DE102004053479A1 - Lithium-polymer-system based high duty batteries comprises lithium-intercalable titanate as negative electrode and lithium-intercalable iron phosphate as positive electrode - Google Patents
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Abstract
Description
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hochleistungs-Lithium-Polymer-Batterien
mit Titanaten als negativem und Eisenphosphaten als positivem Elektrodenmaterial.
Im einzelnen betrifft die Erfindung ein Verfahren, in dem Ableiterfolien
mit extrudierten Elektrodenmassen beaufschlagt werden und anschließend mit
Separatormaterial zu einem Trilaminat zusammengefügt werden.
Einzelheiten zur Herstellung von Lithium-Polymer-Batterien sind
literaturbekannt und dem „Handbook
of Battery Materials",
Herausgeber: I.O. Besenhard, Verlag VCH, Weinheim 1999, zu entnehmen
(1). Spezielle Herstellungsverfahren, wie z. B. der sog. Bellcore-Prozess
sind in „Lithium
Ion Batteries",
Herausgeber: M. Wakihara and O. Yamamoto, Verlag VCH, Weinheim 1998,
S. 235 u.
Die
Verwendung von Eisenphosphaten z. B. LiFePO4 als
interessantes Kathodenmaterial ist u. a. in den Abstracts der Battery
and Fuel Cell Symposium, Graz Apr. 18–22, 2004, Seite 127 sowie
im US Pat 2004/0185343 beschrieben (3). Weitere Informationen LiFePO4 sind im Journal of Power Sources 119–121 (2003),
239–246;
247–251,
252–257,
258–261
und 278–284
aufgelistet (4). Die Verwendung als Kathodenmaterial auch als Carbon
beschichtetes Material wird u. a. in US 2003/0064287 und US 200/20182497
und
Diese Erfindung betrifft jedoch Li-Batteriesysteme bei denen als negatives Elektrodenmaterial Titanate verwendet werden und zwar als Gegenelektrode zu den Eisenphosphaten als positivem Elektrodenmaterial. Die Verwendung von Titanaten z. B. Li4Ti5O12 als negative Elektrode ist bereits in US Pat. 2002/20102205 und US Pat. 5514490 beschrieben, jedoch entspr. US Pat. 5460904 mit Mn bzw. Co- oder Nioxiden als positive Gegenelektrode.However, this invention relates to Li battery systems in which titanates are used as the negative electrode material as a counter electrode to the iron phosphates as a positive electrode material. The use of titanates z. B. Li 4 Ti 5 O 12 as a negative electrode is already described in US Pat. 2002/20102205 and US Pat. 5514490, but corresponds to US Pat. 5460904 with Mn or Co or Nioxiden as a positive counter electrode.
Wesentliches Merkmal dieser Erfindung ist die gleichzeitige d. h. parallele Verwendung von Titanaten als negativem Elektrodenmaterial und Eisenphosphaten als positivem Elektrodenmaterial. Beide Materialien werden als Lithium-Interkalate (Einlagerungsverbindungen) eingesetzt. Wichtig und qualitätsbestimmend sind hierbei Form und Größe der Komponenten. Bei den Titanaten sind verzerrte Oktaeder entspr. der Brookit-Struktur mit drei, entspr. der Rutil-Struktur mit zwei und entspr. der Anatas-Struktur mit vier gemeinsamen TiO6-Oktaeder-Kanten, bevorzugt aber auch Perowskit Strukturen mit O6-Oktaederlücken, in denen Ti+4 Ionen eingelagert sind, sind geeignet; ebenso Spinell Typen (Electrochem. Soc. 142, 1431 [1995].An essential feature of this invention is the simultaneous ie parallel use of titanates as a negative electrode material and iron phosphates as a positive electrode material. Both materials are used as lithium intercalates (intercalation compounds). Important and quality determining here are the shape and size of the components. In the case of the titanates, distorted octahedra are corresponding to the brookite structure with three, corresponding to the rutile structure with two and corresponding to the anatase structure with four common TiO 6 octahedral edges, but preferably also perovskite structures with O 6 octahedral gaps , in which Ti +4 ions are embedded, are suitable; also spinel types (Electrochem., Soc., 142, 1431 [1995].
Von elementarer Bedeutung ist das Vorliegen von geordneten Nano-Strukturen, d.h. amorphe Materialien sind weitgehend ungeeignet. Mindestens 60 Gew.-% der eingesetzten erfindungsgemäßen Titanate sollten nanostrukturiert vorliegen. Zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit werden die Titanate mit Ruß, natürlichem Graphit und/oder synthetischem Graphit oder auch Zinnpulver beschichtet (gecoated) oder auch abgemischt. Die Menge der Abmisch- bzw. Zusatzkomponente beträgt 1–10 Gew.-% bezogen auf die Einsatzmenge der Li-interkalierbaren Titanaten.From elementary importance is the presence of ordered nano-structures, i.e. amorphous materials are largely unsuitable. At least 60% by weight of the titanates used according to the invention should be nanostructured available. To improve the electrical conductivity the titanates become sooty, natural Graphite and / or synthetic graphite or tin powder coated (co-coated) or mixed. The amount of blending or additive component is 1-10% by weight based on the amount of Li-intercalatable titanates.
Das Li-interkalierbare Eisenphosphat wird vorzugsweise nanostrukturiert eingesetzt und zwar in Mengen von 60–85 Gew.-% bezogen auf das Material der positiven Elektrode. Ebenfalls wie bei der Anode dienen Zusätze von elektrisch leitfähigem Material auf Basis von Kohlenstoff (Ruß, Graphit) oder elektrisch leitfähige Polymere wie Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen zur Verminderung der Kontaktwiderstände. Die Menge dieser Zusätze die als Beschichtung (coating) oder als Abmischung eingesetzt werden, beträgt 1–10 Gew.-%, bezogen auf die FePo4 Masse der positiven Elektrode.The Li-intercalatable iron phosphate is preferably used nanostructured and in amounts of 60-85 wt .-% based on the material of the positive electrode. As with the anode, additions of electrically conductive material based on carbon (carbon black, graphite) or electrically conductive polymers such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene are used to reduce contact resistance. The amount of these additives which are used as a coating or as a blend, is 1-10 wt .-%, based on the FePo 4 mass of the positive electrode.
Die Partikelgröße liegt im Schnitt bei ca. 400 nm, wobei 90 < 700 nm sind. Die BET Oberfläche beträgt 10–20 m2/g (Battery and Fuel Symposium, Graz Ap. 18–22, 2004, S. 127/128).The Particle size is on average at about 400 nm, where 90 <700 nm. The BET surface area is 10-20 m2 / g (Battery and Fuel Symposium, Graz Ap. 18-22, 2004, p. 127/128).
Ein wesentliches Ziel dieser Erfindung ist nicht nur die Neuartigkeit des Systems, sondern auch durch hohe Ordnungszustände der verwendeten Kristallite, sowohl für die Anode als auch für die Kathode und eine definierte Nano-Partikel-Struktur, 1. die Zyklenfertigkeit zu verbessern aber auch die Batterieleistung deutlich zu erhöhen.One The essential aim of this invention is not only the novelty of the system, but also by high order states of the used crystallites, both for the anode and for the cathode and a defined nano-particle structure, 1. to improve the cycle skill but also the battery power to increase significantly.
Im Stand der Technik zur Herstellung der Lithium-Polymer-Batterien werden folgende grundsätzlich verschiedene Verfahren verwendet:
- 1. der Beschichtungsprozess, bei dem (die) der für die Kathoden bzw. Anodenmasse erforderliche Polymerbinder gelöst wird. Beispielsweise wird eine 5–10%ige Lösung aus Fluorelastomeren, die als Homo- oder Copolymere vorliegen, mit z. B. N-Methyl-pyrrolidon (NMP) als Lösungsmittel hergestellt und diese Polymerlösung mit den kathoden- bzw. anodenspezifischen Zusätzen wie Li-interkalierbare Metalloxide bzw. Li-interkalierbare Kohlenstoffe (Ruß, Graphit o. ä.) versetzt und dispergiert. Diese Dispersion wird dann mit einem in der Technik bekannten Beschichtungsverfahren auf Stromkollektoren aufgetragen.
- 1. the coating process, in which (the) required for the cathode or anode material polymer binder is dissolved. For example, a 5-10% solution of fluoroelastomers, which are present as homopolymers or copolymers, with z. B. N-methyl-pyrrolidone (NMP) prepared as a solvent and this polymer solution with the cathode or anode-specific additives such as Li-intercalatable metal oxides or Li-intercalatable carbons (carbon black, graphite o. Ä.) And dispersed. This dispersion is then applied to current collectors using a coating process known in the art.
Eine Variante (1a) der oben beschriebenen Beschichtungstechnik besteht in der Verwendung von wässrigen Polymerdispersionen anstelle der Polymerlösungen mit anorganischen Lösungsmitteln.A Variant (1a) of the coating technique described above in the use of aqueous Polymer dispersions instead of the polymer solutions with inorganic solvents.
Die nach 1 bzw. 1a erhaltenen Beschichtungen werden nach dem Trocknen zu rechteckigen oder Wickelzellen verarbeitet (gewickelt), wobei als Zwischenlage ein sog. Separator mit porösen Strukturen, z. B. aus Cellgard o. ä., verwendet wird. Ein derart hergestelltes System wird verkapselt und vor dem Verschließen mit Leitsalzlösung (Elektrolyt, d. h. Leitsalz gelöst in aprotischen Lösungsmitteln), z. B. durch Anlegen von Vakuum, gefüllt wird.The Coatings obtained according to 1 or 1a are after drying processed into rectangular or wound cells (wound), wherein as a separator, a so-called. Separator with porous structures, eg. From Cellgard o. Ä., is used. A system made in this way is encapsulated and before closing with conductive salt solution (Electrolyte, that is dissolved electrolyte salt in aprotic solvents), z. B. by applying vacuum is filled.
Der Bellcore-Prozess (1b) ist eine weitere Variante der Beschichtungstechnik, hier wurde schon in die Anoden- bzw. Kathodenmasse eine Komponente (z. B. Dibutylphthalat DBP) mit eingearbeitet, die vor der Zusammenführung von Anode/Kathode/Separator im sog. Bellcore-Prozess (vgl. Lit. 2) herausgelöst wird, um ausreichende Porosität d. h. Aufnahmevermögen für die Leitsalzlösung (Elektrolyt) zu schaffen.Of the Bellcore process (1b) is another variant of the coating technique, Here was already in the anode or cathode material a component (For example, dibutyl phthalate DBP) incorporated before the merger of Anode / cathode / separator is dissolved in the so-called Bellcore process (see reference 2), sufficient porosity d. H. receptivity for the conducting salt To create (electrolyte).
Das US-Patent US-A-5,296,318 beschreibt eine wiederaufladbare Lithium-Interkalationsbatterie mit hybridem Polymerelektrolyten. Wesentliches Element dieses Patents sind polymere Elektrolyten, die als selbsttragende Filme ausgebildet werden und aus einem Copolymer aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen in einem Gewichtsverhältnis bestehen, indem Hexafluorpropylen Copolymer nicht kristallisiert oder geliert, sodass gute Filmfestigkeit sowie ionische Leitfähigkeit erzielt wird. Auch dieses Patent beschreibt lediglich Lösungsmittelgebundene Verfahren zur Bildung des Laminataufbaus.The U.S. Patent US-A-5,296,318 describes a rechargeable lithium intercalation battery with hybrid polymer electrolyte. Essential element of this patent are polymeric electrolytes, which are formed as self-supporting films and from a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene in a weight ratio consist of hexafluoropropylene copolymer does not crystallize or gelled, giving good film strength as well as ionic conductivity is achieved. This patent also describes only solvent-bound Process for forming the laminate structure.
Die US-A-5,456,000 beschreibt die Herstellung einer wiederaufladbaren Lithiumionen-Batteriezelle. Die Elektroden- und Separator-Schichten werden aus selbsttragenden Filmlagen aufgebaut. Ihr wesentliches Element ist ihr Gehalt an Polymerbinder aus einer Polyvinylidenfluorid-Copolymermatrix und einem kompatiblen organischen Weichmacher, der später entfernt wird. So wird eine homogene Zusammensetzung in Form eines flexiblen, selbsttragenden Films erhalten. Derartige Polymermaterialien in den Filmschichten stellen homogene Zusammensetzungen ohne Bildung von Salz- und Polymerkristalliten bei oder unter Raumtemperatur bereit. Ferner zeigt die Membran kein Austreten des Lösungsmittels. Die zusammengefügte Batteriezelle liegt in „inaktivem" Zustand vor, d. h. ohne Elektrolytsalz in der Bindemittelmatrix. Zur Aktivierung wird die Laminatstruktur in einer Elektrolytsalzlösung imprägniert, vorzugsweise nachdem der Weichmacher zu großem Teil extrahiert wurde. Das entscheidende Copolymer für den Polymerbinder umfasst Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen als Co-Monomere in definierten Gewichtsverhältnissen. Obwohl die Extrusion als Verfahrensvariante für die Laminierung von Elektroden- und Elektrolytelementen kurz erwähnt ist, führt die gesamte übrige Beschreibung lediglich eine Beschichtung von Flüssigmischungen auf Trägersubstrate aus.The US-A-5,456,000 describes the preparation of a rechargeable Lithium ion battery cell. The electrode and separator layers become off built up self-supporting film layers. Your essential element is their content of polymer binder from a polyvinylidene fluoride copolymer matrix and a compatible organic plasticizer, which will be removed later becomes. So a homogeneous composition in the form of a flexible, self-supporting film received. Such polymer materials in The film layers provide homogeneous compositions without formation of salt and polymer crystallites at or below room temperature. Furthermore, the membrane shows no leakage of the solvent. The assembled battery cell is in "inactive" state, d. H. without electrolyte salt in the binder matrix. To activate the laminate structure is impregnated in an electrolyte salt solution, preferably after the plasticizer has been extracted to a large extent. The ultimate copolymer for the polymer binder includes vinylidene fluoride and hexafluoropropylene as co-monomers in defined weight ratios. Although the extrusion as a process variant for the lamination of electrode and electrolyte elements is mentioned briefly, leads the entire remaining description only a coating of liquid mixtures on carrier substrates out.
Die US-A-5,631,103 baut auf dem oben diskutierten US-Patent 5,456,000 auf und berücksichtigt insbesondere die kombinierte Verbesserung von mechanischer Integrität wie auch die Verbesserung der ionischen Leitfähigkeit. Wichtigstes Element dieses Patents ist das filmartige Elektrolytmaterialsystem 26. Es umfasst eine aktive Elektrolytspezies (Leitsalz) und eine Multiphasen-Polymerträgerstruktur bestehend aus einem Gelpolymer und Füllmaterial.The US-A-5,631,103 is based on US Patent 5,456,000 discussed above up and taken into account in particular the combined improvement of mechanical integrity as well the improvement of ionic conductivity. Most important element This patent is the film-like electrolyte material system 26. It comprises an active electrolyte species (conducting salt) and a multi-phase polymer carrier structure consisting of a gel polymer and filler.
Ein
grundsätzlich
anderer Prozess (2) ist die Extrusion. Z. B. betrifft das US-Patent
Nr. 4,818,643 (entspr.
Die
Patentschrift
Nach diesem Verfahren soll eine trägerlösungsmittelfreie Herstellung von Lithium-Polymerbatterien dadurch erreicht werden, dass die beiden Elektrodenmassen und Polymer-Gelelektrolyt durch Mischen der jeweiligen Komponenten separat hergestellt werden, wobei der Polymer-Gelelektrolyt ein Polymergemisch enthält, das aus Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP) und aus Polymethylmethacrylat besteht, die drei Massenströme für die Anode, den Polymer-Gelelektrolyt und Kathode dann weitgehend zusammengeführt und die Anode, der Polymer-Gelelektrolyt und die Kathode gleichzeitig auf die Kollektorfolie laminiert werden. Die drei Produktströme verlassen die Austragsdüse des Extruders nicht als diskrete, separate und selbständige Produktströme, sondern als Mischung von Anodenmasse mit Polymergel und Kathodenmasse. Das bedeutet, ein solches Komponentengemisch ist als Batteriesystem nicht funktionsfähig, außerdem sind die Massen nicht in der Lage, die Mengen an Leitsalzlösung zu binden. Ferner besteht die Gefahr, dass nicht gebundenes Lösungsmittel, das bei der Verarbeitung ausschwitzt und beim Batteriebetrieb die Kollektorfolien-Laminierung unterwandert, zu einem erhöhten Innenwiderstand der Batterie führt, die Ablösung der Elektroden bewirkt und zu einem stetigen, irreversiblen Versagensmechanismus führt. Des weiteren treten in dem Extruder Temperaturen zwischen 95 und 165°C auf, um eine thermoplastische Verarbeitung der Massen zu gewährleisten. Bei derartigen Temperaturen werden die Massen jedoch aufgeschmolzen und bilden nach Laminierung Schichten mit erheblicher Oberflächenrauhigkeit. Die Nachteile derartiger Oberflächenrauhigkeiten sind in H.G. Elias, Makromoleküle, Band II, Seite 388–399 [1992], Hüthig und Wepf Verlag, Basel, New York beschrieben.According to this method, a carrier solvent-free production of lithium polymer batteries should be achieved by separately preparing the two electrode masses and polymer gel electrolyte by mixing the respective components, the polymer gel electrolyte corresponding to a polymer mixture consisting of polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) and polymethyl methacrylate, the three mass flows for the anode, the polymer gel electrolyte and cathode then largely merged and the anode, the polymer gel electrolyte and the cathode simultaneously on the collector foil be laminated. The three product streams do not leave the extruder discharge nozzle as discrete, separate and independent product streams, but rather as a mixture of anode mass with polymer gel and cathode mass. This means that such a mixture of components is not functional as a battery system, moreover, the masses are unable to bind the amounts of electrolyte solution. Furthermore, there is a risk that unbound solvent that swells during processing and undercuts collector foil lamination during battery operation results in increased internal resistance of the battery, causes detachment of the electrodes, and results in a steady, irreversible failure mechanism. Furthermore, temperatures between 95 and 165 ° C occur in the extruder to ensure thermoplastic processing of the masses. At such temperatures, however, the masses are melted and form layers with considerable surface roughness after lamination. The disadvantages of such surface roughnesses are described in HG Elias, Makromolekule, Volume II, page 388-399 [1992], Hüthig and Wepf Verlag, Basel, New York.
Die
bislang beschriebenen Verfahren haben allesamt, wenn auch unterschiedliche
Nachteile:
Bei den Beschichtungsprozessen (1–1a) muss
in allen Fällen
das organische Lösungsmittel
bzw. das Wasser (eingeschleppt durch die Polymerlösung bzw.
Dispersion) beseitigt werden. Verbleibendes Lösungsmittel führt zum „Fading", d.h. nachlassender
Batterie-Effizienz und mangelnder Zyklenstabilität. Das organische Lösungsmittel
muss aus Kostengründen
und zum Umweltschutz entfernt werden, was hohe Trocknungstemperaturen
bzw. beim kontinuierlichen Prozess längere Trocknungszeiten bei
niedrigen Trocknungstemperaturen und Vakuum bedeutet. Analoges gilt
für die
Abtrennung von Wasser. Darüber
hinaus führt
dies zu Qualitätsdefiziten
beim hergestellten Produkt, wie etwa Inhomogenitäten, Rissbildung beim engen
Wickeln, verminderte Haftung auf den Stromkollektoren, Schädigung der
Stromkollektoren, Unterwanderung des Films durch den Elektrolyten.
Bei der Befüllung
mit dem Elektrolyten erfolgt nur mangelnde Benetzung der Anoden-
bzw. Kathodenmasse.The methods described so far all have, albeit different disadvantages:
In the coating processes (1-1a), the organic solvent or the water (introduced by the polymer solution or dispersion) must be removed in all cases. Remaining solvent leads to "fading", ie decreasing battery efficiency and lack of cycle stability.The organic solvent must be removed for reasons of cost and environmental protection, which means high drying temperatures or longer drying times at low drying temperatures and vacuum during the continuous process In addition, this leads to quality deficiencies in the manufactured product, such as inhomogeneities, cracking during tight winding, reduced adhesion to the current collectors, damage to the current collectors, infiltration of the film by the electrolyte the anode or cathode ground.
Beim Prozess 1b ist die Porosität zur Aufnahme des Elektrolyten gegeben, jedoch gelten alle anderen bei 1–1a genannten Nachteile auch für 1b.At the Process 1b is the porosity to receive the electrolyte, however, all other apply at 1-1a mentioned Disadvantages also for 1b.
Bei
(2) dem Extruderprozess ergeben sich folgende Nachteile:
Das
in US Patent Nr. 4818643 offenbarte Verfahren verwendet Polyethylenoxid
(PEO), das jedoch beim Batteriebetrieb keine Langzeitstabilität aufweist,
d. h. Zyklenstabilität < 100. Der andere
Extruderprozess (
The process disclosed in US Pat. No. 4,818,643 uses polyethylene oxide (PEO) which, however, has no long-term stability during battery operation, ie cycle stability <100. The other extruder process (US Pat.
Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes Extrusionsverfahren zur Herstellung von Hochleistungs-Lithium-Polymer-Batterien bereitzustellen, das die vorstehend beschriebenen Nachteile vermeidet, insbesondere Lithium-Polymer-Batterien mit einer verbesserten Zyklenstabilität gewährleisten kann.Consequently the object of the invention is an improved extrusion process to provide high performance lithium polymer batteries, which avoids the disadvantages described above, in particular Lithium-polymer batteries can provide improved cycle stability.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 22 definiert.These The object is solved by the features of independent claim 1. preferred embodiments are in the dependent claims 2 to 22 defined.
Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Extrusionsverfahrens besteht darin, die mit dem Elektrodenmaterial beschichteten Ableiter synchron mit dem Separatormaterial zusammenzuführen.The preferred embodiment of the extrusion process according to the invention consists of the arrester coated with the electrode material synchronously with the separator material.
Die Ableiterfolien werden mit den extrudierten Elektrodenmassen beaufschlagt und anschließend mit Separatormaterial derart zusammengefügt, dass die mit der Elektrodenmasse beaufschlagte Elektrodensubstratseite mit dem Separatormaterial kontaktiert wird. Anode, Kathode und Separator werden zusammengeführt, so dass ein Verbund entsteht, bei dem der Separator als Zwischenlage für Anode/Kathode dient.The Conductive foils are exposed to the extruded electrode masses and subsequently assembled with separator material such that with the electrode mass applied electrode substrate side with the separator material will be contacted. Anode, cathode and separator are merged, so that a composite arises in which the separator as an intermediate layer for anode / cathode serves.
Der erhaltene Verbund kann dann vorzugsweise zu Mehrfachlagen verarbeitet und zu rechteckigen bzw. Wickelzellen gefertigt werden. Nach dem Verkapseln und Polen liegt eine Lithium-Polymer-Batterie vor, die nach der Formgebung mit einer Spannung von beispielsweise ca. 4 Volt und Zyklenzeiten > 300 betriebsbereit ist.Of the The composite obtained can then preferably be processed into multiple layers and are made into rectangular or winding cells. After this Encapsulate and Poland is a lithium polymer battery before shaping with a voltage of, for example, about 4 volts and cycle times> 300 ready for operation is.
Im folgenden werden die einzelnen Komponenten der erfindungsgemäß hergestellten Lithium-Polymerbatterien anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben.in the The following are the individual components of the invention Lithium polymer batteries described by means of preferred embodiments.
Im einzelnen werden Ableiter A, z. B. Cu-Folie (Netz) für die Anode bzw. Ableiter K, z. B. Al-Folie (vorzugsweise für die Kathode) mit der Anodenmasse AM bzw. der Kathodenmasse KM für sich (separat) oder parallel synchron beaufschlagt und dann mit dem Separator S als Zwischenlage laminiert (L). Als Resultat ergibt sich ein Verbundsystem bestehend aus den Ableitern mit den Elektrodenmassen und dem Separator als Zwischenlage.in the individual become arrester A, z. B. Cu foil (mesh) for the anode or arrester K, z. B. Al foil (preferably for the cathode) with the anode mass AM or the cathode material KM for acted on (separately) or in parallel synchronously and then with the separator S as an intermediate layer laminated (L). As a result, results a composite system consisting of the arresters with the electrode masses and the separator as an intermediate layer.
Als Ableiter sind beispielsweise Folien, Netze oder Gewebe bzw. Vliese aus Metallen, aber auch Folien aus elektrisch leitfähigen Polymeren, wie etwa Polypyrrol, Polythiophen, Polyphenylen, Polyanilin, aber auch Vlies aus Carbonfasern oder Kohlenstofffolien, geeignet. Bevorzugt werden Cu für die Anode und Al für die Kathode.When Arresters are, for example, films, nets or fabrics or nonwovens made of metals, but also films of electrically conductive polymers, such as polypyrrole, polythiophene, polyphenylene, polyaniline, but Also fleece made of carbon fibers or carbon films, suitable. Prefers be cu for the anode and Al for the cathode.
Die Ableiter können in Dicken von 0,1 bis 30 μm, vorzugsweise von 0,5 bis 25 μm, weiter bevorzugt 2–20 μm; insbesondere 3–9 mm eingesetzt werden.The Arresters can in thicknesses of 0.1 to 30 μm, preferably from 0.5 to 25 μm, more preferably 2-20 μm; especially 3-9 mm be used.
Um Korrosion zu vermeiden und besseren Kontakt zu den Anoden- bzw. Kathodenmassen zu erreichen, werden die metallischen Ableiter vorzugsweise der Kathodenableiter vor dem Auftragen der Elektrodenmasse geprimert (d. h. mit einer elektrisch leitfähigen Adhäsionsschicht versehen).Around To avoid corrosion and better contact with the anode or cathode masses To achieve the metallic arrester are preferably the Cathode conductor primed before applying the electrode composition (i.e., provided with an electrically conductive adhesion layer).
Die
erfindungsgemäßen Elektrodenmassen
können
wie folgt zusammengesetzt sein:
Die Elektrodenmasse für die Anode
A umfasst:
Li-Titanate, die gegebenenfalls:The electrode masses according to the invention can be composed as follows:
The electrode composition for the anode A comprises:
Li-titanates, which may be:
- a. Kohlenstoffen (synth. oder natürlich), Graphit MCMB® oder ä. beschichtet oder abgemischt sind. Die Menge der Titanate beträgt 65–85 Gew.-% der Anodenmasse. Die Menge an Beschichtungs- oder Abmischungsmaterial beträgt 0,5 bis 10 Gew.-%, bezogen auf Li-Titanat.a. Carbon (synth. Or natural), graphite MCMB ® or Ä. Are coated or blended. The amount of titanates is 65-85% by weight of the anode mass. The amount of coating or blending material is from 0.5 to 10% by weight, based on Li titanate.
- b. Elektrolyt aus Lithiumsalz und aprotischem Lösungsmittel. Das Lithiumsalz kann z. B. aus LiClO4, LiPF6, Lithiumorganoboraten bzw. Triflaten, Lithiumfluorsulfo-Derivaten, sowie solchen die im vorstehenden Dokument (1) beschrieben sind oder deren Mischung ausgewählt sein. Die Leitsalze liegen vorzugsweise gelöst vor, weiter bevorzugt 1–1,5 Molar. Die aprotischen Lösungsmittel kann aus z. B. Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Perfluoralkylether, vorzugsweise alkylierten Ethylen- bzw. Propylenglykolen oder solchen, die im vorstehenden Dokument (1), Kapitel 7.2 beschrieben sind, ausgewählt sein. Ein bevorzugtes aprotisches Lösungsmittel ist ein Gemisch aus verschiedenen Alkylcarbonaten, insbesondere bevorzugte Ethylen-, Diethyl-, Dimethylcarbonat in Mischungsverhältnissen von 1:1:1 bis 4:2:1. Die Menge Lithiumsalz + Lösungsmittel beträgt vorzugsweise 25–40 Gew.-% bezogen auf die Gesamtanodenmasse.b. Electrolyte of lithium salt and aprotic solvent. The lithium salt may, for. Example, from LiClO 4 , LiPF 6 , Lithiumorganoboraten or triflates, lithium fluorosulfonic derivatives, and those described in the above document (1) or be selected their mixture. The conductive salts are preferably dissolved, more preferably 1-1.5 molar. The aprotic solvent can be prepared from z. Example, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, perfluoroalkyl ethers, preferably alkylated ethylene or propylene glycols or those described in the above document (1), Chapter 7.2 be selected. A preferred aprotic solvent is a mixture of different alkylcarbonates, in particular preferred ethylene, diethyl, dimethyl carbonate in mixing ratios of 1: 1: 1 to 4: 2: 1. The amount of lithium salt + solvent is preferably 25-40 wt .-% based on the total anode mass.
- c. Zusätze, wie z.B. Verdicker auf anorganischer Basis, vorzugsweise MgO, Al2O3, TiO2, Borat, weiter bevorzugt MgO, Al2O3, oder auf organischer Basis wie Polybutadienöle, Polyvinylpyrrolidon oder Polyalkylenoxide – Copolymere von Ethylenoxid, mit Propen oder Isobutenoxid mit verkappten Endgruppen können in Mengen von 0 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 8 Gew.-%, insbesondere bevorzugt bei 7,5 Gew.-% vorliegen.c. Additives, such as inorganic-based thickeners, preferably MgO, Al 2 O 3 , TiO 2 , borate, more preferably MgO, Al 2 O 3 , or on an organic basis such as polybutadiene, polyvinylpyrrolidone or polyalkylene oxides - copolymers of ethylene oxide, with propene or isobutene with capped end groups can be present in amounts of 0 to 10 wt .-%, preferably 0.1 to 8 wt .-%, particularly preferably 7.5 wt .-%.
Eine
insbesondere bevorzugte Zusammensetzung für die Anodenmasse ist folgende:
Terpolymeres auf Basis von Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen und VinylidenfluoridTerpolymer based on of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene and vinylidene fluoride
Eine weitere insbesondere bevorzugte Mischung für die Anodenmasse umfasst folgendes: Li-Titanat 65 %, Elektrolyt, bestehend aus einer 1 molaren LiPF6-Lösung in Ethylen-, Diethyl-, Dimethylcarbonat 1:1:1 30 %, sowie Dyneon THV X 310® (entspricht dem THV 220® nur mit einem Schmelzbereich von 140°C statt 120°C) 5 %. Die %-Angaben sind Gewichtsprozente bezogen auf die Gesamtanodenmasse.Another particularly preferred mixture for the anode composition comprises the following: Li titanate 65%, electrolyte consisting of a 1 molar LiPF 6 solution in ethylene, diethyl, dimethyl carbonate 1: 1: 1 30%, and Dyneon THV X 310 ® (corresponds to the THV 220 ® only with a melting range of 140 ° C instead of 120 ° C) 5%. The% data are percentages by weight based on the total anode mass.
Die Komponenten werden z. B. bei Temperaturen von 20–60°C, vorzugsweise bis 50°C vermischt. Dabei werden die Mischkomponenten vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge in ein Mischgerät, z. B. einen Voith-Mischer, gegeben und z. B. jeweils 20 Min. nach jeder Zugabe bei 40 U/Min gemischt, wobei vorzugsweise unter Ausschluss von Luftfeuchtigkeit, weiter bevorzugt unter Schutzgas, z. B. Argon (reinst), gearbeitet wird. Anschließend erfolgt die Extrusion in einem Collin-Extruder, wobei die Masse direkt auf den Ableiter aufgetragen wird. Die Elektrodenmasse für die Kathode K umfasst:
- a) Li-interkalationsfähiges Eisenphosphat, gegebenenfalls Zusätze 1 bis 10 Gew.-% von Ruß, synth. oder natürl. Graphit oder Sn, vorzugsweise als Pulver in Mengen von 60–80 Gew.-% (bezogen auf die Kathodenmasse) eingesetzt.
- b) Ferner Elektrolyt, Art und Menge entsprechen weitgehend den unter A b) (oben) aufgeführten (Mengen vorzugsweise 15–40 Gew.-%)
- c) Außerdem können noch die bei der Anodenmasse unter c) beschriebenen Zusätze eingesetzt werden.
- a) Li-intercalating iron phosphate, optionally additives 1 to 10 wt .-% of carbon black, synth. or nat. Graphite or Sn, preferably used as a powder in amounts of 60-80 wt .-% (based on the cathode mass).
- b) Further electrolyte, type and amount largely correspond to those listed under A b) (above) (amounts preferably 15-40% by weight)
- c) In addition, the additives described under c) can also be used.
Für die Kathode
ist folgende Kathodenmasse insbesondere bevorzugt:
Eine weitere insbesondere bevorzugte Elektrodenmasse umfasst folgendes: Li-Eisenphosphat in einer Menge von 75 Gew.-%, Elektrolyt 20 Gew.-% (vgl. Anodenmasse), 5 Gew.-% Kynar 2801 (Copolymerisat: Vinylidenfluorid/Hexafluorpropylen 75:25).A further particularly preferred electrode composition comprises the following: Li iron phosphate in an amount of 75% by weight, electrolyte 20% by weight (See Anode mass), 5 wt .-% Kynar 2801 (copolymer: vinylidene fluoride / hexafluoropropylene 75:25).
Die Kathodenmasse wird vorzugsweise analog zur Anodenmasse bei Temperaturen von z. B. 20 bis 60°C, vorzugsweise bis 50°C zubereitet.The Cathode material is preferably analogous to the anode composition at temperatures from Z. B. 20 to 60 ° C, preferably up to 50 ° C prepared.
Als Separatoren für das erfindungsgemäße Verfahren sind Polymer-Gel-Elektrolyten mit und ohne Leitsalze, Gewebe bzw. Vliese mit poröser Struktur, z. B. Celgard, geeignet. Der Begriff „Gel" wird in H.G. Elias, Makromoleküle, Band II, Seite 735 [1992], Hüthig und Wepf Verlag, Basel, New York definiert.When Separators for the inventive method are polymer gel electrolytes with and without conductive salts, tissue or Nonwovens with porous Structure, e.g. As Celgard suitable. The term "gel" is used in H.G. Elias, Macromolecules, Vol II, page 735 [1992], Hüthig and Wepf Verlag, Basel, New York.
Geeignete Separatoren sind z. B. in Dokument (1), Teil II, Kapitel 9 und Teil III, Kapitel 8 beschrieben. Für den erfindungsgemäßen Prozess werden bevorzugt Polymer-Gel-Elektrolyten als Separatoren verwendet. Sie bestehen aus einem Polymer oder Polymergemischen, das das/die aprotische Lösungsmittel, vorzugsweise Alkylcarbonate, gegebenenfalls auch ein Leitsalz und/oder Leitsalzgemische, sowie mineralische Zusatzstoffe, wie etwa Al2O3, MgO, TiO2, Borat, enthält.suitable Separators are z. In document (1), part II, chapter 9 and part III, chapter 8. For the process according to the invention are preferred polymer gel electrolytes used as separators. They consist of a polymer or polymer mixtures, the aprotic solvent (s), preferably alkyl carbonates, optionally also a conductive salt and / or Conducting salt mixtures, as well as mineral additives, such as Al2O3, MgO, TiO2, borate.
Die Polymere können z.B. aus Polyolefinen, Polyisobuten, Butylkautschuk, Polybutadien, anionisch hergestellten Blockcopolymerisaten auf Basis von Styrol (α-Methylstyrol) mit Butadien und/oder Isopren, sowie Fluorelastomeren, vorzugsweise Terpolymeren auf Basis von TFE/PVDF/HFP, sowie Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylpyridin, oder deren Mischung ausgewählt sein.The Polymers can e.g. from polyolefins, polyisobutene, butyl rubber, polybutadiene, anionic block copolymers based on styrene (Α-methylstyrene) with butadiene and / or isoprene, as well as fluoroelastomers, preferably Terpolymers based on TFE / PVDF / HFP, as well as polyvinylpyrrolidone, Polyvinylpyridine, or their mixture may be selected.
Der Anteil (Sp) des Polymers (bzw. des Gemisches) beträgt vorzugsweise 30–70 Gew.-% (bezogen auf die Gesamtmenge des Separators). Der Anteil des Elektrolyten (SE) beträgt vorzugsweise 30–70 Gew.-%. Der Anteil der Zusätze beträgt vorzugsweise 0–20 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des Separators.The proportion (Sp) of the polymer (or the mixture) is preferably 30-70 wt .-% (based on the total amount of the separator). The proportion of the electrolyte (S E ) is preferably 30-70 wt .-%. The proportion of additives is preferably 0-20 wt .-%, each based on the total mass of the separator.
Die Herstellung des Separators kann durch Mischen der Einzelkomponenten, vorzugsweise bei Temperaturen von 25°C bis 160°C, z. B, in einem Voith-Mischer, erfolgen.The Preparation of the separator can be achieved by mixing the individual components, preferably at temperatures of 25 ° C to 160 ° C, z. B, in a Voith mixer, respectively.
Die Dicke des Separators beträgt vorzugsweise 5–100 μm, weiter bevorzugt 10–50 μm.The Thickness of the separator is preferably 5-100 μm, further preferably 10-50 μm.
Die Elektrodenmasse kann in einer definierten Dicke von vorzugsweise 5–100 mm, weiter bevorzugt 10–100 μm, insbesondere 20–60 mm auf die Ableiter aufgetragen werden.The Electrode mass can be in a defined thickness of preferably 5-100 mm, more preferably 10-100 microns, in particular 20-60 mm are applied to the arrester.
Die Anodenmasse AM wird bei Temperaturen von vorzugsweise 50–100°C, z. B. aus einer Breitschlitzdüse auf den Ableiter A aufgebracht und vorzugsweise, z. B. über eine Rakelvorrichtung, auf eine definierte Dicke von 55–60 μm gezogen. Im nächsten Schritt wird der mit AM beschichtete Ableiter A mit dem Separator zusammengeführt; entweder synchron mit dem beschichteten Ableiter K oder in separaten, nicht synchronen Arbeitsschritten. Das Auftragen der Kathodenmasse KM auf den Ableiter kann analog erfolgen.The Anode mass AM is at temperatures of preferably 50-100 ° C, z. B. from a slot die applied to the arrester A and preferably, for. B. over a Doctor blade, drawn to a defined thickness of 55-60 microns. In the next Step, the AM coated arrester A is merged with the separator; either synchronous with the coated arrester K or in separate, not synchronous work steps. The application of the cathode material KM the arrester can be analogue.
Wichtig ist, dass jeweils die mit der Elektrodenmasse beschichtete Ableiterseite mit dem Separator belegt wird.Important is that in each case coated with the electrode ground arrester side is occupied with the separator.
Die Stromkollektoren werden vorzugsweise kontinuierlich mit Anodenmasse bzw. Kathodenmasse beschichtet, z. B. mit Pastiereinrichtungen und dann in einem Laminator zuammen mit dem Separator zu einem festen Verbund, gegebenenfalls bei erhöhten Temperaturen bis zu 100°C zusammengefügt. Alternativ kann der Austrag der Massen auch mittels Extrusion erfolgen, sofern auf eine geeignete, moderate Temperatursteuerung unterhalb der Schmelztemperatur der verarbeiteten Massen geachtet wird.The Current collectors are preferably continuous with anode material or cathode material coated, z. B. with pasting and then in a laminator together with the separator to a solid Composite, optionally at elevated Temperatures up to 100 ° C together. Alternatively, the discharge of the masses can also take place by means of extrusion, provided a suitable, moderate temperature control below the melting temperature of the processed masses is respected.
In einer Verfahrensvariante kann ferner das Aufbringen der Stromkollektoren synchron erfolgen.In A variant of the method may further include the application of the current collectors done synchronously.
Der Verbund gemäß aus Anode (A), Anodenmasse (AM), Separator (S), Kathodenmasse (KM), Kathode (K) und Ableiter (Stromkollektor) kann nach dem Laminieren zu rechteckigen oder Rundzellen, mit anschließendem Verkapseln und Kontaktieren (d.h. Zusammenfassen der Anode bzw. Kathode zu Plus- bzw. Minus- Pol der Batterien) kontinuierlich weiterverarbeitet werden.Of the Composite according to anode (A), anode mass (AM), separator (S), cathode mass (KM), cathode (K) and arrester (current collector) may become rectangular after lamination or round cells, followed by Encapsulating and contacting (i.e., summarizing the anode or Cathode to positive or negative pole of the batteries) continuously processed become.
Der Gesamtprozess kann kontinuierlich erfolgen, wobei die mit Anodenmasse bzw. Kathodenmasse beaufschlagten Ableiter vorzugsweise synchron mit dem Separator zusammengeführt werden. Die Bandgeschwindigkeit kann auch mit höheren Geschwindigkeiten gearbeitet werden.Of the Overall process can be continuous, with the anode mass or cathode material acted upon arrester preferably synchronously merged with the separator become. The tape speed can also work at higher speeds become.
Die Verarbeitung erfolgt vorzugsweise bei Raumtemperatur.The Processing preferably takes place at room temperature.
Ein wesentlicher Vorteil des Verbundsystems besteht darin, dass dieses als Folie vorliegt, die auf vielfältige Weise geformt werden kann. Daher können Batterieformen geschaffen werden, die nicht den klassischen Batterie-Zell-Formen entsprechen, sondern an den Verwendungszweck angepasst und/oder in das Arbeitsgerät integriert sind.One An essential advantage of the composite system is that this is present as a film, which are shaped in many ways can. Therefore, you can Battery shapes are created that do not correspond to the classic battery cell shapes, but adapted to the purpose and / or integrated into the implement are.
Die Gesamtvorteile dieses erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen in seiner Wirtschaftlichkeit:
- – Herstellen der Elektrodenmassen bei Raumtemperatur
- – Glatte Strukturen ohne Oberflächenrauhigkeiten
- – Wegfall von Trocknungszeiten und konventionellen Beschichtungseinrichtungen
- – Keine Unkosten durch Lösungsmittel
- – Kein recyceln erforderlich
- – Kontinuierliche Herstellung betriebsbereiter Batterien
- – Kostengünstige einfache Fertigung
- - Preparation of the electrode masses at room temperature
- - Smooth structures without surface roughness
- - Elimination of drying times and conventional coating equipment
- - No expenses due to solvents
- - No recycle required
- - Continuous production of ready-to-use batteries
- - Cost-effective simple production
In den nachfolgenden Beispielen werden weitere Details des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. (Teile sind Gewichtsteile)In The following examples give further details of the process according to the invention explained. (parts are parts by weight)
Auftragen und Zubereitung der Anodenmasse:Application and preparation the anode mass:
Die Anodenmasse wird in einem Mischer (z.B. Voith) bei Raumtemperatur unter Argon (reinst) als Schutzgas zubereitet. Zum Einsatz gelangen Li-Titanat 65 %, Elektrolyt, bestehend aus einer 1 molaren LiPF6-Lösung in Ethylen-, Propylencarbonat 1:2:1 25 %, sowie Dyneon THV 220 5 %. Die %-Angaben sind Gewichtsprozente bezogen auf die Gesamtanodenmasse.The anode mass is prepared in a mixer (eg Voith) at room temperature under argon (purest) as inert gas. Li-titanate 65%, electrolyte consisting of a 1 molar LiPF 6 solution in ethylene, propylene carbonate 1: 2: 1 25%, and Dyneon THV 220 5% are used. The% data are percentages by weight based on the total anode mass.
Die Komponenten werden im Extruder vermischt und dann kontinuierlich auf vorbeigeführte Separatorfolie mit einer Dicke von 20 μm mittels einer Breitschlitzdüse aufgetragen.The Components are mixed in the extruder and then continuously on passed Separator foil applied with a thickness of 20 microns by means of a slot die.
Auftragen und Zubereitung der Kathodenmasse:Application and preparation the cathode mass:
Entsprechend der oben genannten Zubereitung wird LiFePO4 einer Menge von 75 Gew.-%, mit Elektrolyt 20 Gew.-% (vgl. oben) (1 molar LiPF6 Lösung in Ethylencarbonat Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat) angepastet, mit 5 Gew.-% Polybutadienöl (vgl. oben) versetzt und dann auf der Gegenseite der (mit Anodenmasse einseitig beschichteten) Separatorfolie aufgetragen, Dicke 25 μm. Das verwendete LiFePO4 ist mit 2 Gew.-% MCMB gecoatet.According to the above preparation, LiFePO 4 is compounded in an amount of 75% by weight, with electrolyte 20% by weight (see above) (1 molar LiPF 6 solution in ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate), with 5% by weight of polybutadiene oil (see above) and then applied to the opposite side of the (with anode mass coated on one side) Separatorfolie, thickness 25 microns. The LiFePO 4 used is coated with 2 wt .-% MCMB.
Aufbringen der Elektrodenmassen auf die Ableiter Anodenmasse AM auf den Ableiter A (Cu-Folie)Applying the electrode masses on the arrester anode mass AM on the arrester A (Cu foil)
Die
erfindungsgemäße Anodenmasse
besteht aus:
Sie wird bei Temperaturen von 20–50°C kompoundiert, wobei in der angegebenen Reihenfolge die Mischkomponenten in den Voith-Mischer gegeben werden und jeweils 20 min nach jeder Zugabe bei 40 U/min gemischt werden.she is compounded at temperatures of 20-50 ° C, wherein in the order given the mixing components in the Given Voith mixer are mixed and each 20 min after each addition at 40 U / min become.
Die
Anodenmasse AM wird bei Temperaturen von 85–90°C mittels eines Collin-Extruders
aus einer Breitschlitzdüse
auf den Ableiter A aufgebracht und mit einer Dicke von 55–60 μm aufgetragen.
Im nächsten Schritt
wird der mit AM beschichtete Ableiter A mit dem Separator zusammengeführt; entweder
synchron mit dem beschichteten Ableiter K (entspr.
Kathodenmasse KM auf den Ableiter K (geprimerte Al-Folie).Cathode mass KM on the Arrester K (primed Al foil).
Die
erfindungsgemäße Kathodenmasse
besteht aus:
Sie wird bei Temperaturen von 20–60°C im Extruder kompoundiert und dann mittels einer Breitschlitzdüse bei 80°C in einer definierten Dicke von 50–55 μm aufgetragen und dann ebenfalls mit der Separator-Folie kombiniert.she is at temperatures of 20-60 ° C in the extruder compounded and then by means of a slot die at 80 ° C in a defined thickness of 50-55 microns applied and then also combined with the separator film.
Herstellung Separator:Production separator:
15 Gew.-% Kynar 2801®, 15 Gew.-% Dyneon THV 120®, 5 Gew.-% Styroflex® und 10 Gew.-% MgO werden in einem Mischgerät, z. B. Voith, bei Temperaturen von 25°C bis 160°C vermischt, die Mischung wird intensiv gerührt und bis 150°C aufgeheizt und dann ausgetragen und granuliert.15 wt .-% Kynar ® 2801, 15 wt .-% Dyneon THV ® 120, 5 wt .-% Styroflex ® and 10 wt .-% MgO in a mixing device, such. B. Voith, mixed at temperatures of 25 ° C to 160 ° C, the mixture is stirred vigorously and heated to 150 ° C and then discharged and granulated.
Die oben beschriebene Mischung wird dann einem Collin-Extruder zugeführt und dann über eine Dosierpumpe (kontinuierlich) mit 55 Gew.-% einer 1 molaren LiPF6-Lösung in Ethylencarbonat/Diethylcarbonat (1:1) versetzt und bei einer Extrudertemperatur von 105°C vermischt und bei einer Austrittstemperatur von 90°C an der Breitschlitzdüse mit einer Breite von 150 mm und einer Dicke von 30 μm ausgetragen. Die erhaltene Separatorfolie wird bei den chargenweise geführten Prozessen (mit Isolierpapier als Zwischenlage) aufgewickelt bei den erfindungsgemäßen kontinuierlichen Prozessen direkt der weiteren Verarbeitung d. h. Beschichtung mit Anoden- bzw. Kathodenmassen zugeführt.The mixture described above is then fed to a Collin extruder and then added via a metering pump (continuously) with 55 wt .-% of a 1 molar LiPF 6 solution in ethylene carbonate / diethyl carbonate (1: 1) and at an extruder temperature of 105 ° C. mixed and discharged at an outlet temperature of 90 ° C at the slot die with a width of 150 mm and a thickness of 30 microns. The resulting separator film is wound in the batch processes (wound with insulating paper as an intermediate layer) in the continuous processes according to the invention directly to the further processing ie coating with anode or cathode materials supplied.
Herstellung des Separators: S ohne LeitsalzPreparation of the separator: S without conductive salt
Wird wie oben beschrieben gearbeitet, jedoch ohne Leitsalzzusatz (LiPF6), so werden lediglich die aprotischen Lösungsmittel (Ethylencarbonat/Diethylcarbonat 1:1) über die Dosierpumpe in dem Extruder in die Polymermischung + MgO eingearbeitet. Die Menge der aprotischen Lösungsmittel beträgt 55 Gew.-% (bezogen auf die Gesamt-Separatormasse). Auch in diesem Fall wird eine Separatorfolie mit einer Breite von 150 mm und einer Dicke von 25 μm erhalten.If the procedure is as described above, but without Leitsalzzusatz (LiPF 6 ), then only the aprotic solvent (ethylene carbonate / diethyl carbonate 1: 1) are incorporated via the metering pump in the extruder in the polymer mixture + MgO. The amount of aprotic solvent is 55 wt .-% (based on the total separator mass). Also in this case, a separator film having a width of 150 mm and a thickness of 25 μm is obtained.
Auch Gewebe bzw. Vliese mit poröser Struktur sind als Separatoren geeignet. (z. B. Celgard)Also Tissues or fleeces with porous Structure are suitable as separators. (eg Celgard)
Beispiel 1example 1
Herstellung einer Anodenmasse (Reinstargon als Schutzgas) 64 Teile Li-Titanat werden mit 8 Teilen Ethlyencarbonat, 8 Teilen Propylencarbonat sowie 10 Teilen Dyneon THV 220® in einem Voith-Mischer bei Raumtemperatur innig vermischt (45 Min.) und dann 6 Teile Li-oxalatoborat und 1 Teil MgO zugefügt und wiederum bei Raumtemperatur 45 Min. gemischt, dann werden 3 Teile Ruß Ensaco® zugefügt ca. 5–10 gerührt und die Masse mittels eines Collin-Extruders über eine Breitschlitzdüse bei 85°C auf eine Cu-Folie (Gould-Folie 10 μm) aufgebracht (Dicke der Beschichtung ca. 30–35 μm).Preparation of an anode material (pure argon as protective gas) 64 parts of Li-titanate are intimately mixed with 8 parts of ethylene carbonate, 8 parts of propylene carbonate and 10 parts of Dyneon THV 220® in a Voith mixer at room temperature (45 min.) And then 6 parts of Li-oxalatoborate and 1 part MgO and again mixed at room temperature for 45 min, then 3 parts of carbon black Ensaco ® added about 5-10 stirred and the mass by means of a Collin extruder through a slot die at 85 ° C on a Cu foil (Gould Film 10 microns) applied (thickness of the coating about 30-35 microns).
Beispiel 2:Example 2:
Herstellung einer Anodenmasse (entspr. Bsp. 1)Production of an anode material (corresponding to example 1)
Statt 10 Teile Dyneon THV 220® werden 10 Teile eines Copolymeren HFP/PVDF (1:1) Kynar 2801 zugefügt.Instead of 10 parts of Dyneon THV 220® , 10 parts of a copolymer HFP / PVDF (1: 1) Kynar 2801 are added.
Beispiel 3:Example 3:
Herstellung einer Anodenmasse (entspr. Bsp. 1)Production of an anode material (corresponding to example 1)
Es werden 72 Teile Li-Titanat mit 10 Teilen Ethylen-, und 7 Teilen Propylencarbonat und 3 Teilen LiOB versetzt und bei Raumtemperatur 45 min. gerührt, dann werden 15 Teile Dyneon THV X 330® (wie oben Bsp. 1) zugefügt erneut 45 min. gerührt und dann noch 3 Teile Ensaco® zugegeben, 10 Minuten gerührt und die Masse mittels eines Extruders bei 110–115°C durch eine Breitschlitzdüse auf eine Cu-Folie aufgetragen. Die Dicke der Beschichtung ist 35–40μm.There are added 72 parts of Li-titanate with 10 parts of ethylene, and 7 parts of propylene carbonate and 3 parts of LiOB and at room temperature for 45 min. stirred, then 15 parts of Dyneon THV X 330 ® (as in Example 1 above) added again 45 min. stirred and then added 3 parts of Ensaco ® , stirred for 10 minutes and the mass by means of an extruder at 110-115 ° C by a slot die on a Cu film. The thickness of the coating is 35-40μm.
Beispiel 4:Example 4:
Herstellung einer Kathodenmasse (Argon reinst-Schutzgas) 70 Teile Li-Eisenphosphat werden mit 10 Teilen Ethylen-, 5 Teilen Propylencarbonat sowie 3 Teilen LiOB versetzt und bei Raumtemperatur 60 Minuten gerührt, dann werden 10 Teile Dyneon THV 220® (entspr. Bsp. 1) zugefügt, erneut vermischt (30 Min.) und dann 5 Teile Ensaco® eindosiert und 10 min. eingemischt. Die entstandene Masse wird durch Extruderbeschichtung auf eine geprimerte Al-Folie aufgetragen. Die Dicke der Beschichtung ist 30–40 μm.Preparation of a cathode material (argon reinst-protective gas) 70 parts of Li-iron phosphate are mixed with 10 parts of ethylene, 5 parts of propylene carbonate and 3 parts of LiOB and stirred at room temperature for 60 minutes, then 10 parts of Dyneon THV 220 ® (according to Ex ) was added, again mixed (30 min.), and then 5 parts Ensaco ® metered and 10 min. mixed. The resulting mass is applied by extruder coating on a primed Al foil. The thickness of the coating is 30-40 μm.
Beispiel 5:Example 5:
Herstellung der Kathodenmasse entspr. Bsp. 4Preparation of the cathode composition according to example 4
Wie oben beschrieben, jedoch wird das im Bsp. 3 beschriebene Terpolymere Dyneon THV X 330 verwendet. Die entstandene Masse dient zur Extruder-Beschichtung einer geprimerten Al-Folie.As described above, but the terpolymer described in Example 3 is Dyneon THV X 330 used. The resulting mass is used for extruder coating a primed Al foil.
Beispiel 6:Example 6:
Herstellung einer Separatorfolie 20 Teile Fluorelastomer Kynar 2801®, 10 Teile Fluorterpolymer Dyneon THV 220®, 2 Teile Li-Metaborat, 2 Teile Styroflex® Styrol/Butadien Block-Copolymerisat, 6 Teile MgO, 5 Teile Ensaco® werden bei 120–130°C 60 Minuten in einem Voithmischer (unter Reinst-Argon) zu einer homogenen Masse verarbeitet, anschließend granuliert und in einem Collin-Extruder dosiert, der bei Temperaturen von 90–95°C betrieben wird.Preparing a separator, 20 parts fluoroelastomer Kynar 2801 ®, 10 parts Dyneon THV fluoroterpolymer 220 ®, 2 parts of lithium metaborate, 2 parts Styroflex ® styrene / butadiene block copolymer, 6 parts of MgO, 5 parts Ensaco ® are at 120-130 ° C Processed in a Voithmischer (under pure argon) for 60 minutes to a homogeneous mass, then granulated and dosed in a Collin extruder, which is operated at temperatures of 90-95 ° C.
Parallel zu der obigen Masse wird ein Elektrolyt: LP40® bestehend aus Ethylen, – Diethylcarbonat 1:1, LiOB gelöst 1 M (45 Teile) in den Extruder eindosiert. Nach einer Verweilzeit von 6–9 Min. wird durch eine Extruderdüse mit einer Austrittstemperatur von 75–80°C eine 150 mm breite und 10 μm dicke Separatorfolie ausgetragen, die mit Releasepapier versehen zur diskontinuierlichen Verwendbarkeit gestapelt wird, oder direkt kontinuierlich dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeführt wird.Parallel to the above composition is an Electrolyte: LP40 ® consisting of ethylene, - diethyl 1: 1, LiOB dissolved 1 M (45 parts) metered into the extruder. After a residence time of 6-9 min., A 150 mm wide and 10 microns thick Separatorfolie is discharged through an extruder die with an outlet temperature of 75-80 ° C, which is stacked with release paper for discontinuous use, or fed directly to the process according to the invention becomes.
Beispiel 7:Example 7:
Herstellen eines Verbundsystems aus Anodenmasse mit Ableiter und Separatorfolie. Die Anodenmasse entsprechend Bsp. 1, wird mittels einer Düse in einer Dicke von 20 μm auf die Cu-folie (150 mm Breite) aufgetragen und in einem synchronen Arbeitsschritt mit einer Separatorfolie abgedeckt.Produce a composite system of anode mass with arrester and separator foil. The anode mass according to Ex. 1, By means of a nozzle in a Thickness of 20 microns applied to the Cu foil (150 mm width) and in a synchronous Working step covered with a separator film.
Beispiel 8:Example 8:
Beschichtung mit Kathodenmasse + Ableiter auf den Verbund entspr. Bsp. 7Coating with cathode material + Arrester on the composite according to example 7
Auf das Verbundsystem, bestehend aus Cu-Folie – Anodenmasse und Separatorfolie – wird auf die unbeschichtete Seite der Separatorfolie die Kathodenmasse entspr. Bsp. 4 aufgetragen und zwar in einer Dicke von 25 μm und einer Breite ebenfalls von 150 mm, die Kathodenmasse wird mit einem Ableiter 15, 7 mm breit Al-Folie geprimert mit einer Schicht Dyneon THV 220®/Rußgemisch 2:1, Dicke 0,1–1 μm. Dieses Verbundsystem wird bei einer Temperatur von 90°C laminiert, mit einem Anpressdruck von 3 Mpa.On the composite system consisting of Cu foil - anode mass and Separatorfolie - is applied to the uncoated side of the separator, the cathode composition according to Ex. Ex 4 and in a thickness of 25 microns and a width also of 150 mm, the cathode material is mixed with a arrester 15, 7 mm wide aluminum foil primed with a layer Dyneon THV ® 220 / Rußgemisch 2: 1, thickness of 0.1-1 microns. This composite system is laminated at a temperature of 90 ° C, with a contact pressure of 3 Mpa.
Anschließend wird dieser Verbund, bestehend aus Anode mit Ableiter und Kathode mit Ableiter sowie dem Separator als Schicht zwischen den Elektroden, eingehaust und Anoden bzw. Kathodenableiter zum Plus- bzw. Minuspol der Batterie gepolt.Subsequently, will this composite consisting of anode with arrester and cathode with Arrester and the separator as a layer between the electrodes, housed and anode or cathode arrester to the plus or minus pole the battery is polarized.
Beispiel 9:Example 9:
Das nach Beispiel 8 hergestellte Verbundsystem wird zu einem Wickel aufgerollt an den Wickelstirnflächen (überstehend 0,6 bzw. 0,7 mm) elektrisch kontaktiert und eingehaust.The Composite system produced according to Example 8 becomes a coil rolled up at the winding end faces (Protruding 0.6 or 0.7 mm) electrically contacted and housed.
Der Wickeldurchmesser beträgt 7,5 cm, der galvanostatische Ladung erfolgt stufenweise mit einem Digatron-Ladegerät 1. bis 3,0 Volt, dann bis 3, 6 Volt und dann bis 4,1 Volt jeweils mit Strömen von 0,15 mA/cm2.The winding diameter is 7.5 cm, the galvanostatic charge is carried out stepwise with a Digatron charger 1 to 3.0 volts, then to 3, 6 volts and then to 4.1 volts each with currents of 0.15 mA / cm 2 ,
Die Entladung erfolgt ebenfalls mit Strömen von 0,15 mA/cm2. Die Wickelzelle hat eine Entladekapazität von 40 Ah bei einer Aktivfläche von 1,45 m2.The discharge also takes place with currents of 0.15 mA / cm 2 . The winding cell has a discharge capacity of 40 Ah with an active area of 1.45 m 2 .
Die Zyklenstabilität liegt bei > 300, das „Fading" (Verlust) liegt bei nicht mehr als 1,5 %.The cycle stability is> 300, which is "fading" at not more than 1.5%.
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