DE102008002390A1 - Elektrode für ein galvanisches Element - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für ein galvanisches Element aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei die Elektrode in einem Elektrolyten des galvanischen Elements positionierbar ist. Auf das elektrisch leitfähige Material der Elektrode ist zumindest teilweise eine Beschichtung aufgebracht.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Elektrode für ein galvanisches Element gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Galvanische Elemente werden zum Beispiel als Akkumulatoren zur Stromversorgung von Verbrauchern eingesetzt. Ein galvanisches Element umfasst üblicherweise zwei Elektroden, die in einen flüssigen Elektrolyten eingetaucht sind. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Elektroden mit einem festen Elektrolyten verbunden sind. Als Elektrolyt eignet sich dabei jedes Material, in dem Ionen transportiert werden können. In einem galvanischen Element erfolgt der Ionentransport üblicherweise von einer Elektrode zur anderen Elektrode durch den Elektrolyten. Bei Einsatz eines flüssigen Elektrolyten gehen hierbei üblicherweise Metallionen der als Anode geschalteten Elektrode in Lösung und werden von der als Kathode geschalteten Elektrode aufgenommen. Derzeit üblicherweise eingesetzte galvanische Elemente sind zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen oder Nickel-Metallhydrid-Zellen.
  • In Lithium-Ionen-Zellen wird die Stabilität herkömmlicher Elektrolyte aufgrund deren sehr weitem Spannungsfenster bzw. Potenzialbereich überstiegen. Nur durch die Bildung einer passivierenden Schutzschicht auf der Anode können diese Akkumulatoren betrieben werden. Üblicherweise eingesetzte Materialien für die Anode sind Graphite und amorphe Kohlenstoffe.
  • Durch partielle Zersetzung des Elektrolyten bildet sich im Laufe der Alterung in einer Lithium-Ionen-Zelle auch an der Kathode eine Deckschicht aus, die die Leistung der Zelle zunehmend limitiert.
  • Durch den Ein- bzw. Ausbau von Lithium-Ionen beim Laden und Entladen der Lithium-Ionen-Zelle verändern die aktiven Komponenten ihr Volumen. Hierbei kann die passivierende Schutzschicht aufbrechen, was zu einem beschleunigten Fortschreiten der Alterung führt.
  • Anders als bei lithiierten Kohlenstoffen wird bei Lithium-Titanaten keine passivierende Schutzschicht ausgebildet, da diese ein kleineres Spannungsfenster aufweisen und der Elektrolyt so stabil genug ist.
  • Bei derzeitigen galvanischen Elementen, insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen, wird im Laufe des Betriebs die passivierende Schutzschicht durch vielfältige Alterungsmechanismen verändert und vergrößert, was zur Verringerung der Leistungsfähigkeit und der Energiedichte des Akkumulators führt. Insbesondere bei Verwendung von Kohlenstoffen für die Elektroden ist zudem aufgrund deren Brennbarkeit im Störfall des galvanischen Elementes ein Sicherheitsrisiko gegeben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Elektrode für ein galvanisches Element aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei die Elektrode durch einen Elektrolyten des galvanischen Elements positionierbar ist, ist auf das elektrisch leitfähige Material der Elektrode zumindest teilweise eine Beschichtung aufgebracht. Neben einer teilweise aufgebrachten Beschichtung ist jedoch eine vollständig aufgebrachte Beschichtung bevorzugt.
  • Durch die auf das elektrisch leitfähige Material der Elektrode zumindest teilweise aufgebrachte Beschichtung wird vermieden, dass sich eine passivierende Schutzschicht ohne definierte Alterungscharakteristik während des Betriebs des galvanischen Elementes ausbilden kann.
  • Die Elektrode, auf die die Beschichtung aufgetragen wird, kann sowohl die Anode als auch die Kathode eines galvanischen Elementes sein. Auch ist es möglich, die Beschichtung auf Anode und Kathode aufzubringen. Als Material für die Anode und für die Kathode wird dabei jedes beliebige, dem Fachmann bekannte und jeweils für die Verwendung als Anode oder Kathode geeignete Material eingesetzt.
  • Durch den Einsatz der erfindungsgemäß ausgebildeten Elektrode, bei der das elektrisch leitfähige Material zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, können Alterungsmechanismen, wie sie bei galvanischen Zellen mit herkömmlichen Elektroden auftreten, unterdrückt werden, und die Lebensdauer des galvanischen Elementes kann signifikant gesteigert werden. Alterungsmechanismen, die durch die erfindungsgemäß ausgebildete, beschich tete Elektrode unterdrückt werden können, sind zum Beispiel die Zersetzung des Elektrolyten beziehungsweise von Elektrolytkomponenten bei hohen oder tiefen Potentialen, insbesondere beim Lade- und Entladeende, durch Erreichen der Zersetzungsspannung. Durch die Zersetzung des Elektrolyten können sich Deckschichten bilden oder bereits vorhandene Deckschichten vergrößern. Dies erhöht den Innenwiderstand der Zelle oder kann die Kapazität irreversibel verringern, wenn dem Elektrolyten durch Zerfallsreaktionen aktives Lithium entzogen wird. Auch kann durch die erfindungsgemäß aufgetragene Beschichtung ein Aufbrechen von herkömmlichen Deckschichten und die daraus folgende Elektrolytzersetzung verhindert werden. Ein weiterer Alterungsmechanismus, der durch die erfindungsgemäße Beschichtung verhindert werden kann, ist das Auflösen aktiver Komponenten aus den Elektroden, zum Beispiel Nickel- oder Manganionen aus der positiven Elektrode.
  • Ein weiterer Vorteil des Aufbringens einer Beschichtung auf das elektrisch leitfähige Material der Elektrode ist, dass auf den derzeit durchgeführten aufwändigen und teuren Formierungsprozess der galvanischen Zellen nach der Produktion verzichtet werden kann. Dieser Formierungsprozess ist derzeit erforderlich, um eine möglichst optimale passivierende Schutzschicht, die sich im Betrieb des galvanischen Elementes ausbildet, zu erhalten. Durch die Beschichtung der Elektrode ist jedoch die derzeitige passivierende Schutzschicht, die sich im Betrieb des galvanischen Elements auf der Elektrode ausbildet, nicht erforderlich.
  • Alterungsmechanismen, die an der Anode durch Wachstum einer weiteren Deckschicht lokalisiert sind, können hier ebenso durch eine gezielte Beschichtung der aktiven Komponenten, d. h. des elektrisch leitfähigen Materials der Anode, eingedämmt werden.
  • Um zu vermeiden, dass das Material der Beschichtung mit dem Elektrolyten oder dem elektrisch leitfähigen Material der Elektrode reagiert und in Wechselwirkung tritt, ist es bevorzugt, als Material für die Beschichtung ein Material auszuwählen, das eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als das Material der Elektrode, bevorzugt ein elektrisch isolierendes Material. Eine Beeinträchtigung der Funktion des galvanischen Elementes wird in diesem Fall dadurch vermieden, dass das Material für die Beschichtung für die zu transportierenden Ionen während des Betriebs des galvanischen Elementes durchlässig ist. So ist es zum Beispiel notwendig, dass das Material für die Beschichtung bei Verwendung der Elektrode in einer Lithium-Ionen-Zelle für Lithium-Ionen durchlässig ist. Entsprechend ist die Durchlässigkeit für Metallhydrid-Ionen in eine Nickel-Metallhydrid-Zelle erforderlich. Die Durchlässigkeit wird zum Beispiel dadurch erzielt, dass die Beschichtung Poren aufweist, durch die die Ionen diffundieren können. Alternativ ist es auch möglich, einen Festelektrolyten, zum Beispiel für H+-Ionen oder Li+-Ionen zu verwenden. Da der Festelektrolyt üblicherweise sehr dünn aufgetragen wird, ist der langsame Ionentransport für die meisten Anwendungen nicht merklich oder nicht limitierend.
  • Beim Laden und Entladen des als Akkumulator dienenden galvanischen Elementes verändern die Elektroden durch Einbau bzw. Ausbau der zu transportierenden Ionen, beispielsweise bei Lithium-Ionen-Zellen dem Ein- bzw. Ausbau von Lithium-Ionen, ihr Volumen. Um zu vermeiden, dass die Beschichtung durch die Volumenänderung aufbricht, ist es bevorzugt, die Beschichtung aus einem flexiblen Material zu fertigen. Bei der Fertigung der Beschichtung aus einem flexiblen Material passt sich diese dem verändernden Volumen an, und die Bildung von Rissen und die Schädigung der Beschichtung wird hierdurch vermieden.
  • Insbesondere bei Einsatz von Kohlenstoff als elektrisch leitfähigem Material für die Elektrode ist es bevorzugt, dass die Beschichtung aus einem Material gefertigt ist, das brandhemmende Eigenschaften aufweist. Die brandhemmenden Eigenschaften können zum Beispiel dadurch erzielt werden, dass dem Material für die Beschichtung brandhemmende Additive zugegeben werden. Als brandhemmende Additive eignen sich zum Beispiel Hexamethoxycyclophosphazen (HMPN) und weitere Phosphazene, insbesondere zyklische Phosphorimide. Weiterhin sind auch fluorierte Ester, zum Beispiel Methyl-perfluorbutylester (MFE), und Organophosphate wie Alkylphosphate geeignet. Alternativ ist es auch möglich, dass die gesamte Beschichtung aus einem brandhemmenden Material besteht. Neben den genannten brandhemmenden Substanzen, die dem Beschichtungsmaterial als Additive zugegeben werden oder aus denen das Beschichtungsmaterial besteht, eignen sich auch beliebige andere, dem Fachmann bekannte brandhemmende Substanzen.
  • Das Material für die Beschichtung ist vorzugsweise ausgewählt aus Lithium-Übergangsmetall-Oxiden, Lithium-Übergangsmetall-Sulfiden oder Lithium-Übergangsmetall-Phosphaten, Polyolefinen oder Elastomeren. Als Übergangsmetalle der Lithium-Übergangsmetall-Oxide, Lithium-Übergangsmetall-Sulfide und Lithium-Übergangsmetall-Phosphate eignen sich zum Beispiel Titan, Vanadium, Chrom, Zink, Zirkon, Molybdän, Mangan, Eisen, Nickel, Cobalt und Wolfram. Besonders bevorzugt als Übergangsmetalle sind Mangan, Eisen, Nickel und Cobalt.
  • Üblicherweise eingesetzte Polyolefine sind zum Beispiel Polyethylen oder Polypropylen. Als Elastomere können beliebige, dem Fachmann bekannte Elastomere eingesetzt werden. Üblicherweise eingesetzte Elastomere sind zum Beispiel Kautschuke wie Polyolefinkautschuke, beispielsweise Ethylen-Propylen-Kautschuke (EPM/EPDM), Polyisobutylen, Butylkautschuk, Ethylen-Vinylacetat-Kautschuk, Polydiene wie Styrol-Butadien-Kautschuk, Polybu tadien, Polyisopren, Polychloropren, Nitrilkautschuk oder Silikonkautschuk. Neben synthetischen Kautschuken eignet sich auch Naturkautschuk.
  • Besonders bevorzugt als Material für die Beschichtung ist Naturkautschuk.
  • Durch die Beschichtung auf dem elektrisch leitfähigen Material der Elektrode wird der Elektrolyt effektiv von dem elektrisch leitfähigen Material der Elektrode getrennt. Hierdurch wird der Elektrolyt kinetisch passiviert und auf diese Weise stabilisiert. Im Unterschied zu der passivierenden Schutzschicht, die sich auf den Elektroden gemäß dem Stand der Technik während des Betriebs des galvanischen Elementes ausbildet, bleibt die aufgebrachte Beschichtung üblicherweise unverändert in Struktur und Dicke, so dass die Passivierung über einen langen Betriebszeitraum des galvanischen Elementes bestehen bleibt. Die Durchlässigkeit der Ladungsträger während des Betriebes des galvanischen Elementes durch das Beschichtungsmaterial bleibt in konstantem Umfang über die gesamte Lebenszeit des galvanischen Elementes gewährleistet.
  • Durch die Beschichtung werden zudem brennbare Komponenten des galvanischen Elementes, zum Beispiel Kohlenstoff der Anode durch die Beschichtung abgeschirmt. An der Kathode kann der gegebenenfalls auftretende ”thermal runaway” bei galvanischen Elementen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, verzögert bzw. verhindert werden, da durch die erfindungsgemäße Beschichtung die thermische Stabilität wesentlich erhöht werden kann. Unter ”thermal runaway” wird verstanden, dass sich Oxide ab einer bestimmten Temperatur unter Sauerstofffreisetzung zersetzen, was zu einem thermischen Durchgehen der Batterie führt. Zudem kann das Verzögern des ”thermal runaway” weiter verstärkt werden, indem dem Material für die Beschichtung ein brandhemmendes Additiv zugesetzt wird.
  • Im Allgemeinen liegt das elektrisch leitfähige Material der Elektrode in Form von Partikeln vor. Die Partikel werden zur Ausbildung der Elektrode üblicherweise kalandriert und gesintert. Um die Elektrode zu formen, werden die Partikel dabei in einem Lösungsmittel dispergiert, wodurch ein pastöses Material entsteht. Dieses kann zu einer beliebigen Form geformt werden. Die Herstellung der Elektroden ist dem Fachmann bekannt.
  • Die Partikel, aus denen die Elektroden gefertigt werden, liegen vorzugsweise als Mikropartikel und/oder als Nanopartikel vor.
  • Wenn Mikropartikel eingesetzt werden, so weisen diese vorzugsweise einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 5 bis 80 μm auf. Dabei werden Mikropartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 5 bis 30 μm für leistungsoptimierte Zellen und Mikropar tikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 15 bis 80 μm für energieoptimierte Zellen eingesetzt. In Abhängigkeit vom eingesetzten Material können jedoch auch andere Partikeldurchmesser gewählt werden.
  • Wenn die Partikel, aus denen die Elektrode gefertigt wird, als Nanopartikel vorliegen, so weisen diese vorzugsweise einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 20 bis 100 nm auf. Die Verwendung von Nanopartikeln für das elektrisch leitfähige Material hat den Vorteil, dass besonders hohe Lade- und Entladeströme für die Zelle möglich werden. Elektroden, zu deren Fertigung Nanopartikel eingesetzt werden, weisen somit eine wesentlich verbesserte Hochstromfähigkeit auf.
  • Alternativ zum Einsatz von Mikropartikeln oder Nanopartikeln ist es selbstverständlich auch möglich, eine Mischung aus Mikropartikeln und Nanopartikeln einzusetzen.
  • Neben dem Einsatz der erfindungsgemäßen Beschichtung auf Elektroden, die aus Mikro- oder Nanopartikeln gefertigt sind, ist es alternativ auch möglich, Elektroden, die amorph vorliegen, beispielsweise Elektroden in Lithium-Schwefel-Akkumulatoren, mit der erfindungsgemäßen Beschichtung zu versehen.
  • In einer ersten Ausführungsform wird zunächst die Elektrode geformt und anschließend die Beschichtung auf die fertig geformte Elektrode aufgebracht. Das Aufbringen der Beschichtung kann dabei nach jedem beliebigen, dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen. Geeignete Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung sind zum Beispiel Siebdruck, Aufbringen einer weiteren Slurryschicht, die dann zum Beispiel kalandriert wird, Extrdieren, Aufspritzen einer Lösung oder Emulsion zum Beispiel über Düsen, CVD (Chemical Vapor Deposition) – oder PVD (Physical Vapor Deposition) – Verfahren oder das Aufbringen als Schmelze.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Beschichtung jedoch nicht auf die fertig ausgebildete Elektrode aufgebracht, sondern auf die Partikel, die zu der Elektrode geformt werden. Das Aufbringen erfolgt dabei üblicherweise vor dem Dispergieren der Partikel in dem Lösungsmittel und dem Formen der Elektrode. Die Beschichtung der Partikel erfolgt dabei über ein beliebiges, dem Fachmann bekanntes Verfahren. Geeignete Verfahren zum Beschichten der Partikel sind zum Beispiel Sol-Gel-Prozesse, Hydrothermal-Prozesse oder Polyol-Prozesse.
  • Die erfindungsgemäß auf die Elektrode oder auf die Partikel aufgetragene Beschichtung weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 10 μm auf.
  • Die erfindungsgemäß ausgebildete Elektrode findet zum Beispiel Einsatz in einem Lithium-Ionen-Akkumulator oder einem Nickel-Metallhydrid-Akkumulator. Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäß ausgebildete Elektrode in einem Lithium-Ionen-Akkumulator eingesetzt.
  • Neben der Beschichtung der Anode ist es alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Kathode mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung zu versehen.

Claims (13)

  1. Elektrode für ein galvanisches Element aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei die Elektrode in einem Elektrolyten des galvanischen Elements positionierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf das elektrisch leitfähige Material der Elektrode zumindest teilweise eine Beschichtung aufgebracht ist.
  2. Elektrode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem für ladungstransportierende Ionen durchlässigen Material gefertigt ist.
  3. Elektrode gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem flexiblen Material gefertigt ist.
  4. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem Material gefertigt ist, das brandhemmende Eigenschaften aufweist.
  5. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die Beschichtung ausgewählt ist aus Lithium-Übergangsmetall-Oxiden, Lithium-Übergangsmetall-Sulfiden oder Lithium-Übergangsmetall-Phosphaten, Polyolefinen oder Elastomeren.
  6. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material der Elektrode in Form von Partikeln vorliegt.
  7. Elektrode gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel als Mikropartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 5 bis 80 μm und/oder Nanopartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 20 bis 100 nm vorliegen.
  8. Elektrode gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf die Partikel aufgebracht ist.
  9. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf die fertig geformte Elektrode aufgebracht ist.
  10. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 10 μm aufweist.
  11. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine Anode oder eine Kathode ist.
  12. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material der Elektrode Kohlenstoff ist.
  13. Verwendung der Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Lithium-Ionen-Akkumulator oder einem Nickel-Metallhydrid-Akkumulator.
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