DE102011011154A1 - Verfahren zur Herstellung von Elektroden - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere einer negativen Elektrode, einer elektrochemischen Zelle, aufweisend ein metallisches Substrat, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, dass das metallische Substrat durch UV-Bestrahlung behandelt wird und das metallische Substrat unter Verwendung einer organischen Säure behandelt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden, insbesondere von negativen Elektroden, für elektrochemische Zellen. Die elektrochemischen Zellen können vorzugsweise für den Antrieb eines Fahrzeugs mit Elektromotor, vorzugsweise mit Hybridantrieb und/oder im „plug in”-Betrieb, eingesetzt werden.
  • Elektrochemische Zellen, insbesondere Lithium-Sekundärbatterien, finden wegen ihrer hohen Energiedichte und hohen Kapazität als Energiespeicher in mobilen Informationseinrichtungen, wie z. B. Mobiltelefonen, in Werkzeugen oder in elektrisch betriebenen Automobilen sowie in Automobilen mit Hybrid-Antrieb Anwendung. In diesen unterschiedlichen Einsatzgebieten von elektrochemischen Zellen, insbesondere aber die zum Antrieb von Automobilen verwendeten Zellen, müssen diese elektrochemischen Zellen hohe Anforderungen erfüllen: möglichst hohe elektrische Kapazität und Energiedichte, welche über eine hohe Anzahl an Lade- und Entladezyklen stabil bleibt, bei möglichst geringem Gewicht.
  • Gerade die Langlebigkeit von elektrochemischen Zellen ist häufig abhängig von der Alterung der Elektroden, insbesondere von der Alterung der negativen Elektroden. Beim Alterungsprozess verlieren die elektrochemischen Zellen an Kapazität und Leistung. Dieser Prozess findet in einem mehr oder weniger großen Ausmaß in den meisten gebräuchlichen elektrochemischen Zellen statt, und ist stark abhängig von den Benutzungsumständen (Temperatur, Lagerungsbedingungen, Ladezustand, etc.), aber auch der Qualität und Verarbeitung der Materialien während des Herstellungsprozesses der elektrochemischen Zelle. So kann eine hochwertige Verarbeitung von sehr reinen Materialien zu sehr langlebigen elektrochemischen Zellen führen, die auch über einen längeren Zeitraum hinweg nur wenig altern, also wenig Kapazität und Leistung verlieren.
  • Da der Reinheit von eingesetzten Materialien oftmals physikalische oder chemische Grenzen gesetzt sind, beispielsweise aufgrund von Syntheseprozessen, ist es ein vorrangiges Ziel der Batteriehersteller, durch die Optimierung der Herstellungsverfahren der Elektroden immer hochwertigere und damit langlebigere elektrochemische Zellen zu erhalten, wie beispielsweise beschrieben in der Druckschrift EP 2 006 942 .
  • Vor allem das Anhaften des elektrochemischen Aktivmaterials auf der Oberfläche des metallischen Substrats trägt entscheidend zur Qualität der elektrochemischen Zelle bei. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass durch eine Coronabehandlung, also einer Ätzung der Oberfläche des metallischen Substrats mit Chromschwefelsäure, die Haftung des elektrochemischen Aktivmaterials auf Oberfläche des metallischen Substrats entscheidend verbessert wird. Ein großer Nachteil bei diesem Verfahren ist die Verwendung von Chromschwefelsäure, welche hochtoxisch für Mensch und Umwelt ist und auch für die Weiterverarbeitung in elektrochemischen Zellen eine nicht zu tolerierende Verunreinigung darstellt.
  • Der Erfindung liegt im Lichte des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein optimiertes Verfahren zur Herstellung von Elektroden, insbesondere von negativen Elektroden, für langlebige elektrochemische Zellen bereitzustellen.
  • Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist, wie im Folgenden ausführlich beschrieben, ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden für elektrochemische Zellen, insbesondere von negativen Elektroden, vorgesehen, welches eine Behandlung des metallischen Substrats durch UV-Bestrahlung und Verwendung einer organischen Säure aufweist.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass eine umweltschonende und zuverlässige Reinigung des metallischen Substrats erreicht wird, die insbesondere die Haftung des elektrochemischen Aktivmaterials auf der Oberfläche des metallischen Substrats verbessert und zu langlebigeren elektrochemischen Zellen führt.
  • Unter einer ”elektrochemischen Zelle” ist jede Art von Einrichtung zur elektrischen Speicherung von Energie zu verstehen. Der Begriff definiert damit insbesondere elektrochemische Zellen vom primären oder sekundären Typ, aber auch andere Formen von Energiespeichern, wie beispielsweise Kondensatoren. Vorzugsweise ist unter einer elektrochemischen Zelle im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Lithium-Ionen-Zelle zu verstehen.
  • Der Begriff ”negative Elektrode” bedeutet, dass die Elektrode beim Anschluss an einen Verbraucher, beispielsweise einen Elektromotor, Elektronen abgibt. Somit ist die negative Elektrode gemäß dieser Konvention die Anode. Entsprechend bedeutet der Begriff ”positive Elektrode”, dass die Elektrode beim Anschluss an einen Verbraucher, beispielsweise einen Elektromotor, Elektronen aufnimmt. Somit ist die positive Elektrode gemäß dieser Konvention die Kathode.
  • Eine Elektrode, also die positive Elektrode und/oder die negative Elektrode, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, weist mindestens ein metallisches Substrat auf und mindestens ein elektrochemisches Aktivmaterial.
  • Unter dem Begriff „elektrochemisches Aktivmaterial” ist ein Material zu verstehen, welches zur Einlagerung und Auslagerung von Ionen, insbesondere von Kationen, vorzugsweise von Lithiumionen, geeignet ist.
  • In einer Ausführungsform ist das elektrochemische Aktivmaterial ein Kathodenaktivmaterial.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das elektrochemische Material ein Anodenaktivmaterial. Das Anodenaktivmaterial ist vorzugsweise kohlenstoffhaltig.
  • In einer Ausführungsform weist die Elektrode, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde, zusätzlich zum metallischen Substrat und zum elektrochemischen Aktivmaterial mindestens einen weiteren Zusatzstoff auf, vorzugsweise einen Zusatzstoff zu Erhöhung der Leitfähigkeit, beispielsweise auf Kohlenstoffbasis, beispielsweise Ruß, und/oder einen redoxaktiven Zusatzstoff, welcher bei Überladung der elektrochemischen Zelle die Zerstörung des elektrochemischen Aktivmaterials reduziert, vorzugsweise minimiert, vorzugsweise verhindert.
  • Der Begriff „metallisches Substrat” betrifft vorzugsweise dasjenige Bauteil einer elektrochemischen Zelle, welches als „Elektrodenträger” und „Kollektor” bekannt ist. Das metallische Substrat ist vorliegend zum Aufbringen von Aktivmasse geeignet und ist im Wesentlichen metallischer Natur, vorzugsweise vollständig metallischer Natur.
  • Vorzugsweise ist das metallische Substrat zumindest teilweise als Folie oder als Netzstruktur oder als Gewebe ausgestaltet, vorzugsweise aufweisend Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise den Schritt auf, dass das metallische Substrat, insbesondere die Oberfläche des metallischen Substrats, in zeitlicher Beabstandung zum Aufbringen des elektrochemischen Aktivmaterials mit einer organischen Säure behandelt wird, insbesondere zumindest teilweise gereinigt wird, vorzugsweise vollständig gereinigt wird.
  • Unter dem Begriff „in zeitlicher Beabstandung” ist zu verstehen, dass zwischen dem Beginn oder dem Abschluss der Behandlung, insbesondere der zumindest teilweisen Reinigung des metallischen Substrats, insbesondere der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure, und dem Beginn des Aufbringens des elektrochemischen Aktivmaterials auf das behandelte metallische Substrat, die Zeitdifferenz dt > 0 vergeht. Die Behandlung, insbesondere die zumindest teilweise Reinigung des metallischen Substrats mit organischer Säure, erfolgt vor dem Aufbringen des elektrochemischen Aktivmaterials auf das behandelte metallische Substrat. Die zeitliche Differenz dt zwischen der Behandlung, insbesondere der zumindest teilweisen Reinigung des metallischen Substrats mit organischer Säure und dem Aufbringen des elektrochemischen Aktivmaterials auf den behandelten, insbesondere den zumindest teilweise gereinigten Kollektor beträgt vorzugsweise bis zu dt = 3 Stunden, vorzugsweise bis zu zwei Stunden, vorzugsweise bis zu einer Stunde.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die zeitliche Differenz zwischen der Behandlung, insbesondere der zumindest teilweisen Reinigung des metallischen Substrats, insbesondere der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure, und dem Aufbringen des elektrochemischen Aktivmaterials auf das behandelte, insbesondere zumindest teilweise gereinigte, metallische Substrat 30 Minuten bis 40 Minuten, vorzugsweise 35 Minuten (+/– 2 Minuten).
  • Diese zeitliche Beabstandung zwischen Behandlung, insbesondere der zumindest teilweisen Reinigung des metallischen Substrats, insbesondere der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure, und dem Aufbringen des elektrochemischen Aktivmaterials auf das behandelte, insbesondere zumindest teilweise gereinigte, metallische Substrat hat den Vorteil, dass so eine besonders effektive Reinigung möglich ist, bei der vorzugsweise bis zu 50% der Verunreinigungen, und besonders bevorzugt bis zu 100% der Verunreinigungen des metallischen Substrats, insbesondere dessen Oberfläche, entfernt werden.
  • Zwischen der Reinigung des metallischen Substrats mit organischer Säure und dem Aufbringen des elektrochemischen Aktivmaterials können noch weitere Verfahrensschritte zur weiteren Behandlung der Oberfläche des metallischen Substrats, wie beispielsweise ein Trocknungsschritt, erfolgen.
  • Unter dem Begriff „organische Säure” ist eine chemische Verbindung zu verstehen, welche eine chemische Säuregruppe O=X-OH aufweist, also ein zentrales Atom (X), an welches eine OH-Gruppe durch eine Einfachbindung zwischen dem Zentralatom X und dem Sauerstoffatom O der OH-Gruppe und ein weiteres Sauerstoffatom durch eine Doppelbindung an das Zentralatom X, aufweist. Das Zentralatom X kann ausgewählt sein aus der Gruppe der Nichtmetalle oder der Halbmetalle des Periodensystems chemischer Elemente (PSE), welche befähigt sind, Bindungen mit einem Sauerstoffatom durch Bildung einer Doppelbindung und gleichzeitig mit dem Sauerstoffatom O der OH-Gruppe durch Bildung einer Einfachbindung einzugehen. Vorzugsweise ist das Zentralatom X ausgewählt aus Gruppe Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor, Silizium, wobei Kohlenstoff besonders bevorzugt ist.
  • Weiterhin ist das Zentralatom X noch zusätzlich an ein weiteres Atom, vorzugsweise ein Kohlenstoffatom gebunden, welches Bestandteil eines organischen Substituenten ist, welcher ausgewählt ist aus Alkyl- oder Arylsubstituenten, welche neben Kohlen- und Wasserstoffatomen noch zusätzliche weitere Heteroatome, vorzugsweise Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel oder Phosphor aufweisen können. Die Verwendung des Begriffes „organische Säure” im Singular schließt nicht aus, dass es sich auch um eine Mischung aus verschiedenen organischen Säuren handeln kann.
  • Falls die organische Säure als „feste” Säure, also als Säure, welche bei Standardbedingungen (25°C, 1,031 bar) als Festkörper vorliegt, ausgebildet ist, ist es bevorzugt diese vor Anwendung in einem geeigneten Lösemittel, zu lösen. Vorzugsweise weist die organische Säure und/oder das Lösemittel einen Wassergehalt von weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 2%, und besonders bevorzugt 1% oder weniger, auf. Vorzugsweise wird die organische Säure so gewählt, dass diese bei UV-Bestrahlung oder erhöhten Temperaturen sich zersetzt. Vorzugsweise sind die bei der UV-Bestrahlung entstehenden Zersetzungsprodukte zumindest teilweise gasförmig. Bevorzugte Zersetzungsprodukte sind beispielsweise CO2 oder Wasser.
  • In einer Ausführungsform ist die organische Säure ausgewählt aus Essigsäure, Bersteinsäure, Fumarsäure, Zitronensäure, Maleinsäure, Oxalsäure, Milchsäure, Brenztraubensäure, Ameisensäure, Oxalbersteinsäure, Oxalessigsäure, Oxalsäure oder Mischungen daraus.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die organische Säure – neben gegebenenfalls weiteren Bestandteilen – Oxalsäure (auch genannt Ethandisäure.
  • Die Verwendung von organischer Säure, insbesondere von Oxalsäure, hat den Vorteil, dass die organische Säure durch beispielsweise Erhitzen oder UV-Bestrahlung abgebaut werden kann. Die so erhaltenen Abbauprodukte der organischen Säure sind im Wesentlichen CO2 und Wasser und können auf eine einfache Weise entsorgt bzw. entfernt werden. Außerdem ist auch der Umgang mit organischen Säuren im Wesentlichen einfacher und weniger gefährlich als. der Umgang mit beispielsweise Chromschwefelsäure, wie sie etwa bei der Coronaätzung verwendet wird. Dies gilt insbesondere im Zusammenhang mit den ”Reinraum”-Bedingungen, wie sie bei der Herstellung von elektrochemischen Zellen vorliegen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die organische Säure als „wasserfreie” Oxalsäure ausgestaltet, welche unter der CAS-Nr. 144-62-7 im Handel erhältlich ist. „Wasserfrei” bedeutet dabei, dass der Wassergehalt der Oxalsäure 1% oder weniger beträgt.
  • In einer weiterhin besonders bevorzugten Ausführungsform ist die organische Säure als „wasserfreie” Oxalsäure ausgestaltet, und zumindest teilweise in NMP (N-methyl-2-pyrrolidon) gelöst, welches vorzugsweise einen Wassergehalt von weniger als 100 ppm (= parts per million), vorzugsweise weniger als 60 ppm, vorzugsweise weniger als 30 ppm, vorzugsweise weniger als 10 ppm aufweist, und in sogenannter ”Battery Quality”, also im Wesentlichen frei von aminhaltigen Verunreinigungen, vorliegt.
  • Die Verwendung von wasserfreien organischen Säuren, insbesondere von wasserfreier Oxalsäure, hat den Vorteil, dass Verunreinigungen des metallischen Substrats, insbesondere dessen Oberfläche, und insbesondere dann, wenn das metallische Substrat als Kupferfolie ausgestaltet ist, besonders effizient und einfach zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig zu entfernen sind. Die Verunreinigungen der Oberfläche des metallischen Substrats können durch Lagerung, Transport, Verpackung oder während der Herstellung des metallischen Substrats verursacht werden. Verunreinigungen können beispielsweise die Adhäsion von elektrochemischem Aktivmaterial auf der Oberfläche von des metallischen Substrat negativ beeinflussen, wodurch die elektrochemische Zelle schneller „altert”, oder aber auch die Funktion des metallischen Substrats, nämlich die Aufnahme oder Abgabe von Elektronen aus oder an das elektrochemische Aktivmaterial beeinträchtigen, was sich beispielsweise in Form von erhöhten Innenwiderständen und einem damit einhergehenden Kapazitäts- oder Leistungsverlust der elektrochemischen Zelle manifestieren kann.
  • In einer Ausführungsform ist oder enthält das metallische Substrat Kupfer oder kupferhaltige Folie, insbesondere Kupferfolie. Die Oberfläche des Kupferfolie-Kollektors kann während dessen Herstellung, beispielsweise beim Walzvorgang oder dem Schneidevorgang, mit fetthaltigen und/oder öligen Substanzen, insbesondere mit Rindertalg oder Staubpartikeln, verunreinigt werden. Weiterhin wird die Oberfläche der kupferhaltigen Folie, insbesondere der Kupferfolie, bei längerem Kontakt mit der Umgebungsluft durch diese zumindest teilweise passiviert, insbesondere durch Oxidation unter Bildung einer Passivierungsschicht, in einer Ausführungsform aufweisend Kupfer(I)oxid Cu2O, was ebenfalls als Verunreinigung betrachtet werden kann. Deshalb ist die Verwendung von organischen Säuren, welche organische Substituenten aufweisen, vorteilhaft, da sich die ebenfalls organischen fetthaltigen und/oder öligen Substanzen gemäß des chemischen Prinzips ”similia similibus solvuntur” (Ähnliches löst sich in Ähnlichen) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig in der organischen Säure lösen, und dadurch von der Oberfläche des metallischen Substrats, entfernt werden können. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von organischen Säuren besteht darin, dass die Passivierungsschicht, in einer Ausführungsform aufweisend Kupfer(I)oxid Cu2O, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, entfernbar ist. Vorzugsweise geht die so behandelte, insbesondere zumindest teilweise gereinigte Oberfläche des metallischen Substrats keine weiteren Reaktionen mit der organischen Säure ein.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das metallische Substrat als kupferhaltige Folie, insbesondere als Kupferfolie, ausgestaltet, und dessen Oberfläche mit öligen und/oder fetthaltigen Substanzen, insbesondere Rindertalg, und/oder einer Passivierungsschicht, zumindest teilweise aufweisend Kupfer(I)oxid Cu2O, zumindest teilweise verunreinigt, und wird mit einer organischen Säure, vorzugsweise wasserfreier Oxalsäure, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig behandelt, insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig von diesen Verunreinigungen befreit, also gereinigt.
  • Unter dem Begriff „Reinigung” und „gereinigt” ist zu verstehen, dass vorzugsweise bis zu 50%, vorzugsweise bis zu 70%, vorzugsweise bis zu 100% Verunreinigungen von der Oberfläche des metallischen Substrats entfernt wurden, jeweils vorzugsweise aber mindestens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 80%, 85%, 90%, 95% Verunreinigungen von der Oberfläche des metallischen Substrats entfernt wurden.
  • Unter dem Begriff „Behandlung” und „behandeln” ist zu verstehen, dass vorzugsweise bis zu 50%, vorzugsweise bis zu 70%, vorzugsweise bis zu 100% der Metalloberfläche mit organischer Säure in Kontakt gekommen sind, insbesondere benetzt worden sind, jeweils vorzugsweise aber mindestens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 80%, 85%, 90%, 95% der Oberfläche des metallischen Substrates mit organischer Säure in Kontakt gekommen sind, insbesondere benetzt worden sind.
  • Die Benetzung der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure erfolgt in einer Ausführungsform durch Besprühen der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure.
  • In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Benetzung der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure durch Begießen der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure.
  • In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Benetzung der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure durch ein Tauchbad des metallischen Substrats in organischer Säure.
  • In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Benetzung der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure mittels einer Vorrichtung, beispielsweise einer Walze, deren Oberfläche mit organischer Säure benetzt ist, wodurch die organische Säure bei Kontakt der Oberfläche des metallischen Substrats mit der Vorrichtungsoberfläche von dieser auf die Oberfläche des metallischen Substrats zumindest teilweise übertragen wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Behandlung der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure durch ein Bedampfen des metallischen Substrats mit einem Dampf, der die organische Säure aufweist oder daraus besteht. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Behandlung einer Oberfläche, insbesondere im Wesentlichen frei von Benetzungseffekten. Die Behandlung erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen von mindestens 85°C, 100°C, 150°C. Die Behandlung kann einen Dampfstrahl vorsehen, so dass der Dampf mit einem Druck auf die zu behandelnde Oberfläche trifft, was einen mechanischen Reinigungseffekt bewirkt. Der Druck beträgt, jeweils vorzugsweise, mindestens 1 bar, 2 bar, 5 bar, 10 bar, 25 bar, 50 bar, 100 bar, 200 bar oder 500 bar. Der Druck oder der Umgebungsdruck auf das metallische Substrats kann aber auch unter 1 bar betragen. Der Querschnitt des Dampfstrahls kann eine Fläche AD aufweisen, die mindestens der Fläche AO der zu behandelnden Oberfläche entspricht. Es ist aber auch möglich und bevorzugt, dass dieser Querschnitt AD dem Bruchteil f der Fläche AO entspricht (AD = f·AO), vorzugsweise ist f mindestens oder höchstens f = 0,5; 0,25; 0,1; 0,05. Der Querschnitt des Dampfstrahls weist, jeweils vorzugsweise und im Wesentlichen, einen quaderförmigen, streifenförmigen oder strichförmigen Umriss auf.
  • Die Behandlung des metallischen Substrats, insbesondere dessen Reinigung, erfolgt vorzugsweise auch unter Verwendung eines Plasmas, insbesondere eines Plasmastroms, insbesondere bei einem Umgebungsdruck zwischen 0,05 bar und 1 bar um das metallische Substrat. Plasma ist ein Gas, das teilweise oder vollständig aus freien Ladungsträgern, wie Ionen oder Elektronen, besteht und z. B. durch elektrische Behandlung eines Gases in einem elektrischen Wechselfeld entsteht, z. B. in kommerziell erhältlichen Plasmaanlagen. Das Plasma kann unter Verwendung von Sauerstoff oder einer organischen Säure erzeugt werden. Die Temperatur kann dabei beliebig gewählt werden, insbesondere im Wesentlichen Raumtemperatur betragen. Es ergibt sich eine flexiblere bzw. schonende Reinigung.
  • Es ist dann auch möglich und bevorzugt, dass die organische Säure, insbesondere der die organische Säure aufweisende Dampfstrahl, und die zu behandelnde Oberfläche relativ zueinander bewegt werden, vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit, zum Erreichen eines besonders gleichmäßigen Ergebnisses, vorzugsweise, indem z. B. die zu behandelnde Oberfläche gegenüber der organischen Säure (oder der Dampfstrahl) bewegt wird oder die organische Säure (oder der Dampfstrahl) gegenüber der zu behandelnden Oberfläche bewegt wird.
  • In einer Ausführungsform schließt sich an die Benetzung der Oberfläche des metallischen Substrats ein weiterer Verfahrensschritt an, bei welchem mittels mechanischer Vorgänge, wie beispielsweise Schütteln, die organische Säure gleichmäßig über die Oberfläche des metallischen Substrat verteilt wird.
  • In einer Ausführungsform findet die gleichmäßige Verteilung der organischen Säure auf der Oberfläche des metallischen Substrats gleichzeitig mit dem Benetzen der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure statt.
  • In einer Ausführungsform weist das Verfahren eine mechanische Reinigung der Oberfläche des metallischen Substrats auf, was beispielsweise durch Reibung mittels Bürsten oder textilen Vorrichtungen geschehen kann. Der Schritt der mechanischen Reinigung kann vor dem Benetzen der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure, während, also gleichzeitig mit dem Benetzen der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure, oder daran anschließend stattfinden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verfahrensschritte Benetzen der Oberfläche des metallischen Substrats mit organischer Säure, gleichmäßige Verteilung der organischen Säure auf der Oberfläche des metallischen Substrats und mechanische Reinigung der Metalloberfläche in einem Verfahrensschritt zusammengefasst, was beispielsweise durch einen Dampfstrahl, der die organische Säure aufweist, oder die Verwendung von beweglichen Bürsten geschehen kann, welche aus einem Vorratsbehältnis gefüllt mit organischer Säure, mit dieser fortwährend benetzt werden, und diese durch Kontakt mit der Oberfläche des metallischen Substrats an diese abgeben. Die beweglichen Bürsten führen dabei beispielsweise kreisförmige Bewegungen auf der Oberfläche des metallischen Substrats aus, wodurch die organische Säure gleichmäßig auf der Oberfläche des metallischen Substrats verteilt wird. Durch optionales Ausüben von Druck durch die Bürsten auf die Oberfläche des metallischen Substrats wird diese auch gleichzeitig mechanisch gereinigt.
  • Die Verweildauer der organischen Säure auf der Oberfläche des metallischen Substrats beträgt vorzugsweise bis zu 30 Sekunden, 5 Minuten, vorzugsweise bis zu 30 Minuten, vorzugsweise bis zu 60 Minuten, vorzugsweise bis zu zwei Stunden. Die Verweildauer kann aber auch länger oder kürzer sein.
  • Weiterhin weist das erfindungsgemäße Verfahren eine Behandlung des metallischen Substrats mit UV-Licht auf.
  • In einer Ausführungsform erfolgt die UV-Bestrahlung des metallischen Substrats vor der Behandlung mit organischer Säure.
  • In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die UV-Bestrahlung des metallischen Substrats nach der Behandlung mit organischer Säure.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die UV-Bestrahlung des metallischen Substrats vor und nach der Behandlung mit organischer Säure.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich zum metallischen Substrat auch das elektrochemische Aktivmaterial mit UV-Licht bestahlt.
  • Die Bestrahlung des elektrochemischen Aktivmaterials mit UV-Licht kann unmittelbar vor dem Auftragen desselben auf das metallische Substrat erfolgen, oder aber auch in zeitlicher Beabstandung.
  • Die UV-Behandlung des metallischen Substrats und des elektrochemischen Aktivmaterials wirkt sich vorteilhaft auf die Haftung des elektrochemischen Aktivmaterials auf der Oberfläche des metallischen Substrats aus. Durch die UV-Bestrahlung können organische Verunreinigungen der Oberfläche des metallischen Substrats durch Oxidation zumindest teilweise entfernt werden. Dabei können Zersetzungsprodukt wie beispielsweise CO2 und Wasser entstehen. Somit wird durch die UV-Bestrahlung die Oberfläche des metallischen Substrats zumindest teilweise gereinigt und die Adhäsionskräfte der Oberfläche des metallischen Substrats zumindest teilweise erhöht.
  • Ein weiterer Vorteil der UV-Behandlung des metallischen Substrats besteht darin, dass die auf die Oberfläche des metallischen Substrats ggf. aufgebrachte organische Säure durch die UV-Bestrahlung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig durch Zersetzung der organischen Säure, entfernt werden kann. Besonders vorteilhaft wirkt es sich dabei aus, dass bei der UV-Bestrahlung leicht flüchtige Zersetzungsprodukte entstehen, wie etwa Gase, beispielsweise CO2. Weiterhin möglich ist die Entstehung von Wasser als Zersetzungsprodukt bei der UV-Bestrahlung. Diese Zersetzungsprodukte können im weiteren Verfahren leicht entfernt werden bzw. sind in elektrochemischen Zellen nicht schädlich.
  • Als UV-Strahlungsquelle eignen sich beispielsweise Quecksilberdampflampen, z. B. Niederdruckquecksilberlampen, oder UV-Leuchtdioden. UV-Licht ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von 1 nm bis 380 nm.
  • Vorzugsweise weist das Verfahren den Schritt auf, dass das metallische Substrat getrocknet wird, also dass die auf der Oberfläche des metallischen Substrats angelagerte Flüssigkeit, insbesondere das Wasser, reduziert oder entfernt wird. Der Trocknungsschritt kann vor und/oder nach der Behandlung mit UV-Licht erfolgen. Der Trocknungsschritt kann ferner vor und/oder vor und/oder nach der Behandlung mit organischer Säure erfolgen.
  • Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt auf, dass die mit UV-Bestrahlung und/oder organischer Säure behandelte Oberfläche des metallischen Substrats mit elektrochemischem Aktivmaterial, welches vorzugsweise ebenfalls mit UV-Bestrahlung behandelt wurde, beschichtet wird. Vorteilhaft ist ebenfalls, wenn sich an die Beschichtung eine weitere Behandlung mit UV-Bestrahlung anschließt.
  • In einer Ausführungsform weist eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle mindestens eine Elektrode auf, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde, wobei die Elektrode, vorzugsweise die negative Elektrode, ein metallisches Substrat aufweist, welches vorzugsweise kupferhaltig und als Folie ausgestaltet ist, und dessen Gesamtoberfläche vorzugsweise bis zu 30%, vorzugsweise bis zu 50%, vorzugsweise bis zu 70%, vorzugsweise bis zu 100% mit elektrochemischen Aktivmaterial beschichtet, vorzugsweise stoffschlüssig beschichtet ist, wobei das elektrochemische Aktivmaterial kohlenstoffhaltig ist, vorzugsweise ausgewählt aus kristallinem Graphit oder amorphem Graphit oder ”hard carbon” oder Mischungen daraus.
  • In einer weiteren Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle ist zusätzlich noch ein Bindemittel enthalten, welches befähigt ist, die Adhäsion zwischen elektrochemischen Aktivmaterial und metallischen Substrat zu verbessern. Vorzugsweise weist solch ein Bindemittel ein Polymer, vorzugsweise ein fluoriertes Polymer, vorzugsweise Polyvinylidenfluorid auf, welches unter den Handelsnamen Kynar®, Solef®, Kureha® oder Dyneon® vertrieben wird.
  • In 1 ist ein schematisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt.
  • Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Elektrode weist folgende Schritte auf:
    Bereitstellen eines metallischen Substrats (11), vorzugsweise eines Kupfermetallkollektors oder eines kupferhaltigen Metallkollektors. Anschließende Behandlung des metallischen Substrats, insbesondere der Oberfläche des metallischen Substrats durch UV-Bestrahlung (12). Bereitstellen einer organischen Säure, insbesondere von Oxalsäure (21), welche anschließend in NMP zumindest teilweise gelöst wird (22). Die Verfahrensschritte (11) und/oder 12 können parallel zu den Verfahrensschritten (21) und/oder (22) ausgeführt werden. Die Verfahrensschritte (11) und/oder (12) können aber auch zeitlich unabhängig bzw. versetzt von den Verfahrensschritten (21) und/oder (22) ausgeführt werden. So ist es beispielsweise auch möglich, dass Verfahrensschritte (11) und (21) bereits erfolgt sind, dann wird Verfahrensschritt (22) ausgeführt, und erst danach Verfahrensschritt (12).
  • Aufbringen der in NMP gelösten organischen Säure, vorzugsweise der in NMP gelösten, wasserfreien Oxalsäure auf die UV-behandelte Oberfläche des metallischen Substrats (30).
  • Zumindest teilweise Entfernung der aus Verfahrensschritt (30) aufgebrachten organischen Säure, welche in NMP gelöst vorliegt, von der Oberfläche des metallischen Substrats (40). Es ist vorteilhaft, wenn Verfahrensschritt (30) in zeitlicher Beabstandung zu Verfahrensschritt (40) erfolgt. Dadurch kann eine noch effektivere Reinigung erzielt werden.
  • Behandlung der mit organischer Säure gereinigten Oberfläche des metallischen Substrats aus Verfahrensschritt (40) mit UV-Bestrahlung.
  • Bereitstellen von elektrochemischem Aktivmaterial, insbesondere elektrochemischem Aktivmaterial für Anoden (71), und Behandlung des elektrochemischen Aktivmaterials mit UV-Bestrahlung. Verfahrenschritte (71) und (72) können zu jedem beliebigen Zeitpunkt durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn Verfahrensschritt (72) in zeitlicher Nähe zu Verfahrensschritt (60) ausgeführt wird, welcher die Beschichtung des aus den vorhergehenden Verfahrensschritten (12), (30), (40) und (50) behandelten metallischen Substrats, insbesondere dessen behandelter Oberfläche, umfasst.
  • Behandlung des in Verfahrensschritt (60) mit elektrochemischem Aktivmaterial beschichteten metallischen Substrats mit UV-Bestrahlung (80). Verfahrensschritt (80) ist ein optionaler Verfahrensschritt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2006942 [0004]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere einer negativen Elektrode, einer elektrochemischen Zelle, aufweisend ein metallisches Substrat dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist, dass das metallische Substrat durch UV-Bestrahlung behandelt wird; und dass das metallische Substrat unter Verwendung einer organischen Säure behandelt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Substrat Kupfer aufweist, sowie vorzugsweise als kupferhaltige Folie oder als Kupferfolie ausgestaltet ist.
  3. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die UV-Bestrahlung des metallischen Substrats vor oder nach, oder vor und nach, der Behandlung des metallischen Substrat mit organischer Säure ausgeführt wird.
  4. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Säure als wasserfreie Oxalsäure ausgestaltet ist.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserfreie Oxalsäure in NMP gelöst vorliegt.
  6. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des metallischen Substrats mit organischer Säure 30 bis 40 Minuten vor Beschichten des metallischen Substrats mit elektrochemischen Aktivmaterial erfolgt.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Aktivmaterial mit UV-Bestrahlung behandelt wird.
  8. Verfahren zur Reinigung eines metallischen Substrats einer Elektrode, insbesondere einer negativen Elektrode, einer elektrochemischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist, dass das metallische Substrat durch UV-Bestrahlung behandelt wird und dass das metallische Substrat unter Verwendung einer organischen Säure behandelt wird.
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