DE102016217367A1

DE102016217367A1 - Verfahren zur Herstellung eines Aktivmaterials für eine Elektrode einer Batteriezelle, Anordnung zur Herstellung eines Aktivmaterials für eine Elektrode einer Batteriezelle und Batteriezelle

Info

Publication number: DE102016217367A1
Application number: DE102016217367.7A
Authority: DE
Inventors: Herbert Gruhn; Harald Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2018-03-15
Also published as: WO2018050313A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aktivmaterials (41, 42) für eine Elektrode einer Batteriezelle, wobei ein Binder (70) mittels thermischen Spritzens in einer Spritzrichtung (S) in einen Reaktionsraum (60) eingebracht wird, und wobei ein Ladungsspeichermaterial (72) in einer von der Spritzrichtung (S) abweichenden Zuführrichtung (Z) derart in den Reaktionsraum (60) eingebracht wird, dass der Binder (70) und das Ladungsspeichermaterial (72) in dem Reaktionsraum (60) eine Verbindung eingehen, welche das Aktivmaterial (41, 42) bildet. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Herstellung eines Aktivmaterials (41, 42) für eine Elektrode einer Batteriezelle, umfassend eine Gehäuseeinheit (62), welche einen zumindest annähernd kreiszylindrisch um eine Mittelachse (A) ausgebildeten Reaktionsraum (60) aufweist, und eine thermische Spritzpistole (64), die derart in den Reaktionsraum (60) hineinragt, dass ein Binder (70) mittels thermischen Spritzens in einer Spritzrichtung (S), welche entlang der Mittelachse (A) verläuft, in den Reaktionsraum (60) einbringbar ist. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, die mindestens eine Elektrode mit einem Aktivmaterial (41, 42) umfasst, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aktivmaterials für eine Elektrode einer Batteriezelle, wobei ein Binder in einen Reaktionsraum eingebracht wird, und wobei ein Ladungsspeichermaterial in den Reaktionsraum eingebracht wird, und wobei der Binder und das Ladungsspeichermaterial in dem Reaktionsraum eine Verbindung eingehen, welche das Aktivmaterial bildet. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Herstellung eines Aktivmaterials für eine Elektrode einer Batteriezelle, sowie eine Batteriezelle, die eine Elektrode umfasst, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Stand der Technik
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Das Aktivmaterial für die Kathode enthält beispielsweise ein Metalloxid wie Li₂MnO₃ sowie eine NCM-Legierung, also eine Legierung aus Nickel, Cobald und Mangan. Das Aktivmaterial für die Anode enthält beispielsweise Silizium oder Graphit.
In das Aktivmaterial der Anode sind Lithiumatome eingelagert. Beim Betrieb der Batteriezelle, also bei einem Entladevorgang, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle wandern Lithiumionen bei einem Entladevorgang von der Anode zur Kathode. Dabei lagern die Lithiumionen aus dem Aktivmaterial der Anode reversibel aus, was auch als Delithiierung bezeichnet wird. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithiumionen von der Kathode zu der Anode. Dabei lagern die Lithiumionen wieder in das Aktivmaterial der Anode reversibel ein, was auch als Lithiierung bezeichnet wird.
Das Aktivmaterial der Elektroden umfasst oft mehrere Materialien, insbesondere ein Ladungsspeichermaterial, das selbst wenig leitfähig sein kann wie beispielweise Oxide oder NMC, eine elektronischen Leitkomponente wie beispielweise Leitruß oder Graphit sowie eine ionische Leitkomponente wie beispielweise einen flüssigen oder festen Elektrolyt. Um das Aktivmaterial mechanisch zu stabilisieren kann ein Binder, beispielweise ein Polymer, verwendet werden. Dabei müssen die einzelnen Komponenten des Aktivmaterials jede für sich ein Netzwerk ausbilden und miteinander und ineinander verschränkt sein um in ausreichendem Maße gleichzeitig mechanische Festigkeit sowie elektronische und ionische Leitfähigkeit sicher zu stellen. Das Aktivmaterial wird auf einem metallischen Stromableiter fixiert.
Verfahren zur Herstellung von Aktivmaterial sowie von Elektroden sind unter anderem aus den Dokumenten US 2005/0057888 A1 , US 2015/0061176 A1 , US 7 087 348 B2 und DE 10 2015 106 879 A1 bekannt. Aus dem Dokument US 4153661 A geht ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Verbundmaterials hervor.
Zur Erzeugung geschlossener sowie poröser Schichten können auch thermische Spritzverfahren verwendet werden. Beim thermischen Spritzen werden Partikel mit hoher Geschwindigkeit in einem Gas- oder Flüssigtreibstrahl auf die zu beschichtende Oberfläche geschossen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit eine Brennerflamme oder ein Plasma zu zünden und mit dem Partikelstrahl zu kombinieren. Nach Stand der Technik werden diese Verfahren nach DIN EN 657 nach Temperatur, Art der Flamme, kinetischer Energie der Partikel, ob in der Flamme chemische Reaktionen ablaufen usw. unterschieden.
Eine Beschreibung zum prinzipiellen Vorgehen zur Erzeugung von Schichten mittels "Cold Gas Spray" (CGS) Verfahren findet sich unter anderem in den Dokumenten US 2004/0037954 A1 und US 2006/0027687 A1 . Ein Vorteil des Kaltgasspray Verfahrens liegt dabei in der Vermeidung von Oxidation von gespritztem Material und Substrat.
Beim thermischen Spritzen treffen die Partikel unter einer Kombination von kinetischer Energie und Temperatur derart auf die zu beschichtende Oberfläche auf, dass der Partikel nahezu flüssig auf die Oberfläche platzt, dort erstarrt und sich sowohl mit der Oberfläche als auch mit den Nachbarpartikeln verkrallt. Durch geeignete Prozessführung kann die zu beschichtende Oberfläche vor unzulässiger Erwärmung geschützt werden. So können auch bei hohen Temperaturen schmelzende Metalle auf Polymere beschichtet werden.
Ferner können durch thermisches Spritzen auch Polymere zu geschlossenen Beschichtungen verarbeitet werden, wie beispielsweise aus Progress in Organic Coatings 49 (2004) 69–73, Properties of thermally sprayed fluoropolymer PVDF, ECTFE, PFA and FEP coatings, E. Leivo, T. Wilenius, T. Kinos, P. Vuoristo!, T. Mäntylä, Surface Engineering Laboratory, Institute of Materials Science, Tampere University of Technology, P.O. Box 589, FIN-33101 Tampere, Finland, Accepted 21 August 2003, bekannt ist.
Aus der US 5285967 A ist eine thermische Spritzpistole bekannt mittels welcher ein "High Velocity Oxygen Fuel" (HVOF) Verfahren durchführbar ist. Mittels der thermischen Spritzpistole können beispielsweise thermoplastische, metallische sowie keramische Verbundstoffe auf ein Substrat beschichtet werden.
Aus der US 4840859 A ist eine thermische Batterie bekannt, welche eine Anode mit Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall, einen Elektrolyt sowie ein Polymer und Mittel zum Heizen und Schmelzen des Polymers aufweist.
Aus dem Handbuch Verfahrenstechnik und Anlagenbau, ISBN 978-642-63550-0 sind Agglomerationsprozesse bekannt, bei denen Wasser auf Kohle gesprüht wird um definierte Kügelchen auszubilden. Ziel ist dabei die anschließend verfahrenstechnisch günstigere Prozessierung. Ein Verfahren zur Umformung von Abfällen in einen Werkstoff in Form von Kügelchen ist aus der DE 38 32 771 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aktivmaterials für eine Elektrode einer Batteriezelle vorgeschlagen. Dabei wird ein Binder mittels thermischen Spritzens in einer Spritzrichtung in einen Reaktionsraum eingebracht, und ein Ladungsspeichermaterial wird in einer Zuführrichtung, welche von der Spritzrichtung abweicht, derart in den Reaktionsraum eingebracht, dass der Binder und das Ladungsspeichermaterial in dem Reaktionsraum eine Verbindung eingehen, welche das Aktivmaterial bildet.
Der Binder ist vorzugsweise ein Polymer, insbesondere PVDF, PTFE, PE oder PP. Das Ladungsspeichermaterial ist beispielsweise ein Metalloxid oder NMC für ein kathodisches Aktivmaterial. Das Ladungsspeichermaterial ist beispielsweise Silizium oder Graphit für ein anodisches Aktivmaterial. Auch andere Ladungsspeichermaterialien sind denkbar.
Der Binder wird dabei vorzugsweise in Form von Partikeln mit einer Größe von etwa 1 bis 15 µm, besonders bevorzugt mit einer Größe von etwa 3 bis 5 µm, in den Reaktionsraum eingebracht. Das Ladungsspeichermaterial wird vorzugsweise in Form von Partikeln mit einer Größe von etwa 10 bis 40 µm, besonders bevorzugt mit einer Größe von etwa 10 bis 15 µm, in den Reaktionsraum eingebracht. Dabei kommt es zu Kollisionen der Partikel des Binders mit den Partikeln des Ladungsspeichermaterials und gegebenenfalls mit Partikeln von zusätzlich in den Reaktionsraum eingebrachten Komponenten. Dabei platzen die Partikel des Binders nahezu flüssig auf die Partikel des Ladungsspeichermaterials, erstarren dort und verkrallen sich mit den Partikeln des Ladungsspeichermaterials sowie mit weiteren Partikeln des Binders und gegebenenfalls mit Partikeln von zusätzlich in den Reaktionsraum eingebrachten Komponenten. Dadurch entstehen Agglomerate des Aktivmaterials, welche eine Größe zwischen 50 µm und 300 µm, insbesondere zwischen 60 µm und 100 µm, aufweisen.
In nachfolgenden Verfahrensschritten werden die so erzeugten Agglomerate des Aktivmaterials aus dem Reaktionsraum entnommen. Vorteilhaft fallen die Agglomerate des Aktivmaterials dabei durch die Schwerkraft in Gravitationsrichtung aus dem Reaktionsraum heraus, wodurch die Entnahme verhältnismäßig einfach ist. Anschließend wird ein Stromableiter, der vorzugsweise aus einem metallischen Material gefertigt ist, mit dem erzeugten Aktivmaterial beschichtet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich eine elektronische Leitkomponente in der Zuführrichtung derart in den Reaktionsraum eingebracht, dass der Binder und das Ladungsspeichermaterial und die elektronische Leitkomponente in dem Reaktionsraum eine Verbindung eingehen, welche das Aktivmaterial bildet. Bei der elektronischen Leitkomponente handelt es sich beispielsweise um Leitruß oder Graphit.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich eine ionische Leitkomponente in der Zuführrichtung derart in den Reaktionsraum eingebracht, dass der Binder und das Ladungsspeichermaterial und die ionische Leitkomponente in dem Reaktionsraum eine Verbindung eingehen, welche das Aktivmaterial bildet. Bei der ionischen Leitkomponente handelt es sich beispielsweise um einen Elektrolyt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zusätzlich eine elektronische Leitkomponente und eine ionische Leitkomponente in der Zuführrichtung derart in den Reaktionsraum eingebracht, dass der Binder und das Ladungsspeichermaterial und die elektronische Leitkomponente und die ionische Leitkomponente in dem Reaktionsraum eine Verbindung eingehen, welche das Aktivmaterial bildet.
Die Spritzrichtung ist vorzugsweise zumindest annähernd der Gravitationsrichtung entgegengesetzt. Der Binder wird somit entgegen der Gravitationsrichtung, also nach oben und entgegen der Schwerkraft, in den Reaktionsraum eingebracht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bildet die Zuführrichtung mit der Spritzrichtung einen Winkel zwischen 90° und 180°. Insbesondere werden also der Binder und das Ladungsspeichermaterial nicht in der gleichen Richtung in den Reaktionsraum eingebracht. Auch bilden die Zuführrichtung und die Spritzrichtung, unter denen der Binder und das Ladungsspeichermaterial in den Reaktionsraum eingebracht werden, vorzugsweise keinen spitzen Winkel miteinander. Die Zuführrichtung und die Spritzrichtung können aber trotzdem einen spitzen Winkel bilden.
Besonders bevorzugt ist die Zuführrichtung der Spritzrichtung entgegengesetzt. Der Binder und das Ladungsspeichermaterial werden somit in entgegengesetzten Richtungen in den Reaktionsraum eingebracht. Wenn die Spritzrichtung also der Gravitationsrichtung entgegengesetzt ist, so entspricht die Zuführrichtung der Gravitationsrichtung. Das Ladungsspeichermaterial wird also in diesem Fall mit der Schwerkraft in den Reaktionsraum eingebracht und fällt nach unten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Reaktionsraum zumindest annähernd kreiszylindrisch um eine Mittelachse ausgebildet. Die Spritzrichtung verläuft dabei entlang der Mittelachse des Reaktionsraums. Der Reaktionsraum wird beispielswiese von einer Gehäuseeinheit gebildet welche hohlzylindrisch, in Form eines Rohrs, ausgestaltet ist.
Es wird auch eine Anordnung zur Herstellung eines Aktivmaterials für eine Elektrode einer Batteriezelle vorgeschlagen. Die Anordnung zur Herstellung des Aktivmaterials umfasst dabei eine Gehäuseeinheit, welche einen zumindest annähernd kreiszylindrisch um eine Mittelachse ausgebildeten Reaktionsraum aufweist, und eine thermische Spritzpistole. Die thermische Spritzpistole ragt derart in den Reaktionsraum hinein, dass ein Binder mittels thermischen Spritzens in einer Spritzrichtung, welche entlang der Mittelachse verläuft, in den Reaktionsraum einbringbar ist.
Im Betrieb ist die besagte Anordnung zur Herstellung eines Aktivmaterials vorzugsweise derart positioniert, dass die Mittelachse des Reaktionsraums entlang der Gravitationsrichtung, also senkrecht zum Erdboden verläuft, und dass die Spritzrichtung entgegen der Gravitationsrichtung, also nach oben, gerichtet ist.
Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine Elektrode mit einem Aktivmaterial umfasst, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen.
Vorteile der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können Binder verwendet werden, die sich nicht in Lösemittel lösen lassen. Ferner können Binder verwendet werden, die keine klassischen Fibrillen in einem Mühlenprozess ausbilden. Es ergibt sich eine annähernd gleichmäßige Größe der Agglomerate des Aktivmaterials zur Weiterverarbeitung, insbesondere zur Herstellung eines Films zur Beschichtung eines Stromableiters. Die Verwendung verfügbarer Anlagentechnik des thermischen Spritzens ist ohne weiteres möglich, da die Förderraten der Pulverförderer und der Spritzpistolen den Parameterbereich für das bevorzugte Fertigungsverfahren großzügig abdecken. Pulverförderer beim thermischen Spritzen sind Stand der Technik mit Förderraten von etwa 0,1g/min bis etwa 300 g/min bei einer Fördergenauigkeit von ±1 % bezogen auf die maximale Förderrate. Auch eine Pulverförderung mittels Flüssigkeit, Suspension oder Lösung ist durchführbar. Ein Overspray des thermischen Spritzens, also ein Spritzen an dem zu beschichtenden Stromableiter vorbei, spielt keine Rolle. Mittels der Parameter Druck, Förderrate von Treibgas, Förderrate von Flüssigkeit, Suspension oder Lösung, Partikelfraktion, Temperatur und Entfernung der Partikelströme zum nächsten Hindernis lässt sich der Agglomerationsprozess definiert steuern als Voraussetzung für eine Regelung der Größe der Agglomerate im Filmherstellungsprozess.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle und
2 eine schematische Schnittdarstellung einer Anordnung zur Herstellung eines Aktivmaterials.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein.
Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, welche beispielsweise als Elektrodenstapel oder als Elektrodenwickel ausgeführt ist. Die Elektrodeneinheit 10 weist zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch einen Separator 18 voneinander separiert. Der Separator 18 ist ebenfalls folienartig ausgeführt und ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
Die Anode 21 umfasst eine Schicht eines anodischen Aktivmaterials 41 und einen Stromableiter 31. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Kathode 22 umfasst eine Schicht eines kathodischen Aktivmaterials 42 und einen Stromableiter 32. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Anordnung zur Herstellung eines Aktivmaterials 41, 42 für eine Elektrode 21, 22 einer Batteriezelle 2. Mittels der hier gezeigten Anordnung ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Aktivmaterials 41, 42 für eine Elektrode 21, 22 einer Batteriezelle 2 durchführbar.
Die gezeigte Anordnung umfasst eine Gehäuseeinheit 62. Die Gehäuseeinheit 62 weist einen annähernd kreiszylindrisch um eine Mittelachse A ausgebildeten Reaktionsraum 60 auf. Die Gehäuseeinheit 62 ist derart positioniert, dass die Mittelachse A des Reaktionsraums 60 senkrecht zum Erdboden verläuft. In den Reaktionsraum 60 ragt eine thermische Spritzpistole 64 hinein. Die thermische Spritzpistole 64 kann dabei beispielsweise zur Durchführung eines "High Velocity Oxygen Fuel" (HVOF) Verfahrens, eines "Cold Gas Spray" (CGS) Verfahrens, eines Suspensionsplasmaspritzverfahrens oder eines Flammspritzverfahrens eingerichtet sein.
Beim Suspensionsplasmaspritzen, insbesondere wenn verhältnismäßig kleine Polymerpartikel suspendiert oder gelöst werden sollen, können die Polymerpartikel beispielsweise als Suspension gefördert werden. Auch können die Polymerpartikel in Lösemittel gelöst gefördert werden, so dass das Lösemittel auf dem Flugweg verdampft und eine Feinstverteilung des Polymers ermöglicht.
Beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der thermischen Spritzpistole 64 ein Binder 70 in Form von Partikeln mit einer Größe von etwa 1 bis 15 µm, besonders bevorzugt mit einer Größe von etwa 3 bis 5 µm, zugeführt. Die thermische Spritzpistole 64 ragt derart in den Reaktionsraum 60 hinein, dass der Binder 70 beim thermischen Spritzen in eine Spritzrichtung S, welche entlang der Mittelachse A des Reaktionsraums 60 verläuft, in den Reaktionsraum 60 eingebacht wird. Insbesondere verläuft die Spritzrichtung S dabei entgegen der Gravitationsrichtung G. Die Partikel des Binders 70 werden somit entgegen der Schwerkraft, also nach oben, in den Reaktionsraum 60 eingebracht.
Beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden weiter ein Ladungsspeichermaterial 72, eine elektronische Leitkomponente 74 und eine ionische Leitkomponente 76 mit einer Größe von jeweils etwa 10 bis 40 µm, besonders bevorzugt mit einer Größe von etwa 10 bis 15 µm, in einer Zuführrichtung Z ebenfalls in den Reaktionsraum 60 der Gehäuseeinheit 62 eingebracht. Die Zuführrichtung Z weicht dabei von der Spritzrichtung S ab und ist der Spritzrichtung S insbesondere entgegengesetzt. Die Zuführrichtung Z entspricht somit der Gravitationsrichtung G und verläuft ebenfalls entlang der Mittelachse A des Reaktionsraums 60.
Beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt es zu Kollisionen der Partikel des Binders 70 mit den Partikeln des Ladungsspeichermaterials 72, den Partikeln der elektronischen Leitkomponente 74 und den Partikeln der ionischen Leitkomponente 76. Dabei platzen die Partikel des Binders 70 nahezu flüssig auf die Partikel des Ladungsspeichermaterials 72, der elektronischen Leitkomponente 74 und der ionischen Leitkomponente 76 auf, erstarren dort und verkrallen sich mit den Partikeln des Ladungsspeichermaterials 72 der elektronischen Leitkomponente 74 und der ionischen Leitkomponente 76 sowie mit weiteren Partikeln des Binders 70.
Dabei gehen die Partikel des Binders 70, die Partikel des Ladungsspeichermaterials 72, die Partikel der elektronischen Leitkomponente 74 und die Partikel der ionischen Leitkomponente 76 in dem Reaktionsraum 60 eine Verbindung ein, welche das Aktivmaterial 41, 42 bildet. Dabei entstehen Agglomerate des Aktivmaterials 41, 42, welche eine Größe zwischen 50 µm und 300 µm, insbesondere zwischen 60 µm und 100 µm, aufweisen.
Die so entstandenen Agglomerate des Aktivmaterials 41, 42 fallen durch die Schwerkraft in Gravitationsrichtung G aus dem Reaktionsraum 60 der Gehäuseeinheit 62 heraus. Die Entnahme der Agglomerate des Aktivmaterials 41, 42 aus dem Reaktionsraum 60 der Gehäuseeinheit 62 ist somit verhältnismäßig einfach. Die Agglomerate des Aktivmaterials 41, 42 können bei Bedarf zusätzlich fraktioniert oder gebrochen werden.
Feinstaub wird vom Gas- und Partikelstrahl der thermischen Spritzpistole 64 mitgerissen und nach oben geführt, so dass der Feinanteil ebenso in die Agglomerate des Aktivmaterials 41, 42 eingearbeitet wird. Dies entspricht dem Prinzip der Agglomeration in einem Fließbett.
Dies ermöglicht, wie oben beschrieben, zur Fibrillierung eine verhältnismäßig geringe Menge Binder 70, insbesondere PVDF, zu verwenden. Die kinetische Energie aus dem Spritzprozess wird dabei simultan zur Intensivvermischung mit den fallenden Partikeln des Ladungsspeichermaterials 72, der elektronischen Leitkomponente 74 und der ionischen Leitkomponente 76 verwendet. Ein entsprechend wirkender Freifallmischer ist auch in "KONTINUIERLICHES MISCHEN FEINER FESTSTOFFE IN FLUIDDYNAMISCHEN FALLROHRMISCHERN, OLAF EICHSTÄDT, Diss. Zürich 1997" beschrieben.
Das thermische Spritzen von Polymeren als Binder 70 wird so eingesetzt, dass 100% des Sprays sich in dem Reaktionsraum 60 befinden. Insbesondere kommt es nicht zu einem Overspray. Entstehende Turbulenzen unterstützen zusätzlich eine Vermischung der Partikel des Binders 70, des Ladungsspeichermaterials 72, der elektronischen Leitkomponente 74 und der ionischen Leitkomponente 76 miteinander.
Die so gebildeten Agglomerate des Aktivmaterials 41, 42 können gefördert werden und zu Filmen mittels Extrusion oder Auswalzen weiter verarbeitet werden. Insbesondere wird zur Herstellung einer Elektrode 21, 22 anschließend ein Stromableiter 31, 32, der aus einem metallischen Material gefertigt ist, insbesondere Aluminium oder Kupfer, mit dem weiter verarbeiteten Aktivmaterial 41, 42 beschichtet.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2005/0057888 A1 [0007]
US 2015/0061176 A1 [0007]
US 7087348 B2 [0007]
DE 102015106879 A1 [0007]
US 4153661 A [0007]
US 2004/0037954 A1 [0009]
US 2006/0027687 A1 [0009]
US 5285967 A [0012]
US 4840859 A [0013]
DE 3832771 A1 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 657 [0008]
Progress in Organic Coatings 49 (2004) 69–73, Properties of thermally sprayed fluoropolymer PVDF, ECTFE, PFA and FEP coatings, E. Leivo, T. Wilenius, T. Kinos, P. Vuoristo!, T. Mäntylä, Surface Engineering Laboratory, Institute of Materials Science, Tampere University of Technology, P.O. Box 589, FIN-33101 Tampere, Finland, Accepted 21 August 2003 [0011]
Verfahrenstechnik und Anlagenbau, ISBN 978-642-63550-0 [0014]
KONTINUIERLICHES MISCHEN FEINER FESTSTOFFE IN FLUIDDYNAMISCHEN FALLROHRMISCHERN, OLAF EICHSTÄDT, Diss. Zürich 1997 [0050]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Aktivmaterials (41, 42) für eine Elektrode (21, 22) einer Batteriezelle (2), wobei ein Binder (70) mittels thermischen Spritzens in einer Spritzrichtung (S) in einen Reaktionsraum (60) eingebracht wird, und wobei ein Ladungsspeichermaterial (72) in einer von der Spritzrichtung (S) abweichenden Zuführrichtung (Z) derart in den Reaktionsraum (60) eingebracht wird, dass der Binder (70) und das Ladungsspeichermaterial (72) in dem Reaktionsraum (60) eine Verbindung eingehen, welche das Aktivmaterial (41, 42) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine elektronische Leitkomponente (74) in der Zuführrichtung (Z) derart in den Reaktionsraum (60) eingebracht wird, dass der Binder (70) und das Ladungsspeichermaterial (72) und die elektronische Leitkomponente (74) in dem Reaktionsraum (60) eine Verbindung eingehen, welche das Aktivmaterial (41, 42) bildet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine ionische Leitkomponente (76) in der Zuführrichtung (Z) derart in den Reaktionsraum (60) eingebracht wird, dass der Binder (70) und das Ladungsspeichermaterial (72) und die ionische Leitkomponente (76) in dem Reaktionsraum (60) eine Verbindung eingehen, welche das Aktivmaterial (41, 42) bildet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spritzrichtung (S) zumindest annähernd der Gravitationsrichtung (G) entgegengesetzt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zuführrichtung (Z) mit der Spritzrichtung (S) einen Winkel zwischen 90° und 180° bildet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zuführrichtung (Z) der Spritzrichtung (S) entgegengesetzt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Reaktionsraum (60) zumindest annähernd kreiszylindrisch um eine Mittelachse (A) ausgebildet ist, wobei die Mittelachse (A) entlang der Spritzrichtung (S) verläuft.
Anordnung zur Herstellung eines Aktivmaterials (41, 42) für eine Elektrode (21, 22) einer Batteriezelle (2), umfassend eine Gehäuseeinheit (62), welche einen zumindest annähernd kreiszylindrisch um eine Mittelachse (A) ausgebildeten Reaktionsraum (60) aufweist, und eine thermische Spritzpistole (64), die derart in den Reaktionsraum (60) hineinragt, dass ein Binder (70) mittels thermischen Spritzens in einer Spritzrichtung (S), welche entlang der Mittelachse (A) verläuft, in den Reaktionsraum (60) einbringbar ist.
Batteriezelle (2), umfassend mindestens eine Elektrode (21, 22) mit einem Aktivmaterial (41, 42), welches nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.
Verwendung der Batteriezelle (2) nach Anspruch 9 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.