DE102014208145B3

DE102014208145B3 - Batteriezelle mit einer beschichteten Elektrode sowie deren Herstellung

Info

Publication number: DE102014208145B3
Application number: DE102014208145.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Netz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2034-05-01
Also published as: US9692055B2; US20150318551A1

Abstract

Es wird eine Batteriezelle (10) mit einer positiven Elektrode (3) und einer negativen Elektrode (1) beschrieben, wobei die insbesondere negative Elektrode (1) eine Beschichtung (5) aus einem Polymer, welches Katecholgruppen enthält, umfasst und wobei die Beschichtung (5) eine Trockenbeschichtung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle mit einer Beschichtung der insbesondere negativen Elektrode sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Eine Batteriezelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, wie auch bei Elektronikgeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohen Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Aufgrund ihrer großen Energiedichte wird insbesondere an Batterien mit Anodenmaterial aus Lithium als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge geforscht.
In der US 20130302666 A1 wird die Herstellung eines Aktivmaterials für eine Lithium-Batterie beschrieben. Das Aktivmaterial umfasst Lithium-Metalloxidpartikel, die mit Polydopamin beschichtet werden.
Die WO 2012/128460 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines hydrophilen porösen Separators, welcher durch Eintauchen in gelöstes Dopamin mit einer Polydopaminschicht überzogen ist.
In der KR 101190364 B1 wird eine negative Elektrode beschrieben, auf welche beispielsweise eine Polydopamin-Schicht durch ein dipcoating-Verfahren aufgebracht ist. Hierbei liegt das Polydopamin gelöst vor.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode, wobei die insbesondere negative Elektrode eine Beschichtung aus einem Polymer, welches Katecholgruppen enthält, aufweist und wobei die Beschichtung eine Trockenbeschichtung ist. bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer insbesondere negativen Elektrode mit der Beschichtung, mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt.
Eine Katecholgruppe umfasst einen Benzolring mit zwei sich in ortho-Position befindenden Hydroxygruppen.
Beim Laden einer Batteriezelle kann es zu dendritischen Abscheidungen, beispielsweise von Lithium, kommen, die senkrecht zur Anode als Dendriten auf der Anode anwachsen und räumlich nachfolgende Elemente, beispielsweise einen Separator, welcher zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, durchstoßen können, wenn sie nicht rechtzeitig bemerkt werden. Dies hat meistens einen Kurzschluss zur Folge.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Beschichtung einer Elektrode, insbesondere einer Anode, aus einem Polymer welches Katecholgruppen enthält und trocken auf die Elektrode aufgebracht wird ist, dass diese als Schutzschicht dient und so das Wachstum von Dendriten unterbindet. Dadurch erhöht sich die Sicherheit der Elektrode und somit die Sicherheit der Batteriezelle bzw. der Batterie.
Die Beschichtung unterbindet des Weiteren ungewollte chemische Reaktionen zwischen der Elektrode und einem Elektrolyten.
Es ist vorteilhaft, die Beschichtung aus einem Polymer, welches Katecholgruppen enthält, als trockene lösemittelfreie Beschichtung auf die insbesondere negative Elektrode aufzubringen. Auf diese Weise werden ungewollte chemische Reaktionen, wie sie beispielsweise bei einer Beschichtung einer Lithium-Anode mittels dip-coating auftreten würden, verhindert. Zudem wäre das Lithium in diesem Fall in der Beschichtungslösung enthaltenen Oxidationsmitteln beim dip-coating ausgesetzt, was die Bildung von ungewollten Deckschichten zur Folge hätte.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Beschichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die negative Elektrode aus metallischem Lithium oder einer Lithiumlegierung ausgeführt.
Ein großer Vorteil liegt in der Erhöhung der Energiedichte durch den Einsatz von Lithium als Anodenmaterial. Somit ist auch die Kapazität der Batteriezelle deutlich höher.
Einige Muscheln, beispielsweise Miesmuscheln der Art M. edulis, sondern ein klebendes Sekret ab, welches einen hohen Anteil an Polydopamin aufweist. Polydopamin setzt sich aus Dopaminmolekülen zusammen, welche einen Film bilden. Mit diesem können die Muscheln sich auf beliebigen Oberflächen festhalten. Diese Haftwirkung wird unter anderem über die Katecholgruppen des Polydopamins vermittelt.
In einer Ausführungsform ist es von Vorteil eine Elektrode, insbesondere eine Anode, mit einer Beschichtung aus Polydopamin zu versehen, da die adhäsive Wirkung zum einen sehr stark ist, wodurch eine Dendritenbildung effektiv verhindert wird, und Polydopamin zum anderen auch in wässriger Umgebung sowie gegenüber organischen Lösungsmitteln stabil ist.
In einer Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn die Beschichtung die Polymere Polydopamin und Polyethylen und/oder Polyethylenoxid umfasst, da durch die Kombination dieser Polymere dickere und somit stabilere Beschichtungen mit guter Haftung realisiert werden können, die die Bildung von Dendriten verhindern.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung aus Polydopamin und Polyethylen und/oder Polyethylenoxid mindestens 20 μm umfasst, da so eine hohe Stabilität der Beschichtung gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Beschichtung aus den Polymeren Polydopamin sowie Polyethylen und/oder Polyethylenoxid einen Separator, welcher zwischen der negativen und der positiven Elektrode angeordnet ist, ersetzt. Die Beschichtung übernimmt dann zum einen eine Schutzfunktion, beispielsweise vor einer Dendritenbildung und dient zum anderen zur Separierung der Elektrodenräume. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Batteriezelle erfolgt zum einen schneller und einfacher und zum anderen können Kosten wie beispielsweise Material- und Produktionskosten eingespart werden.
Vorteilhaft ist ein Verfahren zur Herstellung einer insbesondere negativen Elektrode mit einer Beschichtung, wobei die Beschichtung ein Polymer, welches Katecholgruppen enthält, umfasst und wobei die Beschichtung trocken auf die insbesondere negative Elektrode aufgebracht ist und die folgenden Schritte umfasst:

– Herstellung einer trockenen pulverförmigen Trockenmasse
– Pressen der pulverförmigen Trockenmasse zu einem Trockenfilm
– Laminieren des Trockenfilms auf die insbesondere negative Elektrode und gegebenenfalls
– Nachverdichten des Trockenfilms

Ein Trockenbeschichtungsverfahren ist im Vergleich zu einem Nassbeschichtungsverfahren vorteilhaft, da beim Pressen beispielsweise keine gesundheitsschädlichen oder giftigen Lösungsmittel zum Einsatz kommen. Desweiteren ist der Vorgang des Laminierens einfach und kostengünstig. Desweiteren vorteilhaft ist ein Verfahren zur Herstellung einer insbesondere negativen Elektrode mit einer Beschichtung, wobei die Beschichtung ein Polymer, welches Katecholgruppen enthält, umfasst und wobei die Beschichtung trocken auf die insbesondere negative Elektrode aufgebracht ist und die folgenden Schritte umfasst:

– Herstellung einer trockenen pulverförmigen Trockenmasse
– Beschichtung der insbesondere negativen Elektrode mit der pulverförmigen Trockenmasse und gegebenenfalls
– Nachverdichten der trockenen Beschichtung

Hierbei kann der Laminier-Schritt entfallen, wodurch zusätzlich Zeit und Kosten eingespart werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1: die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer positiven Elektrode, einem Separator und einer negativen Elektrode, welche eine Beschichtung aufweist,
2: die Darstellung eines Ausschnitts der Strukturformel von Polydopamin,
3: die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode, welche eine Beschichtung aufweist, die einen Separator ersetzt,
4: die schematische Darstellung eines Kalanders zur Herstellung eines Trockenfilms, und
5: die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Laminierung einer Elektrode mit einem Trockenfilm.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Batteriezelle 10 mit einer positiven Elektrode 3, einem Separator 9 und einer negativen Elektrode 1. Die negative Elektrode 1 weist eine Beschichtung 5 aus einem Polymer auf, welches Katecholgruppen enthält und trocken auf die negative Elektrode 1 aufgebracht ist. Als Ionenleiter wird ein nicht dargestellter Elektrolyt verwendet.
Zusätzlich oder alternativ kann auch die positive Elektrode 3 eine entsprechende Beschichtung 5 aufweisen.
Bevorzugt ist das Polymer welches Katecholgruppen enthält und trocken auf die negative Elektrode 1 aufgebracht ist Polydopamin. In einer alternativen Ausführungsform enthält die Beschichtung 5 die Polymere Polydopamin und Polyethylen und/oder Polyethylenoxid.
In 2 ist ein Ausschnitt der Strukturformel von Polydopamin dargestellt. Die drei dargestellten Dopaminmoleküle des Polydopamins sind über Peptidbindungen miteinander verknüpft.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10 dargestellt, mit einer positiven Elektrode 3 und einer negativen Elektrode 1, welche eine Beschichtung 5 aus einem Polymer, welches Katecholgruppen enthält und trocken auf die negative Elektrode 1 aufgebracht ist, enthält. Die Beschichtung 5 ersetzt den Separator 9.
Das Polymer, welches Katecholgruppen enthält und trocken auf die negative Elektrode 1 aufgebracht ist, ist beispielsweise Polydopamin. Besonders bevorzugt enthält die Beschichtung 5 eine Kombination der Polymere Polydopamin und Polyethylen und/oder Polyethylenoxid und umfasst insbesondere mindestens eine Dicke von 20 μm.
In 4 ist ein Kalander 15 zur Herstellung der Beschichtung 5 dargestellt. Der Kalander 15 umfasst 4 Walzen 11, beispielsweise Stahlwalzen, welche vorzugsweise beheizt werden. Zwischen die beiden obersten Walzen 11 wird die pulverförmige Trockenmasse 13 für die Beschichtung 5, welche beispielsweise in einem Trockenmischer hergestellt wurde, gegeben. Die Trockenmasse 13 wird durch die Walzen 11 zu einem freistehenden Trockenfilm 19 gepresst. Die Trockenmasse 13 umfasst in einer Ausführungsform Polydopamin und einen Binder, beispielsweise Polytetrafluoroethylen. In einer alternativen Ausführungsform enthält die Trockenmasse 13 eine Kombination der Polymere Polydopamin sowie Polyethylen und/oder Polyethylenoxid und einem Binder, beispielsweise Polytetrafluoroethylen.
In 5 ist eine Vorrichtung zur Laminierung 17 einer Elektrode 1, 3 mit einem Trockenfilm 19 dargestellt. Auf die Elektrode 1, 3, umfassend eine Metallfolie, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, auf welche das Aktivmaterial, beispielsweise metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung, aufgebracht ist, wird der Trockenfilm 19 auflaminiert. Hierzu wird der Trockenfilm 19, beispielsweise indem Druck von zwei Walzen 11 auf die Elektrode 1, 3 und die Beschichtung 5 ausgeübt wird, auf die Elektrode 1, 3 aufgebracht, sodass der Trockenfilm 19 die Beschichtung 5 bildet. Vorzugsweise sind die Walzen 11 hierbei beheizt.
Alternativ zu den in und gezeigten Schritten kann die Elektrode 1, 3 auch direkt mit der pulverförmigen Trockenmasse 13 beschichtet werden, beispielsweise in einem Kalander 15.
Nachdem die Beschichtung 5 entweder direkt als Pulver oder durch Auflaminieren eines Trockenfilms 19 auf die Elektrode 1, 3 aufgebracht wurde, wird die Beschichtung 5 insbesondere nachverdichtet. Die Nachverdichtung erfolgt an einem Kalander.

Claims

Batteriezelle (10) mit einer positiven Elektrode (3) und einer negativen Elektrode (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden (1, 3) eine Beschichtung (5) enthaltend ein Polymer, welches Katecholgruppen enthält, aufweist, wobei die Beschichtung (5) eine Trockenbeschichtung ist und wobei die Beschichtung (5) Polydopamin sowie Polyethylen und/oder Polyethylenoxid umfasst.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Elektrode (1) metallisches Lithium umfasst.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer mit Katecholgruppen Polydopamin ist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) mindestens eine Dicke von 20 μm umfasst.
Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) der negativen Elektrode (1) zwischen der negativen (1) und der positiven Elektrode (3) angeordnet ist und einen Separator (9) ersetzt.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (1) einer Batteriezelle (10) mit einer Beschichtung (5), wobei die Beschichtung (5) ein Polymer, welches Katecholgruppen enthält, umfasst und wobei die Beschichtung (5) trocken auf die Elektrode (1) aufgebracht wird, umfassend die folgenden Schritte: – Herstellung einer trockenen pulverförmigen Trockenmasse (13) – Pressen der pulverförmigen Trockenmasse (13) zu einem Trockenfilm (19) – Laminieren des Trockenfilms (19) auf die Elektrode (1), sodass der Trockenfilm (19) die Beschichtung (5) bildet.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (1) einer Batteriezelle (10) mit einer Beschichtung (5), wobei die Beschichtung (5) ein Polymer, welches Katecholgruppen enthält, umfasst und wobei die Beschichtung (5) durch ein Trockenbeschichtungsverfahren auf die Elektrode (1) aufgebracht wird, umfassend die folgenden Schritte: – Herstellung einer trockenen pulverförmigen Trockenmasse (13) – Beschichtung (5) der Elektrode (1) mit der pulverförmigen Trockenmasse (13), sodass diese die Beschichtung (5) bildet – Nachverdichten der trockenen Beschichtung (5).