DE102004018350B4 - Galvanic element - Google Patents

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Abstract

Galvanisches Element mit einer Anode (4), einer Kathode (5), einem zwischenliegenden Separator (1) und einem Elektrolyten, wobei der Separator auf mindestens einer Seite mit einer dünnen porösen metallischen Schicht (4, 5) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Anode und/oder der Kathode um eine Lithium-interkalierende Elektrode handelt und dass die metallische Schicht aus Al, Cu, Ag, V, Ti, Cr, Fe, Ni, Co oder Legierungen dieser Metalle oder aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl besteht.Galvanic element with an anode (4), a cathode (5), an intermediate separator (1) and an electrolyte, the separator being coated on at least one side with a thin porous metallic layer (4, 5), characterized in that the anode and / or the cathode is a lithium-intercalating electrode and the metallic layer consists of Al, Cu, Ag, V, Ti, Cr, Fe, Ni, Co or alloys of these metals or of a corrosion-resistant stainless steel .

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein galvanisches Element mit einer Anode, einer Kathode, einem zwischenliegenden Separator und einem Elektrolyten.The invention relates to a galvanic element having an anode, a cathode, an intermediate separator and an electrolyte.

In galvanischen Elementen bestimmt die elektrische Anbindung der Ableiterelektroden an die elektrochemisch aktiven Massen ganz maßgeblich die Funktionsfähigkeit der Zelle. Dekontaktierungen rein mechanischer Natur oder Dekontaktierungen, die durch den elektrochemischen Aufbau von Passivierungsschichten verursacht werden, zählen zu den häufigsten Gründen für ein Versagen der Zelle. Die Dicke bzw. Volumen und Gewicht des Ableitermaterials wirken sich auch erheblich auf die Energiedichte des galvanischen Elements aus.In galvanic elements, the electrical connection of the arrester electrodes to the electrochemically active masses decisively determines the functionality of the cell. Decontacting of purely mechanical nature or decontacting caused by the electrochemical build-up of passivation layers are among the most common reasons for cell failure. The thickness or volume and weight of the arrester material also have a significant effect on the energy density of the galvanic element.

Für Lithium-interkalierende Elektroden sind die verschiedensten Ableitermaterialien bekannt.For lithium intercalating electrodes a variety of arrester materials are known.

Im US 6,143,444 A sind Verfahren zum direkten Aufpastieren der aktiven Massen auf perforierte Folien oder Streckmetalle aus Aluminium oder Kupfer beschrieben.in the US 6,143,444 A Methods are described for the direct Aufpastieren of the active materials on perforated films or expanded metals of aluminum or copper.

Im US 5,631,104 A sind Ableiterfolien aus Aluminium oder Kupfer offenbart, die mit den aktiven Massen beschichtet werden. Bei galvanischen Elementen in Knopfzellenform werden gemäß dieser Druckschrift die aktiven Lithium-interkalierenden Massen in aus Edelstahl bestehende Gehäusebauteile der Knopfzelle eingebracht.in the US 5,631,104 A are disclosed Ableiterfolien of aluminum or copper, which are coated with the active masses. In galvanic elements in button cell shape according to this document, the active lithium-intercalating materials are introduced into stainless steel housing components of the button cell.

Im allgemeinen werden bei der Herstellung von wiederaufladbaren Lithium-Polymerzellen als Ableitermaterialien Streckmetalle verwendet, auf der negativen Seite Kupfer, auf der positiven Seite Aluminium. Die Herstellung der Streckmetalle aus Folien ist aufwendig, da oftmals ein Walz- und Glühschritt erforderlich ist. Außerdem entsteht bei einer solchen Herstellung unvermeidlich Abfall. Darüber hinaus sind, wie insbesondere die US 5,460,904 A zeigt, anschließende aufwendige Beschichtungen mit sogenannten Primern notwendig, um eine ausreichende Haftung der Elektroden auf den Streckmetallen zu gewährleisten.In general, expanded metals are used in the manufacture of rechargeable lithium polymer cells as dissipative materials, on the negative side copper, on the positive side aluminum. The production of expanded metals from films is complicated, since often a rolling and annealing step is required. In addition, waste inevitably results from such production. In addition, as are the particular US 5,460,904 A shows, then consuming coatings with so-called primers necessary to ensure sufficient adhesion of the electrodes on the expanded metals.

Aus der Druckschrift DE 101 08 695 A1 ist ein galvanisches Element mit mindestens einer Lithium-interkalierenden Elektrode zu entnehmen, deren elektrochemisch aktives Material auf einen folienförmigen metallischen Ableiter aufgebracht ist. Dabei ist das Trägermaterial ausgewählt aus Al, Cu, V, Ti, Cr, Fe, Ni, Co oder Legierungen dieser Metalle oder aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl.From the publication DE 101 08 695 A1 is to take a galvanic element with at least one lithium-intercalating electrode whose electrochemically active material is applied to a foil-shaped metallic arrester. The carrier material is selected from Al, Cu, V, Ti, Cr, Fe, Ni, Co or alloys of these metals or from a corrosion-resistant stainless steel.

Die dort näher beschriebenen Lithium-Zellen besitzen den schematischen Aufbau: Positive Elektrode/Al-Streckmetall/Positive Elektrode, Separator, Negative Elektrode/Cu-Folie/Negative Elektrode, Positive Elektrode/Al-Streckmetall/Positive Elektrode.The lithium cells described there have the schematic structure: positive electrode / Al-expanded metal / positive electrode, separator, negative electrode / Cu foil / negative electrode, positive electrode / Al expanded metal / positive electrode.

Die daraus resultierenden Vorteile sind gravierend. Die Anbindung wird flächig, dies ist insbesondere deswegen wichtig, da Inhomogenitäten in der negativen Elektrode Polarisation, Lithiumabscheidung und damit schleichende Zerstörung provozieren können. Fertigungstechnisch läßt sich auf eine Folie einfacher aufgießen und laminieren. Herstellungskosten, wie insbesondere Stanzvorgänge und Abfall beim Streckmetall, fallen weg, so daß sich die Kosten für Ableitermaterialien erheblich verringern.The resulting benefits are serious. The bonding becomes planar, which is particularly important because inhomogeneities in the negative electrode can provoke polarization, lithium deposition and thus creeping destruction. Manufacturing technology is easier to pour on a film and laminate. Production costs, in particular punching operations and waste in expanded metal, are eliminated, so that the costs for arrester materials are considerably reduced.

Allerdings sind die dabei verwendeten Ableiterfolien in der Regel etwa 10 μm dick und wirken sich somit negativ auf die Energiedichte der Zelle aus.However, the arrester foils used in this case are generally about 10 microns thick and thus have a negative effect on the energy density of the cell.

Aus der US 5,948,569 A ist eine sekundäre Lithiumbatterie mit einem Separator, beispielsweise aus PP oder PE, bekannt, auf den einseitig eine Schicht eines Alkalimetalls, insbesondere Lithium, aufgebracht ist. Die Lithiumschicht fungiert als ein zusätzlich in die Zelle eingebrachtes Lithiumdepot. Sie verbraucht sich während der ersten zwei bis drei Zyklen und wandelt sich in zyklisierbares Lithium um.From the US 5,948,569 A is a secondary lithium battery with a separator, for example of PP or PE, known, on one side of a layer of an alkali metal, in particular lithium, is applied. The lithium layer acts as an additional lithium deposit introduced into the cell. It consumes during the first two to three cycles and turns into cyclizable lithium.

Die WO 03/009408 A1 betrifft mehrschichtige bipolare Separatoren oder Endplatten für Brennstoffzellen und elektrochemische Zellen, wobei diese zur Regulierung ihres spezifischen Widerstands eine 0,1 bis 40 μm dicke Zwischenschicht aus einem Edelmetall, insbesondere Silber, aufweisen. Diese Edelmetallschicht übernimmt allerdings nicht die Funktion eines Stromableiters.The WO 03/009408 A1 relates to multilayer bipolar separators or end plates for fuel cells and electrochemical cells, these having a 0.1 to 40 micron thick intermediate layer of a noble metal, in particular silver, for the regulation of their specific resistance. However, this noble metal layer does not assume the function of a Stromableiters.

Die GB 1 038 152 A beschreibt Separatoren für Ag/Zn-Batterien, die in ihren porösen Zwischenräumen eingelagerte Metallpartikel aufweisen.The GB 1 038 152 A describes separators for Ag / Zn batteries which have embedded in their porous interstices metal particles.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei galvanischen Elementen der eingangs genannten Gattung die Energiedichte zu erhöhen und die Fertigung zu vereinfachen.The invention has for its object to increase in galvanic elements of the type mentioned the energy density and to simplify the production.

Diese Aufgabe wird durch ein galvanisches Element mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.This object is achieved by a galvanic element having the features of claim 1. In the subclaims advantageous embodiments of the invention are given.

Erfindungsgemäß ist der Separator auf mindestens einer Seite mit einer dünnen porösen metallischen Schicht beschichtet. Die metallische Schicht besteht dabei aus Al, Cu, Ag, V, Ti, Cr, Fe, Ni, Co oder Legierungen dieser Metalle oder aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl.According to the invention, the separator is coated on at least one side with a thin porous metallic layer. The metallic layer consists of Al, Cu, Ag, V, Ti, Cr, Fe, Ni, Co or alloys of these metals or of a corrosion-resistant stainless steel.

Die Schichtdicke des Metalls auf dem Separator liegt im Bereich von 10 nm bis 1.000 nm, vorzugsweise zwischen 20 nm und 500 nm.The layer thickness of the metal on the separator is in the range of 10 nm to 1000 nm, preferably between 20 nm and 500 nm.

Mindestens eine der Elektroden ist eine Lithium-interkalierende Elektrode. Bevorzugt besteht die metallische Schicht auf dem Separator auf der Anodenseite aus Cu und auf der Kathodenseite aus Al. Der poröse Separator besteht insbesondere aus PP, PE, PVDF oder einer Kombination dieser Polymere.At least one of the electrodes is a lithium-intercalating electrode. Preferably, the metallic layer on the separator on the anode side consists of Cu and on the cathode side of Al. The porous separator consists in particular of PP, PE, PVDF or a combination of these polymers.

Vorzugsweise wird bei der hier vorgestellten Erfindung der Anodenableiter (z. B. Cu) und der Kathoden-Ableiter (z. B. Al) auf den Separator (z. B. PP, PE) als hochporöse Schicht mit 50 nm Dicke aufgebracht (z. B. aufgedampft). Anschließend wird die Anode bzw. Kathode direkt mit dem beschichteten Separator in Kontakt gebracht oder auf den Separator gecoatet oder laminiert. Somit sind bei Lithium-Ionen- bzw. Lithium-Polymer-Batterien höhere Energiedichten möglich.Preferably, in the invention presented here, the anode conductor (eg Cu) and the cathode arrester (eg Al) are applied to the separator (eg PP, PE) as a highly porous layer with a thickness of 50 nm (e.g. B. vapor-deposited). Subsequently, the anode or cathode is brought into direct contact with the coated separator or coated or laminated on the separator. Thus, higher energy densities are possible with lithium-ion or lithium-polymer batteries.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Aufbaus bei einem Verfahren zur Herstellung von Elektrodenfolien, bei dem mindestens zwei verschiedene fluorierte Polymere in einem Lösungsmittel gelöst und ohne Zusätze von Plastifizierer, Quellmittel oder Elektrolyt lediglich mit einem hochleitfähigen Ruß, dessen BET-Oberfläche zwischen der von oberflächenminimiertem Graphit und aktiviertem Kohlenstoff liegt und mit einem elektrochemisch aktiven Material mit einer zweidimensionalen Schichtstruktur und einer elektronischen Leitfähigkeit von mindestens 10–4 S/cm, in welches Lithium reversibel ein- und ausbaubar ist, vermischt werden. Die so erhaltene pastöse Masse wird auf einen erfindungsgemäß beschichteten Separator aufgebracht und getrocknet.Particularly advantageous is the use of the structure according to the invention in a process for producing electrode films, in which at least two different fluorinated polymers dissolved in a solvent and without additions of plasticizer, swelling agent or electrolyte only with a highly conductive carbon black whose BET surface area between that of surface minimized Graphite and activated carbon is and mixed with an electrochemically active material having a two-dimensional layer structure and an electronic conductivity of at least 10 -4 S / cm, in which lithium is reversibly built-in and removable. The pasty mass thus obtained is applied to a separator coated according to the invention and dried.

Als elektrochemisch aktives Material für eine positive Elektrodenfolie wird ein Material aus der Gruppe ternärer (Li-Me1-O) oder quaternärer (Li-Me1-Me2-O) Lithiumübergangsmetalloxide verwendet, wobei Me1 und Me2 aus einer Gruppe Ti, V, Cr, Fe, Mn, Ni, Co ausgewählt sind. Dieses Metall enthält gegebenenfalls zusätzlich bis zu 15 Atom-Prozent Mg, Al, N oder F zur Stabilisierung der Struktur. Als elektrochemisch aktives Material der negativen Elektrodenfolie wird beispielsweise eine graphitisierte Kohlenstoffmodifikation verwendet.As an electrochemically active material for a positive electrode film, a material from the group of ternary (Li-Me1-O) or quaternary (Li-Me1-Me2-O) lithium transition metal oxides is used, wherein Me1 and Me2 are selected from a group of Ti, V, Cr, Fe , Mn, Ni, Co are selected. This metal optionally additionally contains up to 15 atomic percent of Mg, Al, N or F to stabilize the structure. For example, a graphitized carbon modification is used as the electrochemically active material of the negative electrode film.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der schematischen Figuren näher erläutert.In the following the subject of the invention is explained in more detail with reference to the schematic figures.

1 zeigt eine Ausführungsform eines Separators eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements und 1 shows an embodiment of a separator of a galvanic element according to the invention and

2 zeigt die Anwendung der Erfindung in der bevorzugten Bauweise einer Lithium-Polymer-Zelle. 2 shows the application of the invention in the preferred construction of a lithium polymer cell.

Ein poröser Separator 1 gemäß 1 besteht aus PP, PE, PVDF oder einer Kombination dieser Polymere und wird auf mindestens einer Seite mit einer elektrisch leitenden dünnen porösen Schicht versehen, beispielsweise durch Aufdampfen. Im Falle von Lithium-Ionen- bzw. Lithium-Polymer-Batterien besteht die elektrisch leitende poröse Ableiterschicht 2 auf der Anodenseite aus Cu und auf der Kathodenseite 3 aus Al.A porous separator 1 according to 1 consists of PP, PE, PVDF or a combination of these polymers and is provided on at least one side with an electrically conductive thin porous layer, for example by vapor deposition. In the case of lithium-ion or lithium polymer batteries, the electrically conductive porous arrester layer 2 on the anode side of Cu and on the cathode side 3 from Al.

Wie in 2, die den Aufbau einer Zelle zeigt, dargestellt ist, ist auf die Ableiterschicht 2 die Anode 4 und auf die Ableiterschicht 3 die Kathode 5 aufgebracht, z. B. auflaminiert oder direkt darauf gecoatet. Dieser Elektrodenverbund kann in gewünschter Anzahl gestapelt oder gewickelt werden und anschließend mit Elektrolyt getränkt und verpackt werden. In 2 sind zwei solche Anordnungen gestapelt. Die äußeren Polableiter sind mit 6 für die positive Elektrode und 7 für die negative Elektrode bezeichnet.As in 2 showing the structure of a cell is shown on the arrester layer 2 the anode 4 and on the arrester layer 3 the cathode 5 applied, z. B. laminated or directly coated on it. This electrode composite can be stacked or wound in the desired number and then soaked with electrolyte and packaged. In 2 two such arrangements are stacked. The outer pole conductors are with 6 for the positive electrode and 7 for the negative electrode.

BeispieleExamples

  • 1. Auf einen PP-Separator wird jeweils auf der einen Seite eine poröse Schicht von 100 nm Cu und auf der anderen Seite von 100 nm Al aufgedampft. Anschließend wird auf die Cu-Seite eine Anode bestehend aus Graphit und einem PVDF-Binder gecoatet und auf die Al-Seite eine Kathode bestehend aus LiCoO2, Leitruß und PVDF-Binder. Diese Zelle wird dann mit Elektrolyt getränkt und in eine Al-Kunststoff-Verbundfolie verpackt. Beispiele für geeignete Rezepturen der aktiven Massen sind dem eingangs genannten Dokument DE 101 08 695 A1 zu entnehmen.1. On a PP separator, a porous layer of 100 nm Cu and on the other side of 100 nm Al is evaporated on each side. An anode is then coated consisting of graphite and a PVDF binder and on the Al side, a cathode consisting of LiCoO 2, conductive carbon black and PVDF binder on the Cu side. This cell is then soaked with electrolyte and packaged in an Al-plastic composite foil. Examples of suitable formulations of the active compositions are the document mentioned above DE 101 08 695 A1 refer to.

Claims (6)

Galvanisches Element mit einer Anode (4), einer Kathode (5), einem zwischenliegenden Separator (1) und einem Elektrolyten, wobei der Separator auf mindestens einer Seite mit einer dünnen porösen metallischen Schicht (4, 5) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Anode und/oder der Kathode um eine Lithium-interkalierende Elektrode handelt und dass die metallische Schicht aus Al, Cu, Ag, V, Ti, Cr, Fe, Ni, Co oder Legierungen dieser Metalle oder aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl besteht.Galvanic element with an anode ( 4 ), a cathode ( 5 ), an intermediate separator ( 1 ) and an electrolyte, wherein the separator on at least one side with a thin porous metallic layer ( 4 . 5 ), characterized in that the anode and / or the cathode is a lithium-intercalating electrode and that the metallic layer consists of Al, Cu, Ag, V, Ti, Cr, Fe, Ni, Co or alloys these metals or made of a corrosion-resistant stainless steel. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der metallischen Schicht auf dem Separator (1) im Bereich von 10 nm bis 1000 nm liegt, vorzugsweise zwischen 20 nm und 500 nm.Galvanic element according to Claim 1, characterized in that the thickness of the metallic layer on the separator ( 1 ) is in the range of 10 nm to 1000 nm, preferably between 20 nm and 500 nm. Galvanisches Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht auf dem Separator (1) auf der Anodenseite (4) aus Cu besteht. Galvanic element according to one of Claims 1 or 2, characterized in that the metallic layer on the separator ( 1 ) on the anode side ( 4 ) consists of Cu. Galvanisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht auf dem Separator (1) auf der Kathodenseite (3) aus Al besteht.Galvanic element according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the metallic layer on the separator ( 1 ) on the cathode side ( 3 ) consists of Al. Galvanisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Metall beschichtete Separator (1) aus PP, PE, PVDF oder einer Kombination dieser Polymere besteht.Galvanic element according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the metal-coated separator ( 1 ) consists of PP, PE, PVDF or a combination of these polymers. Galvanisches Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht auf den Separator (1) aufgedampft ist.Galvanic element according to one or more of Claims 1 to 5, characterized in that the metallic layer is applied to the separator ( 1 ) is evaporated.
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