DE102014218143A1

DE102014218143A1 - Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Zelle

Info

Publication number: DE102014218143A1
Application number: DE102014218143.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Höfler; Jan-Oliver Roth; Matthias Wagner; Thomas Wöhrle; Tobias Zeilinger; Sebastian Scharner; Matthias Tschech; Jens Vetter; Sung-jin Kim
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-03-10

Abstract

Zur Herstellung einer Lithium-Zelle deren ein partikelförmiges Aktivmaterial und ein Bindemittel enthaltende positive und/oder negative Elektrode mit einem flüssigen Elektrolyt benetzt wird, wird die positive und/oder negative Elektrode vor der Benetzung mit dem flüssigen Elektrolyt einer Korona-Behandlung unterworfen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Zelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Lithium-Zelle ist ein Sammelbegriff für eine Vielzahl primärer und sekundärer Zellen, in denen Lithium in reiner oder gebundener Form als Aktivmaterial der negativen Elektrode verwendet wird.
Bei der Herstellung einer Lithium-Zelle wird auf eine Metall-Folie eine ein partikelförmiges Aktivmaterial und ein Bindemittel enthaltene Beschichtungsmasse aufgebracht, um die positive und/oder negative Elektrode zu bilden und die jeweilige Elektrode anschließend verpresst. Nach dem Einbringen des Separators zwischen den Elektroden wird in einem Gehäuse der flüssige Elektrolyt zugegeben.
Als Bindemittel, das die Anbindung der Aktivmaterial-Partikel untereinander und an die jeweilige Ableiterfolie sicherstellt, wird im Allgemeinen ein Polymeres, wie Polyvinylidendifluorid-Homopolymer oder ein Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen-Copolymer verwendet.
Der flüssige Elektrolyt wird im Allgemeinen durch eine Lösung von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) in organischen Lösemitteln gebildet. Als Lösungsmittel wird insbesondere Ethylencarbonat (EC) oder Diethylencarbonat (DEC) eingesetzt.
Da die Elektroden durch Aktivmaterial-Partikel gebildet sind, weisen sie eine poröse Struktur auf. Um die erforderliche Leitfähigkeit für die Lithium-Ionen sicherzustellen, ist es erforderlich, dass der flüssige Elektrolyt vollständig in die Elektroden eindringt und die Poren vollständig benetzt bzw. befüllt.
Andernfalls weist die Zelle eine unzureichende Hochstrombelastbarkeit, eine verringerte Zyklenstabilität und nutzbare Kapazität auf. Zudem kann bei unvollständiger Benetzung der Elektroden die Kapazität unkontrollierbar schwanken und es besteht die Gefahr eines Lithium-Plating, also einer Abscheidung von Lithium-Metall als Schwamm oder Dentriden an der negativen Elektrode.
Um eine möglichst vollständige Benetzung der Poren der Elektroden mit dem flüssigen Elektrolyt zu erreichen, werden derzeit verschiedene Maßnahmen durchgeführt, wie die Evakuierung mit Vakuum-Tränkung in Kombination mit einer Druckbeaufschlagung der finalen Zelle mit Druckplatten oder eine Temperung der Zelle und damit der Elektrode. Diese Maßnahmen werden unter Umständen mehrmals durchgeführt, sodass die Elektrolytbefüllung und das Tränken der Elektroden mit dem Elektrolyt („soaking”) zu langen Zykluszeiten und damit die Benetzung der Elektroden mit dem flüssigen Elektrolyt zu dem größten Engpass bei der Produktion von Lithium-Zellen führt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem eine vollständige Benetzung der Elektroden auf einfache Weise in kurzer Zeit sichergestellt werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die positive und/oder negative Elektrode vor der Benetzung mit dem flüssigen Elektrolyt einer Korona-Behandlung unterworfen wird.
Dadurch wird sichergestellt, dass der flüssige Elektrolyt schnell und vollständig in die Poren der Elektrode eindringt. Der Elektrolyt wird damit von der porösen Elektrode in so kurzer Zeit angesaugt, dass sich weitere Maßnahmen zur Benetzung der Elektrode erübrigen. Der vorstehend geschilderte, bisherige Engpass bei der Lithium-Zellen-Produktion ist damit überwunden.
Zudem weist die erfindungsgemäße Lithium-Zelle durch die mit dem Elektrolyten im Wesentlichen vollständig benetzten Poren der Elektroden eine hohe Hochstrombelastbarkeit und Zyklusstabilität sowie eine hohe konstante, nutzbare Kapazität auf. Auch ist die Gefahr eines Lithium-Plating damit beseitigt.
Wie festgestellt werden konnte, weisen die durch Verpressen verdichteten Elektroden durch das beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid-Polymer oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen-Copolymer oder Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) bestehende Bindemittel und/oder Bindemittel auf Cellulose-Basis sowie den mehr oder weniger großen Anteil an hydrophoben Aktivmaterial-Partikeln, wie Ruß, eine niedrige Oberflächenspannung auf, während der flüssige Elektrolyt beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat in einem organischen Lösungsmittel, vorzugsweise ein organisches Carbonat, wie Ethylencarbonat oder Diethylencarbonat eine hohe Oberflächenspannung besitzt.
Durch die erfindungsgemäße Koronabehandlung der Elektroden vor der Benetzung mit dem flüssigen Elektrolyt wird die niedrige Oberflächenspannung der Elektroden heraufgesetzt, sodass ihre Poren vollständig mit dem Elektrolyt benetzbar sind.
Die Korona-Behandlung wird vorzugsweise nach dem Verpressen der Elektroden, insbesondere durch Kalandrierung durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen geeignet. Die Lithium-Ionen-Zelle kann dabei auch eine Elektrode aus Lithium-Metall oder einer Lithium-Legierung aufweisen.
Dabei kann das Aktivmaterial der negativen Elektrode beispielsweise Graphit, Lithiummetall-Oxid, wie Lithium-Titanat, Zinnoxid oder ein Lithiummetallpulver, eine Silizium/Kohlenstoff-Mischung eine Silizium/Kohlenstoff-Mischung oder ein Pulver aus einer Lithium-Legierung oder auch SiO basiert sein. Das Aktivmaterial der positiven Elektrode kann demgegenüber zum Beispiel aus einem Lithiummetall-Oxid, wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂) Elektrodenbinder und gegebenenfalls Leitruß bestehen.
Vorzugsweise wird eine Lithium-Ionen-Zelle mit einer Lithium-interkalierenden positiven und/oder negativen Elektrode verwendet. Zur Lithium-Interkalation kann dazu die negative Elektrode im Wesentlichen aus Graphit und die positive Elektrode im Wesentlichen aus Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂) bestehen.
Die Korona-Behandlung wird vorzugsweise so lange durchgeführt, bis die Oberflächenspannung der Elektroden auf höchstens 60 mN/m, vorzugsweise auf 25–45 mN/m heraufgesetzt worden ist.
Die Oberflächenspannung der Elektroden kann beispielsweise mit der Prüftinten-Methode bestimmt werden. Dabei wird auf die Elektrode beispielsweise mit einem Pinsel eine gefärbte Flüssigkeit („Tinte”) mit einer definierten Oberflächenspannung aufgetragen. Wenn die Oberfläche der Elektrode damit benetzt wird, ohne sich zusammenzuziehen, weist die Elektrode eine Oberflächenspannung auf, die gleich oder größer ist als die der Prüftinte.
Die bei der Korona-Behandlung gebildeten Gase, wie Ozon, und gegebenenfalls gasförmige Zersetzungsprodukte, wie Partikel beispielsweise des Aktivmaterials können mit einer Absaugeinrichtung entfernt werden. Diese Absaugung hat einen sekundären positiven Effekt, da diese Ozon-Absaugung in der Regel sehr effektiv ist und auch Partikel, die im Vorprozess entstehen (z. B. Schneiden der Elektroden-Mutterrolle mittels Rollenschere) abreinigen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Zelle, deren ein partikelförmiges Aktivmaterial und ein Bindemittel enthaltende positive und/oder negative Elektrode mit einem flüssigen Elektrolyt benetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die positive und/oder negative Elektrode vor der Benetzung mit dem flüssigen Elektrolyt einer Korona-Behandlung unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithium-Zelle durch eine Lithium-Ionen-Zelle mit einer Lithium-interkalierenden positiven und/oder negativen Elektrode gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Bindemittel auf der Basis von Polyvinylidenfluorid-Homopolymer oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen-Copolymer und/oder Cellulose basiert ist und/oder einem Styrol-Butadien-Kautschuk ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiger Elektrolyt eine Lösung von Lithium-Hexafluorophosphat in organischen Carbonaten verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korona-Behandlung nach dem Verpressen der positiven und/oder negativen Elektrode durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die positive und/oder negative Elektrode der Korona-Behandlung unterworfen wird, bis die Oberflächenspannung höchstens 60 mN/m beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Korona-Behandlung entstehenden Gase und Partikel abgesaugt werden.