DE102016217394A1 - Process for the solvent-free production of an electrode - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (9) umfassend mindestens einen Stromsammler (1) und mindestens eine Aktivmaterialschicht (2c, 2d), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: a) Bereitstellen eines Stromsammlers (1) in Form eines Blechs oder einer Folie oder einer Verbundfolie; b) Bereitstellen einer freistehenden Aktivmaterialfolie (2a, 2b), umfassend mindestens ein Aktivmaterial und mindestens ein Bindemittel, sowie ggf. mindestens einen Leitzusatz; c) Aufbringen mindestens einer Aktivmaterialfolie (2a, 2b) auf mindestens einer Oberfläche (3a, 3b) des Stromsammlers (1); d) Induktives Erwärmen des Stromsammlers (1) auf eine Temperatur, die es ermöglicht, wenigstens die mit dem Stromsammler (1) in Kontakt stehenden Bestandteile der mindestens einen Aktivmaterialfolie (2a, 2b) auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Bindemittels zu erwärmen; wobei die dem Stromsammler (1) abgewandte Oberfläche (7a, 7b) der mindestens einen Aktivmaterialfolie (2a, 2b) nicht erwärmt wird.The invention relates to a method for producing an electrode (9) comprising at least one current collector (1) and at least one active material layer (2c, 2d), the method comprising the following method steps: a) providing a current collector (1) in the form of a sheet or a film or a composite film; b) providing a freestanding active material film (2a, 2b) comprising at least one active material and at least one binder, and optionally at least one conductive additive; c) applying at least one active material film (2a, 2b) on at least one surface (3a, 3b) of the current collector (1); d) inductively heating the current collector (1) to a temperature which makes it possible to heat at least the components of the at least one active material film (2a, 2b) in contact with the current collector (1) to a temperature above the softening temperature of the binder; wherein the current collector (1) facing away from surface (7a, 7b) of the at least one active material foil (2a, 2b) is not heated.
Description
Stand der TechnikState of the art
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer Elektrode sowie die so hergestellte Elektrode und deren Verwendung.The present invention is a process for the solvent-free production of an electrode and the electrode thus produced and their use.
Elektroden, umfassend einen Stromsammler und eine darauf aufgebrachte Elektrodenaktivzusammensetzung, werden in vielen Bereichen der Energiespeicherung und Energieerzeugung bzw. -umwandlung eingesetzt. Als Beispiele sind Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien (LIB) oder Brennstoffzellen zu nennen. Im Stand der Technik werden zwei grundlegend verschiedene Verfahren zur Beschichtung des Stromsammlers mit dem Elektrodenaktivmaterial (nachfolgend auch Aktivmaterial bezeichnet) beschrieben, nämlich das Aufbringen einer Aktivmaterialaufschlämmung (sog. Slurry-Verfahren) und das Aufbringen einer freistehenden Aktivmaterialfolie. Electrodes comprising a current collector and an electrode active composition applied thereto are used in many areas of energy storage and power generation. Examples include electrodes for lithium-ion batteries (LIB) or fuel cells. Two fundamentally different processes for coating the current collector with the electrode active material (hereinafter also referred to as active material) are described in the prior art, namely the application of an active material slurry (so-called slurry process) and the application of a freestanding active material film.
Die Herstellung von Elektroden aus freistehenden Aktivmaterialfolien weist den Vorteil einer lösungsmittelfreien Verfahrensführung auf. Herstellungsverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer Elektrode bereitzustellen, bei dem die Porosität der zugänglichen Aktivmaterialoberfläche nicht reduziert wird. Diese Aufgabe wird durch die nachfolgend beschriebene Erfindung gelöst. The object of the present invention is to provide a process for the solvent-free production of an electrode in which the porosity of the accessible active material surface is not reduced. This object is achieved by the invention described below.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer Elektrode, umfassend mindestens einen Stromsammler und mindestens eine Aktivmaterialschicht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- a) Bereitstellen eines Stromsammlers;
- b) Bereitstellen einer freistehenden Aktivmaterialfolie, umfassend mindestens ein Aktivmaterial und mindestens ein Bindemittel, sowie ggf. mindestens einen Leitzusatz;
- c) Aufbringen der mindestens einen Aktivmaterialfolie auf mindestens eine Oberfläche des Stromsammlers;
- d) Induktives Erwärmen des Stromsammlers auf eine Temperatur, die es ermöglicht, die mit dem Stromsammler in Kontakt stehenden Bestandteile der mindestens einen Aktivmaterialfolie auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangtemperatur Tg mindestens eines in der Aktivmaterialfolie enthaltenen Bindemittels zu erwärmen;
- a) providing a current collector;
- b) providing a freestanding active material film comprising at least one active material and at least one binder, and optionally at least one conductive additive;
- c) applying the at least one active material film to at least one surface of the current collector;
- d) inductively heating the current collector to a temperature which makes it possible to heat the components of the at least one active material film in contact with the current collector to a temperature above the glass transition temperature T g of at least one binder contained in the active material film;
Der Stromsammler besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Geeignete Materialien, aus denen der Stromsammler gebildet sein kann sind beispielsweise Kupfer, Aluminium, Nickel oder auch Legierungen dieser Metalle auch mit anderen Metallen. Besonders bevorzugt sind Aluminium und Kupfer sowie deren Legierungen. Der Stromsammler muss zudem induktiv erwärmbar sein. Die Schichtdicke ist nicht speziell eingeschränkt. Der Stromsammler ist daher vorzugsweise flächig in Form eines Blechs oder einer Folie ausgestaltet. Da der Stromsammler keine stabilitätsfördernden Eigenschaften mit sich bringen muss und andererseits das Gewicht der Elektrode erhöht, ist eine dünne Ausgestaltung in Form einer Folie bevorzugt. Beispielsweise weist der Stromsammler eine Schichtdicke von 1 bis 500 µm, vorzugsweise 3 bis 200 µm und insbesondere von 3 bis 15 µm auf. The current collector consists of an electrically conductive material. Suitable materials from which the current collector can be formed are, for example, copper, aluminum, nickel or even alloys of these metals with other metals. Particularly preferred are aluminum and copper and their alloys. The current collector must also be heated inductively. The layer thickness is not particularly limited. The current collector is therefore preferably designed flat in the form of a sheet or a foil. Since the current collector does not have to impart stability-promoting properties and on the other hand increases the weight of the electrode, a thin configuration in the form of a film is preferred. For example, the current collector has a layer thickness of 1 to 500 .mu.m, preferably 3 to 200 .mu.m and in particular from 3 to 15 .mu.m.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Stromsammler aus einem Verbundmaterial bestehen, welches ein elektrisch leitfähiges Material umfasst. Beispielsweise kann eine Verbundfolie als Stromsammler verwendet werden, welche eine metallisierte Kunststofffolie umfasst. Als Beispiele können Kunststofffolien, z.B. Polyolefinfolien oder Polyesterfolien genannt werden, die auf mindestens einer Oberfläche mit einer Metallschicht versehen sind. Als bevorzugte Kunststoffe sind Polyethylen, Polypropylen und Polyethylenterephthalat hervorzuheben. Diese garantieren als Folien mit einer Schichtdicke von beispielsweise 1 bis 500 µm, bevorzugt 3 bis 200 µm und insbesondere von 3 bis 15 µm eine ausreichende Stabilität der Verbundfolie. Auf mindestens einer Oberfläche, vorzugsweise auf beiden Oberflächen der Kunststofffolie ist eine Metallschicht aufgedampft, insbesondere eine Kupfer- oder Aluminiumschicht. Da dieser Metallschicht keine stabilitätssteigernde Wirkung zukommt, kann die Schichtdicke der Metallschicht ≤ 3 µm, z.B. ≤ 2 µm oder ≤ 1 µm betragen. So kann das Gewicht der Elektrode effektiv reduziert werden. In a further embodiment, the current collector may be made of a composite material comprising an electrically conductive material. For example, a composite foil can be used as a current collector comprising a metallized plastic film. As examples, plastic films, e.g. Polyolefin or polyester films are called, which are provided on at least one surface with a metal layer. The preferred plastics are polyethylene, polypropylene and polyethylene terephthalate. These guarantee as films with a layer thickness of for example 1 to 500 .mu.m, preferably 3 to 200 .mu.m and in particular from 3 to 15 .mu.m, a sufficient stability of the composite film. On at least one surface, preferably on both surfaces of the plastic film, a metal layer is vapor-deposited, in particular a copper or aluminum layer. Since this metal layer does not have a stability-increasing effect, the layer thickness of the metal layer may be ≦ 3 μm, e.g. ≤ 2 μm or ≤ 1 μm. Thus, the weight of the electrode can be effectively reduced.
Die Aktivmaterialfolie kann nach einem der Fachmann bekannten Verfahren hergestellt werden, wobei eine freistehende Folie aus einer Aktivmaterialzusammensetzung gefertigt wird. Vorzugsweise wird eine trockene Aktivmaterialzusammensetzung eingesetzt. Die Aktivmaterialzusammensetzung kann dabei 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 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialzusammensetzung, wohingegen das Aktivmaterial für eine Kathode beispielsweise umfassen kann ein Lithiumsalz, wie etwa Lithiumnickelcobaltmanganoxid (NCM) oder Lithiummanganoxid (LMO), bevorzugt in einer Konzentration von größer oder gleich 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialzusammensetzung. 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 Aktivmaterialzusammensetzung ferner mindestens ein Bindemittel aufweisen. Das Bindemittel umfasst vorzugsweise ein polymeres Material, ausgewählt aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethen (PTFE), Styrol-Butadien-Copolymer (SBR) und Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM). Besonders bevorzugt umfasst der Bindemittel mindestens PVDF. Dieses Bindemittel kann aufgrund der ausgeprägten Fibrillen-Bildung besonders vorteilhaft zur Erzeugung einer freistehenden Aktivmaterialfolie aus der Aktivmaterialzusammensetzung eingesetzt werden. Beispielsweise umfasst die Aktivmaterialzusammensetzung Polyvinylidenfluorid (PVDF) in einer Konzentration von kleiner oder gleich 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialzusammensetzung, 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 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialzusammensetzung, zugesetzt sein. 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
Die zugeschnittene Aktivmaterialfolie wird auf mindestens einem Teil der Oberfläche des vorgeformten Stromsammlers aufgelegt. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform wird eine Endlosfolie aus Aktivmaterial auf mindestens einem Teil der Oberfläche eines Endlosstromsammlers aufgelegt. Das so erhaltene Laminat kann anschließend auf das gewünschte Maß zugeschnitten werden.The cut active material film is placed on at least part of the surface of the preformed current collector. In an alternative preferred embodiment, an endless sheet of active material is placed on at least part of the surface of an endless current collector. The resulting laminate can then be cut to the desired size.
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
In einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei Aktivmaterialfolien verwendet, die jeweils auf einer Oberfläche des Stromsammlers aufgelegt werden. Dabei kann ein Randbereich des Stromsammlers unbelegt bleiben. Es ist aber ebenso möglich, die Oberfläche des Stromsammlers im Wesentlichen vollständig, d.h. zu ≥ 95%, vorzugsweise ≥ 98%, insbesondere ≥ 99%, mit Aktivmaterialfolie(n) zu belegen.In a preferred embodiment, two active material sheets are used, each of which is placed on a surface of the current collector. In this case, an edge region of the current collector remain unoccupied. However, it is also possible for the surface of the current collector to be substantially complete, i. to ≥ 95%, preferably ≥ 98%, in particular ≥ 99%, with active material film (s) to occupy.
Um eine haftfeste Bindung zwischen der Stromsammleroberfläche und der mindestens einen Aktivmaterialfolie zu erzielen, wird eine Plastifizierung mindestens eines Teils der Bindemittel, die in der Aktivmaterialfolie enthalten sind, bewirkt. Dies geschieht durch induktives Erwärmen des Stromsammlers auf eine Temperatur, die es ermöglicht, wenigstens die mit dem Stromsammler in Kontakt stehenden Bestandteile der mindestens einen Aktivmaterialfolie auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangtemperatur Tg mindestens eines in der Aktivmaterialfolie enthaltenen Bindemittels zu erwärmen. Die Anordnung aus mindestens einem Stromsammler und mindestens einer, auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Stromsammlers aufgelegten, Aktivmaterialfolie wird hierzu in die Nähe einer Induktionsheizspule gebracht. Die Induktionsheizspule erwärmt so gezielt die elektrisch leitende Schicht, d.h. den Stromsammler. Dieser wird dabei auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg mindestens eines Bindemittels der Aktivmaterialfolie liegt. Werden mehrere Bindemittel oder Gemische von Bindemitteln verwendet, so wird der Stromsammler mindestens auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb des Bindemittels mit der niedrigsten Glasübergangstemperatur Tg liegt. In order to achieve a strong bond between the current collector surface and the at least one active material film, plasticization of at least a portion of the binder contained in the active material film is effected. This is done by inductively heating the current collector to a temperature which makes it possible to heat at least the components of the at least one active material film in contact with the current collector to a temperature above the glass transition temperature T g of at least one binder contained in the active material film. The arrangement of at least one current collector and at least one, on at least a part of the surface of the current collector launched, active material foil is placed for this purpose in the vicinity of an induction heating coil. The induction heating coil thus selectively heats the electrically conductive layer, ie the current collector. This is heated to a temperature which is above the glass transition temperature T g of at least one binder of the active material film. If several binders or mixtures of binders are used, the current collector is heated at least to a temperature which is above the binder with the lowest glass transition temperature T g .
Ein zu starkes Erwärmen kann jedoch dazu führen, dass große Teile der Bindemittel schmelzen. Diese können sich dann unkontrolliert in der Aktivmaterialschicht verteilen und beispielsweise die Oberflächen der Aktivmaterialpartikel teilweise bedecken. Die bedeckten Aktivmaterialpartikel sind nur noch unzureichend in der Lage mit den Ladungsträgern der Elektrolytzusammensetzung beispielsweise in einem Energiespeichersystem in Wechselwirkung zu treten. Um diesen Effekt zu vermeiden, wird der Stromsammler durch die induktive Erwärmung auf eine Temperatur erwärmt, die ≤ 20°C oberhalb der Schmelztemperatur Tm des mindestens einen in der Aktivmaterialfolie enthaltenden Bindemittels liegt. Vorzugsweise wird die Temperatur des Stromsammlers so gewählt, dass Sie oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg und unterhalb der Schmelztemperatur Tm des mindestens einen Bindemittels liegt. Besonders bevorzugt ist eine Temperatur, die ein einem Bereich von 30 bis 10°C unterhalb der Schmelztemperatur Tm des Bindemittels mit der niedrigsten Schmelztemperatur liegt. However, overheating can cause large parts of the binders to melt. These can then be distributed uncontrollably in the active material layer and, for example, partially cover the surfaces of the active material particles. The covered active material particles are only insufficiently able to interact with the charge carriers of the electrolyte composition, for example in an energy storage system. To avoid this effect, the current collector is heated by the inductive heating to a temperature which is ≤ 20 ° C above the melting temperature T m of the at least one binder contained in the active material film. Preferably, the temperature of the current collector is chosen so that it is above the glass transition temperature T g and below the melting temperature T m of the at least one binder. Particularly preferred is a temperature which is a range of 30 to 10 ° C below the melting temperature T m of the binder having the lowest melting temperature.
Die Temperatur des Stromsammlers wird dabei über den Stromfluss in der Induktionsheizspule reguliert. Bei bekannter Dimensionierung und Anordnung des Stromsammlers und der Induktionsheizspule (Größe, Form und Material, sowie Abstand voneinander) kann die Temperatur des Stromsammlers über den Stromfluss in der Induktionsheizspule genau gesteuert werden. Der Stromfluss kann mit Hilfe einer zweiten Spule in der Induktionsheizspule kontrolliert werden. Dies ermöglicht eine indirekte Messung der Temperatur des Stromsammlers. The temperature of the current collector is regulated by the current flow in the induction heating coil. With known dimensions and arrangement of the current collector and the induction heating coil (size, shape and material, and distance from each other), the temperature of the current collector can be precisely controlled by the current flow in the induction heating coil. The current flow can be controlled by means of a second coil in the induction heating coil. This allows an indirect measurement of the temperature of the current collector.
Die Induktionsheizspule kann an einer beliebigen Position angebracht werden, vorausgesetzt sie befindet sich nahe genug an dem Stromsammler, um diesen induktiv zu erwärmen. Der Abstand zwischen Induktionsheizspule und Stromsammler ist vorzugsweise ≤ 10 cm, stärker bevorzugt ≤ 5 cm, insbesondere ≤ 3 cm. The induction heating coil can be mounted in any position, provided it is close enough to the current collector to inductively heat it. The distance between the induction heating coil and the current collector is preferably ≦ 10 cm, more preferably ≦ 5 cm, in particular ≦ 3 cm.
Während es zur Ausbildung einer Haftverknüpfung zwischen dem Stromsammler und der Aktivmaterialfolie prinzipiell ausreichend ist, wenn ein schmaler Streifen der Aktivmaterialfolie mit dem Stromsammler verbunden ist, ist eine flächige Verknüpfung aus Stabilitätsgründen bevorzugt. Um dies zu erreichen erstreckt sich die Induktionsheizspule im Wesentlichen über die gesamte Breite des mit Aktivmaterial zu belegenden Stromsammlers. „Im Wesentlichen die gesamte Breite“ bedeutet dabei mindestens 90% der gesamten Breite des mit Aktivmaterialfolie zu belegenden Stromsammlers, vorzugsweise mindestens 95%. Dies kann durch eine einzelne Induktionsheizspule oder durch eine Vielzahl von Induktionsheizspulen, z.B. zwei, drei oder vier Induktionsheizspulen, die nebeneinander angeordnet sind, erreicht werden. While it is in principle sufficient to form an adhesive bond between the current collector and the active material film, when a narrow strip of the active material film is connected to the current collector, an areal connection is preferred for reasons of stability. To achieve this, the induction heating coil extends substantially over the entire width of the current collector to be occupied with active material. "Essentially the entire width" means at least 90% of the total width of the current collector to be occupied with active material, preferably at least 95%. This can be done by a single induction heating coil or by a plurality of induction heating coils, e.g. two, three or four induction heating coils arranged side by side can be achieved.
Entlang der Längsausdehnung des Stromsammlers (d.h. orthogonal zur Schichtdicke des Stromsammlers und zur Breite des Stromsammlers) kann die Induktionsheizspule sich ebenfalls im Wesentlichen über die gesamte Ausdehnung des mit Aktivmaterial zu belegenden Stromsammlers, d.h. über mindestens 90% der gesamten Längsausdehnung des mit der Aktivmaterialfolie zu belegenden Stromsammlers, vorzugsweise mindestens 95% der gesamten Längsausdehnung des Stromsammlers, erstrecken. Dies kann ebenfalls durch eine einzelne Induktionsheizspule oder durch eine Vielzahl von Induktionsheizspulen, die nebeneinander angeordnet sind, erreicht werden. Eine solche Anordnung ermöglicht eine diskontinuierliche Fertigung der Elektroden. Along the longitudinal extent of the current collector (ie orthogonal to the layer thickness of the current collector and to the width of the current collector) The induction heating coil can likewise extend essentially over the entire extent of the current collector to be occupied by active material, ie over at least 90% of the total longitudinal extent of the current collector to be occupied by the active material foil, preferably at least 95% of the total longitudinal extent of the current collector. This can also be achieved by a single induction heating coil or by a plurality of induction heating coils arranged side by side. Such an arrangement allows a discontinuous production of the electrodes.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Elektrodenfertigung jedoch kontinuierlich durchgeführt. In diesem Fall wird die Schichtstruktur aus Stromsammler und mindestens einer Aktivmaterialschicht relativ zu der Induktionsheizspule an dieser vorbeibewegt. In diesem Fall ist es lediglich notwendig, eine Induktionsheizspule bereitzustellen, die sich im Wesentlichen über die gesamte Breite des Stromsammlers erstreckt, während die Ausdehnung der Heizzone in Längsrichtung gering sein kann. Beispielsweise beträgt diese Ausdehnung 0,5 cm bis 5 cm, insbesondere 3 bis 4 cm. So kann ein kontinuierliches Verfahren, insbesondere ein Roll-to-Roll-Verfahren durchgeführt werden, bei dem fortlaufend ein Laminat aus mindestens einer Endlosfolie aus einem elektrisch leitfähigen Material als Stromsammler und mindestens einer Endlosaktivmaterialfolie gefertigt wird. In a preferred embodiment, however, the electrode production is carried out continuously. In this case, the layer structure of the current collector and at least one active material layer is moved past the induction heating coil relative to the induction heating coil. In this case, it is only necessary to provide an induction heating coil which extends substantially the entire width of the current collector, while the longitudinal extent of the heating zone may be small. For example, this extent is 0.5 cm to 5 cm, in particular 3 to 4 cm. Thus, a continuous process, in particular a roll-to-roll process can be carried out, in which a laminate of at least one continuous foil made of an electrically conductive material as current collector and at least one continuous active material foil is produced continuously.
Durch die Erwärmung des Stromsammlers wird ein Erweichen oder ggf. auch ein Schmelzen der in der Aktivmaterialfolie enthaltenden Bindemittel, welche sich an der der Oberfläche des Stromsammlers zugewandten Oberfläche der Aktivmaterialfolie befinden, erreicht. Im Übrigen wird die Aktivmaterialfolie seine Temperatur um nicht mehr als 50°C, vorzugsweise um nicht mehr als 30°C ändern. Insbesondere wird die dem Stromsammler abgewandte Oberfläche der Aktivmaterialfolie im Wesentlichen nicht erwärmt, d.h. ihre Temperatur erhöht sich vorzugsweise um weniger als 10°C. Es bildet sich so ein Temperaturgradient innerhalb der Aktivmaterialfolie aus, welcher seinen Maximalwert an der der Oberfläche des Stromsammlers zugewandten Oberfläche der Aktivmaterialfolie aufweist.The heating of the current collector achieves softening or possibly also melting of the binders contained in the active material film which are located on the surface of the active material film facing the surface of the current collector. Incidentally, the active material sheet will change its temperature by not more than 50 ° C, preferably not more than 30 ° C. In particular, the surface of the active material foil facing away from the current collector is substantially not heated, i. their temperature preferably increases by less than 10 ° C. It thus forms a temperature gradient within the active material film, which has its maximum value at the surface of the current collector facing surface of the active material film.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfährt die Aktivmaterialfolie durch die Wärmeabstrahlung des induktiv erwärmten Stromsammlers eine Temperaturänderung, wobei die Aktivmaterialfolie bis zu einer Schichtdicke von < 50%, vorzugsweise < 30%, insbesondere < 15%, der Gesamtschichtdicke, ausgehend von der dem Stromsammler zugewandten Oberfläche der Aktivmaterialfolie, auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg mindestens eines in der Aktivmaterialfolie enthaltenen Bindemittels erwärmt wird. In a preferred embodiment, the active material film undergoes a temperature change by the heat radiation of the inductively heated current collector, the active material film up to a layer thickness of <50%, preferably <30%, in particular <15% of the total layer thickness, starting from the surface facing the current collector Active material film is heated to a temperature above the glass transition temperature T g of at least one binder contained in the active material film.
Die induktive Erwärmungsphase kann durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung kurz gestaltet sein, da der Stromsammler durch die Induktionsheizspule rasch erwärmt wird und nur ein oberflächliches Erweichen des Bindemittels in der dem Stromsammler zugewandten Oberfläche der Aktivmaterialfolie notwendig ist. Die Erwärmungsdauer beträgt vorzugsweise weniger als 10 Sekunden, insbesondere weniger als 5 Sekunden. In einem kontinuierlichen Verfahren wird so eine hohe Laufgeschwindigkeit der Endlosfolien von Stromsammler und Aktivmaterial von mehr als 20 m/s, insbesondere mehr als 30 m/s erreicht. Beispielsweise kann eine Laufgeschwindigkeit von 40 m/s erreicht werden. The inductive heating phase can be made short by the process control according to the invention, since the current collector is heated rapidly by the induction heating and only a superficial softening of the binder in the current collector facing surface of the active material film is necessary. The heating time is preferably less than 10 seconds, in particular less than 5 seconds. In a continuous process, a high running speed of the endless films of current collector and active material of more than 20 m / s, in particular more than 30 m / s is achieved. For example, a running speed of 40 m / s can be achieved.
Die Induktionsheizspule kann dabei sowohl auf Seiten der mindestens einen Aktivmaterialfolie angeordnet sein, als auch auf Seiten des mindestens einen Stromsammlers. In einer Ausführungsform können auch Paare von Induktionsheizspulen auf beiden Seiten angeordnet sein. In einem kontinuierlichen Verfahren können auch mehrere aufeinanderfolgende, voneinander beabstandete Induktionsheizspulen oder Induktionsheizspulenpaare entlang der Laufrichtung des Laminats angeordnet sein.The induction heating coil can be arranged both on the side of the at least one active material foil, as well as on the side of the at least one current collector. In one embodiment, pairs of induction heating coils may also be disposed on both sides. In a continuous process, a plurality of successive, spaced apart induction heating coils or induction heating coil pairs may also be arranged along the running direction of the laminate.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die mindestens eine Aktivmaterialfolie vor, während und/oder nach dem induktiven Erwärmen des Stromsammlers auf diesen gepresst. Dies geschieht beispielsweise mit einem Stempel, einer Presse oder einer Walze. Vorzugsweise wird dieses Anpressen mit einer Walze vorgenommen, um so eine kontinuierliche Verfahrensführung zu ermöglichen. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, in der das induktive Erwärmen mit Hilfe einer in einer Walze positionierten Induktionsheizvorrichtung durchgeführt wird, welche die mindestens eine Aktivmaterialfolie während des Erwärmens auf dem erwärmten Stromsammler anpresst. Auf diese Art wird eine besonders innige Bindung erzielt. In one embodiment of the invention, the at least one active material foil is pressed onto the latter before, during and / or after the inductive heating of the current collector. This happens, for example, with a stamp, a press or a roller. Preferably, this pressing is performed with a roller, so as to allow a continuous process control. Particularly preferred is an embodiment in which the inductive heating is carried out by means of an induction heating device positioned in a roller, which presses the at least one active material film during the heating on the heated current collector. In this way, a particularly intimate bond is achieved.
Die verwendeten Werkzeuge, insbesondere die genannten Stempel, Pressen oder Walzen werden vorzugsweise aus Materialien gefertigt, welche nicht induktiv erwärmbar sind. Dies gewährleistet, dass ein unerwünschtes erweichen des Bindemittels bei Kontakt mit den Werkzeugen auftritt. Vorzugsweise werden nicht leitfähige keramische Materialien oder nicht leitfähige Polymerer eingesetzt. Darüber hinaus können die Werkzeuge bei Bedarf mit einer Kühlvorrichtung versehen sein, um das hergestellte Laminat möglichst rasch erkalten zu lassen. Gekühlte Werkzeuge kommen vorzugsweise zu Einsatz, nachdem das induktive Erhitzen des Stromsammlers abgeschlossen ist. The tools used, in particular the mentioned punches, presses or rollers are preferably made of materials which are not inductively heated. This ensures that unwanted softening of the binder occurs upon contact with the tools. Preferably, non-conductive ceramic materials or non-conductive polymers are used. In addition, if necessary, the tools can be provided with a cooling device in order to cool the produced laminate as quickly as possible. Cooled tools are preferably used after the inductive heating of the current collector is completed.
Einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung zusätzlich eine Induktions(mess)spule umfassen, die den induzierten Stromfluss in der Folie misst und in einen Temperaturregelkreis eingebunden ist. Dies erlaubt die exakte Steuerung der Temperatur des Stromsammlers während des induktiven Erwärmens.In a further embodiment, the device may additionally comprise an induction coil which measures the induced current flow in the foil measures and is integrated in a temperature control loop. This allows the exact control of the temperature of the current collector during inductive heating.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Elektrode, umfassend mindestens einen Stromsammler und mindestens eine Aktivmaterialschicht, wobei die Aktivmaterialschicht mindestens ein Elektrodenaktivmaterial und mindestens ein Bindemittel, sowie ggf. mindestens einen Leitzusatz umfasst, und auf mindestens einer Oberfläche des Stromsammlers aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Aktivmaterialschicht graduell von der dem Stromsammler zugewandten Oberfläche der Aktivmaterialschicht zu der dem Stromsammler abgewandten Oberfläche der Aktivmaterialschicht hin zunimmt. Diese Elektrodenstruktur wird dadurch erzielt, dass die Elektrode nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Durch das induktive Erwärmen des Stromsammlers überträgt dieser die Wärme auf die dem Stromsammler zugewandte Oberfläche der Aktivmaterialschicht. Die Aktivmaterialschicht wird von dieser Oberfläche aus graduell erwärmt und erweicht ebenso graduell bis zu einer Schichtdicke von <50%, vorzugsweise <30%, insbesondere <15%, der Gesamtschichtdicke, ausgehend von der dem Stromsammler zugewandten Oberfläche der Aktivmaterialfolie. Durch das Anpressen der Aktivmaterialschicht auf den Stromsammler im Herstellungsverfahren findet eine Kompression der Aktivmaterialschicht statt. Diese Kompression bewirkt eine Reduktion der Porosität in dem erweichten Teil der Aktivmaterialschicht. Nach dem Abkühlen des Komposits verbleibt der sich daraus ergebende Porositätsgradient dauerhaft. The invention also provides an electrode comprising at least one current collector and at least one active material layer, wherein the active material layer comprises at least one electrode active material and at least one binder, and optionally at least one conductive additive, and is applied to at least one surface of the current collector, characterized in that the porosity of the active material layer gradually increases from the surface of the active material layer facing the current collector to the surface of the active material layer facing away from the current collector. This electrode structure is achieved by producing the electrode by the method according to the invention. By the inductive heating of the current collector, this transfers the heat to the surface of the active material layer facing the current collector. The active material layer is gradually heated from this surface and also gradually softens up to a layer thickness of <50%, preferably <30%, in particular <15%, of the total layer thickness, starting from the surface of the active material film facing the current collector. By pressing the active material layer on the current collector in the manufacturing process, a compression of the active material layer takes place. This compression causes a reduction in porosity in the softened part of the active material layer. After cooling of the composite, the resulting porosity gradient remains permanent.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann vorteilhafterweise zur Herstellung eines Energiespeichersystems wie einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, eines Superkondensator, eines Hybridsuperkondensator, einer Brennstoffzelle (z.B. PEM-FC-Brennstoffzelle) oder eines Elektrolyseurs (z.B. PEM-Elektrolyseur) verwendet werden.The electrode according to the invention may advantageously be used to manufacture an energy storage system such as a battery, in particular a lithium-ion battery, a supercapacitor, a hybrid supercapacitor, a fuel cell (e.g., PEM-FC fuel cell) or an electrolyzer (e.g., PEM electrolyzer).
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es eine Elektrode für eine Vielzahl von möglichen Anwendungsgebieten bereitzustellen, wobei die Elektrode in einem ökonomisch und ökologisch vorteilhaften Verfahren hergestellt wird. Das Verfahren kann zum einen weitgehend auf den Einsatz von Lösungsmitteln verzichten und spart zum anderen durch die Verwendung induktiver Energieübertragung den Verlust unnötiger Wärmeenergie. Darüber hinaus werden Elektroden erhalten, die sich gegenüber herkömmlich hergestellten Elektroden dadurch unterscheiden, dass die Porosität der Aktivmaterialschicht an der Oberfläche der Elektrode am größten ist und zum Stromsammler hin abnimmt. So ermöglicht das Verfahren die Herstellung einer Elektrode, in die eine Elektrolytzusammensetzung optimal eindringen kann. Das elektrochemische Verhalten, insbesondere die Energiedichte, der aus dieser Elektrode hergestellten Zellen ist verbessert. The present invention makes it possible to provide an electrode for a variety of possible applications, wherein the electrode is produced in an economically and ecologically advantageous method. On the one hand, the process can largely dispense with the use of solvents and, on the other hand, saves the loss of unnecessary heat energy through the use of inductive energy transmission. In addition, electrodes are obtained which differ from conventionally produced electrodes in that the porosity of the active material layer is greatest at the surface of the electrode and decreases towards the current collector. Thus, the method makes it possible to produce an electrode into which an electrolyte composition can optimally penetrate. The electrochemical behavior, in particular the energy density, of the cells produced from this electrode is improved.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.
Es zeigt:It shows:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Die Aktivmaterialfolien
In den Walzen
Der Stromsammler
Die Temperaturerhöhung bewirkt ein teilweises Erweichen der Aktivmaterialfolien
Die laminierte Elektrode
Die
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. The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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