<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft eine Elektrode einer elektrochemischen Anordnung, insbesonders einer
Li-Batterie oder eines Li-Kondensators, bestehend zumindest aus einer elektrisch gut leitenden, strukturierten Trägerschicht und einer damit elektrisch leitend verbundenen Schicht aus elektroak- tivem Material, welches bei Festkorper-lonenaustauschreaktionen relativ grosse Volumenänderun- gen erfährt.
Bekannte elektrochemische Anordnungen mit Elektroden der genannten Art, wie beispielswei- se Lithium-tonen-Batterien, Lithium-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien und dergleichen, beste- hen im allgemeinen unter anderem aus einer oder mehreren Elektroden, welche ihrerseits als
Verbund von elektroaktivem Material - und gegebenenfalls diversen Zusatzstoffen - mit einem
Stromleiter aufgebaut sind. Der eigentliche Stromleiter in diesem Verbund besteht beispielsweise aus einer geätzten oder perforierten Metallfolie, einer nach Art von Streckmetall hergestellten
Metallfolie, einem netzartigen Metallgitter, oder dergleichen. Beispiele dafür sind etwa in
US 6,103,416 A, US 4,794,060 A oder auch EP 1 033 767 A1 zu finden.
Besondere Schwierigkeiten bereiten bei derartigen Anordnungen die teilweise extrem grossen
Volumenänderungen, welche gewisse elektroaktive Materialien (z. B. Sn, AI oder dergleichen) bei den lonenaustauschreaktionen während des Ladens bzw. Entladens erfahren, da dabei elektroak- tives Material vom sonstigen Elektrodenmaterial mechanisch abgetrennt wird, was beispielsweise bei Batterien zu einem graduellen Verlust an Ladungskapazität bei jedem Ladungszyklus führt.
Diesem bekannten Problem wird bei den genannten Anordnungen nach dem Stand der Technik dadurch abzuhelfen versucht, dass das im wesentlichen zweidimensional vorliegende Folien- bzw.
Gittermaterial mit entsprechenden Porositäten zur Kompensation der Volumenänderungen ausge- stattet wird, was aber einerseits nicht richtig funktioniert und andererseits wegen der dünnen
Schichten auch Nachteile beispielsweise im Hinblick auf die Energiedichte der Gesamtanordnung bringt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektrode der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die erwähnten Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden werden und dass insbesondere auf einfache Weise eine Kompensation der relativ grossen Volumenänderungen des elektroaktiven Materials bei den lonenaustauschreaktionen und damit eine Verlängerung der
Lebensdauer der Gesamtanordnung bei gleichbleibend guter ausnutzbarer Energiedichte möglich wird.
Diese Aufgabe wird gemäss der vorliegenden Erfindung bei einer Elektrode der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Trägerschicht aus einem dreidimensionalen Gewebe aus elektrisch leitfähigen flexiblen Fäden besteht, welche über zumindest einen Grossteil der Gewebe- dicke zumindest bereichsweise mit dem elektroaktivem Material beschichtet sind. Derartige Gewebe können nach Art von Stoffen in bekannter Weise sehr einfach in Web- bzw. Wirktechnik hergestellt werden, wobei es grundsätzlich gleichgültig ist, ob die Gitterstruktur zuerst beispielswei- se aus an sich nicht leitfähigen Kunststofffäden gewebt bzw. gewirkt und dann insgesamt auf geeignete Weise leitfähig gemacht wird, oder ob das Weben oder Wirken mit bereits vorher leitfä- higen Fäden bzw. vorher separat leitfähig gemachten Fäden erfolgt.
Die Herstellung des dreidi- mensionalen Gewebes durch Weben (aus zumindest zwei (Kette und Schuss) oder auch mehreren Fäden) oder durch Wirken (Stricken, Häkeln, Klöppeln - aus einem Faden) ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung völlig gleichwertig - es könnten auch alle anderen weiteren geeigneten Verfahren zur Herstellung solcher dreidimensionaler Gitterstrukturen Verwendung finden. Das entstehende flexible Gitterwerk bzw. dessen Fadenstruktur wird gemäss der Erfindung dann zumin- dest bereichsweise (könnte aber auch insgesamt durchgehend sein) mit dem elektroaktiven Mate- rial beschichtet.
Wenn es nun bei den lonenaustauschreaktionen zu den erwähnten relativ grossen Volumenänderungen im elektroaktiven Material kommt, kann das insgesamt flexible dreidimensio- nale Gitterwerk diese relativ grosszügig lokal durch Verkrümmungen der einzelnen Gitterfäden ausgleichen, ohne dass über grosse Bereiche nicht beherrschbare mechanische Spannungen und die damit einhergehenden Abtrennungen von elektroaktivem Material zu befürchten wären. So muss beispielsweise bei Verwendung von auf verschiedenste Weise elektrochemisch aufgebrach- tem Sn als elektroaktivem Material für Lithiumbatterien bzw.-akkus mit Volumsänderungen bis etwa 259 % gerechnet bzw. diesen entsprechend begegnet werden.
Der sonst mit derartigen Materialien bis dato einhergehende graduelle Verlust an Ladungskapazität bei jedem Ladungs- zyklus kann auf die beschriebene Weise sehr einfach hintan gehalten werden, wobei durch das
<Desc/Clms Page number 2>
dreidimensionale Gitterwerk zusätzlich der Vorteil von stabilen Anordnungen mit hoher Energie- dichte erhalten wird.
Beispielsweise aus DE 3919072 C1 sind Bleiakkumulatoren bzw Bleiträger-Gerüstplatten derartiger Akkumulatoren bekannt, die aus textilen Kunststoffsubstraten bestehen, welche leitend metallisiert und dann mit einer Bleischicht versehen sind. Während aber bei z. B. Lithium (aber auch Lithium-Ionen oder andere Alkalimetalle bzw.
Alkalimetall-Ionen, wie etwa Natrium-Ionen) als aktives Material enthaltenden elektrochemischen Anordnungen gemäss der vorliegenden Erfindung in der Schicht aus elektroaktivem Material bei Festkörper-lonenaustauschreaktionen relativ grosse
Volumenänderungen auftreten, gibt es bei Blei-Säure-Batterien gemäss dieser Schrift nur einfache
Kombinationsreaktionen, die zwar auch in gewisser Weise mit Volumsänderungen einhergehen, die aber in zur vorliegenden Erfindung völlig unterschiedlicher Weise einfach von den unterschied- lichen Dichten der Materialien herrühren. Während der Ladung oder Entladung des Elektroden- materials reagiert dieses mit der Bildung von gelöstem Blei bevor es wiederum festes "geladenes" oder "entladenes" Elektrodenmaterial bildet. Diese Elektroden können also deutliche Form- bzw.
Volumsänderungen erfahren, ohne dass deswegen irgendwelche Spannungen in den Elektroden auftreten würden, wie dies bei der Anordnung gemäss der vorliegenden Erfindung der Fall ist. Man vergleiche dazu beispielsweise die Auflösung eines Zuckerwürfels in Wasser und ein anschliessen- des Rekristallisieren in anderer Form.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Trägerschicht lokal unter- schiedliche Webdichte aufweist, was vielfältigste Einflussmöglichkeiten auf die Auslegung der
Gesamtanordnung bietet. So kann beispielsweise in einem dichter gewobenen Bereich bzw. in einer dichteren Schichte erhöhte Leitfähigkeit und mechanische Stabilität bereitgestellt werden, wogegen in lockerer bzw. mit grösseren Gitterabständen gewebten Bereichen mehr elektroaktives
Material auf den flexiblen Fäden angeordnet beziehungsweise die Durchdringbarkeit der Struktur für den Elektrolyten oder Zusatzstoffe verbessert werden kann. Auch können über unterschiedliche
Webdichten die in unterschiedlichen Bereichen der elektrochemischen Anordnung herrschenden verschiedenen Stromdichten besser berücksichtigt werden, (weiter auf Seite 4 der ursprünglichen
Beschreibung).
Die Trägerschicht ist in weiters bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung mehrlagig, mit zumin- dest einer relativ dicht und zumindest einer relativ locker verwobenen Schicht ausgebildet, womit die oben bereits angesprochene funktionelle Aufteilung in eine stabile, gut leitende und eine in sich flexible, relativ viel elektroaktives Material tragende Schicht einfach erreicht ist.
Zumindest eine der Schichten kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein eingewebtes
Muster mit zum Aussenanschluss der Elektrode hin zumindest bereichsweise zunehmender Web- dichte aufweisen, was die oben stehend bereits erwähnten Vorteile im Hinblick auf Berücksichti- gung lokal unterschiedlicher Stromdichten bietet.
Nach einer besonders bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Trägerschicht insgesamt aus einem dreidimensional mit schichtweise und/oder lokal unterschiedlicher Webdichte verwobenen, zumindest teilweise aus elektrisch leitend beschichteten Fasern aufgebauten Polymerstoff, vorzugsweise aus Monofilament bzw. sehr langen Einzelfäden und ohne aus dem Gewebe vorstehenden Enden, besteht. Dies ermöglicht eine sehr einfache industrielle Herstellung entsprechender Elektroden, wobei durch das Verhindern von vorstehenden Enden (im Gegensatz beispielsweise zu Filzen oder dergleichen) Kurzschlüsse in der Anordnung vermieden werden.
Die Dicke der verwobenen Fäden liegt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung im Bereich von 0,05 bis 1,0 mm, was das Abdecken vielfältigster Anforderungen an derartige Anordnungen mit entsprechenden Elektrodenausgestaltungen ermöglicht.
Soferne nichtleitende Fäden, beispielsweise die erwähnten Polymerfasern, verwendet werden, können diese in bevorzugter weiterer Ausgestaltung der Erfindung mit einem kontinuierlichen Überzug von 0,01 bis 10 m Dicke eines Metalls der Gruppe Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, AI, Ag, Au, Mn, rostfreiem Stahl oder deren Legierungen oder mit anderen leitfähigen Substanzen, wie etwa elek- trisch leitenden Oxiden, Leitruss oder dergleichen, auf verschiedenste bekannte, geeignete Weise beschichtet sein, wobei zusätzlich vorgesehen sein kann, dass dieser kontinuierliche leitende Überzug mit einem zweiten kontinuierlichen Überzug aus der Gruppe folgender Metalle oder deren Legierungen :
Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, AI, Ag, Au, Mn und rostfreiem Stahl, oder mit leitenden Oxiden
<Desc/Clms Page number 3>
oder Leitruss beschichtet ist, wobei die Gesamtdicke beider Schichten 15 m nicht überschreitet.
Mit diesen Ausgestaltungen können verschiedenste Anwendungsgebiete derartiger Elektroden bzw verwendete Materialien abgedeckt werden.
Die Kunststoff-Webfäden können in weiters bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung aus
Fasern eines Polymers folgender Gruppe bestehen: Polyester, Silicongummis, Polyethylen, Poly- propylen, Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer, Polytetrafluorethylen und Polyvinylidenfluoride
In die Trägerschicht können zusätzlich eigenständige metallische Fäden, vorzugsweise aus einem Metall der Gruppe Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, AI, Ag, Au, Mn, rostfreiem Stahl oder deren Legierun- gen, in regelmässigen Intervallen miteingewoben sein, vorzugsweise mit einem Durchmesser, der in der Grossenordnung dem Durchmesser der leitend beschichteten Fasern entspricht.
Auf diese
Weise kann die Leitfähigkeit im dreidimensionalen Gitter der Elektrode bedarfsweise auch lokal weiter beeinflusst und an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden, wobei üblicherweise mit einem relativ geringen Prozentsatz derartiger durchgehend leitfähiger Fäden das Auslangen zu finden sein wird, um das Gesamtgewicht der Elektrode nicht unnötig zu erhöhen.
Die Erfindung wird im folgenden noch anhand der in den beigeschlossenen schematischen
Zeichnungen verdeutlichten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Fig. 1 zeigt dabei ein Detail aus einer erfindungsgemässen Elektrode mit einer bereichsweisen Beschichtung eines oberflächlich leitfähig gemachten Kunststofffadens mit elektroaktivem Material, Fig. 2 zeigt die Auswirkungen von Volumenänderungen der elektroaktiven Beschichtung gemäss Fig. 1 bei lonenaustauschreakti- onen, Fig. 3 zeigt ein der Fig. 1 entsprechendes Detail mit einer über einen grösseren Bereich durchgehenden Beschichtung mit elektroaktivem Material, Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils einer erfindungsgemässen Elektrode mit zwei Bereichen von lokal unterschiedlicher
Webdichte der Trägerschicht, Fig. 5 zeigt die Anordnung nach Fig.
4 bei Volumenänderungen während lonenaustauschreaktionen und Fig. 6 bis 8 zeigen Beispiele für aus mehreren Schichten mit lokal unterschiedlicher Webdichte aufgebaute Trägerschichten von Elektroden nach der vorlie- genden Erfindung.
Die Detailansichten nach den Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils einen Bereich eines Fadens 1 aus einem dreidimensionalen Gewebe 2 (siehe auch Fig. 4 bis 8), welches die Trägerschicht 3 der nicht im Detail weiter dargestellten Elektrode einer elektrochemischen Anordnung bildet Die Fäden
1 sind gemäss den Fig. 1 bis 3 mit einem kontinuierlichen Überzug 4 aus leitfähigem Material, wie etwa Kupfer, Eisen, rostfreiem Stahl, Leitruss oder dergleichen, beschichtet und bestehen selbst vorzugsweise aus Polymer - davon abgesehen könnten aber einzelne oder alle der Fäden 1 auch aus selbst leitfähigem Material oder anderen leitfähig beschichteten Stoffen bestehen.
Die aus dem dreidimensionalen Gewebe 2 aus elektrisch leitfähigen, flexiblen Fäden 1 beste- hende Trägerschicht 3 der Elektrode ist über zumindest einen Grossteil der in Fig. 4 und 5 angedeuteten Gewebedicke 5 zumindest bereichsweise auf verschiedenste, an sich bekannte, geeignete Weise mit elektroaktivem Material 6 beschichtet, welches bei lonenaustauschreaktionen relativ grosse Volumenänderungen erfährt, beispielsweise mit den üblicherweise in Lithium-Ionen- Batterien, Lithium-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien und ähnlichen Anordnungen verwendeten elektroaktiven Substanzen, wie etwa Sn. Mit Ausnahme von Aluminium wurden derartige Metalle und Legierungen bis jetzt aber praktisch nicht in entsprechenden Anordnungen verwendet, da sie zufolge der grossen Volumenänderungen bei Aufnahme bzw.
Abgabe von Li+ (oder dergleichen) Ionen zur mechanischen Abtrennung von ihrer Grundlage tendieren, was beispielsweise bei Batterien zu einem graduellen Verlust an Ladungskapazität bei jedem Ladungszyklus führt. Bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung führt nun (wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist) die Einlagerung von Li+ Ionen in das elektroaktive Material 6 naturgemäss ebenfalls zu einer entspre- chenden Ausdehnung desselben (wie in Fig. 2 durch die Pfeile 7 angedeutet), was aber zufolge der Flexibilität der Fäden 1 lediglich zu einer bereichsweisen Verkrümmung derselben führt - siehe dazu auch die schematische Darstellung in Fig. 5.
Obwohl dieser Ausgleich der Volumenänderungen des elektroaktiven Materials 6 bei lonen- austauschreaktionen naturgemäss bei nicht durchgehend aufgebrachter Beschichtung aus elektro- aktivem Material (gemäss Fig. 1 und 2) am deutlichsten auftritt bzw. am einsichtigsten verständlich ist, kann gemäss der Erfindung die Beschichtung aus elektroaktivem Material 6 (wie in Fig. 3 darge- stellt) auch durchgehend über zumindest grössere Bereiche der elektrisch leitfähigen, flexiblen Fäden 1 aufgebracht sein, wobei das Gewebe 2 der Trägerschicht 3 trotzdem noch ausreichende
<Desc/Clms Page number 4>
innere Flexibilität besitzt um die bei lonenaustauschreaktionen auftretenden Ausdehnungen und Kontraktionen der aufgebrachten Schicht auszugleichen ohne dass es zu mechanischen Beschä- digungen des Zusammenhaltes kommen würde.
Die Trägerschicht 3 weist gemäss den Fig. 4 bis 8 lokal unterschiedliche Webdichte des hier zugrundeliegenden dreidimensionalen Gewebes 2 auf, wobei in allen dargestellten Ausführungen die Trägerschicht 3 mehrlagig, mit zumindest einer relativ dicht (9) und zumindest einer relativ locker verwobenen Schicht (8) ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die dichter gewebte Schicht 9 vermehrt die Aufgaben einer möglichst verlustfreien Stromleitung und einer relativ hohen mechani- schen Stabilität übernehmen, während die locker verwobenen Schichten mehr Platz für das elek- troaktive Material bzw. den Elektrolyten und weitere Substanzen bieten.
Gemäss Fig. 8 weist die dichter gewebte Schicht 9 ein eingewebtes Muster mit zum Aussenan- schluss (10) der Elektrode hin zumindest bereichsweise zunehmender Webdichte auf, was dem Umstand Rechnung trägt, dass zu diesem Anschluss hin auch die Stromdichte zunimmt. Derartige Muster lassen sich sehr einfach im gewebten bzw. gewirkten Gitter der Trägerschicht auf Webstüh- len oder ähnlichen Vorrichtungen herstellen.
Bei allen Ausführungen werden bevorzugt Monofilament bzw. sehr lange Einzelfäden zur Her- stellung des Gewebes verwendet, da aus dem Gewebe vorstehende Enden (wie beispielsweise bei Filz) die Kurzschlussgefahr in der Gesamtanordnung erhöhen.
PATENTANSPRÜCHE :
1.Elektrode einer elektrochemischen Anordnung, insbesonders einer Li-Batterie oder eines
Li-Kondensators, bestehend zumindest aus einer elektrisch gut leitenden, strukturierten
Trägerschicht (3) und einer damit elektrisch leitend verbundenen Schicht aus elektroakti- vem Material (6), welches bei Festkörper-lonenaustauschreaktionen relativ grosse Volu- menänderungen erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (3) aus einem dreidimensionalen Gewebe (2) aus elektrisch leitfähigen, flexiblen Fäden (1) besteht, welche über zumindest einen Grossteil der Gewebedicke (5) zumindest bereichs- weise mit dem elektroaktiven Material (6) beschichtet sind.
<Desc / Clms Page number 1>
The invention relates to an electrode of an electrochemical arrangement, in particular one
Li battery or a Li capacitor, consisting at least of a well-structured, structured carrier layer and an electrically conductively connected layer of electroactive material, which undergoes relatively large volume changes in solid-state ion exchange reactions.
Known electrochemical arrangements with electrodes of the type mentioned, such as, for example, lithium-ion batteries, lithium batteries, lithium-polymer batteries and the like, generally consist, among other things, of one or more electrodes, which in turn are known as
Compound of electroactive material - and possibly various additives - with one
Current conductors are constructed. The actual current conductor in this composite consists, for example, of an etched or perforated metal foil, one made of expanded metal
Metal foil, a mesh-like metal grid, or the like. Examples of this are in
US 6,103,416 A, US 4,794,060 A or also EP 1 033 767 A1.
The arrangements, which are sometimes extremely large, present particular difficulties in such arrangements
Volume changes that certain electroactive materials (eg Sn, Al or the like) experience during the ion exchange reactions during charging or discharging, since electroactive material is mechanically separated from the other electrode material, which leads to a gradual loss in batteries, for example Charge capacity leads with each charge cycle.
This known problem is attempted to be remedied in the above-mentioned arrangements according to the prior art in that the essentially two-dimensional film or
Mesh material is equipped with appropriate porosities to compensate for changes in volume, which on the one hand does not work properly and on the other hand because of the thin ones
Layers also have disadvantages, for example with regard to the energy density of the overall arrangement.
The object of the present invention is to improve an electrode of the type mentioned at the outset in such a way that the disadvantages of the known arrangements mentioned are avoided and that, in particular, the relatively large volume changes in the electroactive material in the ion exchange reactions are compensated for in a simple manner and the lengthening thereof is thus extended
Service life of the overall arrangement is possible with consistently good exploitable energy density.
According to the present invention, this object is achieved in the case of an electrode of the type mentioned at the outset in that the carrier layer consists of a three-dimensional fabric made of electrically conductive flexible threads which are coated with the electroactive material at least in regions over at least a large part of the fabric thickness. Woven fabrics of this type can be produced very simply in a known manner using weaving or knitting technology, it being basically irrelevant whether the lattice structure is first woven or knitted, for example, from non-conductive plastic threads and then overall in a suitable manner is made conductive, or whether the weaving or knitting takes place with threads which have already been conductive or threads which have previously been made separately conductive.
The production of the three-dimensional fabric by weaving (from at least two (warp and weft) or even several threads) or by knitting (knitting, crocheting, bobbin lace - from one thread) is completely equivalent for the purposes of the present invention - it could also all other other suitable methods for producing such three-dimensional lattice structures are used. The resulting flexible lattice or its thread structure is then coated with the electroactive material at least in some areas (but could also be continuous overall).
If the above-mentioned relatively large volume changes in the electroactive material occur during the ion exchange reactions, the generally flexible three-dimensional lattice work can compensate for this relatively generously locally by warping the individual lattice filaments without large areas of uncontrollable mechanical tension and the associated separations of electroactive material would be feared. For example, when using electrochemically applied Sn as electroactive material for lithium batteries or rechargeable batteries, volume changes of up to about 259% must be expected or countered accordingly.
The gradual loss of charge capacity with each charge cycle, which has hitherto been associated with such materials, can be kept very simple in the manner described, whereby the
<Desc / Clms Page number 2>
three-dimensional latticework additionally the advantage of stable arrangements with high energy density is obtained.
For example, from DE 3919072 C1 lead accumulators or leadframe scaffolding plates of such accumulators are known, which consist of textile plastic substrates, which are metallized and then provided with a lead layer. But while at z. B. lithium (but also lithium ions or other alkali metals or
Alkali metal ions, such as sodium ions) as electrochemical arrangements containing active material according to the present invention in the layer of electroactive material in solid-state ion exchange reactions are relatively large
According to this document, volume changes occur only with lead-acid batteries
Combination reactions, which also go hand in hand with changes in volume to a certain extent, but which simply result from the different densities of the materials in a completely different way from the present invention. During the charging or discharging of the electrode material, this reacts with the formation of dissolved lead before it in turn forms solid “charged” or “discharged” electrode material. These electrodes can therefore have clear shape or
Volume changes are experienced without any voltages occurring in the electrodes as is the case with the arrangement according to the present invention. For example, compare the dissolution of a sugar cube in water and a subsequent recrystallization in another form.
In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the carrier layer has locally different weave densities, which offers a wide variety of possible influences on the design of the
Overall arrangement offers. For example, increased conductivity and mechanical stability can be provided in a denser woven area or in a denser layer, whereas more electroactive areas can be provided in areas that are loosely woven or with larger grid spacings
Material arranged on the flexible threads or the penetrability of the structure for the electrolyte or additives can be improved. Can also have different
Weaving densities, the different current densities prevailing in different areas of the electrochemical arrangement are better taken into account (further on page 4 of the original
Description).
In a further preferred embodiment of the invention, the backing layer is multilayered, with at least one layer which is at least relatively dense and at least one is loosely woven, so that the functional division already mentioned above is divided into a stable, highly conductive and a flexible, relatively large amount of electroactive material supporting layer is easily reached.
At least one of the layers can be woven into a further embodiment of the invention
Have patterns with a weaving density that increases at least in regions towards the external connection of the electrode, which offers the advantages already mentioned above with regard to taking account of locally different current densities.
According to a particularly preferred further embodiment of the invention, it can be provided that the backing layer as a whole consists of a three-dimensionally interwoven polymer material which is woven at least in part and / or locally different weave density, at least partially made of electrically conductive coated fibers, preferably made of monofilament or very long individual threads and without ends protruding from the fabric. This enables a very simple industrial production of corresponding electrodes, with short circuits in the arrangement being avoided by preventing protruding ends (in contrast to, for example, felts or the like).
In a further embodiment of the invention, the thickness of the interwoven threads is in the range from 0.05 to 1.0 mm, which enables the most varied requirements for such arrangements to be covered with corresponding electrode designs.
If non-conductive threads, for example the polymer fibers mentioned, are used, in a preferred further embodiment of the invention these can be coated with a continuous coating of 0.01 to 10 m thickness of a metal from the group Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, Al, Ag, Au, Mn, stainless steel or their alloys or with other conductive substances, such as electrically conductive oxides, conductive carbon black or the like, can be coated in a variety of known, suitable ways, it being additionally possible for this continuous conductive coating to be provided with a second continuous coating from the group of the following metals or their alloys:
Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, Al, Ag, Au, Mn and stainless steel, or with conductive oxides
<Desc / Clms Page number 3>
or Leitruss is coated, the total thickness of both layers not exceeding 15 m.
With these configurations, the most varied areas of application of such electrodes or materials used can be covered.
In a further preferred embodiment of the invention, the plastic weaving threads can be made from
Fibers of a polymer consist of the following group: polyester, silicone rubber, polyethylene, polypropylene, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride
In addition, independent metallic threads, preferably made of a metal from the group Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, Al, Ag, Au, Mn, stainless steel or their alloys, can be woven into the carrier layer at regular intervals, preferably with a Diameter which corresponds to the diameter of the conductively coated fibers.
To this
If necessary, the conductivity in the three-dimensional grid of the electrode can also be locally influenced and adapted to the respective requirements, usually with a relatively small percentage of such continuously conductive threads it will be possible to find sufficient length in order not to unnecessarily increase the total weight of the electrode.
The invention is described below with reference to the schematic in the attached
Drawings illustrate exemplary embodiments explained in more detail. 1 shows a detail from an electrode according to the invention with a region-wise coating of a plastic thread made superficially conductive with electroactive material, FIG. 2 shows the effects of changes in volume of the electroactive coating according to FIG. 1 with ion exchange reactions, FIG. 3 shows one of the 1 corresponding detail with a continuous coating of electroactive material over a larger area, FIG. 4 shows a schematic view of part of an electrode according to the invention with two areas of locally different
Weave density of the carrier layer, FIG. 5 shows the arrangement according to FIG.
4 in the case of volume changes during ion exchange reactions and FIGS. 6 to 8 show examples of carrier layers of electrodes made up of several layers with locally different weave densities according to the present invention.
The detailed views according to FIGS. 1 to 3 each show a region of a thread 1 made of a three-dimensional fabric 2 (see also FIGS. 4 to 8), which forms the carrier layer 3 of the electrode of an electrochemical arrangement, which is not shown in further detail. The threads
1 are coated according to FIGS. 1 to 3 with a continuous coating 4 made of conductive material, such as copper, iron, stainless steel, conductive carbon black or the like, and are themselves preferably made of polymer - apart from that, individual or all of the threads 1 could also be consist of self-conductive material or other conductive coated materials.
The carrier layer 3 of the electrode, which consists of the three-dimensional fabric 2 made of electrically conductive, flexible threads 1, is at least partially covered with a variety of suitable, known per se with suitable electroactive material 6 over at least a large part of the fabric thickness 5 indicated in FIGS. 4 and 5 coated, which undergoes relatively large volume changes in ion exchange reactions, for example with the electroactive substances such as Sn commonly used in lithium-ion batteries, lithium batteries, lithium polymer batteries and similar arrangements. With the exception of aluminum, metals and alloys of this type have so far been practically not used in corresponding arrangements, since, owing to the large volume changes when ingested or
Release of Li + (or the like) ions tend to mechanically separate from their base, resulting in a gradual loss of charge capacity with each charge cycle, for example in batteries. In the arrangement according to the present invention, the inclusion of Li + ions in the electroactive material 6 naturally also leads (as can be seen from FIGS. 1 and 2) to a corresponding expansion (as in FIG. 2 by the arrows 7) indicated), which, however, due to the flexibility of the threads 1 only leads to a region-specific curvature thereof - see also the schematic illustration in FIG. 5.
Although this compensation of the volume changes of the electroactive material 6 naturally occurs most clearly in the case of ion exchange reactions when the coating made of electroactive material is not applied continuously (according to FIGS. 1 and 2) or is most understandable, the coating made of electroactive material can be used according to the invention Material 6 (as shown in FIG. 3) can also be applied continuously over at least larger areas of the electrically conductive, flexible threads 1, the fabric 2 of the carrier layer 3 still being sufficient
<Desc / Clms Page number 4>
has internal flexibility to compensate for the expansion and contraction of the applied layer during ion exchange reactions without causing mechanical damage to the cohesion.
4 to 8, the backing layer 3 has a locally different weave density of the three-dimensional fabric 2 on which it is based, with the backing layer 3 having multiple layers in at least one embodiment, with at least one relatively densely (9) and at least one relatively loosely woven layer (8). is trained. In this way, the denser woven layer 9 can increasingly take on the tasks of lossless power conduction and a relatively high mechanical stability, while the loosely woven layers offer more space for the electroactive material or the electrolyte and other substances.
According to FIG. 8, the more densely woven layer 9 has a woven-in pattern with a weaving density that increases at least in some areas towards the external connection (10) of the electrode, which takes into account the fact that the current density also increases towards this connection. Such patterns can be produced very easily in the woven or knitted grid of the carrier layer on looms or similar devices.
In all versions, monofilament or very long individual threads are preferably used to produce the fabric, since ends protruding from the fabric (such as felt, for example) increase the risk of short-circuiting in the overall arrangement.
PATENT CLAIMS:
1.electrode of an electrochemical arrangement, in particular a Li battery or one
Li capacitor, consisting at least of a well-structured, electrically conductive
Carrier layer (3) and a layer of electroactive material (6) connected to it in an electrically conductive manner, which undergoes relatively large volume changes in solid-state ion exchange reactions, characterized in that the carrier layer (3) consists of a three-dimensional fabric (2) made of electrical material There are conductive, flexible threads (1) which are at least partially coated with the electroactive material (6) over at least a large part of the fabric thickness (5).