DE102016217403A1 - Process for the preparation of an active material composition - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Aktivmaterialzusammensetzung, umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen mindestens einer Zusammensetzung A, umfassend mindestens ein Aktivmaterial, mindestens einen Polymerelektrolyten sowie mindestens ein Bindemittel; und b) Einwirken von Scherkräften auf die Zusammensetzung A, um eine wenigsten teilweise Plastifizierung des Bindemittels zu erreichen und eine pastöse Zusammensetzung B zu erhalten. Die Zusammensetzung B kann vorteilhafterweise zur Herstellung einer Elektrode oder einer freistehenden Aktivmaterialfolie verwendet werden.The invention relates to a method for producing an active material composition comprising the method steps: a) providing at least one composition A comprising at least one active material, at least one polymer electrolyte and at least one binder; and b) applying shear to composition A to achieve at least partial plasticization of the binder and to obtain a pasty composition B. The composition B can be advantageously used for the production of an electrode or a freestanding active material film.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Aktivmaterialzusammensetzung für eine Elektrode. The present invention relates to a process for producing an active material composition for an electrode.
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 Aktivmaterialfolie. The performance, in particular the energy density, of electrochemical energy storage systems such as lithium-ion batteries (LIB) depends essentially on the choice and design of the electrodes in the cell. Two fundamentally different processes for coating the current collector with the active material (hereinafter also referred to as active material) are described in the prior art, namely by the application of an active material slurry (so-called slurry application method) and by the application of a free-standing active material foil.
Die Herstellung von Elektroden aus freistehenden Aktivmaterialfolien ist aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in
Batteriezellen mit Festelektrolyten, insbesondere Polymerelektrolyten, haben den Vorteil, dass bei Beschädigung der Zelle der Elektrolyt nicht austreten kann. Auch die Sicherheit dieser Zellen ist deutlich größer, da keine brennbaren Flüssigkeiten enthalten sind. Um eine vollständige und gleichmäße Verteilung des Festelektrolyten in der Zelle zu erreichen, ist es notwendig eine Aktivmaterialzusammensetzungen, welche neben Aktivmaterialpartikeln, Bindemitteln und gegebenenfalls enthaltenen Leitzusätzen auch den Festelektrolyten umfasst, herzustellen. Typischerweise werden lösungsmittelhaltige Gemische der Bestandteile hergestellt, welche anschließend in einem Slurry-Verfahren auf den Stromsammler aufgetragen, getrocknet und gegebenenfalls verdichtet werden. Der Einsatz von Lösungsmitteln (in der Regel N-Methylpyrrolidon) ist aus ökonomischer und ökologischer Sicht nachteilig. Ferner ist die Schichtdicke derart hergestellter Aktivmaterialschichten limitiert. Battery cells with solid electrolytes, in particular polymer electrolytes, have the advantage that if the cell is damaged, the electrolyte can not escape. The safety of these cells is significantly greater, since no flammable liquids are included. In order to achieve a complete and uniform distribution of the solid electrolyte in the cell, it is necessary to prepare an active material composition which, in addition to active material particles, binders and optional conductive additives, also comprises the solid electrolyte. Typically, solvent-containing mixtures of the ingredients are prepared, which are then applied in a slurry process on the current collector, dried and optionally compacted. The use of solvents (usually N-methylpyrrolidone) is disadvantageous from an economic and environmental point of view. Furthermore, the layer thickness of active material layers produced in this way is limited.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren bereitzustellen, welches es erlaubt freistehende Aktivmaterialschichten bereitzustellen, welche einen Polymerelektrolyt umfasst. Diese Aufgabe wird durch die nachfolgend beschriebene Erfindung gelöst.It is therefore an object of the present invention to provide a method which makes it possible to provide free-standing active material layers comprising a polymer electrolyte. This object is achieved by the invention described below.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Aktivmaterialzusammensetzung, umfassend die Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen mindestens einer Zusammensetzung A, umfassend mindestens ein Aktivmaterial, mindestens einen Polymerelektrolyten sowie mindestens ein Bindemittel; und
- b) Einwirken von Scherkräften auf die Zusammensetzung A, um eine wenigsten teilweise Plastifizierung des Bindemittels zu erreichen und eine pastöse Zusammensetzung B zu erhalten.
- a) providing at least one composition A comprising at least one active material, at least one polymer electrolyte and at least one binder; and
- b) applying shear to composition A to achieve at least partial plasticization of the binder and to obtain a pasty composition B.
Das Aktivmaterial kann aus jedem dem Fachmann für die Herstellung einer positiven Elektrode (Kathode) oder negativen Elektrode (Anode) bekannten Aktivmaterial ausgewählt sein. The active material may be selected from any active material known to those skilled in the art for making a positive electrode (cathode) or negative electrode (anode).
Geeignete Anodenaktivmaterialien sind dem Fachmann bekannt. Insbesondere auf Kohlenstoff oder Silizium basierenden Anodenaktivmaterialien, welche in der Lage sind Interkalationsverbindung mit Lithium-Ionen zu bilden, sind bevorzugt. Beispiele sind Anodenaktivmaterialien, umfassend Graphit oder mono- oder polykristallines Silizium oder amorphes Silizium. Weiterhin sind Anodenaktivmaterialien aus Erdalkalimetallen, insbesondere Anoden aus metallischem Lithium, zu nennen. Suitable anode active materials are known to those skilled in the art. In particular, carbon or silicon based anode active materials capable of forming intercalation compounds with lithium ions are preferred. Examples are anode active materials comprising graphite or mono- or polycrystalline silicon or amorphous silicon. Furthermore, anode active materials of alkaline earth metals, in particular anodes of metallic lithium, may be mentioned.
Das positive Aktivmaterial kann ein zusammengesetztes Oxid umfassen, welches mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Magnesium, Nickel, sowie Lithium, enthält. The positive active material may comprise a composite oxide containing at least one metal selected from the group consisting of cobalt, magnesium, nickel, and lithium.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kathodenaktivmaterial, umfassend eine Verbindung der Formel LiMO2, wobei M ausgewählt ist aus Co, Ni, Mn oder Gemischen von diesen sowie Gemischen von diesen mit Al. Insbesondere ist LiCoO2 zu nennen.A preferred embodiment of the present invention relates to a cathode active material comprising a compound of the formula LiMO 2, wherein M is selected from Co, Ni, Mn or mixtures of these and mixtures of these with Al. In particular, LiCoO 2 should be mentioned.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kathodenaktivmaterial um ein Material, welches Nickel umfasst, d.h. LiNi1-xM‘xO2, wobei M‘ ausgewählt ist aus einem oder mehreren der Elemente Co, Mn und Al und 0 ≤ x < 1 ist. Beispiele umfassen Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid-Kathoden (z.B. LiNi0,8Co0,15Al0,05O2; NCA) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Kathoden (z.B. LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 (NMC (811)), LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2 (NMC (111)), LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 (NMC (622)), LiNi0,5Mn0,3Co0,2O2 (NMC (532)) oder LiNi0,4Mn0,3Co0,3O2 (NMC (433)).In another preferred embodiment, the cathode active material is a material comprising nickel, ie LiNi 1 -x M ' x O 2 , where M' is selected from one or more of Co, Mn and Al and 0 ≤ x <1 is. Examples include lithium nickel cobalt aluminum oxide cathodes (eg, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 ; NCA) and lithium nickel manganese cobalt oxide cathodes (eg, LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 (NMC (811)), LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 (NMC (111)), LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 (NMC (622)), LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (NMC (532)) or LiNi 0.4 Mn 0.3 Co 0.3 O 2 (NMC (433)) ,
Ferner sind als bevorzugte positive Aktivmaterialien überlithiierte Oxide zu nennen, welche dem Fachmann bekannt sind. Beispiele hierfür sind Schichtoxide der allgemeinen Formel n(Li2MnO3):n – 1(LiMO2) mit M = Co, Ni, Mn, Cr und 0 ≤ n ≤ 1 und Spinelle der allgemeinen Formel n(Li2MnO3):n – 1(LiM2O4) mit M=Co, Ni, Mn, Cr und 0 ≤ n ≤ 1.Further, as preferred positive active materials, mention may be made of overithiated oxides which are known to the person skilled in the art. Examples of these are layer oxides of the general formula n (Li 2 MnO 3 ): n - 1 (LiMO 2 ) with M = Co, Ni, Mn, Cr and 0 ≦ n ≦ 1 and spinels of the general formula n (Li 2 MnO 3 ) : n - 1 (LiM 2 O 4 ) with M = Co, Ni, Mn, Cr and 0 ≤ n ≤ 1.
Ferner sind insbesondere Spinellverbindungen der Formel LiMxMn2-xO4 mit M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe (z.B. LiMn2O4, LiNi0.5Mn1.5O4), Olivinverbindungen der Formel LiMPO4 mit M = Mn, Ni, Co, Cu, Cr, Fe (z.B. LiFePO4, LiMnPO4), Silikatverbindungen der Formel Li2MSiO4 mit M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe, Mn (z.B. Li2FeSiO4), Tavoritverbindungen (z.B. LiVPO4F), Li2MnO3, Li1.17Ni0.17Co0.1Mn0.56O2 und Li3V2(PO4)3 als geeignete positive Aktivmaterialien hervorzuheben.Furthermore, in particular spinel compounds of the formula LiM x Mn 2-x O 4 with M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe (eg LiMn 2 O 4 , LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ), olivine compounds of the formula LiMPO 4 with M = Mn , Ni, Co, Cu, Cr, Fe (eg LiFePO 4 , LiMnPO 4 ), silicate compounds of the formula Li 2 MSiO 4 with M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe, Mn (eg Li 2 FeSiO 4 ), tavorite compounds ( eg LiVPO 4 F), Li 2 MnO 3 , Li 1.17 Ni 0.17 Co 0.1 Mn 0.56 O 2 and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 as suitable positive active materials.
Der Polymerelektrolyt umfasst mindestens eine Polymer sowie gegebenenfalls ein Leitsalz. Als Polymerelektrolyt geeignete Polymere umfassen Polyalkylenoxid-Derivate von Polyethylenoxid, Polypropylenoxid und dergleichen oder Polymere, umfassend Polyalkylenoxid-Derivate; Derivate von Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyhexafluorpropylen, Polycarbonate, Polyphosphorsäureester, Polyalkylimine, Polyacrylnitril, Poly(meth)acrylsäureester, Polyphosphazene, Polyurethane, Polyamide, Polyester, Polysiloxane und dergleichen und Polymere, umfassend Derivate davon.The polymer electrolyte comprises at least one polymer and optionally a conductive salt. Polymers useful as the polymer electrolyte include polyalkylene oxide derivatives of polyethylene oxide, polypropylene oxide and the like, or polymers comprising polyalkylene oxide derivatives; Derivatives of polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, polycarbonates, polyphosphoric esters, polyalkylimines, polyacrylonitrile, poly (meth) acrylic esters, polyphosphazenes, polyurethanes, polyamides, polyesters, polysiloxanes, and the like, and polymers comprising derivatives thereof.
Bevorzugt sind Polymerverbindungen, welche eine Oxyalkylenstruktur, eine Urethanstruktur oder eine Carbonatstruktur im Molekül aufweise. Beispielsweise sind Polyalkylenoxide, Polyurethane und Polycarbonate in Hinblick auf ihre gute Komptabilität mit einer Vielzahl polarer Lösungsmittel und ihre gute elektrochemische Stabilität bevorzugt. Ferner sind Polymere mit einer Fluorkohlenstoffgruppe bevorzugt. Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropylen sind in Hinblick auf ihre Stabilität bevorzugt. Die Anzahl an Wiederholungseinheiten dieser Oxyalkylen-, Urethan-, Carbonat- und/oder Fluorkohlenstoffeinheiten liegt vorzugweise in einem Bereich von jeweils 1 bis 1000, stärker bevorzugt ein einem Bereich von 5 bis 100. Preference is given to polymer compounds which have an oxyalkylene structure, a urethane structure or a carbonate structure in the molecule. For example, polyalkylene oxides, polyurethanes and polycarbonates are preferred in view of their good compatibility with a variety of polar solvents and their good electrochemical stability. Further, polymers having a fluorocarbon group are preferable. Polyvinylidene fluoride and polyhexafluoropropylene are preferred in view of their stability. The number of repeating units of these oxyalkylene, urethane, carbonate and / or fluorocarbon units is preferably in a range of 1 to 1,000, more preferably in a range of 5 to 100.
Der Polymerelektrolyt umfasst vorzugsweise neben der mindestens einen Polymerverbindung ein Lithiumsalz. Geeignete Lithiumsalze sind, ohne auf diese beschränkt zu sein, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAlCl4, LiSbF6, LiSCN, LiCl, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiN(CF3SO2)2 und dergleichen. Diese können einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden. Die Menge an Lithiumsalz in dem Polymerelektrolyt beträgt vorzugsweise 1 bis 10 mol/kg, stärker bevorzugt 1 bis 5 mol/kg. Das Lithiumsalz kann dem Polymerelektrolyten vor der Durchführung des vorliegenden Verfahrens zugefügt worden sein. Es kann dem Polymerelektrolyten aber auch im Zuge des vorliegenden Verfahrens zugeführt werden. Auch kann im Laufe des Verfahrens eine zusätzliche Menge an Leitsalz zugeführt werden. Diese und weitere Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend beschrieben. The polymer electrolyte preferably comprises a lithium salt in addition to the at least one polymer compound. Suitable lithium salts include, but are not limited to, LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCl, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2, and the like , These can be used individually or in combination with each other. The amount of lithium salt in the polymer electrolyte is preferably 1 to 10 mol / kg, more preferably 1 to 5 mol / kg. The lithium salt may have been added to the polymer electrolyte prior to carrying out the present process. However, it can also be fed to the polymer electrolyte in the course of the present process. Also, in the course of the process, an additional amount of conductive salt can be supplied. These and other embodiments of the invention will be described below.
Als zusätzlichen Bestandteil umfasst die Aktivmaterialzusammensetzung in einer Ausführungsform mindestens einen Festkörperelektrolyten, insbesondere einen anorganischen Festkörperelektrolyten, 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
Ferner umfasst die Zusammensetzung A mindestens ein Bindemittel, welches dazu dient nach Durchführung des Verfahrens Haftverbindungen zwischen den einzelnen Bestandteilen der Aktivmaterialzusammensetzung auszubilden. Das Bindemittel ist ein polymeres Material, welches unter Einwirkung von Scherkräften wenigstens teilweise plastifizierbar ist und vorzugsweise Fibrillen ausbildet. Als Beispiele können Polymere wie Polyacrylsäure (PAA), Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Copolymer (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethen (PTFE) und Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM) genannt werden. Besonders bevorzugt umfasst das Bindemittel mindestens PVDF. Darüber hinaus kann auch der Polymerbestandteil des Polymerelektrolyten als Bindemittel der Zusammensetzung dienen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Bindemittel und der Polymerbestandteil des Polymerelektrolyten daher identisch. Furthermore, the composition A comprises at least one binder which serves, after the method has been carried out, to form adhesive bonds between the individual constituents of the active material composition. The binder is a polymeric material which is at least partially plastifiable under the action of shear forces and preferably forms fibrils. As examples, there may be mentioned polymers such as polyacrylic acid (PAA), carboxymethylcellulose (CMC), styrene-butadiene copolymer (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethene (PTFE) and ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM). Most preferably, the binder comprises at least PVDF. In addition, the polymer component of the polymer electrolyte can also serve as a binder of the composition. In a preferred embodiment, therefore, the binder and polymer component of the polymer electrolyte are identical.
Ferner kann die Zusammensetzung Leitzusätze wie Leitruß oder Graphit umfassen, um die Leitfähigkeit weiter zu erhöhen.Further, the composition may include conductive additives such as conductive black or graphite to further increase conductivity.
In einem ersten Verfahrensschritt a) des vorliegenden Verfahrens wird ein Gemisch der Bestandteile Aktivmaterial, Bindemittel und Polymerelektrolyt hergestellt. Dieser Verfahrensschritt kann mit jedem dem Fachmann bekannten Mischungsverfahren durchgeführt werden. Beispiele sind Freifallmischer und Zwangsmischer. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Freifallmischer verwendet. Dieser schont die Bestandteile der Zusammensetzung vor unnötiger Zerkleinerung. In a first process step a) of the present process, a mixture of the constituents active material, binder and polymer electrolyte is prepared. This process step can be carried out using any mixing method known to the person skilled in the art. Examples are free-fall mixers and compulsory mixers. In a preferred embodiment, a tumbler mixer is used. This protects the components of the composition from unnecessary shredding.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt b) wird eine wenigstens teilweise Plastifizierung des Bindemittels, sowie gegebenenfalls des Polymerelektrolyten durch die Einbringung von Scherkräften bewirkt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Verfahrensschritt b) in einer Strahlmühle oder einer Kugelmühle durchgeführt. Besonders bevorzug ist die Verwendung einer Strahlmühle. Dies ermöglicht eine zügige Plastifizierung der Polymerbestandteile, d.h. des Bindemittels und gegebenenfalls des Polymerelektrolyten, ohne eine zu starke Zerkleinerung der Aktivmaterialpartikel zu erreichen. Vorzugsweise wird ein Grad der Plastifizierung des Bindemittels und/oder des Polymerelektrolyten erzielt, der die Ausbildung von Fibrillen aus den Polymerbestandteilen erlaubt. Diese Fibrillen verbinden dann eine Vielzahl von Partikeln der Zusammensetzung miteinander. Man erhält eine formbare, pastöse Zusammensetzung B. In a subsequent process step b) an at least partial plasticization of the binder, and optionally the polymer electrolyte is effected by the introduction of shear forces. In a preferred embodiment, the process step b) is carried out in a jet mill or a ball mill. Particularly preferred is the use of a jet mill. This allows for rapid plasticization of the polymer components, i. of the binder and optionally of the polymer electrolyte, without achieving excessive comminution of the active material particles. Preferably, a degree of plasticization of the binder and / or the polymer electrolyte is achieved which allows the formation of fibrils from the polymer components. These fibrils then combine a plurality of particles of composition with each other. This gives a moldable, pasty composition B.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Verfahrensschritte a) und b) in derselben Mischvorrichtung durchgeführt, insbesondere in einer Strahlmühle. Dies ermöglicht eine Reduktion der Anzahl der Verfahrensschritte. Vorzugsweise kann in diesem Fall zunächst eine Durchmischung der Bestandteile bei niedrigem Energieeintrag, d.h. bei geringer Leistung der Strahlmühle durchgeführt werden. Anschließend findet die Fibrillierung bei einer Leistung der Strahlmühle statt, die wenigstens eine teilweise Plastifizierung der Polymerbestandteile erlaubt.In a preferred embodiment, the method steps a) and b) are carried out in the same mixing device, in particular in a jet mill. This allows a reduction in the number of process steps. Preferably, in this case, mixing of the components at low energy input, i. be carried out at low power of the jet mill. Subsequently, the fibrillation takes place at a power of the jet mill, which allows at least a partial plasticization of the polymer components.
Wie eingangs erwähnt, kann der Polymerelektrolyt ein Leitsalz, insbesondere ein Lithiumsalz, ausgewählt aus den zuvor genannten Lithiumsalzen, enthalten. Das Leitsalz kann der Aktivmaterialzusammensetzung jedoch auch getrennt vom Polymerelektrolyt oder zusätzlich zu dem im Polymerelektrolyt enthaltenen Leitsalz zugegeben werden. Diese Zugabe kann in Form des Leitsalzes als Feststoff oder in Lösung erfolgen. Beispielsweise wird in einer Ausführungsform in Schritt a) zusätzlich das Leitsalz als Feststoff zugegeben und eine homogene Zusammensetzung A hergestellt. Diese wird dann im anschließenden Verfahrensschritt b) fibrilliert. As mentioned above, the polymer electrolyte may contain a conductive salt, in particular a lithium salt, selected from the abovementioned lithium salts. However, the conductive salt may also be added to the active material composition separately from the polymer electrolyte or in addition to the conductive salt contained in the polymer electrolyte. This addition can be carried out in the form of the conductive salt as a solid or in solution. For example, in one embodiment, in step a), the conductive salt is additionally added as a solid and a homogeneous composition A is produced. This is then fibrillated in the subsequent process step b).
In einer weiteren Ausführungsform wird das Leitsalz gemeinsam mit der Zusammensetzung A in Verfahrensschritt b) eingesetzt, ohne zuvor eine homogene Mischung herzustellen. Die Vermischung erfolgt somit während des Plastifizierungs- bzw. Fibrillierungsschrittes. Die eingetragene Energie ermöglicht eine vollständige Durchmischung und gegebenenfalls Zerkleinerung des eingesetzten Leitsalzes. In a further embodiment, the conductive salt is used together with the composition A in process step b), without first preparing a homogeneous mixture. The mixing thus takes place during the plasticizing or fibrillation step. The registered energy allows complete mixing and optionally comminution of the conductive salt used.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Leitsalz in Form einer Leitsalzlösung in einem Lösungsmittel zugegeben. Während der Zugabezeitpunkt prinzipiell nicht eingeschränkt ist, findet die Zugabe bevorzugt während des Verfahrensschrittes a) statt, um eine gleichmäßige Verteilung zu erzielen. Sie kann aber auch während des Verfahrensschrittes b) stattfinden.In a further preferred embodiment of the invention, the conductive salt is added in the form of a conductive salt solution in a solvent. While the addition time is in principle not restricted, the addition preferably takes place during process step a) in order to achieve a uniform distribution. But it can also take place during process step b).
Geeignete Lösungsmittel müssen in der Lage sein, das Leitsalz hinreichend zu lösen. Als Beispiele zu nennen sind Wasser, Acetonitril, Tetrahydrofuran, Diethylcarbonat oder γ-Butyrolacton sowie cyclische und acyclische Carbonate, insbesondere Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylenmethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat sowie Gemische davon. Bevorzugt sind Wasser, Acetonitril, Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylenmethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat sowie Gemische davon. Besonders bevorzugt sind Wasser, Acetonitril und Tetrahydrofuran sowie Gemische davon. Suitable solvents must be able to dissolve the conductive salt sufficiently. Examples which may be mentioned are water, acetonitrile, tetrahydrofuran, diethyl carbonate or γ-butyrolactone and also cyclic and acyclic carbonates, in particular propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene methyl carbonate, ethyl methyl carbonate and mixtures thereof. Preference is given to water, acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene methyl carbonate, ethyl methyl carbonate and mixtures thereof. Particularly preferred are water, acetonitrile and tetrahydrofuran and mixtures thereof.
Die erhaltene Zusammensetzung B wird, sofern dies notwendig ist, in einem weiteren Schritt von Lösungsmittel befreit. Um ein unerwünschtes Schmelzen der Polymerfibrillen zu unterbinden, was zu einer Belegung der Oberflächen der Aktivmaterialpartikel führen kann, wird das Lösungsmittel vorzugsweise bei Temperaturen entfernt, die unterhalb der Schmelztemperatur der Polymerkomponenten liegen. Vorzugsweise wird die Trocknung daher bei reduziertem Druck, z.B. bei weniger als 1 bar, insbesondere bei weniger als 0,5 bar, durchgeführt. Wärmeenergie kann zugeführt werden, sofern sichergestellt ist, dass hiermit keine Temperatur erreicht wird, die oberhalb oder gleich der Schmelztemperatur des Polymerbestandteils ist, der die niedrigste Schmelztemperatur aufweist. The resulting composition B is, if necessary, freed of solvent in a further step. In order to prevent unwanted melting of the polymer fibrils, which can lead to an occupancy of the surfaces of the active material particles, the solvent is preferably removed at temperatures which are below the melting temperature of the polymer components. Preferably, the drying is therefore at reduced pressure, e.g. at less than 1 bar, in particular at less than 0.5 bar performed. Heat energy may be supplied provided it is ensured that it does not reach a temperature above or equal to the melting temperature of the polymer component having the lowest melting temperature.
Die Mengen der Bestandteile werden derart ausgewählt, dass das jeweilige Aktivmaterial einen möglichst großen Anteil an der Zusammensetzung B ausmacht. Beispielsweise umfasst die Zusammensetzung B, bezogen auf das Gesamtgewicht derselben, 70 bis 95 Gew.-% Aktivmaterial, 4 bis 25 Gew.-% Polymerelektrolyt, 1 bis 5 Gew.-% Bindemittel, 0 bis 5 Gew.-% Leitsalz und 0 bis 5 Gew.-% Leitzusätze. Besonders bevorzugt umfasst die Zusammensetzung B, bezogen auf das Gesamtgewicht derselben, 80 bis 90 Gew.-% Aktivmaterial, 5 bis 15 Gew.-% Polymerelektrolyt, 3 bis 5 Gew.-% Bindemittel und 2 bis 5 Gew.-% Leitsalz.The amounts of the constituents are selected such that the respective active material makes up as large a proportion of the composition B as possible. For example, composition B comprises, based on the total weight thereof, 70 to 95% by weight of active material, 4 to 25% by weight of polymer electrolyte, 1 to 5% by weight of binder, 0 to 5% by weight of conducting salt and 0 to 5% by weight of conductive additives. More preferably, composition B comprises, based on the total weight thereof, 80 to 90% by weight of active material, 5 to 15% by weight of polymer electrolyte, 3 to 5% by weight of binder and 2 to 5% by weight of conducting salt.
Die erhaltene Zusammensetzung B kann anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt auf die Oberfläche eines Trägermaterials aufgebracht werden. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Trägermaterial um die Oberfläche eines Werkzeugs, z.B. um die Oberfläche eines Laufbandes. Vorzugsweise ist dieses aus Kunststoff gefertigt. Die Aktivmaterialschicht kann in diesem Fall am Ende des Herstellungsprozesses als freistehender Aktivmaterialfilm entnommen werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus
Das Trägermaterial kann in einer weiteren Ausführungsform auch die Oberfläche eines Stromsammlers sein. In diesem Fall wird kein freistehender Aktivmaterialfilm hergestellt, sondern gleich eine Elektrode erhalten. In a further embodiment, the carrier material may also be the surface of a current collector. In this case, no free-standing active material film is produced, but an electrode is obtained.
Anschließend kann die Aktivmaterialschicht, vorzugsweise bei einer Temperatur, die oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg des mindestens einen Bindemittels liegt, durch eine Presse, einen Stempel oder eine Walze verdichtet werden. Der Verdichtungsschritt kann zusätzlich unter Einwirkung von Wärme erfolgen, um ein Anhaften des Bindemittels an der Oberfläche des Stromsammlers zu unterstützen und eine dauerhafte Verdichtung zu bewirken. Handelt es sich bei dem Trägermaterial nicht um den Stromsammler, so wird vorzugsweise keine Wärme zugeführt. Schließlich kann in diesem Schritt auch die Entfernung von ggf. enthaltenem Lösungsmittel erfolgen. Dies geschieht beispielsweise bei erhöhter Temperatur und/oder reduziertem Druck. Subsequently, the active material layer, preferably at a temperature which is above the glass transition temperature T g of the at least one binder, be compacted by a press, a punch or a roller. In addition, the densification step may be carried out under the action of heat to assist adhesion of the binder to the surface of the current collector and to effect permanent densification. If the carrier material is not the current collector, preferably no heat is supplied. Finally, in this step, the removal of possibly contained solvent can take place. This happens, for example, at elevated temperature and / or reduced pressure.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Materialzusammensetzung, welche einen wenigstens teilweise fibrillierten Polymerelektrolyt umfasst und nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. The present invention also relates to a material composition comprising an at least partially fibrillated polymer electrolyte and prepared by the method described above.
Die so gewonnene Materialzusammensetzung kann vorzugsweise zur Herstellung freistehender Aktivmaterialfolien verwendet werden. Darüber hinaus ist es möglich, die gewonnene Materialzusammensetzung zur Herstellung einer auf einem Stromsammler aufgebrachten Aktivmaterialschicht zu verwenden. The material composition thus obtained may preferably be used for the production of freestanding active material films. Moreover, it is possible to use the obtained material composition for producing an active material layer deposited on a current collector.
Die Erfindung betrifft auch eine Elektrode, umfassend mindestens eine nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellte Materialzusammensetzung. The invention also relates to an electrode comprising at least one material composition prepared by the method described above.
Eine solche Elektrode kann beispielsweise in elektrochemischen Energiespeichersystemen eingesetzt werden. Insbesondere sind Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren und Hybridsuperkondensatoren zu nennen. Weitere Anwendungsbereiche für die erfindungsgemäß hergestellten Elektroden sind Elektrolyseprozesse oder Brennstoffzellen. Such an electrode can be used for example in electrochemical energy storage systems. In particular, lithium-ion batteries, supercapacitors and hybrid supercapacitors should be mentioned. Further fields of application for the electrodes produced according to the invention are electrolysis processes or fuel cells.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, eine freistehende Aktivmaterialschicht, umfassend einen Polymerelektrolyten, mit einem lösungsmittelfreien oder weitgehend lösungsmittelfreien Verfahren bereitzustellen. Außerdem kann der Anteil an Bindemittel reduziert werden, da dessen Funktion wenigstens teilweise von dem Polymerbestandteil des Polymerelektrolyten übernommen wird. The process according to the invention makes it possible to provide a freestanding active material layer comprising a polymer electrolyte with a solvent-free or substantially solvent-free process. In addition, the proportion of binder can be reduced because its function is at least partially taken over by the polymer component of the polymer electrolyte.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die nachfolgende beispielhafte Durchführung des Verfahrens soll die Erfindung näher erläutern. The following exemplary implementation of the method is intended to explain the invention in more detail.
Beispiel 1example 1
Als Edukte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung werden 4250 g LiMn2O4 mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10 µm, 100 g Leitruß, 250 g PTFE (Bindemittel) und 400 g Polymerelektrolyt, bestehend aus 80 Gew.-% PEO mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts Mw (GPC) von 600.000 g/mol und 10 Gew.-% LiBF4 vorzugsweise in trockener Luft oder Inertgasatmosphäre wie Argon in einem Freifallmischer, z.B. einem Wirbelmischer, zu einem homogenen Gemisch verarbeitet. Das Gemisch wird in einer Strahlmühle (betrieben bei 4 bis 10 bar mit entfeuchteter Luft, deren Taupunkt kleiner als –20°C ist oder betrieben mit Inertgas wie Argon) zu einer pastösen Masse verarbeitet. Diese kann anschließend mit Hilfe eines Kalanders zu einer Aktivmaterialfolie geformt werden, beispielsweise bei 40°C.As starting materials for the preparation of a composition according to the invention 4250 g of LiMn 2 O 4 having an average particle size of 10 microns, 100 g Leitruß, 250 g of PTFE (binder) and 400 g of polymer electrolyte consisting of 80 wt .-% PEO having a weight average molecular weight Mw (GPC) of 600,000 g / mol and 10 wt .-% LiBF 4, preferably in dry air or inert gas atmosphere such as argon in a free-fall mixer, eg a vortex mixer, processed to a homogeneous mixture. The mixture is processed in a jet mill (operated at 4 to 10 bar with dehumidified air whose dew point is less than -20 ° C or operated with inert gas such as argon) to a pasty mass. This can then be formed by means of a calender to an active material film, for example at 40 ° C.
Beispiel 2Example 2
Als Edukte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung werden 4500 g LiMn2O4 mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10 µm und 500 g PEO mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts Mw (GPC) von 600.000 g/mol, in einem Freifallmischer, z.B. einem Wirbelmischer, zu einem homogenen Gemisch verarbeitet. Das PEO übernimmt in diesem Beispiel die Funktion des Polymerbestandteils des Polymerelektrolyten und des Bindemittels. Das Gemisch wird zusammen mit 20 g LiN(CF3SO2)2 in einer Strahlmühle (betrieben bei 4 bis 10 bar mit entfeuchteter Luft, deren Taupunkt kleiner als –20°C ist oder betrieben mit Inertgas wie Argon) zu einer pastösen Masse verarbeitet. Diese kann anschließend mit Hilfe eines Kalanders zu einer Aktivmaterialfolie geformt werden, beispielsweise bei 50°C. As starting materials for the preparation of a composition according to the invention 4500 g of LiMn 2 O 4 having an average particle size of 10 microns and 500 g of PEO having a weight average molecular weight Mw (GPC) of 600,000 g / mol, in a free-fall mixer, for example a vortex mixer to a processed homogeneous mixture. The PEO assumes the function of the polymer component of the polymer electrolyte and the binder in this example. The mixture is processed together with 20 g LiN (CF 3 SO 2 ) 2 in a jet mill (operated at 4 to 10 bar with dehumidified air whose dew point is less than -20 ° C or operated with inert gas such as argon) to a pasty mass , This can then be formed by means of a calender to an active material film, for example at 50 ° C.
Beispiel 3Example 3
Als Edukte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung werden 4,5 kg Li1.17Ni0.17Co0.1Mn0.56O2 mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10 µm, 200 g Leitruß, 200 g PVDF mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts Mw (GPC) von 180.000 g/mol und 300 g PEO mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts Mw (GPC) von 600.000 g/mol, in einem Freifallmischer, z.B. einem Wirbelmischer, zu einem homogenen Gemisch verarbeitet. Während des Mischvorgangs wird eine Lösung von 50 g LiAlCl3 in 200 ml Tetrahydrofuran mittels einer Düse in das Gemisch gesprüht. Anschließend wird das Gemisch bei 0,5 bar und 30°C für 30 min getrocknet. Das so erhaltene Gemisch wird in einer Strahlmühle (betrieben bei 4 bis 10 bar mit entfeuchteter Luft, deren Taupunkt kleiner als –20°C ist oder betrieben mit Inertgas wie Argon) zu einer pastösen Masse verarbeitet. Diese kann anschließend mit Hilfe eines Kalanders zu einer Aktivmaterialfolie geformt werden, beispielsweise bei 70°C. Starting materials used to prepare a composition according to the invention are 4.5 kg Li 1.17 Ni 0.17 Co 0.1 Mn 0.56 O 2 with an average particle size of 10 μm, 200 g conductive carbon black, 200 g PVDF with a weight average molecular weight Mw (GPC) of 180 000 g / mol and 300 g of PEO having a weight average molecular weight Mw (GPC) of 600,000 g / mol, in a free-fall mixer, for example a vortex mixer, processed to a homogeneous mixture. During the mixing process, a solution of 50 g of LiAlCl 3 in 200 ml of tetrahydrofuran is sprayed into the mixture by means of a nozzle. Subsequently, the mixture is dried at 0.5 bar and 30 ° C for 30 min. The mixture thus obtained is processed in a jet mill (operated at 4 to 10 bar with dehumidified air whose dew point is less than -20 ° C or operated with inert gas such as argon) to a pasty mass. This can then be formed by means of a calender to an active material film, for example at 70 ° C.
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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