DE102011100607A1 - Electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Elektrochemische Zelle, aufweisend mindestens eine negative Elektrode und mindestens eine positive Elektrode, wobei mindestens eine Elektrode mindestetivmaterial aufweist, wobei zumindest teilweise zwischen dieser Schicht mit Aktivmaterial und dem Substrat Feinstrukturelemente angeordnet sind.Electrochemical cell, having at least one negative electrode and at least one positive electrode, wherein at least one electrode has at least one electrode, wherein fine structure elements are arranged at least partially between this layer with active material and the substrate.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zeile, wobei mindestens eine Elektrode mindestens ein Substrat und mindestens eine Schicht mit Aktivmaterial aufweist, wobei zumindest teilweise zwischen dieser Schicht und dem Substrat Feinstrukturelemente vorliegen bzw. angeordnet sind. Die Zelle kann vorzugsweise für den Antrieb eines Fahrzeugs mit Elektromotor, vorzugsweise mit Hybridantrieb oder im „plug in”-Betrieb, eingesetzt werden.The present invention relates to an electrochemical cell, wherein at least one electrode has at least one substrate and at least one layer with active material, wherein fine structure elements are present or arranged at least partially between this layer and the substrate. The cell can preferably be used for driving a vehicle with an electric motor, preferably with hybrid drive or in "plug-in" operation.
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. Trotz dieser sehr unterschiedlichen Einsatzgebiete von elektrochemischen Zellen müssen alle verwendeten Zellen, insbesondere aber die zum Antrieb von Automobilen, die hohe Anforderungen erfüllen: möglichst hohe elektrische Kapazität und Energiedichte, welche über eine hohe Anzahl an Lade- und Entladezyklen stabil bleibt, bei möglichst geringem Gewicht.Electrochemical cells, especially lithium secondary batteries, find because of their high energy density and high capacity as energy storage in mobile information devices such. As mobile phones, in tools or in electrically powered cars and in automobiles with hybrid drive application. Despite these very different fields of application of electrochemical cells, all the cells used, but especially those for driving automobiles, have to fulfill high requirements: the highest possible electrical capacity and energy density, which remains stable over a large number of charging and discharging cycles, with the lowest possible weight ,
Gerade die Langlebigkeit von elektrochemischen Zellen ist häufig abhängig von der Alterung der Elektroden. Beim Alterungsprozess verlieren die elektrochemischen Zellen typischerweise an Kapazität und/oder 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 vergleichsweise wenig Kapazität und Leistung verlieren.The longevity of electrochemical cells is often dependent on the aging of the electrodes. During the aging process, the electrochemical cells typically lose capacity and / or performance. This process takes place to a greater or lesser extent in most common electrochemical cells, and is highly dependent on the conditions of use (temperature, storage conditions, state of charge, etc.), but also the quality and processing of the materials during the electrochemical cell manufacturing process , Thus, a high-quality processing of very pure materials can lead to very long-lived electrochemical cells, which age only a little over a longer period of time, so lose relatively little capacity and performance.
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 eine Optimierung des Herstellungsverfahrens der Elektroden immer hochwertigere und damit langlebigere elektrochemische Zellen zu erhalten, wie beispielsweise beschrieben in der Druckschrift
Insbesondere das Anhaften des elektrochemischen Aktivmaterials auf der Oberfläche des metallischen Substrates („Kollektor”) trägt wesentlich zur Qualität und zur Alterungsbeständigkeit einer elektrochemischen Zelle bei. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass beispielsweise durch eine Coronabehandlung, also eine Ätzung der Oberfläche des metallischen Substrates mit Chromschwefelsäure, die Haftung des elektrochemischen Aktivmaterials auf der Oberfläche des metallischen Substrates verbessert, und so die Delamination des elektrochemischen Aktivmaterials vom Metallkollektor/Substrat reduziert werden kann. Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist die Verwendung von Chromschwefelsäure, welche toxisch für Mensch und Umwelt ist, und auch für die Weiterverarbeitung in elektrochemischen Zellen eine nicht zu tolerierende Verunreinigung darstellt.In particular, the adhesion of the electrochemical active material on the surface of the metallic substrate ("collector") contributes significantly to the quality and aging resistance of an electrochemical cell. It is known from the prior art that, for example by corona treatment, ie etching of the surface of the metallic substrate with chromosulfuric acid, the adhesion of the electrochemical active material on the surface of the metallic substrate is improved, thus reducing the delamination of the electrochemical active material from the metal collector / substrate can be. A disadvantage of this method is the use of chromic acid, which is toxic to humans and the environment, and also represents an intolerable impurity for further processing in electrochemical cells.
Weiterhin ist bekannt, dass das elektrochemische Aktivmaterial, sowohl der Anode als auch der Kathode, beim Ladeprozess bzw. Entladeprozess eine Volumenänderung erfahren. Der Betrag der Volumenänderung während des Lade- bzw. Entladeprozesses ist teilweise abhängig von der Zusammensetzung des elektrochemischen Aktivmaterials. So kann beispielsweise eine Anode aus Lithium-Metall oder einer Lithium-Metalllegierung eine größere Volumenänderung während Lade- bzw. Entladeprozessen erfahren, als andere elektrochemische Aktivmaterialien. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass das Einbetten von elektrochemischen Aktivmaterial in eine Kohlenstoffmatrix die Volumenänderung wirksam reduziert (
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb eine stabilisierte elektrochemische Zelle bereitzustellen, welche vergleichsweise langlebig ist.An object of the present invention is therefore to provide a stabilized electrochemical cell which is comparatively durable.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This is achieved according to the invention by the teaching of the independent claims. Preferred developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist, wie im Folgenden ausführlich beschrieben, eine elektrochemische Zelle vorgesehen, welche mindestens eine negative Elektrode und mindestens eine positive Elektrode aufweist, wobei mindestens eine Elektrode mindestens ein Substrat und mindestens eine Schicht mit Aktivmaterial aufweist, wobei zumindest teilweise zwischen dieser Schicht mit Aktivmaterial und Substrat dem Feinstrukturelemente angeordnet sind.To achieve this object, as described in detail below, an electrochemical cell is provided which has at least one negative electrode and at least one positive electrode, wherein at least one electrode has at least one substrate and at least one layer with active material, wherein the fine structure elements are arranged at least partially between this layer with active material and substrate.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Schicht mit Aktivmaterial zumindest teilweise mittels der Feinstrukturelemente mit dem mindestens einen Substrat zumindest teilweise so verbunden ist, dass die mindestens eine Schicht im Wesentlichen nicht zerstörungsfrei vom mindestens einen Substrat ablösbar ist.In one embodiment, the at least one layer of active material is at least partially connected at least partially by means of the fine structure elements to the at least one substrate so that the at least one layer is substantially non-destructively detachable from the at least one substrate.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Schicht zumindest teilweise mit den Feinstrukturelementen so verbunden ist, dass die Feinstrukturelemente im Wesentlichen nicht zerstörungsfrei von der mindestens einen Schicht ablösbar sind.In one embodiment, the at least one layer is at least partially connected to the fine structure elements in such a way that the fine structure elements can not be detached from the at least one layer substantially non-destructively.
In einer Ausführungsform erfährt die mindestens eine Schicht mit Aktivmaterial zumindest teilweise mittels der Feinstrukturelemente eine verringerte, vorzugsweise keine Volumenänderung während Lade- und/oder Entladeprozessen.In one embodiment, the at least one layer of active material at least partially undergoes a reduced, preferably no change in volume during charging and / or discharging processes by means of the fine structure elements.
In einer Ausführungsform weist die mindestens eine Schicht mit Aktivmaterial zumindest teilweise Materialien auf, welche in einer elektrochemischen Zelle eingesetzt werden, vorzugsweise ausgewählt aus polymeren Materialien, Materialien aufweisend polymere Vorstufen (beispielsweise Monomere), elektrochemisches Aktivmaterial, Separatormaterialien, Leitfähigkeitszusätze, flüssige oder gelartige Materialien, metallische Materialien oder Mischungen daraus.In one embodiment, the at least one layer of active material at least partially comprises materials used in an electrochemical cell, preferably selected from polymeric materials, materials comprising polymeric precursors (eg, monomers), electrochemical active material, separator materials, conductivity additives, liquid or gel materials, metallic materials or mixtures thereof.
In einer Ausführungsform weisen die Feinstrukturelemente mindestens ein Material auf, welches im Wesentlichen verschieden ist vom Aktivmaterial, und/oder welches im Wesentlichen verschieden ist vom für Aktivmaterialien eingesetzte Binder.In one embodiment, the fine structure elements comprise at least one material which is substantially different from the active material, and / or which is substantially different from the binder used for active materials.
In einer Ausführungsform werden die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente ausgebildet durch Verwendung einer porösen Vorlage oder einer Vorlageschicht aufweisend Negativaussparungen der Feinstrukturelemente.In one embodiment, the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements are formed by using a porous template or a template layer having negative recesses of the fine structure elements.
In einer Ausführungsform weist die negative Elektrode zumindest teilweise ein elektrochemisches Aktivmaterial auf, welches ausgewählt ist aus amorphen Graphit, kristallinen Graphit, kohlenstoffhaltigen Materialien, Lithiummetall, Lithiummetall-Legierungen, Titanate, Silikate, Silizium, Silizium-Legierungen, Zinn, Zinnlegierungen oder Mischungen daraus.In one embodiment, the negative electrode at least partially comprises an electrochemical active material selected from amorphous graphite, crystalline graphite, carbonaceous materials, lithium metal, lithium metal alloys, titanates, silicates, silicon, silicon alloys, tin, tin alloys or mixtures thereof.
In einer Ausführungsform weist die positive Elektrode zumindest teilweise mindestens ein elektrochemisches Aktivmaterial auf, welches ausgewählt ist aus:
- • mindestens einer Verbindung LiMPO4, wobei M wenigstens ein Übergangsmetall-Kation ist, ausgewählt aus Mangan, Eisen, Kobalt, Titan oder einer Kombination dieser Elemente; oder
- • mindestens ein Lithium-Metalloxid oder Lithium-Metallmischoxid im Spinell-Typ, wobei das Metall ausgewählt ist aus Cobalt, Mangan oder Nickel; oder
- • mindestens ein Lithium-Metalloxid oder Lithium-Metallmischoxid in einem Typ, welcher verschieden ist vom Spinell-Typ, wobei das Metall ausgewählt ist aus Cobalt, Mangan oder Nickel;
- At least one compound LiMPO 4 , wherein M is at least one transition metal cation selected from manganese, iron, cobalt, titanium or a combination of these elements; or
- At least one spinel type lithium metal oxide or lithium metal mixed oxide, wherein the metal is selected from cobalt, manganese or nickel; or
- At least one lithium metal oxide or lithium metal mixed oxide of a type different from the spinel type, wherein the metal is selected from cobalt, manganese or nickel;
In einer weiteren Ausführungsform erfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Schritte aufweisend.
- • Bereitstellen mindestens einer positiven Elektrode
- • Bereitstellen mindestens einer negativen Elektrode
- • Bereitstellen einer Zwischenschicht, welche zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet wird
- • Zusammenbau der elektrochemischen Zelle entsprechend der Abfolge positive Elektrode/Zwischenschicht/negative Elektrode,
- • Provide at least one positive electrode
- • Provide at least one negative electrode
- Providing an intermediate layer which is arranged between the positive electrode and the negative electrode
- Assembly of the electrochemical cell according to the sequence of positive electrode / intermediate layer / negative electrode,
Verwendung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle zur Energieversorgung eines Verbrauchers, insbesondere in mobilen Informationseinrichtungen, Werkzeugen, elektrisch betriebenen Automobilen oder Automobilen mit Hybrid-Antrieb. Use of the electrochemical cell according to the invention for supplying energy to a consumer, in particular in mobile information devices, tools, electrically powered automobiles or automobiles with hybrid drive.
Unter einer ”elektrochemischen Zelle” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede 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 vorliegend unter einer elektrochemischen Zelle eine Lithium-Ionen-Batterie/Zelle zu verstehen.An "electrochemical cell" in the sense of the present invention means any device for the electrical storage of energy. The term defines in particular electrochemical cells of the primary or secondary type, but also other forms of energy storage, such as capacitors. In the present case, an electrochemical cell is preferably to be understood as meaning a lithium-ion battery / cell.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrochemische Zelle mindestens eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und mindestens einen Separator auf, der die positive von der negativen Elektrode trennt.In a preferred embodiment, the electrochemical cell has at least one positive electrode, one negative electrode, and at least one separator separating the positive from the negative electrode.
Negative ElektrodeNegative electrode
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.The term "negative electrode" means that the electrode emits electrons when connected to a consumer, such as an electric motor. Thus, according to this convention, the negative electrode is the anode.
Vorzugsweise weist die negative Elektrode mindestens ein elektrochemisches Aktivmaterial auf, welches zur Einlagerung und/oder Auslagerung von Redoxkomponenten, insbesondere von Lithiumionen, geeignet ist.Preferably, the negative electrode has at least one electrochemical active material which is suitable for incorporation and / or removal of redox components, in particular of lithium ions.
In einer Ausführungsform ist das elektrochemische Aktivmaterial der negativen Elektrode ausgewählt aus amorphen Graphit, kristallinen Graphit, kohlenstoffhaltigen Materialien, Lithiummetall, Lithiummetall-Legierungen, Titanate, Silikate, Silizium, Silizium-Legierungen, Zinn, Zinnlegierungen oder Mischungen daraus.In one embodiment, the electrochemical active material of the negative electrode is selected from amorphous graphite, crystalline graphite, carbonaceous materials, lithium metal, lithium metal alloys, titanates, silicates, silicon, silicon alloys, tin, tin alloys, or mixtures thereof.
Vorzugsweise weist die negative Elektrode zusätzlich zum elektrochemischen Aktivmaterial noch 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.In addition to the electrochemical active material, the negative electrode preferably has at least one further additive, preferably an additive for increasing the conductivity, for example based on carbon, for example carbon black, and / or a redox-active additive which reduces the destruction of the electrochemical active material when the electrochemical cell is overcharged , preferably minimized, preferably prevented.
Vorzugsweise weist die negative Elektrode ein metallisches Substrat auf. Dieses metallische Substrat dient als Kollektor für die Elektronen. Vorzugsweise ist dieses metallische Substrat zumindest teilweise mit zumindest einem elektrochemischen Aktivmaterial beschichtet.Preferably, the negative electrode has a metallic substrate. This metallic substrate serves as a collector for the electrons. Preferably, this metallic substrate is at least partially coated with at least one electrochemical active material.
In einer Ausführungsform weist das auf dem metallischen Substrat aufgebrachte Aktivmaterial ein Bindemittel auf, welches befähigt ist, die Kohäsion im Aktivmaterial und/oder die Adhäsion zwischen elektrochemischen Aktivmaterial und einem metallischen Substrat zu verbessern. Vorzugsweise weist solch ein Bindemittel ein Polymer, vorzugsweise ein fluoriertes Polymer, vorzugsweise Polyvinylidenfluorid auf, welches unter den Handelsnamen Kynar® oder Dyneon® vertrieben wird.In one embodiment, the active material applied to the metallic substrate comprises a binder which is capable of improving the cohesion in the active material and / or the adhesion between electrochemical active material and a metallic substrate. Preferably, such a binder comprises a polymer, preferably a fluorinated polymer, preferably polyvinylidene fluoride on, which is sold under the trade names Kynar ® or Dyneon ®.
Positive ElektrodePositive electrode
Der Begriff ”positive Elektrode” bedeutet, dass die Elektrode beim Anschluss an einen Verbraucher, beispielsweise einen Elektromotor, Elektronen aufnimmt. Somit ist die positive Elektrode, gemäß dieser Konvention, die Kathode.The term "positive electrode" means that the electrode receives electrons when connected to a consumer, such as an electric motor. Thus, according to this convention, the positive electrode is the cathode.
Vorzugsweise weist die positive Elektrode der elektrochemischen Zelle mindestens ein elektrochemisches Aktivmaterial auf, welches zur Einlagerung und/oder Auslagerung von Redoxkomponenten, insbesondere von Lithiumionen, geeignet ist.The positive electrode of the electrochemical cell preferably has at least one electrochemical active material which is suitable for incorporation and / or removal of redox components, in particular of lithium ions.
In einer Ausführungsform ist das elektrochemische Aktivmaterial der positiven Elektrode ausgewählt aus mindestens einem Oxid, vorzugsweise einem Mischoxid, welches ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Nickel, Mangan, Kobalt, Phosphor, Eisen oder Titan aufweist.In one embodiment, the positive electrode electrochemical material is selected from at least one oxide, preferably a composite oxide, which has one or more elements selected from nickel, manganese, cobalt, phosphorus, iron or titanium.
In einer Ausführungsform weist die positive Elektrode eine Verbindung mit der Formel LiMPO4 auf, wobei M wenigstens ein Übergangsmetall-Kation ist, vorzugsweise ein Übergangsmetall-Kation der ersten Reihe der Übergangsmetalle des Periodensystems der Elemente. In one embodiment, the positive electrode comprises a compound having the formula LiMPO 4 wherein M is at least one transition metal cation, preferably a transition metal cation of the first series of transition metals of the Periodic Table of the Elements.
Das mindestens eine Übergangsmetall-Kation ist vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt oder Titan oder einer Kombination dieser Elemente gewählt. Die Verbindung weist vorzugsweise eine Olivinstruktur auf, vorzugsweise übergeordnetes Olivia, wobei Eisen oder Kobalt besonders bevorzugt sind, vorzugsweise LiFePO4 oder LiCoPO4. Die Verbindung kann aber auch eine Struktur verschieden von der Olivinstruktur aufweisen.The at least one transition metal cation is preferably selected from the group consisting of manganese, iron, nickel, cobalt or titanium or a combination of these elements. The compound preferably has an olivine structure, preferably parent Olivia, with iron or cobalt being particularly preferred, preferably LiFePO 4 or LiCoPO 4 . However, the compound may also have a structure different from the olivine structure.
In einer weiteren Ausführungsform weist die positive Elektrode ein Oxid auf, vorzugsweise ein Übergangsmetalloxid, oder ein Übergangsmetallmischoxid, vorzugsweise vom Spinell-Typ, vorzugsweise ein Lithium-Manganat, vorzugsweise LiMn2O4, ein Lithium-Kobaltat, vorzugsweise LiCoO2, oder ein Lithium-Nickelat, vorzugsweise LiNiO2, oder ein Gemisch aus zwei oder drei dieser Oxide. Die Oxide können aber auch verschieden vom Spinell-Typ sein.In a further embodiment, the positive electrode comprises an oxide, preferably a transition metal oxide, or a transition metal mixed oxide, preferably of the spinel type, preferably a lithium manganate, preferably LiMn 2 O 4 , a lithium cobaltate, preferably LiCoO 2 , or a lithium Nickelate, preferably LiNiO 2 , or a mixture of two or three of these oxides. However, the oxides can also be different from the spinel type.
Weiterhin bevorzugt kann die positive Elektrode zusätzlich zu den vorhergenannten Übergangsmetalloxiden ausschließlich ein Lithium-Übergangsmetallmischoxid aufweisen, welches Mangan, Kobalt und Nickel enthält, vorzugsweise ein Lithium-Kobalt-Manganat, vorzugsweise LiCoMnO4, vorzugsweise ein Lithium-Nickel-Manganat, vorzugsweise LiNi0.5Mn1,5O4, vorzugsweise ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid, vorzugsweise LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2, oder ein Lithium-Nickel-Kobalt-Oxid, vorzugsweise LiNiCoO2, welche im Spinell-Typ oder abweichend vom Spinell-Typ vorliegen können.Further preferably, in addition to the aforementioned transition metal oxides, the positive electrode may comprise exclusively a lithium transition metal mixed oxide containing manganese, cobalt and nickel, preferably a lithium cobalt manganate, preferably LiCoMnO 4 , preferably a lithium nickel manganate, preferably LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , preferably a lithium-nickel-manganese-cobalt oxide, preferably LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 , or a lithium-nickel-cobalt oxide, preferably LiNiCoO 2 , which in Spinel type or different from the spinel type may be present.
Vorzugsweise weist die positive Elektrode zusätzlich zum elektrochemischen Aktivmaterial noch 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.In addition to the electrochemical active material, the positive electrode preferably has at least one further additive, preferably an additive for increasing the conductivity, for example based on carbon, for example carbon black, and / or a redox-active additive which reduces the destruction of the electrochemical active material when the electrochemical cell is overcharged , preferably minimized, preferably prevented.
Vorzugsweise weist die positive Elektrode ein Bindemittel auf, welches befähigt ist, die Kohäsion im Aktivmaterial und/oder die Adhäsion zwischen elektrochemischen Aktivmaterial und einem metallischen Substrat zu verbessern. Vorzugsweise weist solch ein Bindemittel ein Polymer, vorzugsweise ein fluoriertes Polymer, vorzugsweise Polyvinylidenfluorid auf, welches unter den Handelsnamen Kynar® oder Dyneon® vertrieben wird.Preferably, the positive electrode comprises a binder which is capable of improving the cohesion in the active material and / or the adhesion between electrochemical active material and a metallic substrate. Preferably, such a binder comprises a polymer, preferably a fluorinated polymer, preferably polyvinylidene fluoride on, which is sold under the trade names Kynar ® or Dyneon ®.
Vorzugsweise weist die positive Elektrode ein metallisches Substrat („Kollektor”) auf. Vorzugsweise ist dieses metallische Substrat zumindest teilweise mit elektrochemischen Aktivmaterial beschichtet.Preferably, the positive electrode has a metallic substrate ("collector"). Preferably, this metallic substrate is at least partially coated with electrochemical active material.
Substratsubstratum
Der Begriff „Substrat” betrifft im Sinne der vorliegenden Erfindung dasjenige Bauteil einer elektrochemischen Zelle, welches als „Elektrodenträger” und „Kollektor bekannt ist und im Wesentlichen der Zufuhr bzw. Abfuhr von Elektroden zum/vom Aktivmaterial dient. Das metallische Substrat ist vorliegend zum Aufbringen von elektrochemischer Aktivmasse geeignet und ist im Wesentlichen metallischer Natur, vorzugsweise vollständig metallischer Natur, enthält also „freie” Elektronen.The term "substrate" in the context of the present invention relates to that component of an electrochemical cell which is known as "electrode carrier" and "collector and essentially serves the supply or removal of electrodes to / from the active material. In the present case, the metallic substrate is suitable for applying electrochemical active composition and is essentially of a metallic nature, preferably of a completely metallic nature, thus containing "free" electrons.
Vorzugsweise weist mindestens eine Elektrode zumindest teilweise ein metallisches Substrat auf. Vorzugsweise ist dieses metallische Substrat zumindest teilweise als Folie oder als Netzstruktur oder als Gewebe ausgestaltet.Preferably, at least one electrode has at least partially a metallic substrate. Preferably, this metallic substrate is at least partially designed as a film or as a network structure or as a fabric.
In einer Ausführungsform weist ein metallisches Substrat Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung auf. In einer weiteren Ausführungsform weist ein metallisches Substrat Aluminium auf. In einer Ausführungsform kann das metallische Substrat als Folie, Netzstruktur oder Gewebe ausgestaltet sein, welches vorzugsweise zumindest teilweise Kunststoffe aufweist.In one embodiment, a metallic substrate comprises copper or a copper-containing alloy. In a further embodiment, a metallic substrate comprises aluminum. In one embodiment, the metallic substrate can be configured as a film, mesh structure or fabric, which preferably comprises at least partially plastics.
Vorzugsweise weisen bis zu 30%, vorzugsweise bis zu 50%, vorzugsweise bis zu 70%, vorzugsweise bis zu 100% der Gesamtoberfläche eines metallischen Substrates mindestens eine Schicht auf, welche mindestens ein elektrochemisches Aktivmaterial aufweist, welches zur Einlagerung und/oder Auslagerung von Lithiumionen geeignet ist.Preferably, up to 30%, preferably up to 50%, preferably up to 70%, preferably up to 100%, of the total surface of a metallic substrate has at least one layer which has at least one electrochemical active material which is suitable for incorporation and / or removal of lithium ions suitable is.
Schicht layer
Unter dem Begriff „Schicht” ist ein im Wesentlichen flächig ausgebildeter/s Körper oder Material zu verstehen, wobei die Ausdehnung in eine Dimension um mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 99%, aber nicht um 100% kleiner ist, als die Ausbreitung in die beiden anderen Dimensionen.The term "layer" is to be understood as meaning a substantially flat body or material, the extent in one dimension being at least 50%, preferably at least 70%, preferably at least 90%, preferably at least 99%, but not 100 % is less than the spread in the other two dimensions.
Die mindestens eine Schicht kann ein Material oder mehrere Materialien aufweisen oder zumindest teilweise oder vollständig aus Materialien bestehen. Vorzugsweise weist die Schicht zumindest teilweise Materialien auf, welche in einer elektrochemischen Zelle vorhanden sein können. Solche Stoffe können beispielsweise polymere Materialien, Materialien aufweisend polymere Vorstufen (beispielsweise Monomere) elektrochemisches Aktivmaterial, Leitfähigkeitszusätze, flüssige oder gelartige Materialien, metallische Materialien oder Mischungen daraus sein.The at least one layer can comprise one or more materials or at least partially or completely consist of materials. Preferably, the layer at least partially comprises materials which may be present in an electrochemical cell. Such materials may be, for example, polymeric materials, materials comprising polymeric precursors (eg, monomers), electrochemical active material, conductivity additives, liquid or gel materials, metallic materials, or mixtures thereof.
In einer Ausführungsform weist die mindestens eine Schicht vorzugsweise zumindest teilweise polymere Materialien auf.In one embodiment, the at least one layer preferably comprises at least partially polymeric materials.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung weist die zumindest eine Schicht zumindest teilweise Aktivmaterial, vorzugsweise elektrochemisches Aktivmaterial auf.For the purposes of the present invention, the at least one layer at least partially comprises active material, preferably electrochemical active material.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine Schicht zumindest teilweise Aktivmaterial, vorzugsweise elektrochemisches Aktivmaterial und polymere Materialien auf.In a preferred embodiment, the at least one layer at least partially comprises active material, preferably electrochemical active material and polymeric materials.
Polymere Materialien können beispielsweise Materialien sein, welche als Binder, zumindest teilweise in Separatoren oder Polymerelektrolyte in elektrochemischen Zellen Anwendung finden.Polymeric materials may be, for example, materials which are used as binders, at least partially in separators or polymer electrolytes in electrochemical cells.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine Schicht vorzugsweise zumindest teilweise Materialien auf, welche als Binder (auch genannt Bindemittel) in elektrochemischen Zellen zur Anwendung kommen können. Vorzugsweise weisen bis zu 5%, vorzugsweise bis zu 10%, vorzugsweise bis zu 15%, vorzugsweise bis zu 20% der mindestens einen Schicht Materialien auf, welche als Binder in elektrochemischen Zellen zur Anwendung kommen können. Vorzugsweise sind solche Materialien ausgewählt aus der Gruppe: Polyvinylidenfluorid (PVdF), Styrol-Butadien-Kautschuk (auch genannt: Butadien-Styrol-Copolymer; SBR) oder Poly(tetrafluorethylen) (PTFE) oder Mischungen daraus.In a particularly preferred embodiment, the at least one layer preferably comprises at least partially materials which can be used as binders (also called binders) in electrochemical cells. Preferably, up to 5%, preferably up to 10%, preferably up to 15%, preferably up to 20%, of the at least one layer comprises materials which can be used as binders in electrochemical cells. Preferably, such materials are selected from the group: polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene-butadiene rubber (also called: butadiene-styrene copolymer; SBR) or poly (tetrafluoroethylene) (PTFE) or mixtures thereof.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine Schicht vorzugsweise zumindest teilweise Materialien auf, welche zumindest teilweise in Separatoren in elektrochemischen Zellen zur Anwendung kommen können. Vorzugsweise sind solche Materialien ausgewählt aus der Gruppe der Polyolefine, wie beispielsweise Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE), Polyethylenglykolterephthalat, Polyetherimid, Polyamid, Polyacrylnitril, Polycarbonat, Polysulfon, Polyvinylidenfluorid, Polystyrol oder Mischungen daraus.In a particularly preferred embodiment, the at least one layer preferably comprises at least partially materials which can be used at least partially in separators in electrochemical cells. Preferably, such materials are selected from the group of polyolefins, such as polypropylene (PP) or polyethylene (PE), polyethylene glycol terephthalate, polyetherimide, polyamide, polyacrylonitrile, polycarbonate, polysulfone, polyvinylidene fluoride, polystyrene or mixtures thereof.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine Schicht vorzugsweise zumindest teilweise Materialien auf, welche zumindest teilweise in Polymerelektrolyten in elektrochemischen Zellen zur Anwendung kommen können. Vorzugsweise sind solche Materialien ausgewählt aus der Gruppe: der Polyether, wie beispielsweise Poly(ethylenoxid) (PEO) oder Poly(propylenoxid) (PPO), der Polyamine, wie beispielsweise Poly(ethylenimin) (PEI) oder Poly(acrylonitril) (PAN) oder der Polysulfide, wie beispielsweise Poly(alkylensulfid) (PAS) oder Mischungen daraus.In a particularly preferred embodiment, the at least one layer preferably comprises at least partially materials which can at least partially be used in polymer electrolytes in electrochemical cells. Preferably, such materials are selected from the group consisting of polyethers such as poly (ethylene oxide) (PEO) or poly (propylene oxide) (PPO), polyamines such as poly (ethyleneimine) (PEI) or poly (acrylonitrile) (PAN). or the polysulfides such as poly (alkylene sulfide) (PAS) or mixtures thereof.
FeinstrukturelementFine structure element
Unter dem Begriff „Feinstrukturelement” im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere dreidimensionale nicht vollständig symmetrische Körper zu verstehen, welche vorzugsweise faserartig, haarförmig, netzartig, gabelartig, wurzelartig oder dergleichen ausgebildet sind. Weiter vorzugsweise haben die Feinstrukturelemente zumindest teilweise elastische Eigenschaften.In the context of the present invention, the term "fine structure element" is to be understood as meaning, in particular, three-dimensional not completely symmetrical bodies, which are preferably fibrous, hair-shaped, reticulated, fork-like, root-like or the like. Further preferably, the fine structure elements have at least partially elastic properties.
Ein Vorteil und die im Sinne der vorliegenden Erfindung charakteristische Eigenschaft von Feinstrukturelementen besteht darin, dass Schichten mit Feinstrukturelementen eine höhere Oberfläche pro Masse und/oder Volumen aufweisen als Schichten ohne solche Feinstrukturelemente.An advantage and the characteristic of fine structure elements characteristic of the present invention is that layers with fine structure elements have a higher surface area per mass and / or volume than layers without such fine structure elements.
Viele Oberflächen zeigen aufgrund von typischerweise nicht-kovalenten Wechselwirkungen (also nicht mit der Ausbildung einer chemischen Bindung verbundene Wechselwirkungen) eine, zumeist für die jeweilige Oberfläche typische „Adhäsivität”. So besitzen einige Oberflächen eine relativ hohe Adhäsivität, wie beispielsweise Frischhaltefolien, da diese Folien sehr dünn (ca. 0.01 μm) und gleichzeitig sehr weich sind (also elastische Eigenschaften aufweisen). Vergleichbare Plastikfolien aus dem gleichen Material ohne solche Feinstrukturelemente (beispielsweise von größerer Dicke) haben eine deutlich geringere Adhäsivität.Many surfaces show one, mostly for the respective ones, due to typically non-covalent interactions (ie, interactions not associated with the formation of a chemical bond) Surface typical "Adhäsivität". Thus, some surfaces have a relatively high adhesiveness, such as cling films, since these films are very thin (about 0.01 microns) and at the same time very soft (ie have elastic properties). Comparable plastic films of the same material without such fine structure elements (for example, of greater thickness) have a significantly lower adhesiveness.
Durch die Verwendung von Feinstrukturelementen wird eine vorteilhafte Erhöhung der Oberfläche (pro Masse und/oder Volumen) für die erfindungsgemäße Schicht erreicht. Durch die Feinstrukturelemente wird die Oberfläche der erfindungsgemäßen Schicht um bis zu 100%, vorzugsweise um bis zu 200%, vorzugsweise um bis zu 500%, vorzugsweise um bis zu 750% oder mehr erhöht, im Vergleich zu einer Schicht, welche keine Feinstrukturelemente aufweist.By using fine structure elements, an advantageous increase in the surface area (per mass and / or volume) is achieved for the layer according to the invention. By means of the fine structure elements, the surface of the layer according to the invention is increased by up to 100%, preferably by up to 200%, preferably by up to 500%, preferably by up to 750% or more, in comparison to a layer which has no fine structure elements.
Wenn nun eine größere Oberfläche vorliegt, können nicht-kovalente Wechselwirkungen des Feinstrukturelements vorteilhaft zu seiner Umgebung wirken. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die Adhäsivität der Schicht durch die Anwesenheit des Feinstrukturelements erhöht wird.Now, if a larger surface area is present, non-covalent interactions of the fine structure element can advantageously affect its environment. This has the advantage that thereby the adhesiveness of the layer is increased by the presence of the fine structure element.
Die Wirksamkeit dieses technischen Effektes ist aus der Natur von Kriechtieren der Familie der Gekkoiden bekannt, die mit ihren adhäsiv gestalteten Füßen auch auf sehr glatten Oberflächen Halt finden.The effectiveness of this technical effect is known from the nature of the Reptiles of the Gekkoiden family, which with their adhesively shaped feet also find support on very smooth surfaces.
Erfindungsgemäß weist mindestens eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle mindestens eine Schicht (mit Aktivmaterial) und mindestens ein Substrat auf, wobei zumindest teilweise zwischen dieser mindestens einen Schicht und dem mindestens einen Substrat Feinstrukturelemente angeordnet sind. Das hat den Vorteil, dass die Adhäsivität innerhalb der Schicht und/oder zu an der Schicht angrenzenden Bereichen der Zelle wirken kann, und so die Adhäsivität der Elektrode auf einem Substrat wie etwa des Separators oder des Elektrodenträgers erhöht, die Elektrode dadurch stabilisiert, und die Langlebigkeit der Elektrode verbessert wird.According to the invention, at least one electrode of an electrochemical cell has at least one layer (with active material) and at least one substrate, wherein fine structure elements are arranged at least partially between this at least one layer and the at least one substrate. This has the advantage that the adhesivity can act within the layer and / or to regions of the cell adjacent to the layer, thus increasing the adhesion of the electrode to a substrate such as the separator or the electrode carrier, thereby stabilizing the electrode, and the Longevity of the electrode is improved.
Unter dem Begriff „Adhäsivität” ist die Eigenschaft einer Oberfläche (eines Materials, Gegenstandes, etc.) zu verstehen, an einer zweiten Oberfläche (z. B. eines Materials, Gegenstandes, etc.) zu haften. Der Begriff „Adhäsivität „beschreibt also die Haftungseigenschaften einer Oberfläche (z. B. einer Schicht, eines Materials, Gegenstandes, etc.). Hohe Adäsivität bedeutet folglich, dass die Haftungseigenschaften einer Oberfläche (z. B. einer Schicht, eines Materials, Gegenstandes, etc.) besonders stark ausgeprägt sind; die Oberfläche (z. B. einer Schicht, eines Materials, Gegenstandes, etc.) haftet also im Wesentlichen gut an einer zweiten Oberfläche (z. B. einer Schicht, eines Materials, Gegenstandes, etc.). Die beiden Oberflächen sind also erst mit Anwendung einer bestimmten Kraft Fab voneinander zu trennen. Die zweite Oberfläche (z. B. einer Schicht, eines Materials, Gegenstandes, etc.) kann dabei eine niedrigere Adhäsivität aufweisen, als die erste Oberfläche (z. B. eines Materials, Gegenstandes, etc.). Die Kraft Fab ist größer als die Adhäsionskraft, welche wiederum von der Summe aller Wechselwirkungen der ersten Oberfläche mit der zweiten Oberfläche beeinflusst wird. Vorzugsweise sind diese Wechselwirkungen im Wesentlichen nicht-kovalenter Natur. Es können neben nicht-kovalenten Wechselwirkungen auch kovalente Wechselwirkungen, elektrostatische Wechselwirkungen, Kapillarkräfte, magnetische Wechselwirkungen u. ä. zwischen einer ersten und einer zweiten Oberfläche wirken.By the term "adhesiveness" is meant the property of a surface (of a material, article, etc.) to adhere to a second surface (eg, a material, article, etc.). The term "adhesiveness" thus describes the adhesion properties of a surface (eg a layer, a material, an object, etc.). High adhesiveness therefore means that the adhesion properties of a surface (eg a layer, a material, an object, etc.) are particularly pronounced; the surface (eg, a layer, a material, article, etc.) thus adheres substantially well to a second surface (eg, a layer, a material, an article, etc.). The two surfaces are therefore to be separated from each other only with the application of a certain force F ab . The second surface (eg of a layer, of a material, article, etc.) may have a lower adhesiveness than the first surface (eg of a material, article, etc.). The force F ab is greater than the adhesion force, which in turn is influenced by the sum of all interactions of the first surface with the second surface. Preferably, these interactions are essentially non-covalent. In addition to non-covalent interactions, covalent interactions, electrostatic interactions, capillary forces, magnetic interactions and the like may occur. Ä. Act between a first and a second surface.
Unter dem Begriff „nicht-kovalent” sind vorzugsweise, Wasserstoffbrückenbindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen (Keesom-Wechselwirkungen), Charge-Transfer-Wechselwirkungen, π-π-Elektronen-Wechselwirkungen, Kation-π-Wechselwirkungen, hydrophobe (lipophile) Wechselwirkungen, disperse Wechselwirkungen (Londonsche Dispersionswechselwirkungen), Debye-Wechselwirkungen, und bevorzugt Van-der-Waals-Wechselwirkungen zu verstehen.The term "non-covalent" is preferably hydrogen bonds, dipole-dipole interactions (Keesom interactions), charge-transfer interactions, π-π-electron interactions, cation-π interactions, hydrophobic (lipophilic) interactions, disperse interactions (London's dispersion interactions), Debye interactions, and preferred to understand Van der Waals interactions.
Unter van-der-Waals-Wechselwirkungen sind Kräfte zu verstehen, welche zwischen den Atomen und/oder Molekülen einer ersten Oberfläche mit den Atomen und/oder Molekülen mindestens einer zweiten Oberfläche gemäß nachfolgender Gleichung Wechselwirken.Van der Waals interactions are to be understood as forces which, between the atoms and / or molecules of a first surface, interact with the atoms and / or molecules of at least one second surface in accordance with the following equation.
Die Adhäsionskraft als Maß für die Adhäsivität einer Oberfläche kann beispielsweise gemäß
In einer Ausführungsform weisen die Feinstrukturelemente mindestens ein erstes Material auf, und die mindestens eine Schicht weist mindestens ein zweites Material auf, welches identisch, bezüglich Zusammensetzung und/oder Qualität, ist mit dem mindestens ersten Material. In one embodiment, the fine structure elements have at least one first material, and the at least one layer has at least one second material which is identical in composition and / or quality to the at least first material.
In einer Ausführungsform weisen die Feinstrukturelemente mindestens ein erstes Material auf, und die mindestens eine Schicht weist mindestens ein zweites Material auf, welches verschieden ist von dem mindestens ersten Material, und zwar bezüglich Zusammensetzung und/oder Qualität.In one embodiment, the fine structure elements comprise at least one first material, and the at least one layer comprises at least one second material, which is different from the at least first material, with regard to composition and / or quality.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Feinstrukturelemente im Wesentlichen polymere Materialen auf, vorzugsweise Binder, und die mindestens eine Schicht weist zumindest teilweise Aktivmaterial, vorzugsweise elektrochemisches Aktivmaterial auf.In a preferred embodiment, the fine structure elements essentially comprise polymeric materials, preferably binders, and the at least one layer has at least partially active material, preferably electrochemical active material.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Feinstrukturelemente im Wesentlichen polymere Materialien auf, vorzugsweise Binder, und die mindestens eine Schicht weist zumindest teilweise Aktivmaterial, vorzugsweise elektrochemisches Aktivmaterial, Leitfähigkeitszusätze und polymer Materialien auf.In a further preferred embodiment, the fine structure elements essentially comprise polymeric materials, preferably binders, and the at least one layer has at least partially active material, preferably electrochemical active material, conductivity additives and polymeric materials.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Schicht zumindest teilweise vorzugsweise vollständig so mit den Feinstrukturelementen verbunden (d. h. umgibt bzw. enthält diese) ist, so dass die mindestens eine Schicht im Wesentlichen nicht zerstörungsfrei vom mindestens einen Substrat lösbar ist.Preferably, the at least one layer is at least partially preferably fully bonded (i.e., surrounding) to the fine structure elements so that the at least one layer is substantially non-destructively releasable from the at least one substrate.
Vorzugsweise weist mindestens eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle eine Schicht auf, welche Feinstrukturelemente aufweist.Preferably, at least one electrode of an electrochemical cell has a layer which has fine structure elements.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine Elektrode eine Schicht auf, welche Feinstrukturelemente aufweist, und diese Schicht ist bevorzugt als Oberflächenschicht der mindestens einen Elektrode ausgestaltet.In a preferred embodiment, at least one electrode has a layer which has fine structure elements, and this layer is preferably designed as a surface layer of the at least one electrode.
Vorzugsweise weist in einer Ausführungsform bis zu 30%, vorzugsweise bis zu 50%, vorzugsweise bis zu 70%, vorzugsweise bis zu 100% des Volumens mindestens einer Elektrode eine Schicht auf, welche Feinstrukturelemente aufweist.Preferably, in one embodiment, up to 30%, preferably up to 50%, preferably up to 70%, preferably up to 100%, of the volume of at least one electrode has a layer comprising fine structure elements.
Vorzugsweise weist ein Feinstrukturelement mindestens einen, oder eine Vielzahl von langgestreckten Abschnitten mit einer durchschnittlichen Dicke und durchschnittlichen Länge auf.Preferably, a fine structure element has at least one or a plurality of elongated sections having an average thickness and average length.
Unter dem Begriff „langgestreckter Abschnitt” ist ein im Wesentlich dreidimensional ausgebildeter/s Körper oder Material zu verstehen, wobei die Ausbreitung in zwei Dimension um mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 99%, aber nicht um 100% verringert ist, als die Ausbreitung in eine dritte Dimensionen.By the term "elongate section" is meant a substantially three-dimensionally formed body or material, the propagation in two dimensions being at least 50%, preferably at least 70%, preferably at least 90%, preferably at least 99%, but not around 100% less than the propagation in a third dimensions.
Vorzugsweise ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Größenordnung der größten Ausbreitung, vorzugsweise der durchschnittlichen Länge und/oder die durchschnittliche Dicke der Feinstrukturelemente im Mikrometerbereich, weiterhin bevorzugt im Nanometerbereich. Vorzugsweise weisen die Feinstrukturelemente eine größte Ausdehnung, vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von größer 0 nm bis zu 10 nm auf, vorzugsweise bis zu 50 nm, vorzugsweise bis zu 100 nm, vorzugsweise bis zu 200 nm, vorzugsweise bis zu 500 nm, vorzugsweise von größer 0 μm bis zu 1 μm, vorzugsweise bis zu 3 μm, vorzugsweise bis zu 5 μm, vorzugsweise bis zu 10 μm. Vorzugsweise weisen die Feinstrukturelemente eine durchschnittliche größte Ausdehnung, vorzugsweise Länge von größer 0 nm bis zu 300 nm auf, vorzugsweise bis zu 600 nm, vorzugsweise bis zu 1 μm, vorzugsweise bis zu 5 μm, vorzugsweise bis zu 20 μm, vorzugsweise bis zu 50 μm, vorzugsweise bis zu 70 μm, vorzugsweise bis zu 100 μm, vorzugsweise bis zu 250 μm, vorzugsweise bis zu 500 μm.Preferably, in a preferred embodiment, the order of magnitude of the largest spread, preferably the average length and / or the average thickness of the fine structure elements in the micrometer range, is furthermore preferred in the nanometer range. Preferably, the fine structure elements have a maximum extent, preferably an average thickness of greater than 0 nm up to 10 nm, preferably up to 50 nm, preferably up to 100 nm, preferably up to 200 nm, preferably up to 500 nm, preferably greater than 0 μm up to 1 μm, preferably up to 3 μm, preferably up to 5 μm, preferably up to 10 μm. Preferably, the fine structure elements have an average largest dimension, preferably length of greater than 0 nm to 300 nm, preferably up to 600 nm, preferably up to 1 μm, preferably up to 5 μm, preferably up to 20 μm, preferably up to 50 μm , preferably up to 70 microns, preferably up to 100 microns, preferably up to 250 microns, preferably up to 500 microns.
In einer Ausführungsform ist ein durchschnittliches Verhältnis durchschnittliche Dicke: durchschnittliche Länge des langgestreckten Abschnittes der Feinstrukturelemente ([nm]:[nm] oder [μm]:[μm]) von bis zu 1:2, vorzugsweise von bis zu 1:5, vorzugsweise von bis zu 1:10, vorzugsweise von bis zu 1:30, vorzugsweise von bis zu 1:50, vorzugsweise von bis zu 1:100, vorzugsweise von bis zu 1:200 eingehalten.In one embodiment, an average ratio average thickness: average length of the elongated portion of the fine structure elements ([nm]: [nm] or [μm]: [μm]) of up to 1: 2, preferably up to 1: 5, is preferable of up to 1:10, preferably of up to 1:30, preferably of up to 1:50, preferably of up to 1: 100, preferably of up to 1: 200.
In einer Ausführungsform besteht ein Feinstrukturelement vorzugsweise aus einem ersten Material oder einer ersten Materialmischung, und die Schicht weist dasselbe erste Material oder dieselbe erste Materialmischung qualitativ und/oder quantitativ auf oder besteht daraus.In one embodiment, a fine structure element preferably consists of a first material or a first material mixture, and the layer has the same or qualitatively and / or quantitatively the same first material or the same first material mixture or consists thereof.
In einer weiteren Ausführungsform weist die mindestens eine Schicht (ohne die Feinstrukturelemente) zweite Materialien oder zweite Materialmischungen auf, die verschieden sind von dem ersten Material oder der ersten Materialmischung oder besteht aus diesem zweiten Materialien oder zweiten Materialmischungen. In a further embodiment, the at least one layer (without the fine structure elements) comprises second materials or second material mixtures which are different from the first material or the first material mixture or consists of these second materials or second material mixtures.
In einer Ausführungsform weisen die Feinstrukturelemente mindestens ein Material auf, welches im Wesentlichen verschieden ist vom Aktivmaterial, und/oder welches im Wesentlichen verschieden ist vom für Aktivmaterialien eingesetzte Binder.In one embodiment, the fine structure elements comprise at least one material which is substantially different from the active material, and / or which is substantially different from the binder used for active materials.
Vorzugsweise weisen die Feinstrukturelemente Materialien auf, welche ein E-Modul (z. B. nach
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Feinstrukturelemente polymere Materialien auf.In a preferred embodiment, the fine structure elements comprise polymeric materials.
Vorzugsweise weist die Schicht eine Dichte an Feinstrukturelementen (FE) von größer 0 FE/cm3 bis zu 103 FE/cm3, vorzugsweise bis zu 105 FE/cm3, vorzugsweise bis zu 107FE/cm3, vorzugsweise bis zu 1010 FE/cm3.Preferably, the layer has a density of fine structure elements (FE) of greater than 0 FE / cm 3 to 10 3 FE / cm 3 , preferably up to 10 5 FE / cm 3 , preferably up to 10 7 FE / cm 3 , preferably up to 10 10 FE / cm 3 .
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Schicht zumindest teilweise mittels der Feinstrukturelemente mit einem metallischen Substrat zumindest teilweise so verbunden, dass die mindestens eine Schicht im Wesentlichen nicht zerstörungsfrei vom metallischen Substrat lösbar ist.In a preferred embodiment, the at least one layer is at least partially connected at least partially by means of the fine structure elements to a metallic substrate such that the at least one layer can not be detached from the metallic substrate substantially non-destructively.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schicht zumindest teilweise so ausgestaltet, dass mittels der Feinstrukturelemente, die elektrochemische Zelle eine verringerte, vorzugsweise keine Volumenänderung während Lade- und/oder Entladeprozessen erfährt.In a preferred embodiment, the layer is at least partially designed so that by means of the fine structure elements, the electrochemical cell undergoes a reduced, preferably no change in volume during charging and / or discharging processes.
In einer Ausführungsform werden die Feinstrukturelemente oder die Feinstrukturelemente und die mindestens eine Schicht wie folgt hergestellt:
Es wird eine Vorlagenschicht bereitgestellt.In one embodiment, the fine structure elements or the fine structure elements and the at least one layer are produced as follows:
A template layer is provided.
Die Vorlagenschicht weist vorzugsweise ein im Wesentlichen weiches, verformbares Material auf, welches vorzugsweise unelastisch, vorzugsweise formhaltend ist, wie beispielsweise Wachs.The master layer preferably comprises a substantially soft, deformable material, which is preferably inelastic, preferably form-retaining, such as wax.
Es wird ein Vorlage bereitgestellt, welche im Wesentlichen Feinstrukturelemente auf mindestens einer Oberfläche aufweist. Die Feinstrukturelemente der Vorlage sind vorzugsweise so ausgestaltet, wie die Feinstrukturelemente der mindestens einen Schicht später ausgestaltet sein sollen.A template is provided which essentially has fine structure elements on at least one surface. The fine structure elements of the template are preferably designed as the fine structure elements of the at least one layer to be designed later.
Vorzugsweise weist die Vorlage Material auf, welches im Wesentlichen härter ist als das Material der Vorlagenschicht, wie beispielsweise ein Metall oder ein metallhaltiges Material.Preferably, the original comprises material which is substantially harder than the material of the master layer, such as a metal or a metal-containing material.
Die Vorlage wird nun auf die Vorlagenschicht aufgepresst oder aufgewalzt oder durch andere Verfahren mit der Vorlagenschicht in Kontakt gebracht, wodurch die Feinstrukturelemente, befindlich auf der Oberfläche der Vorlage, zumindest teilweise in die Vorlagenschicht eindringen. Die Vorlage wird als Positivkörper verwendet. Dadurch werden in der Vorlagenschicht Negativaussparungen der auf der Oberfläche der Vorlage befindlichen Feinstrukturelemente erzeugt. Die Vorlagenschicht weist somit ein Negativ der Feinstrukturelemente, wie sie sich auf der Vorlage befinden, auf.The original is then pressed or rolled onto the master layer or brought into contact with the master layer by other methods, whereby the fine structural elements, located on the surface of the master, at least partially penetrate into the master layer. The template is used as a positive body. As a result, negative recesses of the fine structure elements located on the surface of the original are produced in the document layer. The master layer thus has a negative of the fine structure elements as they are on the template on.
Die Vorlage wird von der Vorlageschicht abgelöst unter Erhalt der Abdrücke der Feinstrukturelemente als Negativ in der Vorlagenschicht. Diese Vorlagenschicht aufweisend das Negativ der Feinstrukturelemente wird nun zur Ausbildung der Feinstrukturelemente oder der mindestens einen Schicht und der Feinstrukturelemente verwendet.The original is peeled from the master layer to give the prints of the fine features as negative in the master layer. This template layer comprising the negative of the fine structure elements is now used to form the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements.
Dazu wird Material, welches die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente zumindest teilweise aufweist, auf die Vorlagenschicht, aufweisend ein Negativ der Feinstrukturelemente, aufgebracht, vorzugsweise so, dass das Material zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig die Negativaussparungen der Feinstrukturelemente der Vorlagenschicht ausfüllt. Dies kann beispielsweise durch Aufgießen oder Aufsprühen von Material, welches die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente zumindest teilweise aufweist, in flüssigem Zustand geschehen.For this purpose, material which has the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements at least partially applied to the master layer, comprising a negative of the fine structure elements, preferably so that the material at least partially, preferably completely fills the negative recesses of the fine structure elements of the master layer. This can be done, for example, by pouring or spraying on material, which has the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements at least partially, in a liquid state.
Eine weitere Möglichkeit das Material auf die Vorlagenschicht aufzubringen ist, das Material aufzustreichen, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das Material im Wesentlichen pastös ausgestaltet ist.Another way to apply the material to the master layer is to coat the material, which is particularly advantageous when the material is designed substantially pasty.
Daran kann sich ein Klopf- oder Rüttelschritt anschließen, wobei die Vorlagenschicht mit aufgebrachtem Material gerüttelt wird oder gegen eine Vorrichtung geklopft wird, um ein möglichst vollständiges Eindringen des Materials in die Negativaussparungen zu gewährleisten, und eventuell eingeschlossene Gase, wie beispielsweise in Form von Luftblasen möglichst vollständig zu entfernen. This may be followed by a knocking or shaking step whereby the document layer is vibrated with applied material or tapped against a device to ensure the most complete possible penetration of the material into the negative recesses, and any trapped gases, such as air bubbles, if possible completely remove.
Es sind aber auch andere, dem Fachmann bekannte Methoden, denkbar um das Material auf die Vorlagenschicht aufzubringen und ein möglichst vollständiges Eindringen des Materials in die Negativaussparung zu erreichen.But there are also other methods known in the art, conceivable to apply the material to the master layer and to achieve a complete penetration of the material into the negative recess.
Das Material, welches die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente zumindest teilweise aufweist, kann dabei im Wesentlichen ausschließlich in die Negativaussparungen der Vorlagenschicht eingebracht werden, was beispielsweise durch nachträgliches Abtragen oder Abschütten von überschüssigem Material, welches auf der Vorlagenschicht, aber außerhalb der Negativaussparungen befindlich ist, geschehen kann.The material which has the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements at least partially, can be introduced substantially exclusively into the negative recesses of the document layer, which, for example, by subsequent removal or dumping of excess material, which on the master layer, but outside the Negative recesses is located, can happen.
Es ist aber auch möglich, dass das Material in den Negativaussparungen der Vorlagenschicht befindlich ist, und weiterhin eine Schicht einer Dicke x bildet, welche sich auch in Bereichen zwischen den Negativaussparungen erstreckt, und so mindestens zwei Negativaussparungen, jeweils enthaltend das Material, miteinander stoffschlüssig verbindet.But it is also possible that the material is located in the negative recesses of the document layer, and further forms a layer of thickness x, which also extends in areas between the negative recesses, and so at least two negative recesses, each containing the material, materially connected to each other ,
Weiterhin ist es möglich, dass die Negativaussparungen der Vorlagenschicht mindestens ein erstes Material aufweisen, und weiterhin eine Schicht der Dicke x ausgebildet wird, welche vorzugsweise mindestens ein zweites Material aufweist, welches vom mindestens ersten Material befindlich in den Negativaussparungen verschieden ist, und welche sich auch in Bereichen zwischen den Negativaussparungen erstreckt, und so vorzugsweise mindestens zwei Negativaussparungen, jeweils enthaltend das mindestens erste Material, stoffschlüssig miteinander verbindet.Furthermore, it is possible that the negative recesses of the master layer have at least one first material, and further a layer of thickness x is formed, which preferably has at least one second material, which is different from the at least first material located in the negative recesses, and which also extends in areas between the negative recesses, and thus preferably at least two negative recesses, each containing the at least first material, materially interconnected.
An diesen Aufbringschritt kann sich ein Verfestigungsschritt anschließen. Unter Verfestigungsschritt ist zu verstehen, dass Maßnahmen durchgeführt werden, welche das Material, welches die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente zumindest teilweise aufweist, verfestigen. Die Verfestigung kann beispielsweise durch Verdampfen von Lösemittel, zumindest teilweise Trocknung, Pressen des Materials oder einer Polymerisation des Materials realisiert werden. Vorzugsweise wird die Verfestigung des Materials soweit ausgeführt, dass die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente zumindest teilweise ausgebildet werden, welche in einem nachfolgenden Abtrennschritt vorzugsweise möglichst vollständig zerstörungsfrei von der Vorlagenschicht abzutrennen ist.This attachment step may be followed by a solidification step. By solidification step is meant that measures are carried out which solidify the material comprising the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements at least partially. The solidification can be realized, for example, by evaporation of solvent, at least partial drying, pressing of the material or polymerization of the material. The solidification of the material is preferably carried out to the extent that the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements are at least partially formed, which in a subsequent separation step is preferably to be separated as completely as possible from the original layer nondestructive.
An den Verfestigungsschritt kann sich ein Abtrennschritt anschließen, bei dem die Vorlageschicht und die, wie vorstehend beschrieben, gebildeten Feinstrukturelemente oder die gebildete mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente voneinander getrennt werden.The solidification step may be followed by a separation step in which the master layer and the fine structural elements formed as described above or the formed at least one layer and the fine structural elements are separated from each other.
Vorzugsweise werden dabei die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente zerstörungsfrei von der Vorlageschicht aufweisend Negativaussparungen der Feinstrukturelemente abgetrennt. Die Abtrennung kann dabei durch Abziehen der Feinstrukturelemente oder der mindestens eine Schicht und der Feinstrukturelemente von der Vorlagenschicht aufweisend Negativaussparungen der Feinstrukturelemente erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass dabei auch die Vorlagenschicht aufweisend Negativaussparungen der Feinstrukturelemente zerstörungsfrei von den Feinstrukturelementen oder der mindestens einen Schicht und den Feinstrukturelementen zumindest teilweise aufweist abgetrennt werden kann, um nach einem möglichen Reinigungsschritt, für ein erneutes Aufbringen von Material zur Ausbildung von Feinstrukturelementen oder der mindestens einen Schicht und der Feinstrukturelementen zur Verwendung in elektrochemischen Zellen bereitgestellt werden kann.In this case, the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements are preferably separated from the template layer having negative recesses of the fine structure elements in a non-destructive manner. The separation can take place by subtracting the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements of the template layer having negative recesses of the fine structure elements. This has the advantage that the template layer comprising negative recesses of the fine structure elements can also be separated non-destructively from the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements in order, after a possible cleaning step, for re-applying material to form fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements can be provided for use in electrochemical cells.
Es ist aber auch möglich, dass die Vorlagenschicht aufweisend Negativaussparungen der Feinstrukturelement nicht zerstörungsfrei von den Feinstrukturelementen oder der mindestens einen Schicht und den Feinstrukturelementen abgetrennt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Vorlagenschicht bis zu einer Temperatur (welche der Siede- oder Schmelztemperatur des Materials der Vorlagenschicht entsprechen kann) oder darüber hinaus erhitzt wird, und so die Vorlagenschicht verflüssigt oder verdampft wird. Dabei ist darauf zu achten, dass die Temperatur niedriger ist, als die Schmelztemperatur oder Siedtemperatur oder Sublimationstemperatur des Materials welches die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente im Wesentlichen aufweisen.However, it is also possible for the master layer comprising negative recesses of the fine structural element to be separated from the fine structural elements or the at least one layer and the fine structural elements in a non-destructive manner. This may be done, for example, by heating the master layer to or above a temperature (which may correspond to the boiling or melting temperature of the material of the master layer), and thus liquefying or vaporizing the master layer. It is important to ensure that the temperature is lower than the melting temperature or boiling point or sublimation of the material which have the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements substantially.
Eine weitere Möglichkeit die Vorlagenschicht aufweisend Negativaussparungen der Feinstrukturelement nicht zerstörungsfrei von den Feinstrukturelementen oder der mindestens einen Schicht und die Feinstrukturelementen abzutrennen, ist es die Vorlagenschicht chemisch (beispielsweise durch Lösemittel oder Reagenzien, welche mit dem Material der Vorlagenschicht reagieren) oder physikalisch (beispielsweise Strahlung oder Verdampfung) zu behandeln, wodurch die Molekularstruktur des Material aus welchem die Vorlagenschicht besteht, aufgelöst wird. A further possibility of separating the template layer comprising negative recesses of the fine structure element non-destructively from the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements, it is the template layer chemically (for example by solvents or reagents which react with the material of the master layer) or physically (for example radiation or Evaporation), whereby the molecular structure of the material constituting the master layer is dissolved.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht enthaltend Feinstrukturelemente wie folgt hergestellt:
Es wird eine poröse Vorlage mit einer Dicke a bereitgestellt.In a further embodiment, the fine structure elements or the at least one layer containing fine structure elements are produced as follows:
A porous template with a thickness a is provided.
Als poröse Vorlage kann jedes poröse Material verwendet werden. Vorzugsweise weist die poröse Vorlage poröses, unelastisches und/oder biegesteifes und/oder formstabiles Material auf. Das hat den Vorteil, dass sich die poröse Vorlage bei Anlegen von Druck oder Vakuum im Wesentlichen nicht verformt.As a porous template, any porous material can be used. Preferably, the porous template has porous, inelastic and / or rigid and / or dimensionally stable material. This has the advantage that the porous template does not deform substantially when pressure or vacuum is applied.
Solch eine poröse Vorlage weist vorzugsweise zumindest teilweise Metall, Keramik, Glas, Hartkunststoff oder andere im Wesentlichen unelastische, biegesteife Materialien oder Mischungen daraus auf. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von porösen Membranen als poröse Vorlage, wie sie bei Verfahren der Filtration, insbesondere der Mikrofiltration, Ultrafiltration und der Nanofiltration, zur Anwendung kommen, wie etwa Glas- oder Keramikfilter. Besonders bevorzugt sind poröse Vorlagen mit der Bezeichnung (gemäß
Weiterhin bevorzugt sind poröse Vorlagen, deren Poren im Wesentlichen nicht miteinander in Kontakt stehen, beispielsweise durch laterale Vernetzungen. Solche porösen Vorlagen weisen vorzugsweise Poren auf, die eine im Wesentlichen möglichst kurze, gerade Verbindung zwischen einem ersten Ende einer Pore, und einem davon beabstandeten zweiten Ende derselben Pore aufweisen.Further preferred are porous templates whose pores are substantially not in contact with each other, for example by lateral crosslinks. Such porous pads preferably have pores having a substantially as short as possible straight connection between a first end of a pore, and a second end of the same pore spaced therefrom.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als poröse Vorlage Separatormaterial verwendet, insbesondere keramisches Separatormaterial (wie das von Evonik vertriebene Material „Separion”).In a particularly preferred embodiment, the porous template used is separator material, in particular ceramic separator material (such as the material "Separion" sold by Evonik).
Auf diese Vorlage wird Material aufgebracht, welches die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente zumindest teilweise aufweist.Material which has the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements at least partially is applied to this original.
Anschließend wird das Material in die Poren der porösen Vorlage zumindest teilweise eingebracht. Die Poren dienen dabei als Negativaussparungen der auszubildenden Feinstrukturelemente. Die maximale durchschnittliche Dicke der Feinstrukturelemente wird dabei vom durchschnittlichen Porendurchmesser der Poren der porösen Vorlage definiert. Die maximale durchschnittliche Länge der Feinstrukturelemente wird von der durchschnittlichen Dicke a der porösen Vorlage definiert, wobei die Ausbreitung der durchschnittlichen Dicke a der porösen Vorlage im Wesentlichen parallel zum Längen-Verlauf der Poren der porösen Vorlage erfolgt. Das Einbringen des Materials kann dabei aktiv oder passiv erfolgen.Subsequently, the material is at least partially introduced into the pores of the porous template. The pores serve as negative recesses of the fine structure elements to be formed. The maximum average thickness of the fine structure elements is defined by the average pore diameter of the pores of the porous template. The maximum average length of the fine structure elements is defined by the average thickness a of the porous template, the propagation of the average thickness a of the porous template being substantially parallel to the length course of the pores of the porous template. The introduction of the material can be active or passive.
Unter passivem Einbringen des Materials ist zu verstehen, dass das Material auf die poröse Vorlage aufgebracht wird, und das Einbringen, genauer gesagt das Eindringen des Materials in die Poren der porösen Vorlage durch Ausnutzen von Schwerkraft, von Kapillarkräften oder von Schwerkraft und Kapillarkräften erfolgt.Passive incorporation of the material is understood to mean that the material is applied to the porous backing and the introduction, more specifically, the penetration of the material into the pores of the porous backing is accomplished by utilizing gravity, capillary forces, or gravity and capillary forces.
Unter aktivem Einbringen von Material ist zu verstehen, dass das Material auf die poröse Vorlage aufgebracht wird, und das Einbringen, genauer gesagt das Eindringen des Materials in die Poren der porösen Vorlage aktiv unterstützt wird, indem beispielsweise das Material auf einer ersten Fläche, deren Ausbreitung im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitung der Dicke a der porösen Vorlage erfolgt, und auf diese erste Fläche aufweisend das Material ein Druck ausgeübt wird, dessen Wirkrichtung im Wesentlichen parallel zur Ausbreitung der Dicke a der porösen Vorlage, und somit im Westlichen parallel zum Verlauf der Poren innerhalb der porösen Vorlage, angelegt wird.Active incorporation of material is understood to mean that the material is applied to the porous backing and the introduction, more specifically the penetration, of the material into the pores of the porous backing is actively assisted by, for example, spreading the material over a first surface is carried out substantially perpendicular to the propagation of the thickness a of the porous template, and on this first surface comprising the material, a pressure is exerted, the effective direction substantially parallel to the propagation of the thickness a of the porous template, and thus in the Western parallel to the course of the pores within the porous template, is created.
Vorzugsweise wird zusätzlich an einer zweiten Fläche, welche im Wesentlich parallel verlaufend zur ersten Fläche von dieser in einem Abstand, im Wesentlichen entsprechend dem Betrag der Dicke a, beabstandet angeordnet ist, ein Vakuum angelegt, dessen Wirkrichtung im Wesentlichen parallel zur Wirkrichtung des angelegten Druckes angeordnet ist.Preferably, in addition to a second surface, which is arranged substantially parallel to the first surface of this at a distance substantially corresponding to the magnitude of the thickness a, a vacuum applied, the effective direction arranged substantially parallel to the effective direction of the applied pressure is.
Es versteht sich von selbst, dass beim aktiven Einbringen des Materials auch weiterhin die Kräfte wirken können, welche beim passiven Einbringen des Materials wirken. It goes without saying that when the material is actively introduced, the forces acting on the passive introduction of the material can continue to act.
Durch das aktive Einbringen des Materials wird vorzugsweise die Wirkung der Kräfte, welche beim passiven Einbringen des Materials wirken unterstützt und/oder verstärkt.The active introduction of the material preferably supports and / or enhances the effect of the forces which act on the passive introduction of the material.
Das gleichzeitige Anlegen von Druck und Vakuum ist bevorzugt, es ist aber ebenso bevorzugt nur Druck oder nur Vakuum anzulegen, oder Druck und Vakuum abwechselnd anzulegen.The simultaneous application of pressure and vacuum is preferred, but it is also preferred to apply only pressure or only vacuum, or to apply pressure and vacuum alternately.
Ebenso versteht es sich, auch wenn vorstehend nicht ausdrücklich erwähnt, dass beim aktiven Einbringen des Materials in die Poren der porösen Vorlage diese sich in einem Behältnis befinden sollte, welches Vorrichtungen aufweist, um das Anlegen und/oder Aufrechterhalten von Druck und/oder Vakuum gewährleisten zu können.It is also understood, although not expressly stated above, that when the material is actively introduced into the pores of the porous receiver, it should be in a container having means to ensure the application and / or maintenance of pressure and / or vacuum to be able to.
Vorzugsweise wird mindestens ein erstes Material im Wesentlichen vollständig, aber zumindest teilweise in die Poren eingebracht, und mindestens ein zweites Material zumindest teilweise auf vorzugsweise einer Oberfläche der porösen Vorlage, welche vorzugsweise zumindest teilweise senkrecht zum Längenverlauf der Poren der porösen Vorlage, angeordnet ist, aufgebracht, und stoffschlüssig mit dem mindestens ersten Material welches in den Poren befindlich ist verbunden. Das mindestens erste Material und das mindestens zweite Material können identisch oder voneinander verschieden sein.Preferably, at least one first material is introduced substantially completely, but at least partially into the pores, and at least one second material is applied at least partially on preferably one surface of the porous template, which is preferably at least partially perpendicular to the length of the pores of the porous template , and materially connected to the at least first material which is located in the pores. The at least first material and the at least second material may be identical or different from each other.
Nach dem aktiven oder passiven Aufbringen und/oder Einbringen des Materials auf die poröse Vorlage kann ein Verfestigungsschritt folgen.After the active or passive application and / or introduction of the material on the porous template, a solidification step can follow.
Unter Verfestigungsschritt ist zu verstehen, dass Maßnahmen durchgeführt werden, welche das Material, welches die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente zumindest teilweise aufweisen, verfestigen. Die Verfestigung kann beispielsweise durch verdampfen von Lösemittel, zumindest teilweise Trocknung, Pressen des Materials oder einer Polymerisation des Materials geschehen.The solidification step is to be understood as meaning that measures are carried out which solidify the material which at least partially comprises the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements. The solidification can be done for example by evaporation of solvent, at least partially drying, pressing the material or a polymerization of the material.
Vorzugsweise wird die Verfestigung des Materials soweit ausgeführt, dass die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente ausgebildet werden, welche in einem nachfolgenden Abtrennschritt vorzugsweise möglichst vollständig zerstörungsfrei von der porösen Vorlage abzutrennen ist. Die Abtrennung kann dabei durch Abziehen der Feinstrukturelemente oder der mindestens eine Schicht und der Feinstrukturelemente von der porösen Vorlage erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass dabei auch die poröse Vorlage im Wesentlichen zerstörungsfrei von den Feinstrukturelementen oder der mindestens einen Schicht und den Feinstrukturelemente abgetrennt werden kann, um nach einem möglichen Reinigungsschritt, für ein erneutes Aufbringen von Material zur Ausbildung von Feinstrukturelementen oder der mindestens einen Schicht und den Feinstrukturelemente zur Verwendung in elektrochemischen Zellen bereitgestellt werden kann.Preferably, the solidification of the material is carried out so far that the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements are formed, which is preferably in a subsequent separation step as completely destructively separate from the porous template. The separation can be effected by subtracting the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements of the porous template. This has the advantage that in this case also the porous template can be separated from the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements substantially non-destructively, after a possible cleaning step, for a new application of material for forming fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements may be provided for use in electrochemical cells.
Es ist aber auch möglich, dass die poröse Vorlage nicht zerstörungsfrei von den Feinstrukturelementen oder der mindestens einen Schicht und den Feinstrukturelementen abgetrennt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die poröse Vorlage bis zu einer Temperatur (welche der Siede- oder Schmelztemperatur des Materials der porösen Vorlage entsprechen kann) oder darüber hinaus erhitzt wird, und so die poröse Vorlage verflüssigt oder verdampft wird. Dabei ist darauf zu achten, dass die Temperatur niedriger ist, als die Schmelztemperatur oder Siedtemperatur oder Sublimationstemperatur des Materials welches die Feinstrukturelemente oder die mindestens eine Schicht und die Feinstrukturelemente zumindest teilweise aufweisen.But it is also possible that the porous template is not destructively separated from the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements. This can be done, for example, by heating the porous receiver to a temperature (which may be the boiling or melting temperature of the material of the porous template) or beyond, thus liquefying or vaporizing the porous receiver. It is important to ensure that the temperature is lower than the melting temperature or boiling point or sublimation of the material which have at least partially the fine structure elements or the at least one layer and the fine structure elements.
Eine weitere Möglichkeit die poröse Vorlage nicht zerstörungsfrei von den Feinstrukturelementen oder der mindestens einen Schicht und den Feinstrukturelementen abzutrennen, ist es die poröse Vorlage chemisch (beispielsweise durch Lösemittel oder Reagenzien, welche mit dem Material der Vorlagenschicht reagieren, und dieses zersetzen) oder physikalisch (beispielsweise Strahlung oder Verdampfung) zu behandeln, wodurch die Molekularstruktur des Material aus welchem die poröse Vorlage besteht, aufgelöst wird.Another way to non-destructively separate the porous template from the fine structure elements or at least one layer and the fine structure elements, it is the porous template chemically (for example, by solvents or reagents which react with the material of the master layer and decompose this) or physically (for example Radiation or evaporation), whereby the molecular structure of the material constituting the porous template is dissolved.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle mindestens eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und mindestens einen Separator auf, der die positive von der negativen Elektrode trennt, wobei mindestens eine Elektrode mindestens eine Schicht mit Aktivmaterial und mindestens ein Substrat aufweist, wobei zumindest teilweise zwischen der einen Schicht mit Aktivmaterial und dem mindestens einem Substrat Feinstrukturelemente angeordnet sind.In a preferred embodiment, an electrochemical cell according to the invention comprises at least one positive electrode, one negative electrode and at least one separator separating the positive from the negative electrode, at least one electrode having at least one layer of active material and at least one substrate between the one layer with active material and the at least one substrate fine structure elements are arranged.
Separator separator
In einer Ausführungsform wird ein Separator verwendet, welcher die positive Elektrode von der negativen Elektrode trennt, und nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, und welcher aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht. Der Träger ist vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht-verwebtes Vlies ausgestaltet ist.In one embodiment, a separator is used which separates the positive electrode from the negative electrode and is not or only poorly electron-conducting, and which consists of an at least partially permeable carrier. The support is preferably coated on at least one side with an inorganic material. As at least partially permeable carrier is preferably an organic material is used, which is preferably designed as a non-woven fabric.
Das organische Material, welches vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein oder mehrere Polymere, ausgewählt aus Polyethylenterephthalat (PET), Polyolefin oder Polyetherimid, aufweist, ist mit einem anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist, und bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Silikate, Titanate, Sulfate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zirkon, Aluminium, Lithium und besonders bevorzugt Zirkonoxid, aufweist.The organic material, which preferably comprises a polymer and more preferably one or more polymers selected from polyethylene terephthalate (PET), polyolefin or polyetherimide, is coated with an inorganic, preferably ion-conducting, material, which is more preferably in a temperature range of -40 ° C is at least 200 ° C ion conducting, and preferably at least one compound selected from the group of oxides, phosphates, silicates, titanates, sulfates, aluminosilicates with at least one of zirconium, aluminum, lithium and more preferably zirconium oxide.
Bevorzugt weist das anorganische, ionenleitende Material des Separators Partikel mit einem Größendurchmesser unter 100 nm, vorzugsweise von 0,5 bis 7 μm, vorzugsweise von 1 bis 5 μm, vorzugsweise von 1,5 bis 3 μm auf.The inorganic, ion-conducting material of the separator preferably has particles with a size diameter below 100 nm, preferably from 0.5 to 7 μm, preferably from 1 to 5 μm, preferably from 1.5 to 3 μm.
In einer Ausführungsform weist der Separator eine auf und in dem Vlies befindliche poröse anorganische Beschichtung auf, die Aluminiumoxid-Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von 0,5 bis 7 μm, bevorzugt von 1 bis 5 μm und ganz besonders bevorzugt von 1,5 bis 3 μm aufweist, die mit einem Oxid der Elemente Zr oder Si verklebt sind.In one embodiment, the separator has a porous inorganic coating on and in the nonwoven, the aluminum oxide particles having an average particle size of from 0.5 to 7 μm, preferably from 1 to 5 μm and very particularly preferably from 1.5 to 3 μm, which are bonded to an oxide of the elements Zr or Si.
Um eine möglichst hohe Porosität zu erzielen, liegen bevorzugt mehr als 50 Gew.-% und besonders bevorzugt mehr als 80 Gew.-% aller Partikel in den oben genannten Grenzen der mittleren Partikelgröße. Vorzugsweise beträgt die maximale Partikelgröße vorzugsweise 1/3 bis 1/5 und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1/10 der Dicke des eingesetzten Vlieses.In order to achieve the highest possible porosity, preferably more than 50% by weight and more preferably more than 80% by weight of all particles are within the abovementioned limits of average particle size. Preferably, the maximum particle size is preferably 1/3 to 1/5 and more preferably less than or equal to 1/10 of the thickness of the nonwoven fabric used.
Geeignete Polyolefine sind vorzugsweise Polyethylen, Polypropylen oder Polymethylpenten. Besonders bevorzugt ist Polypropylen. Der Einsatz von Polyamiden, Polyacrylnitrilen, Polycarbonaten, Polysulfonen, Polyethersulfonen, Polyvinylidenfluoriden, Polystyrolen als organisches Trägermaterial ist gleichfalls denkbar. Es können auch Mischungen der Polymeren verwendet werden.Suitable polyolefins are preferably polyethylene, polypropylene or polymethylpentene. Particularly preferred is polypropylene. The use of polyamides, polyacrylonitriles, polycarbonates, polysulfones, polyethersulfones, polyvinylidene fluorides, polystyrenes as organic carrier material is also conceivable. It is also possible to use mixtures of the polymers.
Ein Separator mit PET als Trägermaterial ist im Handel erhältlich unter der Bezeichnung Separion®. Er kann nach Methoden hergestellt werden, wie sie in der
Der Begriff ”nicht verwebtes Vlies” bedeutet, dass die Polymeren in Form von Fasern in nicht gewebter Form vorliegen (non-woven fabric). Derartige Vliese sind aus dem Stand der Technik bekannt und/oder können nach den bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch einen Spinnvliesprozess oder ein Schmelzblasverfahren wie beispielweise in
Vorzugsweise weist der Separator ein Vlies auf, welches eine durchschnittliche Dicke von 5 bis 30 μm, vorzugsweise von 10 bis 20 μm aufweist. Vorzugsweise ist das Vlies flexibel ausgestaltet. Vorzugsweise weist das Vlies eine homogene Porenradienverteilung auf, vorzugsweise weisen mindestens 50% der Poren einen Porenradius von 75 bis 100 μm auf. Vorzugsweise weist das Vlies eine Porosität von 50%, vorzugsweise von 50 bis 97% auf.Preferably, the separator comprises a nonwoven having an average thickness of 5 to 30 microns, preferably from 10 to 20 microns. Preferably, the fleece is flexible. Preferably, the nonwoven fabric has a homogeneous pore radius distribution, preferably at least 50% of the pores have a pore radius of 75 to 100 μm. Preferably, the web has a porosity of 50%, preferably from 50 to 97%.
„Porosität” ist definiert als Volumen des Vlieses (100%) minus Volumen der Fasern des Vlieses (Entspricht dem Anteil am Volumen des Vlieses, der nicht von Material ausgefüllt wird). Das Volumen des Vlieses kann dabei aus den Abmessungen des Vlieses berechnet werden. Das Volumen der Fasern ergibt sich aus dem gemessen Gewicht des betrachteten Vlieses und der Dichte der Polymerfasern. Die große Porosität des Vlieses ermöglicht auch eine höhere Porosität des Separators, weshalb eine höhere Aufnahme an Elektrolyten mit dem Separator erzielt werden kann."Porosity" is defined as the volume of the web (100%) minus the volume of the fibers of the web (corresponds to the fraction of the volume of the web that is not filled by material). The volume of the fleece can be calculated from the dimensions of the fleece. The volume of the fibers results from the measured weight of the fleece considered and the density of the polymer fibers. The large porosity of the web also allows for a higher porosity of the separator, therefore a higher uptake of electrolytes with the separator can be achieved.
In einer weiteren Ausführungsform besteht der Separator aus einem Polyethylenglykolterephthalat, einem Polyolefin, einem Polyetherimid, einem Polyamid, einem Polyacrylnitril, einem Polycarbonat, einem Polysulfon, einem Polyethersulfon, einem Polyvinylidenfluorid, einem Polystyrol, oder Mischungen davon. Vorzugsweise besteht der Separator aus einem Polyolefin oder aus einem Gemisch von Polyolefinen. Besonders bevorzugt in dieser Ausführungsform ist dann ein Separator, der aus einem Gemisch von Polyethylen und Polypropylen besteht.In a further embodiment, the separator consists of a polyethylene glycol terephthalate, a polyolefin, a polyetherimide, a polyamide, a polyacrylonitrile, a polycarbonate, a polysulfone, a polyethersulfone, a polyvinylidene fluoride, a polystyrene, or mixtures thereof. Preferably, the separator consists of a polyolefin or of a mixture of polyolefins. Especially preferred in this embodiment is then a separator consisting of a mixture of polyethylene and polypropylene.
Vorzugsweise weisen solche Separatoren eine Schichtdicke von 3 bis 14 μm auf.Preferably, such separators have a layer thickness of 3 to 14 .mu.m.
Die Polymeren liegen vorzugsweise in Form von Faservliesen vor, wobei die Polymerfasern vorzugsweise einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,1 bis 10 μm, vorzugsweise von 1 bis 4 μm aufweisen.The polymers are preferably in the form of fiber webs, wherein the polymer fibers preferably have an average diameter of 0.1 to 10 microns, preferably from 1 to 4 microns.
Der Begriff ”Mischung” oder ”Gemisch” der Polymeren bedeutet, dass die Polymeren vorzugsweise in Form ihrer Vliese vorliegen, die miteinander schichtweise verbunden sind. Derartige Vliese bzw. Vliesverbunde werden beispielsweise in
In einer weiteren Ausführungsform des Separators besteht dieser aus einem anorganischen Material. Vorzugsweise werden als anorganisches Material Oxide des Magnesiums, Calciums, Aluminiums, Siliziums und Titans eingesetzt, sowie Silikate und Zeolithe, Borate und Phosphate. Derartige Materialien für Separatoren sowie Verfahren zur Herstellung der Separatoren werden in
In einer weiteren Ausführungsform des Separators können 50 bis 80 Gew.-% des Magnesiumoxids durch Calciumoxid, Bariumoxid, Bariumcarbonat, Lithium-, Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Calcium-, Bariumphosphat oder durch Lithium-, Natrium-, Kaliumborat, oder Mischungen dieser Verbindungen, ersetzt sein.In a further embodiment of the separator 50 to 80 wt .-% of the magnesium oxide by calcium oxide, barium oxide, barium carbonate, lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium, barium phosphate or by lithium, sodium, potassium borate, or Mixtures of these compounds, be replaced.
Vorzugsweise weisen die Separatoren dieser Ausführungsform eine Schichtdicke von 4 bis 25 μm auf.The separators of this embodiment preferably have a layer thickness of 4 to 25 μm.
Elektrolytelectrolyte
Als Elektrolyt kann ein nicht-wässriger Elektrolyt, bestehend aus einem organischen Lösemittel und einem lithiumionenhaltigen, anorganischen oder organischen Salz, verwendet werden.As the electrolyte, a non-aqueous electrolyte consisting of an organic solvent and a lithium ion-containing, inorganic or organic salt can be used.
Vorzugsweise wird das organische Lösemittel ausgewählt aus Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylcarbonat, Dipropylcarbonat, 1,2-Dimethoxyetha, γ-Butyrolacton, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxylan, Sulfulan, Acetonitril oder Phosphorsäureester, oder Mischungen dieser Lösemittel.The organic solvent is preferably selected from ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, 1,2-dimethoxyethyne, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxane, sulfulane, acetonitrile or phosphoric acid esters, or mixtures of these solvents.
Vorzugsweise weist das lithiumionenhaltige Salz ein oder mehrere Gegenionen auf, ausgewählt aus AsF6 –, PF6 –, PF3(C2F5)3 –, PF3(CF3)3 –, BF4 –, BF2(CF3)2 –, BF3(CF3)–, [BCOOCOO)2 –], CF3SO3 –, C4F9SO3 –, [(CF3SO2)2N]–,[(C2F5SO2)N]–, [(CN)2N]–, ClO4 –.Preferably, the lithium ion-containing salt has one or more counterions selected from AsF 6 - , PF 6 - , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 - , PF 3 (CF 3 ) 3 - , BF 4 - , BF 2 (CF 3 ) 2 - , BF 3 (CF 3 ) - , [BCOOCOO) 2 - ], CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - , [(CF 3 SO 2 ) 2 N] - , [(C 2 F 5 SO 2 ) N] - , [(CN) 2 N] - , ClO 4 - .
Vorzugsweise ist der Separator der elektrochemischen Zelle mit dem Elektrolyten gekränkt. In einer Ausführungsform ist der Separator mit einem Elektrolyten getränkt, welcher als ionische Flüssigkeit ausgestaltet ist. Weiterhin kann der Elektrolyt Hilfsstoffe umfassen, die in Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien üblicherweise Anwendung finden. Beispielsweise sind dies Radikalfänger wie Biphenyl, flammhemmende Zusätze wie organische Phosphorsäureester oder Hexamethylphosphoramid, oder Säurefänger wie Amine.Preferably, the separator of the electrochemical cell is infiltrated with the electrolyte. In one embodiment, the separator is impregnated with an electrolyte which is designed as an ionic liquid. Furthermore, the electrolyte may include adjuvants that are commonly used in electrolytes for lithium-ion batteries. For example, these are free-radical scavengers such as biphenyl, flame retardant additives such as organic phosphoric acid esters or hexamethylphosphoramide, or acid scavengers such as amines.
Additive wie Phenylencarbonat, welche die Bildung der ”Solid Electrolytes Interface”-Schicht (SEI) auf den Elektroden beeinflussen können, sind ebenfalls einsetzbar.Additives such as phenylene carbonate, which may affect the formation of the solid electrolytes interface (SEI) layer on the electrodes, are also useful.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, welches folgende Schritte aufweist:
- • Bereitstellen mindestens einer positiven Elektrode
- • Bereitstellen mindestens einer negativen Elektrode
- • Bereitstellen einer Zwischenschicht, welche zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet wird
- • Zusammenbau der elektrochemischen Zelle entsprechend der Abfolge positive Elektrode/Zwischenschicht/negative Elektrode,
- • Provide at least one positive electrode
- • Provide at least one negative electrode
- Providing an intermediate layer which is arranged between the positive electrode and the negative electrode
- Assembly of the electrochemical cell according to the sequence of positive electrode / intermediate layer / negative electrode,
Als Zwischenschicht kann ein Separator oder ein Polymerelektrolyt dienen. Der Separator wird mit Elektrolyt getränkt in die elektrochemische Zelle eingebaut. As an intermediate layer may serve a separator or a polymer electrolyte. The separator is impregnated with electrolyte and built into the electrochemical cell.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle kann zur Energieversorgung für mobile Informationseinrichtungen, Werkzeuge, elektrisch betriebene Automobile und für Automobile mit Hybrid-Antrieb verwendet werden.The electrochemical cell of the present invention can be used to power mobile information equipment, tools, electric powered automobiles, and hybrid drive automobiles.
Weiterhin zeigt
In einem ersten Schritt wird eine poröse Vorlage
In einem zweiten Schritt wird ein erstes Material oder eine erste Materialmischung
In einem dritten Schritt wird Druck auf die Oberfläche auf welche das erste Material oder die erste Materialmischung
In einem vierten Schritt wird ein zweites Material oder eine zweite Materialmischung
In einem fünften Schritt wird die Schicht aufweisend das zweite Material oder die zweite Materialmischung
In einem sechsten Schritt können nun die Schicht
Im Vergleich zur erfindungsgemäßen Elektrode
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