DE102016217369A1 - Elektrode mit erhöhtem Aktivmaterialanteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode (4, 4’), umfassend mindestens einen flächig ausgestalteten Stromsammler (20, 21), an dem mindestens ein Ableiter angebracht ist, und mindestens eine Aktivmaterialfolie (10, 11), dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivmaterialfolie (10, 11) auf einer ersten Oberfläche des Stromsammlers (20, 21) angeordnet ist und allseitig entlang der Kanten (22, 23) des Stromsammlers (20, 21) über diese hinausragt, um so allseitig einen Überstand (70) der Aktivmaterialfolie (10, 11) über die äußere Begrenzung des Stromsammlers (20, 21) auszubilden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode mit erhöhtem Aktivmaterialanteil sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
  • Stand der Technik
  • Die Leistungsfähigkeit, insbesondere die Energiedichte von elektrochemischen Energiespeichersystemen wie Lithium-Ionen-Batterien (LIB) hängt wesentlich von der Wahl und der Gestaltung der Elektroden in der Zelle ab. Im Stand der Technik werden zwei grundlegend verschiedene Verfahren zur Beschichtung des Stromsammlers mit dem Aktivmaterial (nachfolgend auch Aktivmaterial bezeichnet) beschrieben, nämlich durch das Aufbringen einer Aktivmaterialaufschlämmung (sog. Slurry-Auftragungsverfahren) und durch das Aufbringen einer freistehenden Aktivmaterialfolien (vgl. z.B. EP 1 644 136 , US 2015/0061176 A1 oder US 2015/0062779 A1 ).
  • DE 10 2013 204 875 A1 offenbart ein Verfahren, in dem eine trockene Aktivmaterialzusammensetzung auf einem Stromsammler aufgebracht wird. In einer Ausführungsform wird eine Maske verwendet, welche vor dem Beschichtungsschritt auf dem Stromsammler aufgelegt wird, um so gezielt Bereiche von der Bedeckung mit Aktivmaterial auszunehmen.
  • US 2016/0043375 A1 offenbart einen Sekundärbatterie, umfassend einen Elektrodenstapel, welcher durch Stapeln planarer Batteriezellen, die eine Ladungsschicht und eine Bleielektrode umfassen, erhalten werden. Die Bleielektrode kann dabei vollständig von den Elektroden der Batteriezelle eingeschlossen werden.
  • Die Herstellung von Elektroden aus freistehenden Aktivmaterialfolien ist aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in EP 1 644 136 , US 2015/0061176 A1 oder US 2015/0062779 A1 beschrieben. Die freistehende Aktivmaterialfolie wird dabei in einem lösungsmittelfreien Verfahren hergestellt, üblicherweise mit einer Schichtdicke von ca. 100–300 μm. Die freistehende Folie wird ggf. auf die gewünschte Größe zugeschnitten und anschließend auf einem vorgeformten Stromsammler aufgebracht. Der Zuschnitt der Elektrode kann auch im laminierten Verbund aus Stromsammler und Aktivmaterialfolie erfolgen. Zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, werden dann je mindestens eine zugeschnittene anodische, negative Elektrode und kathodische, positive Elektrode durch einen Separator getrennt in ein Gehäuse verpackt (z. B. in Form eines Beutels (Pouch) oder eines festen Gehäuses (Can)) und das Gehäuse mit einem Elektrolyt befüllt. Der Elektrolyt ist ionisch leitfähig und umgibt die Elektroden und den Separator bzw. dringt in deren Poren ein.
  • Der Stromsammler ist aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem Metall, gefertigt und flächig ausgestaltet. Nach dem Stand der Technik sind die Seitenkanten des Stromsammlers und der Aktivmaterialschicht bündig, oder der Stromsammler ragt an mindestens einer Seite über die Ausdehnung der Aktivmaterialschicht hinaus. Die zugeschnittenen Elektroden weisen somit seitlich jeweils mehr oder weniger stark ausgeprägte Bereiche aus unbeschichtetem Stromsammler, insbesondere Metall auf. Um einen elektrischen Kurzschluss innerhalb der Zelle zu vermeiden, werden die überstehenden bzw. nicht von Aktivmaterial bedeckten Stromsammler nach Stand der Technik z.B. durch gezielte Oxidationsverfahren elektrisch isoliert. Der kathodische Stromsammler, häufig aus Aluminium gefertigt, kann so durch das entstehende Aluminiumoxid isoliert werden. Ein alternatives Verfahren verwendet nicht elektrisch leitfähige Kunststoffe (z.B. Gummi) zur Abdichtung.
  • Alternativ besteht auch die Möglichkeit durch geeignete Wahl der Geometrien der Elektroden und des nicht leitenden Separators die Zelle so aufzubauen, dass ein Kurzschluss wirksam verhindert wird. Der Separator wird dabei so ausgestaltet, dass dieser über den Rand der Elektroden hinausragt, sodass die Elektroden nicht miteinander in Kontakt kommen können. Dieses Verfahren bedarf einer exakten Ausrichtung der einzelnen während des Stapelns.
  • Neben dem Kontakt der Elektroden untereinander birgt die nach dem Stand der Technik hergestellt elektrochemische Zelle auch die Gefahr, dass der unbeschichtete Stromsammler das Gehäuse der Zelle seitlich berühren und im Laufe der Lebensdauer der Zelle ggf. sogar beschädigen kann. Sofern auf eine Isolation der Metallkanten verzichtet wird, besteht daher auch hier die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses.
  • Durch die beschriebenen Maßnahmen zur Verhinderung eines Kurzschlusses innerhalb der Zellen vergrößert sich der Volumenanteil der Zelle, der nicht mit Aktivmaterial ausgefüllt ist und somit nicht zur Energiespeicherung beiträgt. Die volumetrische Leistungsdichte sinkt bereits auf Zellniveau.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine vor Kurzschlüssen geschützte Elektrode bereitzustellen, ohne die Leistungsdichte der Batteriezellen zu reduzieren. Die Elektrode soll darüber hinaus ohne zusätzliche Verfahrensschritte wie z.B. Oxidationsverfahren hergestellt werden. Diese Aufgabe wird durch die nachfolgend beschriebene Erfindung gelöst.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Elektrode, umfassend mindestens einen flächig ausgestalteten Stromsammler, an dem mindestens ein Ableiter angebracht ist, und mindestens eine Aktivmaterialfolie, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivmaterialfolie auf einer ersten Oberfläche des Stromsammlers angeordnet ist und allseitig entlang der Kanten des Stromsammlers über diese hinausragt, um so allseitig einen Überstand der Aktivmaterialfolie über die äußere Begrenzung des Stromsammlers auszubilden.
  • Die Aktivmaterialfolie ist eine freistehende Aktivmaterialfolie und kann durch sämtliche dem Fachmann bekannte Verfahren bereitbestellt werden. Vorzugsweise wird hierzu eine trockene Aktivmaterialzusammensetzung eingesetzt. Die Aktivmaterialzusammensetzung kann dabei dem Fachmann an sich bekannte Komponenten für einen entsprechenden Energiespeicher aufweisen. Für den beispielhaften und nicht beschränkenden Fall des Herstellens einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie kann das Aktivmaterial für eine Anode beispielsweise Graphit umfassen, bevorzugt in einer Konzentration von größer oder gleich 94 Gew.-%, wohingegen das Aktivmaterial für eine Kathode beispielsweise ein Lithiumoxid, wie etwa Lithiumnickelcobaltmanganoxid (NCM) oder Lithiummanganoxid (LMO), oder/und ein Lithiumphosphat, wie Lithiumeisenphosphat LiFePO4, bevorzugt in einer Konzentration von größer oder gleich 93 Gew.-%, umfassen kann. Das Aktivmaterial ist somit insbesondere ein Material beziehungsweise eine Substanz oder ein Substanzgemisch, welches an den aktiven Ladevorgängen beziehungsweise Entladevorgängen eines Energiesprechers teilnehmen kann. Dabei kann die Aktivmaterialmischung ferner ein Bindemittel aufweisen, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), bevorzugt in einer Konzentration von kleiner oder gleich 4 Gew.-%, in welchem das vorbeschriebene Aktivmaterial verteilt ist. Darüber hinaus kann ein Leitzusatz, wie beispielsweise leitfähige Kohlenstoffverbindungen, etwa Ruß, bevorzugt in einer Konzentration von kleiner oder gleich 2 Gew.-%, zugesetzt sein.
  • Als zusätzlichen Bestandteil kann die Aktivmaterialzusammensetzung in einer Ausführungsform mindestens einen Festkörperelektrolyten, insbesondere einen anorganischen Festkörperelektrolyten umfassen, welcher in der Lage ist Kationen, insbesondere Lithium-Ionen, zu leiten. Erfindungsgemäß umfassen solche feste anorganische Lithium-Ionen-Leiter kristalline, Komposit- und amorphe anorganische feste Lithium-Ionen-Leiter. Kristalline Lithium-Ionen-Leiter umfassen insbesondere Lithium-Ionen-Leiter vom Perowskit-Typ, Lithium-Lanthan-Titanate, Lithium-Ionen-Leiter vom NASICON-Typ, Lithium-Ionen-Leiter vom LISICON- und Thio-LISICON-Typ, sowie Lithium-Ionen leitende Oxide vom Granat-Typ. Die Komposit-Lithium-Ionen-Leiter umfassen insbesondere Materialien, die Oxide und mesoporöse Oxide enthalten. Solche festen anorganischen Lithium-Ionen-Leiter werden beispielsweise in dem Übersichtsartikel von Philippe Knauth „Inorganic solid Li ion conductors: An overview" Solid State Ionics, Band 180, Ausgaben 14–16, 25. Juni 2009, Seiten 911–916 beschrieben. Erfindungsgemäß können auch alle festen Lithium-Ionen-Leiter umfasst sein, die von C. Cao, et al. in „Recent advances in inorganic solid electrolytes for lithium batteries", Front. Energy Res., 2014, 2:25 beschrieben werden. Insbesondere sind auch die in EP1723080 B1 beschriebenen Granate erfindungsgemäß umfasst. Der Festkörperelektrolyt kann insbesondere in Form von Partikeln mit einem mittlere Teilchendurchmesser von ≥ 0,05 μm bis ≤ 5 μm, vorzugsweise ≥ 0,1 μm bis ≤ 2 μm eingesetzt werden. Sofern die Aktivmaterialzusammensetzung einen Festkörperelektrolyten umfasst, kann dieser beispielsweise 0 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 40 Gew.-% der Aktivmaterialzusammensetzung ausmanchen.
  • Durch Fibrillierungsprozesse kann aus der Zusammensetzung eine pastöse, formbare Masse gebildet werden. Solche Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und z.B. in EP 1 644 136 , US 2015/0061176 A1 oder US 2015/0062779 A1 beschrieben. Die erhaltene, formbare Masse kann anschließend zu einer freistehenden Aktivmaterialfolie ausgeformt werden. Dies kann vorzugsweise durch die Verwendung eines Kalanders geschehen.
  • Die freistehende Aktivmaterialfolie weist dabei eine Schichtdicke auf, die eine zerstörungsfreie Handhabung erlaubt. Vorzugsweise weist die Aktivmaterialfolie eine Schichtdicke von mindestens 50 µm, z.B. 100 µm bis 500 µm, insbesondere 150 µm bis 300 µm auf. So kann die Aktivmaterialfolie zerstörungsfrei auf dem flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammler positioniert werden.
  • Ein derartiger Stromsammler kann aus einem an sich bekannten, elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Stromsammler, für den Fall dass eine positive Elektrode (Kathode) hergestellt wird, aus Aluminium ausgebildet sein, wohingegen der Stromsammler beispielsweise aus Kupfer ausgebildet sein kann, für den Fall, dass eine negative Elektrode (Anode) hergestellt wird.
  • Weiterhin ist der Stromsammler vorgeformt und flächig ausgestaltet. Ein vorgeformter Stromsammler kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass der Stromsammler bereits zu diesem Zeitpunkt, also im Wesentlichen vor einem Aufbringen der freistehenden Aktivmaterialfolie seine gewünschte, insbesondere endgültige Form aufweisen kann. Somit kann ein nachfolgendes Ausschneiden, Ausstanzen oder Ähnliches entfallen. Insbesondere liegt der Stromsammler in Form eines flächig ausgestalteten Blechs oder einer flächig ausgestalteten Folie aus einem leitfähigen Material, insbesondere einem Metall vor. Bevorzugt sind Folien, umfassend Aluminium, Kupfer, Nickel oder Legierungen dieser Metalle, mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 5 µm bis 500 µm, insbesondere 50 µm bis 300 µm.
  • Die Randbereiche des Stromsammlers können prinzipiell beliebig geformt sein. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Form bzw. Ausgestaltung dieser Randbereiche Einfluss auf die Eigenschaften und die Stabilität der Elektrode hat. Der Randbereich kann dabei insbesondere gerade, wellenförmig oder gelocht ausgestaltete sein. Auch Kombinationen diese Ausführungsformen sind vorteilhaft, z.B. eine wellenförmige Ausgestaltung, welche gleichzeitig über einen Lochung im Randbereich verfügt.
  • In einer Ausführungsform weist der Stromsammler gerade Seitenkanten auf. So ausgestaltete Stromsammler sind insbesondere mit einfachen Mitteln herstellbar und lassen sich leicht stapeln.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens eine der Seitenkanten des Stromsammlers wellenförmig ausgestaltet. Vorzugsweise sind sämtliche Seitenkanten in dieser Weise gestaltet. Die Dimensionierung der wellenförmigen Randgestaltung (Amplitude, Wellenlänge) ist dabei in Abhängigkeit von der Schichtdicke der Elektrode und den Eigenschaften der ausgewählten Materialien des Stromsammlers und der Aktivmaterialfolie so auszuwählen, dass im Randbereich ein möglichst homogenes E-Feld ausgebildet wird. Ohne darauf beschränkt zu sein, bewegt sich die Dimensionierung beispielsweise in einem Bereich mit einer Wellenlänge von 10 bis 1000 µm und einer Amplitude von 10 bis 1000 µm.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine der Seitenkanten des Stromsammlers mindestens teilweise mit Löchern versehen. Es hat sich gezeigt dass eine solche Lochung des Stromsammlers die elektrische Feldstärke in diesem Bereich absenken kann. Um die Stabilität des Stromsammlers, insbesondere in Randbereich nicht zu sehr zu reduzieren, ist darauf zu achten, dass die Lochung durch geeignete Größe der Löcher und/oder geeigneten Abstand zwischen den Löchern weiterhin eine ausreichende Stabilität garantiert. Die Lochung erfolgt beispielsweise mit einem Lochdurchmesser von 1 bis 10 µm und einem Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Löcher von 30 bis 300 µm. Der mit einer solche Lochung versehene Bereich beschränkt sich vorzugweise auf einen Bereich von ≤ 20%, vorzugsweise ≤ 10% der Ausdehnungsrichtung des Stromsammlers.
  • Die mindestens eine Aktivmaterialfolie ist in Form und Größe so an die Form und die Größe des Stromsammlers angepasst, das die Aktivmaterialfolie über die seitlichen Begrenzungen des Stromsammlers allseitig hinausragt, hinausragt, um so allseitig einen Überstand der Aktivmaterialfolie über die äußere Begrenzung des Stromsammlers auszubilden zu können.
  • Auf mindestens einer Oberfläche des Stromsammlers ist mindestens eine Aktivmaterialfolie aufgebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die die Elektrode zwei Aktivmaterialfolien. Diese sind vorzugsweise auf einer ersten Oberfläche des Stromsammlers und auf einer zweiten Oberfläche des Stromsammlers angeordnet, wobei die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt. Das bedeutet, dass die erste Oberfläche des Stromsammlers und die zweite Oberfläche des Stromsammlers ein Paar aus Vorder- und Rückseite des Stromsammlers bilden. Der Stromsammler ist so vollständig von den beiden Aktivmaterialfolien eingeschlossen. Die zwei Aktivmaterialfolien bilden eine den Stromsammler umgebende Tasche. Dies verhindert effektiv den unerwünschten Kontakt des Stromsammlers mit anderen elektrisch leitenden Gegenständen wie weiteren Stromsammlern oder dem Gehäuse einer den Stromsammler umfassenden elektrochemischen Zelle.
  • Zum Abgreifen des elektrischen Stroms aus der Elektrode bedarf es eines elektrisch leitenden Ableiters, welcher an den Stromsammler elektrisch leitend angebracht ist. Dieser kann z.B. in Form eines Ableiterblechs als Teil des Stromsammlers ausgebildet sein. Der Ableiter kann ebenfalls mit der Aktivmaterialfolie oder mit einem nicht elektrisch leitfähigen Material beschichtet sein. Der Ableiter weist jedoch an mindestens einem Punkt eine frei zugängliche, leitende kontaktstelle auf. Das bedeutet, dass der Ableiter an mindestens einem Punkt nicht beschichtete ist.
  • Die räumliche Ausgestaltung der Elektrode ist nicht beschränkt. Diese lässt sich auch in filigranen Gestaltungen an den Einsatzzwecke angepasst ausbilden. Dies wird ermöglicht durch den flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammler und die vorgeformten Aktivmaterialfolien, welche in prinzipiell beliebiger Form ausgeführt werden können.
  • Wie bereits erläutert wurde, ist die erste Aktivmaterialfolie so ausgestaltet, dass diese über die Randbereiche des Stromsammlers mit einem Überstand hinausragt. In einer bevorzugten Ausführungsform trifft dies auch für die mindestens zweite Aktivmaterialfolie zu. Diese Ausführungsform ist insbesondere bevorzugt, da somit das volumetrische und gravimetrische Verhältnis von Stromsammlermaterial zu Aktivmaterial verbessert werden kann und die potentielle Energiedichte der Elektrode bzw. einer die Elektrode umfassenden elektrochemischen Zelle erhöht werden kann. Vorzugsweise beträgt der Überstand der Aktivmaterialfolie über die äußere Begrenzung des Stromsammlers das ein- bis zehnfache der Schichtdicke der Aktivmaterialfolie. Beispielsweise liegt der Überstand bei einer Aktivmaterialfolie mit einer Schichtdicke von 100 µm in einem Bereich von 100 bis 1000 µm. Bei einem zu stark ausgeprägten Überstand ist eine Ableitung des Stroms aus der Aktivmaterialfolie zu dem Stromsammler nicht mehr ausreichend gewährleistet. Der maximale Überstand beträgt in jedem Fall vorzugsweise nicht mehr als 5 mm.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer solchen erfindungsgemäßen Elektrode. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
    • a) Bereitstellen eines flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlers;
    • b) Bereitstellen mindestens einer freistehenden Aktivmaterialfolie;
    • c) Aufbringen der freistehenden Aktivmaterialfolie auf einer ersten Oberfläche des flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlers;
    wobei die Aktivmaterialfolie allseitig entlang der Kanten des Stromsammlers über diese hinausragt, um so allseitig einen Überstand der mindestens einen Aktivmaterialfolie über die äußere Begrenzung des Stromsammlers auszubilden.
  • Bezüglich der Komponenten gelten die zuvor getroffenen Ausführungen. Die Aktivmaterialfolie kann dabei an die Form des flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlers angepasst sein, sodass sich entlang der Kanten des Stromsammlerblattes ein gleichbleibender Überstand ergibt. Der Überstand kann jedoch auch in geeigneter Weise variieren, z.B. wenn hierdurch die Herstellung vereinfacht werden kann. Beispielsweise kann, wie bereits erwähnt wurde, der Stromsammler wellenförmig ausgestaltet sein. Wird nun die freistehende Aktivmaterialfolie auf den Stromsammler aufgebracht, so kann diese ebenfalls wellenförmig ausgestaltet sein, sodass sich umlaufend ein gleichbleibender Überstand an Aktivmaterialfolie ergibt, welcher über die Kante (äußere Begrenzung) des flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlerblattes hinausragt. Aus fertigungstechnischer Sicht ist es jedoch von Vorteil, wenn die Aktivmaterialfolie mit einer geraden Schnittkante versehen ist. Dabei ist Aktivmaterialfolie so zu bemessen, dass sie auch in ihrer geringsten Ausdehnung über das Stromsammlerblatt hinausragt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden mindestens zwei freistehende Aktivmaterialfolien verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dann die folgenden Schritte:
    • a) Bereitstellen eines flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlers, welcher mindestens eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist;
    • b) Bereitstellen einer ersten freistehenden Aktivmaterialfolie;
    • c) Aufbringen der ersten freistehenden Aktivmaterialfolie auf der ersten Oberfläche des flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlers;
    • d) Bereitstellen mindestens einer zweiten freistehenden Aktivmaterialfolie,
    • e) Aufbringen der mindestens zweiten freistehenden Aktivmaterialfolie auf der zweiten Oberfläche des flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlers;
    wobei mindestens die erste und/oder die zweite Aktivmaterialfolie allseitig entlang der Kanten des Stromsammlers über diese hinausragt, um so allseitig einen Überstand der mindestens einen Aktivmaterialfolie über die äußere Begrenzung des Stromsammlers auszubilden.
  • Die erste freistehende Aktivmaterialfolie und die zweite freistehende Aktivmaterialfolie können dabei dieselbe Geometrie und Ausdehnung aufweisen, können jedoch auch voneinander verschieden sein. Auch die chemische Zusammensetzung und die strukturelle Ausgestaltung (insbesondere die Schichtdicke und die Porosität) der ersten und der zweiten Aktivmaterialfolie können sich voneinander unterscheiden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Aktivmaterialfolie jedoch identisch. In diesem Fall betrifft das Verfahren zwei freistehende Aktivmaterialfolien, wobei sowohl die erste Aktivmaterialfolie als auch die zweite Aktivmaterialfolie allseitig entlang der Kanten des Stromsammlers über diese hinausragen und allseitig einen Überstand der mindestens einen Aktivmaterialfolie über die äußere Begrenzung des Stromsammlers ausbilden.
  • Das Aufbringen der ersten und/oder der zweiten Aktivmaterialfolie wird vorzugsweise dadurch erzielt, dass die freistehende Aktivmaterialfolie, bzw. die freistehenden Aktivmaterialfolien auf den flächig ausgestalteten, vorgeformten Stromsammler aufgelegt und anschließend mittels einer Presse, eines Stempels oder einer Walze angepresst wird bzw. werden. So kann eine haftfeste Verbindung zwischen Aktivmaterialfolie und Stromsammler erzielt werden. Die Ausbildung der Verbindung kann insbesondere durch ein leichtes Erwärmen des Stromsammlerblattes und/oder der Aktivmaterialfolie unterstützt werden. Dadurch wird ein Erweichen des Bindemittels erreicht, welches eine Verbesserung der Haftverbindung ermöglicht. Die Temperatur wird dabei vorzugsweise so ausgewählt, dass diese oberhalb des Glasübergangstemperatur Tg des in der Aktivmaterialfolie enthaltenen Bindemittels liegt. Besonders bevorzugt liegt die Temperatur in einem Bereich von mehr als 10°C oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg und mehr als 20°C unterhalb der Schmelztemperatur Tm des Bindemittels.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden die erste und die zweite Aktivmaterialfolie allseitig im Bereich des Überstands über den Stromsammler durch Pressen miteinander verbunden. Dies ermöglicht eine besonders innige Verbindung der Aktivmaterialfolien miteinander. Darüber hinaus kann in diesem Bereich eine stärkere Verdichtung erfolgen. Auch dieser Schritt erfolgt bevorzugt bei einer erhöhten Temperatur, insbesondere bei einer Temperatur oberhalb des Glasübergangstemperatur Tg des in der Aktivmaterialfolie enthaltenen Bindemittels liegt. Besonders bevorzugt liegt die Temperatur in einem Bereich von mehr als 10°C oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg und mehr als 20°C unterhalb der Schmelztemperatur Tm des Bindemittels. Alternativ kann ein Haftvermittler, z.B. ein thermoplastische Polymer, auf der mindestens einen Oberfläche des Stromsammlers auf gebracht werden, um die Haftverbindung zwischen der Aktivmaterialfolie und dem Stromsammler zu verbessern.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine Elektrode, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde. Eine solche Elektrode kann vorzugsweise als Elektrode in einem elektrochemischen Energiespeichersystem oder als Elektrode in einer Brennstoffzelle verwendet werden. Elektrochemische Energiespeichersysteme im Sinne dieser Erfindung umfassen insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren und Hybridsuperkondensatoren. Gegenstand der Erfindung ist daher ferner ein elektrochemisches Energiespeichersystem, umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode sowie eine Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt Elektroden für elektrochemische Energiespeichersysteme und Brennstoffzellen bereit, welche einen erhöhten Anteil an Aktivmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode, aufweisen. Dadurch wird die in einer elektrochemischen Zelle, umfassend die erfindungsgemäße Elektrode, speicherbare oder erzeugbare Energie erhöht. Darüber hinaus wird durch die spezifische Ausgestaltung der Elektrode die Gefahr eines Kurzschlusses reduziert, da die Flächenabschnitte, in denen der elektrisch leitfähige, in der Regel metallische, Stromleiter in unbeschichteter Form vorliegt deutlich reduziert wird. Die Gefahr eines Kontakts zwischen den Stromsammlern zweier Elektroden oder zwischen einem Stromsammler und dem Gehäuse einer Energiespeicherzelle oder Brennstoffzelle wird damit ebenfalls minimiert. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Elektrode in einem einfachen und kostengünstigen Verfahren herstellbar.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1a eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Elektrode,
  • 1b eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Elektrodenstapels, aus zwei Elektroden und einem Separator,
  • 1c eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle, umfassend einen Elektrodenstapel nach 1b, angeordnet in einem Gehäuse,
  • 2a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode,
  • 2b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektrodenstapels, aus zwei Elektroden und einem Separator,
  • 2c eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle, umfassend einen Elektrodenstapel nach 2b, angeordnet in einem Gehäuse,
  • 3 eine schematische Darstellung erfindungsgemäßer Ausgestaltungen des Randbereichs des Stromsammlers.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Eine herkömmliche Elektrode 1, wie diese in 1a dargestellt ist, umfassend einen Stromsammler 20, auf dessen Oberflächen jeweils eine Aktivmaterialfolie 10 angeordnet ist, in der Seitenansicht. Bereiche des Stromsammlers 20, die nicht durch die Aktivmaterialfolie 10 beschichtet sind, insbesondere die Kanten 22 des flächig ausgebildeten Stromsammlers 20, sind in einem zusätzlichen Verfahrensschritt mit einer nicht elektrisch leitfähigen Beschichtung 30, z.B. aus Al2O3, versehen.
  • In 1b ist ein herkömmlicher Elektrodenstapel 2 abgebildet, welcher zwei Elektroden 1, 1‘ sowie einen zwischen den Elektroden 1, 1‘ liegenden Separator 40 umfasst. Die Elektroden 1, 1‘ umfassen jeweils einen Stromsammler 20, 21 und mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei, Aktivmaterialfolie(n) 10, 11. Obwohl dieser Aufbau der Elektroden 1, 1‘ identisch ist, unterscheiden sich diese vorzugsweise durch die Auswahl der Materialien des jeweiligen Separators 40 und der Materialien der Aktivmaterialfolien 10, 11 voneinander, um so eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) auszubilden. Bereiche der Stromsammler 20, die nicht durch die Aktivmaterialfolien 10, 11 belegt sind, insbesondere die Kanten 22, 23 des flächig ausgebildeten Stromsammlers 20, 21, sind mit einer Beschichtung 30 versehen. Der Separator 40 ist so ausgestaltet, dass dieser über die äußeren Begrenzungen der Elektroden 1, 1‘ herausragt.
  • 1c zeigt eine herkömmliche elektrochemische Zelle 3, umfassend mindestens einen Elektrodenstapel 2 nach 1b, welcher in einem Gehäuse 60 angeordnet ist. Die Perspektive zeigt die elektrochemische Zelle 3 in der Draufsicht, mit einer Aktivmaterialfolie 10 einer ersten Elektrode 1 im Vordergrund. Der Ableiter 50 ist an dem Stromsammler 20 dieser Elektrode 1 angeordnet. Der Stromsammler 20 ist mit der Aktivmaterialfolie 10 bzw. umlaufend von der Beschichtung 30 belegt. Von der zweiten Elektrode 1‘ des Elektrodenstapels 2 ist lediglich der Ableiter 51 sichtbar.
  • In 2a ist eine erfindungsgemäße Elektrode 4 in der Seitenansicht schematisch dargestellt. Diese umfasst einen Stromsammler 20, der aus eine elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer gefertigt ist. Der Stromsammler 20 ist flächig ausgestaltet. Auf den Oberflächen des Stromsammlers 20 ist jeweils eine Aktivmaterialfolie 10 angeordnet. Diese ist dabei so ausgestaltet, dass die Aktivmaterialfolien 10 über die äußere Begrenzung des Stromsammlers 20 hinausragt. Es ergibt sich somit ein Überstand 70 der Aktivmaterialfolien 10 über den Stromsammler 20, insbesondere über die Kanten 22 des flächig ausgebildeten Stromsammlers 20 hinaus. Dieser Überstand 70 hat eine Ausdehnung von vorzugsweise nicht mehr als 5 mm. Im Bereich des Überstandes 70 bilden die Aktivmaterialfolien 10 vorzugsweise untereinander eine Haftverbindung 71 aus, die z.B. durch pressen erreicht werden kann.
  • 2b zeigt einen erfindungsgemäßen Elektrodenstapel 5, umfassend zwei Elektroden 4, 4‘ sowie einen zwischen den Elektroden 4, 4‘ angeordneten Separator 40. Die Elektroden 4, 4‘ umfassen jeweils einen Stromsammler 20, 21 und mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei, Aktivmaterialfolie(n) 10, 11. Obwohl dieser Aufbau der Elektroden 4, 4‘ identisch ist, unterscheiden sich diese vorzugsweise durch die Auswahl der Materialien des jeweiligen Separators 40 und der Materialien der Aktivmaterialfolien 10, 11 voneinander, um so eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) auszubilden. Der Separator 40 kann dabei so ausgestaltet sein, dass er dieselbe Größe wie die Elektroden 4, 4‘ aufweist. Ein Überstand 70 des Separators 40 ist nicht notwendig. Durch den erfindungsgemäßen Überstand 70 der Aktivmaterialfolien 10, 11 über die Fläche des jeweiligen Stromsammlers 20 hinaus, insbesondere über die Kanten 22, 23 des flächig ausgebildeten Stromsammlers 20 bzw. 21 hinaus, wird der Stromsammler 20 bzw. 21 geschützt und gleichzeitig der volumetrische Anteil an Aktivmaterial in dem Elektrodenstapel 5 erhöht.
  • 2c zeigt eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle 6, umfassend mindestens einen Elektrodenstapel 5 nach 2b, welcher in einem Gehäuse 60 angeordnet ist. Die Perspektive zeigt die elektrochemische Zelle 6 in der Draufsicht, mit einer Aktivmaterialfolie 10 einer ersten Elektrode 4 im Vordergrund. Der Ableiter 50 ist an dem Stromsammler 20 dieser Elektrode 4 angeordnet. Der Stromsammler 20 ist vollständig mit der Aktivmaterialfolie 10 belegt. Eine weitere Beschichtung ist nicht notwendig. Von der zweiten Elektrode 4‘ des Elektrodenstapels 5 ist lediglich der Ableiter 51 sichtbar.
  • Die 3a bis 3c zeigen verschiedene bevorzugte Ausgestaltungsformen der Randbereiche des Stromsammlers 20, 21. Die Ausgestaltungsform gemäß 3a ist dabei mit glatten Kanten 22, 23 des Stromsammlers 20 bzw. 21 versehen. Die Ausgestaltungsform gemäß 3b zeigt einen Stromsammler 20, 21 mit gewellten Kanten 22, 23 des Stromsammlers 20 bzw. 21. Schließlich zeigt Ausgestaltungsform gemäß 3c einen Stromsammler 20, 21, der mit einer Vielzahl von Löchern 80 im Randbereich entlang der Kanten 22, 23 des Stromsammlers 20 bzw. 21 versehen ist. Diese können z.B. wie vorliegend dargestellt in zwei Reihen versetzt zueinander in regelmäßigen Abständen angeordnet sein.
  • 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.
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Claims (11)

  1. Elektrode (4, 4’), umfassend mindestens einen flächig ausgestalteten Stromsammler (20, 21), an dem mindestens ein Ableiter (50, 51) angebracht ist, und mindestens eine Aktivmaterialfolie (10, 11), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aktivmaterialfolie (10, 11) auf einer ersten Oberfläche des Stromsammlers (20, 21) angeordnet ist und allseitig entlang der Kanten (22, 23) des Stromsammlers (20, 21) über diese hinausragt, um so allseitig einen Überstand (70) der Aktivmaterialfolie (10, 11) über die äußere Begrenzung des Stromsammlers (20, 21) auszubilden.
  2. Elektrode (4, 4’) nach Anspruch 1, wobei die Elektrode (4, 4’) mindestens zwei Aktivmaterialfolie (10, 11) umfasst, und wobei die erste Aktivmaterialfolie (10, 11) auf einer ersten Oberfläche des Stromsammlers (20, 21) angeordnet ist und die zweite Aktivmaterialfolie (10, 11) auf einer zweiten Oberfläche des Stromsammlers (20, 21) angeordnet ist, die der ersten Oberfläche des Stromsammlern (20, 21) gegenüberliegt, sodass der Stromsammler (20, 21) vollständig von den beiden Aktivmaterialfolien (10, 11) eingeschlossen ist.
  3. Elektrode (4, 4’) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die der Stromsammler (20, 21) an mindestens einem Teil seines Randbereichs gelocht und/oder gewellt ist.
  4. Elektrode (4, 4’) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Ableiter (50, 51) so ausgestaltet ist, dass dieser über die äußere Begrenzung der mindestens einen Aktivmaterialfolie (10, 11) herausragt.
  5. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode (4, 4’), umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlers (20, 21); b) Bereitstellen mindestens einer freistehenden Aktivmaterialfolie (10, 11); c) Aufbringen der freistehenden Aktivmaterialfolie (10, 11) auf einer ersten Oberfläche des flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlers (20, 21); wobei die Aktivmaterialfolie (10, 11) allseitig entlang der Kanten (22, 23) des Stromsammlers (20, 21) über diese hinausragt, um so allseitig einen Überstand (70) der mindestens einen Aktivmaterialfolie (10, 11) über die äußere Begrenzung des Stromsammlers (20, 21) auszubilden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei mindestens zwei freistehende Aktivmaterialfolien (10, 11) verwendet werden, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlers (20, 21), welcher mindestens eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist; b) Bereitstellen einer ersten freistehenden Aktivmaterialfolie (10, 11); c) Aufbringen der ersten freistehenden Aktivmaterialfolie (10, 11) auf der ersten Oberfläche des flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlers (20, 21); d) Bereitstellen mindestens einer zweiten freistehenden Aktivmaterialfolie (10, 11), e) Aufbringen der mindestens zweiten freistehenden Aktivmaterialfolie (10, 11) auf der zweiten Oberfläche des flächig ausgebildeten, vorgeformten Stromsammlers (20, 21); wobei mindestens die erste und/oder die zweite Aktivmaterialfolie (10, 11) allseitig entlang der Kanten (22, 23) des Stromsammlers (20, 21) über diese hinausragt, um so allseitig einen Überstand (70) der mindestens einen Aktivmaterialfolie (10, 11) über die äußere Begrenzung des Stromsammlers (20, 21) auszubilden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei sowohl die erste Aktivmaterialfolie (10, 11) als auch die zweite Aktivmaterialfolie (10, 11) allseitig entlang der Kanten (22, 23) des Stromsammlers (20, 21) über diese hinausragen und allseitig einen Überstand (70) der mindestens einen Aktivmaterialfolie (10, 11) über die äußere Begrenzung des Stromsammlers (20, 21) ausbilden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Aktivmaterialfolie (10, 11) und die zweite Aktivmaterialfolie (10, 11) allseitig im Bereich des Überstands (70) über die äußere Begrenzung des Stromsammlers (20, 21) durch Pressen miteinander verbunden werden.
  9. Elektrode (4, 4’) erhalten nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8.
  10. Verwendung einer Elektrode (4, 4’) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 9 als Elektrode (4, 4’) in einem elektrochemischen Energiespeichersystem oder als Elektrode (4, 4’) in einer Brennstoffzelle.
  11. Elektrochemisches Energiespeichersystem, umfassend mindestens eine Elektrode (4, 4’) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 9.
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