CN110911647A - 制造锂离子单池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造锂离子单池的方法，其中在铝箔(1)上施加聚合物层(2)，其中在铝箔(1)上施加含镍阴极浆料(3)，其中聚合物层(2)在该电极制造期间是化学和机械稳定的，其中对湿的阴极浆料(3)进行干燥。该方法通过使用水作为用于阴极浆料(3)的溶剂而特别地在成本和环境保护方面得到改善，其中聚合物层(2)在锂离子电池化成期间溶解。

Description

制造锂离子单池的方法
技术领域
本发明涉及一种制造锂离子单池(锂离子单元电池，Lithium-Ionen-Zelle)的方法，其中在铝箔上施加聚合物层，其中在铝箔上施加含镍阴极浆料，其中聚合物层在该电极制造期间是化学和机械稳定的，其中对湿的阴极浆料进行干燥。
背景技术
在阴极和阳极的制造中，将用于阳极和阴极的材料与添加剂例如粘合剂和导电添加剂混合成稀的糊状物。该糊状物在英语中称为“slurry(浆料)”。然后，将用于阴极的铝箔和用于阳极的铜箔输送到涂布设备中，该涂布设备将阴极浆料和阳极浆料、即相应的材料施加到箔上。当所述箔此时在两侧上被供以阴极浆料或阳极浆料并且阴极浆料或阳极浆料被干燥时，进行所谓的压延，也就是将此时干燥的活性材料在箔上压紧。为此，将经涂布的箔例如在两个辊之间压紧。
由DE 10 2014 222 664 A1已知一种用于制造锂离子单池的阴极和/或阳极的方法。这里，在使用载体溶剂的情况下将活性材料粉末、粉末状导电添加剂和电极粘合剂混合成涂布物料(组合物)。将涂布物料施加到集电箔(Stromableiterfolie)上，除去溶剂。导电添加剂在混合之前经历表面氧化。在此，作为溶剂，可以使用N-甲基-2-吡咯烷酮，N-甲基-2-吡咯烷酮或丙酮或水。作为粘合剂，可以使用聚偏氟乙烯(PVDF)或PVDF-六氟丙烯(HFP)-共聚物。这里，将粉末状粘合剂(例如PVDF)溶解在有机溶剂中。将粘合剂溶液与阴极活性材料和导电添加剂例如石墨或导电炭黑混合直至形成均匀的阴极浆料。通过刮涂或喷雾方法将浆料施加到载体箔例如铝上，并在干燥炉中例如在120℃下干燥2小时直至液体溶剂组分从涂层中逸出。将干燥的电极压实并与相应阳极相反地与分隔层和电解质一起构建成锂离子电池单池。
使用诸如N-甲基吡咯烷酮(NMP)这样的有机溶剂不是最佳的。该方法的缺点在于溶剂NMP是致畸形并且对生育能力有害的。必须遵守相应的最大工作场所浓度，并在加工过程中需要采取适当的呼吸保护措施。此外，当对湿电极进行干燥时，必须从热的干燥气体中回收NMP。昂贵的溶剂回收设备是必需的。NMP是易燃的，这也是干燥设备必须防爆的原因。
因此，目的是寻找一种对健康无害并且在其采购和设备配置方面成本低廉的替代溶剂。基于水的浆料制备是一种可能的解决方案。
然而，具有阴极活性材料、具体地具有含镍阴极材料、特别地式为LiNixMnyCozO2(其中x＝0.33...0.98，y＝0.01...0.33，z＝0.01...0.33)的阴极活性材料(简称为NMC)的浆料的加工是一个挑战。NMC浆料的pH值非常高。取决于材料中镍的比例，pH值处于在LiNi0.33CoMn0.33Co0.33O2情况下的10和在LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2情况下的12.3之间。在>8.5的碱性范围内的pH可导致铝放电体(泄电器)的腐蚀，这导致内阻增加。因此，需要保护铝放电体免受因碱性环境造成的腐蚀。
由US 5,518,839A已知一种具有镀镍的铝集流体(集电器)的电化学单池。电化学单池被构造为固体电池。电解质由聚合物网络形成。集流体包括经蚀刻的铝箔，该铝箔设有薄的金属涂层，例如镍涂层，使得比铝更耐腐蚀。通过电镀为铝箔提供金属耐腐蚀性。备选地，可以使用聚合物载体以将金属施加到铝层上，然后通过挥发除去聚合物。
由US 5,578,399 A已知一种集流体，其包括用固化的聚合物层涂布的铝箔或铜箔，该固化的聚合物层是无孔的，以耐腐蚀。将固化的导电聚合物层施加到铝箔或铜箔上。在阳极和阴极之间布置聚合物电解质。邻近阳极或阴极，在与聚合物电解质相对的一侧，存在具有由铝或铜制成的金属层的集流体。在与阴极或阳极相对的金属层的一侧上，以有效防止阴极或阳极或金属层之间的腐蚀的量施加固化的聚合物的涂层。该聚合物层是导电的、无针孔的并且粘附到金属层上。金属层用至少一种在固化时可形成聚合物的单体或预聚物涂布。聚合物涂层包含的导电材料的量使得涂层具有至少1S cm-1的导电率。
出版物“Ambient-Air Stable Lithiated Anode for Rechargeable Li-IonBatteries with High Energy Density”https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.6b03655描述了一种结构，其中聚合物层被施加在锂层上，该锂层位于铜箔上。聚合物层保护敏感的锂免受氧气和水分的影响，并且对活性材料是化学稳定性的。活性材料(石墨、SiOx)被分散在浆料中并被施加到聚合物包覆的锂上以制备电极。在完成的电池单池中，保护层溶解并且锂被嵌入到石墨或硅的结构中(LixSi或LixC)，由此实现预锂化。该方法仅用于电池单池的阳极侧。
发明内容
因此，本发明的目的是改进该方法。
本发明的这个目的现在通过具有根据本发明的特征的方法来实现。
该方法涉及锂离子单池的制造，其中在铝箔上施加聚合物层，其中在铝箔上施加含镍阴极浆料，其中聚合物层在该电极制造期间是化学和机械稳定的，其中对湿的阴极浆料进行干燥。根据本发明，现在特别有利的是对于阴极浆料，使用水作为溶剂。在阴极浆料制造中使用水作为溶剂具有降低成本的优点。这既涉及投资成本也涉及运营成本。当不使用有机溶剂如N-甲基-2-吡咯烷酮时，省去用于溶剂回收的防爆设备。水比N-甲基-2-吡咯烷酮便宜。与N-甲基-2-吡咯烷酮相比，水是环境友好的且对健康无害。该方法易于实施，因为聚合物层在锂离子电池单池的化成(Formierung)期间溶解。化成是指第一次运行电池的充放电序列，并作为制造过程的一部分在工厂方面在特定设备中进行。在机械制成电池之后进行化成。
当聚合物层由于对电池的电解质的化学不稳定性而溶解时，不必使用其他物质。聚合物层在锂离子电池单池的初始充电期间溶解。
可使用无水溶液作为电解质，在所述无水溶液中锂盐溶解在有机溶剂混合物中。电解质产生了在电极之间的锂离子传输。导电盐可以以各种浓度存在，例如1至5摩尔。导电盐的实例是六氟磷酸锂(LiPF6)和四氟硼酸锂(LiBF4)。对溶剂的要求是良好的溶解能力、低熔点、高闪点和高沸点。单独的溶剂不满足这些要求，因此通常使用至少两种溶剂的混合物。特别地使用碳酸盐作为溶剂。特别地，作为电解质，可使用如下的的电解质，其中1摩尔LiPF6溶解在比例为1：1：1的EC:DMC:DEC中溶解。
特别地，关于汽车领域中的应用，有利的是阴极浆料包含具有如下的式的阴极活性材料：LiNixMnyCozO2其中x＝0.33...0.98，y＝0.01...0.33，z＝0.01…0.33。这些阴极活性材料已在汽车领域经受住考验。该锂离子单池尤其可以用作机动车的牵引电池的一部分。
易于实施的方法如下：借助对液态糊状物的刮涂或喷涂工艺进行聚合物层的涂层施加。
施加均匀且相应薄的聚合物层的另一种方法是借助旋涂实现聚合物层的涂层施加。旋涂也可称为旋转涂布。将液态聚合物溶液在旋转轴的区域中施加到铝箔上。铝箔围绕旋转轴旋转。根据聚合物溶液的粘度和旋转速度，实现聚合物溶液在铝箔上的展开。
优选地，涂层施加被设计成使得聚合物层的厚度为1nm至50微米(μm)。由此，一方面实现了腐蚀保护，以及另一方面确保了聚合物层在单池化成期间溶解。
用于聚合物层的优选材料是PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，PAA(聚丙烯酸)，PAMA(聚甲基丙烯酸烷基酯，Polyacrylmethylacrylat)或PPC(聚碳酸亚丙酯)。
另外，通过将干燥的阴极涂层和聚合物层压在铝箔上的压延步骤还增强了涂层在放电器、即铝箔上的物理粘附性。
现在有很多种能够有利地设计和扩展根据本发明的方法的可能方案。为此，首先可参考从属于权利要求1的权利要求。在下文中参考附图和相关描述来更详细地解释本发明的优选设计方式。
附图说明
图1示出了初始充电前的锂离子电池单池的电极，
图2示出了初始充电前的锂离子电池单池的剖视图，
图3示出了初始充电后电池单池的剖面图，其中聚合物层已经溶解。
具体实施方式
图1示出了具有铝箔1的锂离子单池的电极，铝箔1涂覆有聚合物层2。将阴极浆料3施加在聚合物层2上并干燥。涂层施加可以通过对液态糊状物的刮涂或喷涂工艺进行。此外，可以通过旋涂或旋转涂布法制备涂层。聚合物涂层2可以是几纳米到几微米厚。作为聚合物，可以使用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PAA(聚丙烯酸)、PAMA(聚甲基丙烯酸烷基酯)或PPC(聚碳酸亚丙酯)。
将含镍的阴极浆料3施加在经涂布的铝箔1上。特别地，在此可以施加具有如下的式的的水基阴极活性材料，LiNixMnyCozO2其中x＝0.33…0.98，y＝0.01…0.33，z＝0.01…0.33。该阴极活性材料在下文中简称为NMC。阴极活性材料使用水基溶剂。该水基阴极活性材料可通过刮涂或喷涂工艺施加。铝箔1上的这种聚合物涂层2防止铝箔1在碱性浆料环境中的腐蚀。聚合物层2具有对NMC浆料3的pH值11的稳定性。湿电极特别地在干燥炉中被干燥，使得液体成分、即在这里特别是水可以逸出。在电极制造的该方法步骤期间，聚合物层2是稳定的。铝箔1用作放电体(泄电器)。铝箔1、聚合物层2和阴极涂层3形成锂离子单池的电极，即阴极。
在图2和3中，现在示出了相应的锂离子电池单池。这里，示出了多个层，即，一方面，铝箔1、聚合物层2(仅图2)、阴极层3、电解质4、阳极层5和铜箔6。
在与电解质4接触期间或在化成期间，聚合物层2现在溶解(参见图3)。特别地，在锂离子电池单池的初始充电期间，聚合物层2在铝箔1上溶解。溶解的聚合物层2对阴极涂层3在铝箔1上的粘附没有负面影响。溶解的聚合物组分7甚至可以有利于粘附。涂层对放电体、即这里对铝箔的物理粘附另外还通过压延步骤增强，方式是将干燥的阴极涂层3和聚合物2压到铝箔1上。
聚合物涂层2在电极制造期间是化学和机械稳定的。聚合物涂层2溶解在制成的锂离子电池单池中。在聚合物层2溶解之后，溶解的聚合物组分7被吸收到阴极涂层基质3中。在图3中，相应溶解的聚合物组分7存在于阴极涂层3中。溶解可由于对电池的电解质4的化学不稳定性而进行。铝箔1受到保护免受由于水基的含NMC的浆料中的高pH值而造成的腐蚀。含NMC的浆料是碱性的。使用水作为制备阴极浆料的溶剂节省了成本，既包括投资成本也包括运营成本。省去了当使用诸如N-甲基-2-吡咯烷酮的有机溶剂时用于溶剂回收的防爆设备。水比N-甲基-2-吡咯烷酮便宜。与N-甲基-2-吡咯烷酮相比，水作为溶剂是环境友好的并且对健康无害。
所描述的方法既适合于在机动车中的锂离子电池单池，也适合于在交通领域和消费者领域中使用的锂离子电池单池。
附图标记清单
1 铝箔
2 聚合物层
3 阴极涂层/阴极浆料
4 电解质
5 阳极涂层
6 铜箔
7 溶解的聚合物组分

Claims (11)

1.一种制造锂离子单池的方法，其中在铝箔(1)上施加聚合物层(2)，其中在铝箔(1)上施加含镍阴极浆料(3)，其中聚合物层(2)在该电极制造期间是化学和机械稳定的，其中对湿的阴极浆料(3)进行干燥，其特征在于，对于阴极浆料(3)，使用水作为溶剂，其中聚合物层(2)在锂离子单池的化成期间被溶解。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，聚合物层(2)由于对电池的电解质(4)的化学不稳定性而溶解。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用无水溶液作为电解质(4)，在所述无水溶液中，锂盐溶解在有机溶剂混合物中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，聚合物层(2)在锂离子单池的初始充电期间溶解。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，阴极浆料(3)包含具有如下的式的阴极活性材料：LiNixMnyCozO2其中x＝0.33…0.98，y＝0.01…0.33，z＝0.01…0.33。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助对液态糊状物的刮涂或喷涂工艺进行聚合物层(2)的涂层施加。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助旋涂实现聚合物层(2)的涂层施加。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚合物层(2)的厚度为1nm至50μm。
9.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，使用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PAA(聚丙烯酸)、PAMA(聚甲基丙烯酸烷基酯)或PPC(聚碳酸亚丙酯)作为聚合物层(2)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，进行压延步骤，其中将干燥的阴极涂层(3)和聚合物层(2)压在铝箔(1)上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述锂离子单池用于机动车的牵引电池中。
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