CN104064725A - 电极以及用于制造电极的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电极以及用于制造电极的方法。公开了用于电化学蓄能器的电极（10），该电极具有至少两个相邻地被布置的活性材料层（12、14、16），其中所述至少两个活性材料层（12、14、16）具有至少一种活性材料和至少一种导电添加物，其中所述至少两个活性材料层（12、14、16）此外彼此具有关于活性材料浓度的梯度，其中所述至少两个活性材料层（12、14、16）此外彼此具有关于导电添加物浓度的梯度，并且其中关于活性材料浓度的梯度和关于导电添加物浓度的梯度彼此相反地被构型。这样的电极同样能够实现好的高电流能力以及好的存储容量。本发明此外涉及用于制造这样的电极的方法。

Description

电极以及用于制造电极的方法

技术领域

本发明涉及电极。本发明此外涉及用于制造电极的方法。

背景技术

蓄能器、诸如锂离子电池组在很多日常的应用中广泛地流行。蓄能器例如在计算机、诸如手提电脑、移动电话、智能手机中和在其它的应用中被使用。即使在车辆、诸如汽车的目前被大大推动的电气化的情况下，这样的电池组也呈现出优点。

根据使用领域，蓄能器的不同的要求应该被满足。如果例如快速地需要电流，那么蓄能器的电池必须关于功率被优化。而如果在长的时间间隔上需要电流，那么这些电池关于能量密度、即关于可存储的能量的量被优化。应针对这样的应用来设计电极。在此针对不同的应用被优化的电极在其构型上是不同的。然而，基本上可以有利的是，不仅能量的快速提供而且高存储密度是可能的，然而这可能由于互相相反的构型或互相相反的优化变型方案而是困难的。

发明内容

本发明的主题是用于电化学蓄能器的电极，该电极具有至少两个相邻地被布置的活性材料层，其中所述至少两个活性材料层具有至少一种活性材料和至少一种导电添加物，其中所述至少两个活性材料层此外彼此具有关于活性材料浓度的梯度，其中所述至少两个活性材料层此外彼此具有关于导电添加物浓度的梯度，并且其中关于活性材料浓度的梯度和关于导电添加物浓度的梯度彼此相反地被构型。

电化学蓄能器在本发明的意义上特别是可以包括任一电池组。尤其是蓄能器除了一次电池组之外可以特别是包括二次电池组、即可再充电的蓄电池。电池组在此可以包括或是一个原电池或多个彼此连接的原电池。例如蓄能器可以包括基于锂的蓄能器、诸如锂离子电池组。在此，基于锂的蓄能器、诸如锂离子电池组尤其是可以被理解为这样的蓄能器，该蓄能器的电化学过程在充电或放电过程期间至少部分地基于锂离子。

此外，活性材料层可以在本发明的意义上被理解为层，在该层中布置有活性材料、即特别是参与充电过程或放电过程或在其中被使用的材料。在此，在活性材料层中除了活性材料本身原则上布置有合适的导电添加物、诸如碳黑和合适的粘合剂、诸如聚偏氟乙烯（PVDE）。

此外，梯度可以被理解为彼此偏差的浓度或量，即特别是存在于不同的层之间的浓度梯度。也被称为加载（Loading）的活性材料的浓度可以在本发明的意义上特别是在恒定的电极层厚（例如80μm）以mAh/cm²或在特定的涉及体积的电极层厚的情况下以mAh/cm³来说明。梯度可以例如当在同时被提高的电子导电性的情况下在一个电极层中设定例如3.5mAh/cm²的活性材料的高浓度而在另一电极层中设定例如1.5mAh/cm²的较低的浓度时被构成。此外梯度可以示例性地以百分比重量份额或以重量百分比来说明。

上述的电极能够实现将高的电流能力、即电池的快速的放电或电流输出和快速的再充电与例如在电池组电池的寿命和/或放电周期的意义上在长的时间间隔上同时高的电荷存储容量组合。

为此电极包括至少两个相邻地被布置的活性材料层。在此活性材料层可以优选地是直接相邻的并且因此相互接触或触碰。替代地，活性材料层可以不直接相邻，其中例如可以在所述活性材料层之间布置其它层。

活性材料层在此首先具有活性材料。这些活性材料层特别是可以具有相同的活性材料。对于电极是阳极的示例性的并且非限制性的情况，例如石墨可以被设置为活性材料。此外，对于电极是阴极的情况，例如其它的锂化合物、诸如锂镍钴锰氧化物（NCM）或锂锰氧化物（LMO）可以被设置为活性材料。其它的活性材料例如是钛酸锂（LTO）和磷酸锂铁（LFP）。可以与锂进行可逆反应的所有化合物一般是合适的。

此外，在活性材料层中设置有导电添加物。例如并且非限制性地可以使用碳黑作为导电添加物。

为了实现活性材料层的合适的稳定性，活性材料和导电添加物被布置在合适的粘合剂中。该粘合剂同样可以是由现有技术已知的任一粘合剂。例如并且非限制性地可以使用聚偏氟乙烯作为粘合剂。

此外，在上述的电极的情况下规定，至少两个活性材料层具有关于活性材料浓度的梯度。因此这两个活性材料层具有活性材料的不同浓度。此外，在设置多于两个的特别是可以彼此相邻地被布置并且同样有利地可以全部具有相同活性材料的活性材料层的情况下，在各个活性材料层中设置有活性材料的浓度的连续的减少或增加。

此外规定，至少两个活性材料层具有关于导电添加物浓度的梯度。因此这两个活性材料层具有导电添加物的不同浓度。此外，在设置多于两个的特别是可以彼此相邻地被布置并且同样有利地可以全部具有相同导电添加物的活性材料层的情况下，在各个活性材料层中设置有导电添加物的浓度的连续的减少或增加。

在此，在上述的电极中，活性材料和导电添加物的梯度彼此耦合，使得关于活性材料浓度的梯度和关于导电添加物浓度的梯度彼此相反地被构型。换句话说，活性材料的浓度在沿着活性材料层的层序列的方向上减少，而导电添加物的浓度在沿着活性材料层的层序列的相同方向上增加。在此，所选择的层可以相互具有梯度，并且因此具有活性材料或导电添加物的彼此偏差的浓度，或者也可以优选地存在连续的梯度，这在本发明的意义上特别是可以意味着，所有层彼此具有活性材料或导电添加物的逐渐下降或上升的浓度，或者反之亦然。

通过该构型可以产生上述电极结构的多个优点。特别是在仅仅一个电极或电池中似乎可以实现不同的要求、诸如高电流能力和提供高能量密度。电极针对不同要求的不同的和部分互相相反的优化根据本发明不再是必需的，由此电极或配备有所述电极的蓄能器不仅仅适配于一个要求或为此被优化，而是更确切地说可以同样地满足多个要求。由此产生特别广泛的应用多样性并且因此多个电气设备配备仅仅一个蓄能器。

详细地，在这样的电极中存在活性材料层，这些活性材料层具有低浓度的活性材料和高浓度的导电添加物。这样的活性材料层由于小的内阻通过快速可能的电子迁移和离子迁移特别是可以用于，能够特别快地实现锂离子交换并且因此实现高电流能力或特别快的充电过程和放电过程，因为这些活性材料层具有特别好的导电性。此外存在具有特别高浓度的活性材料和比较而言低的含量的导电添加物的活性材料层。这样的层可以特别是用于存储诸如锂离子形式的电能。因此所述电极或所述电极的层结构具有不同的活性材料层，所述活性材料层不同地被构造并且可以分别适合于不同的应用。

在一种构型的范围内，至少两个层之一可以与集流管相邻地被布置，使得与集流管相邻地被布置的活性材料层具有最高的活性材料浓度和最低的导电添加物浓度。换句话说，具有至少两个活性材料层的层序列可以被布置在集流管上，其中一个活性材料层与集流管相邻地被布置，例如直接接触该集流管。在此，作为最接近的被布置在集流管上的层、特别是直接接触该集流管的层可以具有最高的活性材料浓度和比较而言最低的导电添加物浓度。相应地，最远离该集流管的层可以具有最高的导电添加物浓度和比较而言最低的活性材料浓度。

特别是在该构型中可以有利地实现，电极可以利用其最远离集流管的活性材料层针对该电极是锂离子蓄电池的组成部分的示例性情况特别快地吸收例如锂离子，其中最远离集流管的活性材料层于是特别是可以接触互补电极或隔离器，其中锂离子逐渐地通过层结构向集流管的方向扩散。特别是与集流管相邻地被布置的层、特别是直接接触集流管的层可以用于能量并且因此锂离子的实际的存储。该功能原理在此不依赖于层的数量，其中然而多个层取决于应用可以是有利的。因此特别是在该构型中可以特别有效地并且突出地将高电流能力与高电能存储容量组合。

在另一种构型的范围内，可以设置有关于活性材料层的厚度的梯度，其中活性材料层的厚度的梯度根据活性材料的浓度的梯度被定向。特别是在该构型中可以充分利用，具有高活性材料浓度的活性材料层可以用于存储电能。由于具有高活性材料浓度的这些层在该构型中具有比较而言大的厚度，因此这些层具有特别大量的活性材料。由此特别是该构型的这样的电极的存储容量可以是特别大的。但是，活性材料层厚度的梯度根据活性材料浓度的梯度的定向在本发明的意义上特别是可以意味着，特别是具有低的活性材料浓度的层具有比具有比较而言高的活性材料浓度的活性材料层更小的厚度。在此仅仅所选择的活性材料层可以关于其厚度变化，或也可以关于层厚度存在连续的梯度、即沿着所有活性材料层产生的梯度。合适的厚度对于比较而言薄的层厚度例如位于大于或等于2μm到小于或等于50μm的范围内并且对于比较而言大的层厚度位于大于或等于50μm到小于或等于100μm的范围内，其中关于活性材料层的厚度的梯度可以位于大于或等于0.5mAh/cm²到小于或等于5mAh/cm²的范围内。

在另一种构型的范围内，有关活性材料浓度的梯度可以位于大于或等于5 重量百分比到小于或等于95重量百分比的范围内。特别是在该构型中可以有利地实现，例如接触隔离器或互补电极的层有利地适合于快速的功率消耗或功率输出。然而，在此特别是靠近集流管被布置的层可以适合于好的电荷存储。在此例如在具有最小浓度的层中的活性材料的浓度可以位于大于或等于5 重量百分比到小于或等于90 重量百分比的范围内，而在具有最大浓度的活性材料层中的活性材料的浓度可以位于大于或等于50 重量百分比到小于100 重量百分比的范围内。

在另一种构型的范围内，有关导电添加物浓度的梯度可以位于大于或等于1重量百分比到小于或等于50 重量百分比的范围内。特别是在该构型中可以有利地实现，例如最外部的层有利地适合于快速的功率消耗或功率输出。然而，在此特别是其它层可以适合于好的电荷存储。在此例如在具有最小浓度的层中的导电添加物的浓度可以位于大于0 重量百分比到小于或等于10 重量百分比的范围内，而在具有最大浓度的活性材料层中的导电添加物的浓度可以位于大于或等于2 重量百分比到小于或等于80 重量百分比的范围内。

关于其它的优点和特征，对此详尽地参阅与根据本发明的方法以及图有关的解释。根据本发明的方法的根据本发明的特征和优点也应该可应用于根据本发明的电极并且被视为公开的并且反之亦然。由至少两个在说明书、权利要求中和/或在图中被公开的特征所组成的所有组合也在本发明的范围内。

此外，本发明的主题是用于制造电极、特别是如上所述被构型的电极的方法，具有以下方法步骤：

a）提供集流管；

b）将第一活性材料层施加到集流管上，其中该第一活性材料层具有活性材料和导电添加物；以及

c）将至少一个第二活性材料层施加到第一活性材料层上，其中该第二活性材料层具有活性材料和导电添加物，其中

d）所述两个活性材料层彼此具有关于活性材料浓度的梯度，其中此外所述至少两个活性材料层彼此具有关于导电添加物浓度的梯度，并且其中关于活性材料浓度的梯度和关于导电添加物浓度的梯度彼此相反地被构型。

这样的方法以特别有利的方式适合于制造如上所述被构型的电极并且因此创建电极，该电极同样地适合于不同的要求、如特别是与好的电功率存储容量结合的高电流能力。

为此该方法在第一方法步骤a）中包括集流管的提供，该集流管可以同样地用作用于截取电能的集电器或可以与这样的集电器连接。该集流管基本上可以如由现有技术已知的那样被构型。例如该集流管由金属制成并且例如薄膜状地被构型。对于制造阳极的情况，该集流管可以由铜来构型，而如果应该制造阴极，该集流管可以由铝制成。

根据方法步骤b）实现第一活性材料层到集流管上的施加。在此第一活性材料层具有活性材料和导电添加物。对于电极是阳极的示例性的并且非限制性的情况，例如石墨可以被设置为活性材料。此外，对于电极是阴极的情况，例如锂盐、诸如锂镍钴锰氧化物（NCM）或锂锰氧化物（LMO）可以被设置为活性材料。例如碳黑可以用作导电添加物。此外，活性材料层可以具有粘合剂、诸如聚偏氟乙烯。

在另外的方法步骤c）中然后实现第二活性材料层到第一活性材料层上的施加，其中第二活性材料层同样具有活性材料、导电添加物以及必要时粘合剂。在此活性材料、导电添加物和粘合剂的种类可以对应于第一活性材料层中的相应的成分。在此第二活性材料层可以直接并且紧靠着被施加到第一活性材料层上，或通过设置其它中间层的方式间接地被施加到第一活性材料层上。此外，选取第二活性材料层，使得所述至少两个活性材料层彼此具有关于活性材料浓度的梯度，并且所述至少两个活性材料层此外彼此具有关于导电添加物浓度的梯度，其中关于活性材料浓度的梯度和关于导电添加物浓度的梯度彼此相反地被构型。

在此，此外可以施加其它的活性材料层，这些活性材料层被构型，使得这些活性材料层对应于上述的梯度。

在一种构型的范围内，可以通过层压过程实现活性材料层的施加。特别是通过层的层压变得可能的是，将具有所定义的层厚度的层相互连接，其中此外特别牢固的复合体是可获得的。因此在该构型中即使层厚度是很小的，也可以获得用于电极的特别稳定的构成物。此外，层压是特别成熟并且成本低的方法。层压在此可以通过下述方式执行，即各个层通过辊式压力机被引导或在压力机中被压制。在此压制特别是可以在层加热的情况下实现，使得存在的粘合剂软化，以便实现层的粘结或牢固的连接。

在另一种构型的范围内，可以通过干法涂层或通过湿法涂层提供活性材料层。

干法涂层可以示例性地并且非限制性地如下进行。活性材料与粘合剂和导电添加物被预先混合。该混合物通过被加热的砑光辊被运送到空的电极薄膜中。可以通过被加热的砑光辊将该空的薄膜与根据该方法所产生的其它电极薄膜连接到一起。被连接到一起的薄膜最终被施加到集流管或导电体薄膜上。

湿法涂层可以示例性地并且非限制性地如下进行。活性材料与粘合剂和导电添加物被分散在溶剂（例如水或NMP）中。粘合剂通常被溶解在所使用的溶剂中。分散物（浆料）借助浇铸方法（例如刮板或缝隙式喷嘴）被涂抹到导电体薄膜上。还带有溶剂的湿薄膜借助空气对流炉或还有红外线来变干燥。在这种情况下，粘合剂通过溶剂的蒸发构造网状物，该网状物能够实现活性材料和导电添加物在导电体薄膜上的粘附。现在可以根据相同方法将另一电极层施加到该干燥的电极薄膜上。

特别是在该构型中，活性材料层可以作为独立的层被提供并且与其它层连接、例如被层压。在此可以以特别简单的方式设定层的特别是关于活性材料浓度或关于导电添加物浓度的精确的构型。在干法涂层的情况下，活性材料层可以直接被产生，而在湿法涂层的情况下，层例如借助刮板或缝隙式喷嘴首先被沉积到载体、诸如聚酯薄膜上，并且紧接着从该载体上被分离。

在另一种构型的范围内，为了改进活性材料层的粘附性，集流管可以被预处理，即在施加活性材料层之前被处理。就此而言，预处理的不同方法是可能的，例如通过机械粗糙化和/或结构化、诸如通过梳刷、激光结构化或冲制实现表面的放大。此外，在施加活性材料层之前的预处理步骤中，可以通过表面侵蚀或电蚀刻实现化学粗糙化。

关于其它的优点和特征，对此详尽地参阅与根据本发明的电极以及图有关的解释。根据本发明的方法的根据本发明的特征和优点也应该可应用于根据本发明的电极并且被视为公开的并且反之亦然。由至少两个在说明书、权利要求中和/或在图中被公开的特征所组成的所有组合也在本发明的范围内。

附图说明

根据本发明的主题的其它的优点和有利的构型通过附图被阐明并且在以下的描述中被解释。在此要注意的是，附图只具有描述性的特性并且并不旨在以任何形式来限制本发明。其中：

图1示出根据本发明的电极的示意图。

具体实施方式

在图1中示出了电极10的构型。这样的电极10例如可以在蓄能器中、如特别是在锂离子电池组中使用。例如配备有所示出的电极10的蓄能器可以应用在电驱动的车辆、计算机、诸如手提电脑、移动电话、智能手机、电动工具和其它的应用、诸如完全电驱动的车辆（EV）或部分电驱动的车辆（混合动力车辆，PHEV）中。

这样的电极10在此包括至少两个、在根据图1的构型中三个相邻地被布置的活性材料层12、14、16。在此所述活性材料层12、14、16具有至少一种活性材料。关于活性材料层中的活性材料的浓度，在此存在关于活性材料浓度的梯度。此外，所述活性材料层12、14、16包括导电添加物，其中所述活性材料层12、14、16此外具有关于导电添加物浓度的梯度。在此规定，关于活性材料浓度的梯度和关于导电添加物浓度的梯度彼此相反地被构型。

例如有关活性材料浓度的梯度可以位于大于或等于5 重量百分比到小于或等于95 重量百分比的范围内并且有关导电添加物浓度的梯度可以位于大于或等于1 重量百分比到小于或等于50 重量百分比的范围内。

有利地，活性材料层12、14、16之一12可以与集流管18相邻地被布置，使得与集流管18相邻地被布置的活性材料层12具有最高的活性材料浓度和最低的导电添加物浓度。这通过用于活性材料浓度的梯度的描述梯度的箭头20以及用于导电添加物浓度的箭头22来示出。在此特别是与集流管18相邻地被布置的活性材料层可以具有合适的粘合剂，以便引起活性材料层12与集流管18的良好的粘结。

在根据图1的构型中，此外设置有关于活性材料层12、14、16的厚度的梯度，其中活性材料层12、14、16的厚度的梯度根据通过箭头20所示出的活性材料浓度的梯度来定向。

用于制造这样的电极10的方法在此可以包括以下方法步骤：

a）提供集流管18；

b）将第一活性材料层12施加到集流管18上，其中该第一活性材料层12具有活性材料和导电添加物；以及

c）将至少一个第二活性材料层14施加到第一活性材料层12上，其中该第二活性材料层14具有活性材料和导电添加物；

d）其中所述两个活性材料层12、14、16具有关于活性材料浓度的梯度，其中所述至少两个活性材料层12、14、16此外具有关于导电添加物浓度的梯度，并且其中关于活性材料浓度的梯度和关于导电添加物浓度的梯度彼此相反地被构型。

在此，方法步骤b）和c）可以依次或同时实现。特别是并且示例性地在最后的情况下可以通过层压过程实现活性材料层12、14、16的施加。此外，活性材料层12、14、16可以通过干法涂层或通过湿法涂层作为独立的部件被提供。

Claims (9)

1. 用于电化学蓄能器的电极，具有至少两个相邻地被布置的活性材料层（12、14、16），其中所述至少两个活性材料层（12、14、16）具有至少一种活性材料和至少一种导电添加物，其中所述至少两个活性材料层（12、14、16）彼此具有关于活性材料浓度的梯度，其中所述至少两个活性材料层（12、14、16）彼此具有关于导电添加物浓度的梯度，并且其中关于活性材料浓度的梯度和关于导电添加物浓度的梯度彼此相反地被构型。

2. 根据权利要求1所述的电极，其中至少两个层（12、14、16）之一（12）与集流管（18）相邻地被布置，使得与集流管（18）相邻地被布置的活性材料层（12）具有最高的活性材料浓度和最低的导电添加物浓度。

3. 根据权利要求1或2之一所述的电极，其中设置有关于活性材料层（12、14、16）的厚度的梯度，其中活性材料层（12、14、16）的厚度的梯度根据活性材料浓度的梯度来定向。

4. 根据权利要求1到3所述的电极，其中有关活性材料浓度的梯度位于大于或等于5重量百分比到小于或等于95重量百分比的范围内。

5. 根据权利要求1到4所述的电极，其中有关导电添加物浓度的梯度位于大于或等于1重量百分比到小于或等于50 重量百分比的范围内。

6. 用于制造电极（10）、特别是根据权利要求1到5之一所述的电极（10）的方法，具有以下的方法步骤：

a）提供集流管（18）；

b）将第一活性材料层（12）施加到所述集流管（18）上，其中所述第一活性材料层（12）具有活性材料和导电添加物；以及

c）将至少一个第二活性材料层（14、16）施加到所述第一活性材料层（12）上，其中所述第二活性材料层（14、16）具有活性材料和导电添加物；

d）其中所述至少两个活性材料层（12、14、16）彼此具有关于活性材料浓度的梯度，其中所述至少两个活性材料层（12、14、16）彼此具有关于导电添加物浓度的梯度，并且其中关于活性材料浓度的梯度和关于导电添加物浓度的梯度彼此相反地被构型。

7. 根据权利要求6所述的方法，其中通过层压过程来实现所述活性材料层（12、14、16）的施加。

8. 根据权利要求6或7所述的方法，其中通过干法涂层或通过湿法涂层来提供所述活性材料层（12、14、16）。

9. 根据权利要求6到8之一所述的方法，其中为了改进活性材料层（12）的粘附性，所述集流管（18）被预处理。