 O 12 . Polyanionic materials with olivine structure such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 or LiCoPO 4 can also be used. Li 2 FeSiO 4 , Li 2 MnSiO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 or LiFe x Mn 1-x PO 4 , fluorophosphates such as LiVPO 4 F, or fluorosulfates such as LiFeSO 4 F, LiCoSO 4 F, LiNiSO can also be used 4 F. Furthermore, lithium-rich cathode materials are suitable, which are described by the empirical formula Li 1 + x Me 1-x O 2 , "Me" being at least one metal selected from Co, Mn and / or Ni. The active material of the composite cathode preferably has a potential against lithium of at least 2.8 V.

Der Leitzusatz kann ausgewählt sein aus Graphit; Ruße wie Ruß, Acetylenruß, Ketjen-Ruß, Kanalruß, Ofenruß, Lampenruß und thermischer Ruß; leitfähige Fasern, wie Kohlenstofffasern und metallische Fasern; Metallpulver wie Aluminiumpulver und Nickelpulver; leitfähige Whisker wie Zinkoxid und Kaliumtitanat; leitfähige Metalloxide wie Titanoxid; und Polyphenylenderivate. Vorzugsweise ist der Leitzusatz ausgewählt aus der Gruppe Ruß, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren oder Kohlenstoffnanodrähte.The lead additive can be selected from graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black and thermal black; conductive fibers such as carbon fibers and metallic fibers; Metal powders such as aluminum powder and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; and polyphenylene derivatives. The additive is preferably selected from the group of carbon black, graphite, carbon nanotubes or carbon nanowires.

Acrylat-Klebstoffe sind insbesondere auch zur Herstellung einzelner Elektroden-Schichten, oder Festkörper-Elektrolyt, Polymer-Elektrolyt bzw. Separator-Schichten verwendbar. Ein Verfahren zur Herstellung einer Komposit-Elektrode, Festkörper-Elektrolyten oder Polymer-Elektrolyten kann entsprechend umfassen, dass ein Gemisch umfassend Acrylat-Klebstoff sowie ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und/oder ein Lithiumsalz, oder ein Gemisch umfassend Acrylat-Klebstoff, ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial, ein Aktivmaterial und einen Leitzusatz auf ein Substrat aufgebracht werden, wobei man optional das Substrat nach der Vernetzung des Acrylat-Klebstoffs entfernt. Ein solches Substrat kann beispielsweise eine Polyethylenterephthalat (PET)-Folie oder eine Polyethylenterephthalat-Polyesterfolie sein. Acrylate adhesives can also be used in particular for the production of individual electrode layers, or solid-state electrolyte, polymer electrolyte or separator layers. A method for producing a composite electrode, solid electrolyte or polymer electrolyte can accordingly comprise a mixture comprising acrylate adhesive and an ion-conducting solid electrolyte material and / or a lithium salt, or a mixture comprising acrylate adhesive, an ion-conducting solid electrolyte material Active material and a conductive additive are applied to a substrate, the substrate being optionally removed after the acrylate adhesive has been crosslinked. Such a substrate can be, for example, a polyethylene terephthalate (PET) film or a polyethylene terephthalate polyester film.

Als Aktivmaterial für eine Komposit-Anode sind insbesondere die folgenden Werkstoffe verwendbar:

  • - Graphit, Hartkohlenstoff (hard carbons), Weichkohlenstoff (soft carbons), Graphit-Silicium-Komposite, Elemente und Zusammensetzungen der Gruppe IV wie Silizium, Si-M, Si-MC wobei M jeweils für wenigstens eines ausgwählt aus Mg, Ca, Ni, Fe, Co, Ag und Cu steht, Si-C, SiO und dessen Verbundwerkstoffe, Sn, Sn-basierte Oxidmaterialien und deren Verbundwerkstoffe wie SnO, SnO2, Sn-M, Sn-MC wobei M jeweils für wenigstens eines ausgwählt aus Mo, B, Si, AI, Co, Cu, Mn, Fe, Ce, Mg und Sb steht, Sn-MO wobei M für wenigstens eines ausgwählt aus Mo, B, Si, AI, Co, Cu, Mn, Fe, Ce, Mg und Sb steht, Sn1,0B0,5P0,5Al0,4M0,1O3,7 wobei M ein Alkalimetalle wie K ist, Ge, Pb, Elemente der Gruppe V wie P, As, Sb und Bi;
  • - Phosphor-basierte Intermetallverbindungen und ihre Komposite MPy (M = Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn und y = 1,2,3,4);
  • - Intermetallische Verbindungen auf Sb-Basis und ihre Verbundwerkstoffe MSby mit y = 1,2,3 wobei M für wenigstens eines ausgwählt aus Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu und Zn steht;
  • - Bi und seine Komposite und As und seine Komposite;
  • - Elemente wie Mg, AI, Galn, Ag, AuZn, Cd;
  • - Übergangsmetalloxide MOx wobei M für wenigstens eines ausgwählt aus Mo, Fe, Co, Ni und Cu steht;
  • - Lithiumtitanat LixTiyO12 wobei das Li / Ti-Verhältnis im Bereich von 0,78 bis 0,82 liegt, x im Bereich von 3 bis 5 liegt und y im Bereich von 4 bis 6 liegt;
sowie Mischungen der vorgenannen Materialien.The following materials in particular can be used as active material for a composite anode:
  • - Graphite, hard carbon (hard carbons), soft carbon (soft carbons), graphite-silicon composites, elements and compositions of group IV such as silicon, Si-M, Si-MC where M is selected for at least one of Mg, Ca, Ni , Fe, Co, Ag and Cu, Si-C, SiO and its composite materials, Sn, Sn-based oxide materials and their composite materials such as SnO, SnO 2 , Sn-M, Sn-MC where M is selected for at least one of Mo , B, Si, Al, Co, Cu, Mn, Fe, Ce, Mg and Sb, Sn-MO where M is at least one selected from Mo, B, Si, Al, Co, Cu, Mn, Fe, Ce, Mg and Sb, Sn 1.0 B 0.5 P 0.5 Al 0.4 M 0.1 O 3.7 where M is an alkali metal such as K, Ge, Pb, elements of group V such as P, As, Sb and Bi;
  • - Phosphorus-based intermetallic compounds and their composites MP y (M = Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn and y = 1,2,3,4);
  • - Sb-based intermetallic compounds and their composite materials MSby with y = 1,2,3 where M stands for at least one selected from Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn;
  • - Bi and its composites and As and its composites;
  • - Elements such as Mg, Al, Galn, Ag, AuZn, Cd;
  • - Transition metal oxides MO x where M stands for at least one selected from Mo, Fe, Co, Ni and Cu;
  • Lithium titanate Li x Ti y O 12 where the Li / Ti ratio is in the range from 0.78 to 0.82, x is in the range from 3 to 5 and y is in the range from 4 to 6;
as well as mixtures of the aforementioned materials.

Das Lithiumsalz kann ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Lithiumchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiSO3CF3), Lithiumbis(trifluormethylsulphonyl)imid (LiN(SO2CF3)2) (LiTFSI), Lithiumbis(pentafluorethylsulphonyl)imid (LiN(SO2C2F5)2), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB, LiB(C2O4)2), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF2(C2O4)), Lithium-tris(pentafluorethyl)trifluorophosphat (LiPF3(C2F5)3) und Kombinationen davon.The lithium salt can be selected from the group comprising lithium chlorate (LiClO 4 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiSO 3 CF 3 ), lithium bis (trifluoromethylsulphonyl) 2 CF 3 ) 2 ) (LiTFSI), lithium bis (pentafluoroethylsulphonyl) imide (LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 ), lithium bis (oxalato) borate (LiBOB, LiB (C 2 O 4 ) 2 ), lithium difluoro (oxalato) borate (LiBF 2 (C 2 O 4 )), lithium tris (pentafluoroethyl) trifluorophosphate (LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 ) and combinations thereof.

Einzelne Festelektrolyt-, Polymerelektrolyt- und/oder Elektroden-Schichten sind insbesondere unter Verwendung eines Acrylat-Klebstoffs getrennt herstellbar und verwendbar oder können nachträglich miteinander kombiniert werden, wodurch Lithium-Ionen-Akkumulatoren variablen Aufbaus erhältlich sind. Alternativ sind die Schichten insbesondere unter Verwendung eines anaerob härtenden Klebstoffs gemeinsam in Form einer Schichtanordnung herstellbar.Individual solid electrolyte, polymer electrolyte and / or electrode layers can be produced and used separately, in particular using an acrylate adhesive, or can be combined subsequently, as a result of which lithium-ion batteries with a variable structure are available. Alternatively, the layers can be produced jointly in the form of a layer arrangement, in particular using an anaerobically curing adhesive.

Ein Gemisch zur Ausbildung einer Komposit-Elektroden-Schicht kann Aktivmaterial im Bereich von 50-95 Gew.%, und/oder Festkörperionenleiter im Bereich von 5-35 Gew.%, und/oder Leitadditiv im Bereich von 1-10 Gew.%, und/oder Bindemittel im Bereich von 0,01-10 Gew%, und/oder Additive im Bereich von 0-5 Gew%, jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht des Gemischs von 100 Gew%, umfassen.A mixture for forming a composite electrode layer can contain active material in the range of 50-95% by weight, and / or solid-state ion conductor in the range of 5-35% by weight, and / or conductive additive in the range of 1-10% by weight. and / or binders in the range of 0.01-10% by weight, and / or additives in the range of 0-5% by weight, in each case based on a total weight of the mixture of 100% by weight.

Ein Gemisch zur Ausbildung einer Festelektrolyt- oder Polymerelektrolyt-Schicht kann Festkörperionenleiter im Bereich von 60-99 Gew.%, und/oder Bindemittel im Bereich von 1-20 Gew%, und/oder Additive im Bereich von 0-5 Gew%, jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht des Gemischs von 100 Gew%, umfassen. Das Gemisch zur Ausbildung eines Polymerelektrolyten kann ein Lithium-Salz mit einer Konzentration im Bereich von 0,2 bis 3 mol/L enthalten. A mixture for forming a solid electrolyte or polymer electrolyte layer can contain solid ion conductors in the range of 60-99% by weight, and / or binders in the range of 1-20% by weight, and / or additives in the range of 0-5% by weight based on a total weight of the mixture of 100% by weight. The mixture for forming a polymer electrolyte may contain a lithium salt with a concentration in the range of 0.2 to 3 mol / L.

Die Schichtdicke einer vernetzten Komposit-Elektrodenschicht, insbesondere Komposit-Kathode, kann im Bereich von 50-300 µm liegen. Die Schichtdicke einer vernetzten Festkörper-Elektrolyt-Schicht oder Polymer-Elektrolyt-Schicht kann im Bereich von 5-50 µm liegen.The layer thickness of a cross-linked composite electrode layer, in particular composite cathode, can be in the range of 50-300 μm. The layer thickness of a crosslinked solid electrolyte layer or polymer electrolyte layer can be in the range of 5-50 μm.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Einkomponenten-Polymerisationsklebstoffs, insbesondere eines Acrylat-Klebstoffs oder eines anaerob härtenden Klebstoffs, zur Herstellung einer Komposit-Elektrode, eines Festkörper-Elektrolyten, eines Polymer-Elektrolyten und/oder einer diese umfassenden Schichtanordnung, insbesondere eines Festkörper-Akkumulators. Für die Beschreibung der Einkomponenten-Polymerisationsklebstoffe, der Elektroden und der Elektrolyte sowie des Verfahrens wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.Another aspect of the invention relates to the use of a one-component polymerization adhesive, in particular an acrylate adhesive or an anaerobically curing adhesive, for the production of a composite electrode, a solid electrolyte, a polymer electrolyte and / or a layer arrangement comprising this, in particular one Solid-state accumulator. For the description of the one-component polymerization adhesives, the electrodes and the electrolytes and the process, reference is made to the above description.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Lithium-Ionen-Akkumulator, insbesondere Lithium-Ionen-Festkörper-Akkumulator, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Ein Aspekt der Erfindung betrifft auch einen Lithium-Ionen-Akkumulator enthaltend eine Komposit-Elektrode, einen Festkörper-Elektrolyt und/oder einen Polymer-Elektrolyt, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere unter Verwendung eines Acylat-Klebstoffs. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Komposit-Elektrode, einen Festkörper-Elektrolyten oder einen Polymer-Elektrolyten, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere unter Verwendung eines Acylat-Klebstoffs.Another aspect of the invention relates to a lithium-ion battery, in particular a lithium-ion solid-state battery, produced by the method according to the invention. One aspect of the invention also relates to a lithium-ion battery containing a composite electrode, a solid electrolyte and / or a polymer electrolyte, produced by the method according to the invention, in particular using an acylate adhesive. Another aspect of the invention relates to a composite electrode, a solid electrolyte or a polymer electrolyte, produced by the method according to the invention, in particular using an acylate adhesive.

Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Lithium-Ionen-Akkumulators, der Komposit-Elektrode, des Festkörper-Elektrolyten und des Polymer-Elektrolyten wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren, sowie auf die Beispiele verwiesen.With regard to further advantages and technical features of the lithium-ion accumulator, the composite electrode, the solid electrolyte and the polymer electrolyte, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention and to the examples.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.The invention is explained below by way of example using preferred exemplary embodiments.

Beispiel 1example 1

Herstellung eines Schichtsystems aus Kompositkathode und Festelektrolyt-Separator mit Cyanacrylat-KlebstoffProduction of a layer system from composite cathode and solid electrolyte separator with cyanoacrylate adhesive

Für die Herstellung eines Gemischs für die Kompositkathode wurde das Aktivmaterial Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid mit dem Festkörperionenleiter LATP, und Leitruß trocken vorgemischt. Dabei lagen die Komponenten in einem Verhältnis von 65 Gew.% Aktivmaterial, 20 Gew.% Festionenleiter, und 5 Gew.% Leitruß, bezogen auf ein Gesamtgewicht von 100 Gew.%, vor. Dieser Mischung wurden anschließend 10 Gew% Octylcyanacrylat als Bindermaterial zugesetzt. Nach weiterem kurzen Vermengen wurde das Gemisch auf einen Stromsammler beschichtet. Das Gemisch härtete innerhalb einiger Minuten aus. Auf diese gehärtete Schicht für eine Kompositkathode wurde anschließend eine Mischung aus Festkörperionenleiter LATP und Octylcyanacrylat in einem Gewichtsverhältnis von 4 zu 1 beschichtet. Auch diese härtete nach kurzer Zeit aus.To produce a mixture for the composite cathode, the active material lithium-nickel-cobalt-manganese oxide was premixed dry with the solid-state ion conductor LATP and conductive carbon black. The components were present in a ratio of 65% by weight of active material, 20% by weight of fixed conductor and 5% by weight of conductive carbon black, based on a total weight of 100% by weight. 10% by weight of octyl cyanoacrylate was then added to this mixture as binder material. After another short mixing, the mixture was coated on a current collector. The mixture cured within a few minutes. A mixture of solid ion conductor LATP and octyl cyanoacrylate was then coated in a weight ratio of 4 to 1 onto this hardened layer for a composite cathode. This also hardened after a short time.

Beispiel 2Example 2

Herstellung eines Schichtsystems aus Kompositkathode und einem Festelektrolyt-Separator mit anaerob vernetzendem KlebstoffProduction of a layer system from a composite cathode and a solid electrolyte separator with anaerobic cross-linking adhesive

Für die Herstellung eines Gemischs für die Kompositkathode wurde das Aktivmaterial Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid mit dem Festkörperionenleiter LLZO und Leitruß trocken vorgemischt. Dabei lagen die Komponenten in einem Verhältnis von 60 Gew.% Aktivmaterial, 20 Gew.%, Festionenleiter und 5 Gew.% Leitruß, bezogen auf ein Gesamtgewicht von 100 Gew.%, vor. Dieser Mischung wurden anschließend 12,5 Gew.% Triethylenglykoldimethacrylat als Bindemittel zugesetzt. Nach weiterem kurzen Vermengen wurde das Gemisch auf einen Aluminium-Stromsammler beschichtet. Auf die noch nicht ausgehärtete Schicht der Kompositkathode wurde ein weiteres Gemisch für eine Separator-Schicht umfassend LLZO und Triethylenglykoldimethacrylat im Verhältnis 17 zu 3 aufgebracht. Als Radialstarter und als Beschleuniger wurden den Gemischen vor dem Auftragen 0,5 Gew.% Cumolhydroperoxid und jeweils 1 Gew.% Saccharin und Dimethyl-p-toluidin zugesetzt. Auf dieses Schichtsystem wurde eine Kupfer-Folie als anodischer Stromsammler appliziert und die Vernetzung der Schichten startet durch die Metallionen aus den Stromsammlern. Nach etwa 15 Minuten war das System abgebunden und konnte weiterverarbeitet werden. Nach einer weiteren Wartezeit von wenigstens 120 Minuten war das Schicht-System vollständig ausgehärtet.To produce a mixture for the composite cathode, the active material lithium-nickel-cobalt-manganese oxide was premixed dry with the solid-state ion conductor LLZO and conductive carbon black. The components were present in a ratio of 60% by weight of active material, 20% by weight, fixed conductor and 5% by weight of conductive carbon black, based on a total weight of 100% by weight. 12.5% by weight of triethylene glycol dimethacrylate was then added to this mixture as a binder. After another short mixing, the mixture was coated on an aluminum current collector. Another mixture for a separator layer comprising LLZO and triethylene glycol dimethacrylate in a ratio of 17 to 3 was applied to the not yet hardened layer of the composite cathode. As a radial starter and as an accelerator, 0.5% by weight of cumene hydroperoxide and 1% by weight of saccharin and dimethyl-p-toluidine were added to the mixtures before application. A copper foil was applied to this layer system as an anodic current collector and the crosslinking of the layers starts through the metal ions from the current collectors. After about 15 minutes the system was set and could be processed further. After a further waiting period of at least 120 minutes, the layer system was completely hardened.

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Claims (10)

Verfahren zur Herstellung einer Komposit-Elektrode, eines Festkörper-Elektrolyten, eines Polymer-Elektrolyten und/oder einer diese umfassenden Schichtanordnung, wobei Schichten der Komposit-Elektrode, des Festkörper-Elektrolyten und/oder des Polymer-Elektrolyten mittels Verfestigung eines Gemischs umfassend ein Bindemittel sowie ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und/oder ein Lithiumsalz, und optional Aktivmaterial und Leitzusatz, ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Einkomponenten-Polymerisationsklebstoff ist.A method for producing a composite electrode, a solid electrolyte, a polymer electrolyte and / or a layer arrangement comprising the same, wherein layers of the composite electrode, the solid electrolyte and / or the polymer electrolyte by solidifying a mixture comprising a binder and an ion-conducting solid electrolyte material and / or a lithium salt, and optionally active material and conductive additive, are formed, characterized in that the binder is a one-component polymerization adhesive. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkomponenten-Polymerisationsklebstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Acrylat-Klebstoffe und/oder anaerob härtende Klebstoffe.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the one-component polymerization adhesive is selected from the group comprising acrylate adhesives and / or anaerobic curing adhesives. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der anaerob härtende Klebstoff ein anaerob vernetzendes Di(meth)acrylat-Monomer umfasst, vorzugsweise ein Alkylenglycoldiacrylat.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the anaerobically curing adhesive comprises an anaerobically crosslinking di (meth) acrylate monomer, preferably an alkylene glycol diacrylate. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst: - Bereitstellen einer ersten Metallfolie; - Aufbringen einer ersten Schicht eines ersten Gemischs umfassend einen anaerob härtenden Klebstoff sowie ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und/oder ein Lithiumsalz auf die erste Metallfolie; - Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Gemischs umfassend einen anaerob härtenden Klebstoff, ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial, ein Kathoden-Aktivmaterial und einen Leitzusatz auf die erste Schicht; - Aufbringen einer zweiten Metallfolie auf die zweite Schicht; und - Vernetzen der Schichten unter Luftabschluss.Procedure according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that the method comprises the steps: - providing a first metal foil; Applying a first layer of a first mixture comprising an anaerobic curing adhesive and an ion-conducting solid electrolyte material and / or a lithium salt to the first metal foil; Applying a second layer of a second mixture comprising an anaerobically curing adhesive, an ion-conducting solid electrolyte material, a cathode active material and a conductive additive to the first layer; Applying a second metal foil to the second layer; and - crosslinking the layers with exclusion of air. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst: - Bereitstellen einer ersten Metallfolie; - Aufbringen einer ersten Schicht eines ersten Gemischs umfassend einen anaerob härtenden Klebstoff, ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial, ein Kathoden-Aktivmaterial und einen Leitzusatz auf die erste Metallfolie; - Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Gemischs umfassend einen anaerob härtenden Klebstoff sowie ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und/oder ein Lithiumsalz auf die erste Schicht; - Aufbringen einer zweiten Metallfolie auf die zweite Schicht; und - Vernetzen der Schichten unter Luftabschluss.Procedure according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that the method comprises the steps: - providing a first metal foil; Applying a first layer of a first mixture comprising an anaerobically curing adhesive, an ion-conducting solid electrolyte material, a cathode active material and a conductive additive to the first metal foil; Applying a second layer of a second mixture comprising an anaerobic curing adhesive and an ion-conducting solid electrolyte material and / or a lithium salt to the first layer; Applying a second metal foil to the second layer; and - crosslinking the layers with exclusion of air. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines kathodischen Stromsammlers; b) Aufbringen einer ersten Schicht eines ersten Gemischs umfassend einen Acrylat-Klebstoff, ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial, ein Kathoden-Aktivmaterial und einen Leitzusatz auf den kathodischen Stromsammler; c) Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Gemischs umfassend einen Acrylat-Klebstoff sowie ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und/oder ein Lithiumsalz auf die erste Schicht.Procedure according to one of the Claims 1 or 2nd , characterized in that the method comprises the following steps: a) providing a cathodic current collector; b) applying a first layer of a first mixture comprising an acrylate adhesive, an ion-conducting solid electrolyte material, a cathode active material and a conductive additive to the cathodic current collector; c) applying a second layer of a second mixture comprising an acrylate adhesive and an ion-conducting solid electrolyte material and / or a lithium salt to the first layer. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch umfassend einen Acrylat-Klebstoff sowie ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial und/oder ein Lithiumsalz, oder ein Gemisch umfassend Acrylat-Klebstoff, ein ionenleitendes Festkörperelektrolytmaterial, ein Aktivmaterial und einen Leitzusatz auf ein Substrat aufgebracht werden, wobei man optional das Substrat nach der Vernetzung des Acrylat-Klebstoffs entfernt.Procedure according to one of the Claims 1 or 2nd , characterized in that a mixture comprising an acrylate adhesive and an ion-conducting solid electrolyte material and / or a lithium salt, or a mixture comprising acrylate adhesive, an ion-conducting solid electrolyte material, an active material and a conductive additive are applied to a substrate, optionally using the substrate removed after crosslinking the acrylic adhesive. Verwendung eines Einkomponenten-Polymerisationsklebstoffs, insbesondere eines Acrylat-Klebstoffs oder eines anaerob härtenden Klebstoffs, zur Herstellung einer Komposit-Elektrode, eines Festkörper-Elektrolyten, eines Polymer-Elektrolyten und/oder einer diese umfassenden Schichtanordnung, insbesondere eines Festkörper-Akkumulators.Use of a one-component polymerization adhesive, in particular an acrylate adhesive or an anaerobically curing adhesive, for producing a composite electrode, a solid electrolyte, a polymer electrolyte and / or a layer arrangement comprising these, in particular a solid-state accumulator. Lithium-Ionen-Akkumulator, insbesondere Lithium-Ionen-Festkörper-Akkumulator, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, oder enthaltend eine Komposit-Elektrode, einen Festkörper-Elektrolyt und/oder einen Polymer-Elektrolyt, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.Lithium-ion battery, in particular lithium-ion solid-state battery, produced by the method according to one of the Claims 1 to 6 , or containing a composite electrode, a solid electrolyte and / or a polymer electrolyte, produced by the method according to one of the Claims 1 to 7 . Komposit-Elektrode, Festkörper-Elektrolyt oder Polymer-Elektrolyt, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.Composite electrode, solid electrolyte or polymer electrolyte, produced by the method according to one of the Claims 1 to 7 .
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