DE102017203060A1 - Batterieelektrode, Batteriezelle diese enthaltend, sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Batterieelektrode, insbesondere für eine Lithiumionenbatterie, beschrieben, mit einem insbesondere metallischen Stromableiter (12) und einem auf dem Stromableiter (12) positionierten Elektrodenmaterial (14), welches ein Elektrodenaktivmaterial (16) enthält, wobei das Elektrodenaktivmaterial (16) oberflächlich mit paramagnetischen Nanopartikeln (18) beschichtet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batterieelektrode, eine Batteriezelle diese enthaltend sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • Die Leistungsfähigkeit insbesondere von Batteriezellen auf Lithium-Ionen-Basis hängt stark von der Leistungsfähigkeit ihrer jeweiligen Batterieelektroden ab. Insbesondere beeinflusst diese die Lade- bzw. Entladungsrate, die Lebensdauer einer entsprechenden Batteriezelle und deren Sicherheit. In Zukunft werden derartige Batteriezellen zunehmend mit Hochenergiematerialien bestückt, um eine ausreichend hohe Energiedichte der Batteriezelle zu erreichen. Dies kann unterstützt werden, wenn derartige Batterieelektroden nicht nur ein entsprechendes Aktivmaterial, sondern auch eine optimierte Mikrostruktur aufweisen.
  • Während der Herstellung einer solchen Elektrode werden entsprechende Aktivmaterialpartikel parallel zu einem Stromsammler oder Stromableiter der Batteriezelle beispielweise auf diesen aufgebracht. Diese Herstellungsmethode führt zu einer relativ hohen Unordnung im Elektrodenmaterial in senkrechter Richtung zu der Großfläche des Stromsammlers, was zu einer Begrenzung der Leistungsfähigkeit der entsprechenden Batteriezelle führt.
  • Diesbezüglich ist es aus der JP 2003-197189 und aus der US 2014/0065478 bekannt, während des Herstellungsprozesses einer Batterieelektrode zusätzlich ein starkes Magnetfeld anzulegen, durch das beispielweise Graphitpartikel der Elektrode in einem regelmäßigen Muster ausgerichtet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Batterieelektrode, eine Batteriezelle diese enthaltend sowie ein Verfahren zu deren Herstellung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche zur Verfügung gestellt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Erfindungsgemäß ist eine Batterieelektrode derart ausgeführt, dass auf einem Stromsammler, insbesondere metallischer Art, ein Elektrodenmaterial aufgebracht ist, welches ein Elektrodenaktivmaterial umfasst, wobei das Elektrodenaktivmaterial oberflächlich mit paramagnetischen Nanopartikeln beschichtet ist.
  • Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass während der Herstellung einer entsprechenden Batterieelektrode Partikel des Elektrodenaktivmaterials durch Anlegen eines geeigneten Magnetfeldes aufgrund der Beschichtung mit paramagnetischen Nanopartikeln räumlich neu ausgerichtet werden und es somit zu einer geordneten Anordnung der Partikel des Elektrodenaktivmaterials innerhalb des Elektrodenmaterials kommt. Dies erhöht die Leistungsfähigkeit der Batterieelektrode deutlich.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • So ist es von Vorteil, wenn die paramagnetischen Nanopartikel aus Nd2Fe14B, SmCo5, Sm2Co17, und/oder Sm2Fe17N3 ausgeführt sind. Gleiches gilt, wenn die paramagnetischen Nanopartikel aus FePt in Form von Nanodrähten, Nanonetzen, in einer ovalen, kugelförmigen oder kubischen Ausgestaltung als Partikel oder als Multipods mit mehreren Stäbchen vorliegen. Die genannten Materialien zeigen experimentell ein ausreichend paramagnetisches Moment, um bei Beschichtung von Elektrodenaktivmaterialpartikeln zu einer räumlichen Neuausrichtung dieser Partikel bei Anlegen eines geeigneten magnetischen Feldes zu führen.
  • Weiterhin ist von Vorteil, wenn das Elektrodenmaterial neben dem Elektrodenaktivmaterial zusätzlich einen polymeren Binder zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Batterieelektrode aufweist sowie ein Additiv zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials. Bei diesem handelt es sich bspw. um eine Kohlenstoffmodifikation wie Graphit oder Ruß, die dazu führt, dass die elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials so hoch ist, dass eine ausreichende Lade- bzw. Endladerate erreicht werden kann.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Batteriezelle, die eine erste und eine zweite Elektrode umfasst, wobei eine der beiden Elektroden in Form einer erfindungsgemäßen Batterieelektrode ausgeführt ist.
  • Weiter ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der vorbeschriebenen Batterieelektrode. Generell beruht dieses Verfahren darauf, dass Partikel eines Aktivmaterials zunächst mit paramagnetischen Nanopartikeln beschichtet werden. Diese werden dann in Form eines Elektrodenmaterials auf einen Stromableiter flächig aufgebracht. Das aufzubringende Elektrodenmaterial kann zusätzlich einen polymeren Binder und/oder einen Zusatz zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials enthalten.
  • Nach dem Aufbringen des Elektrodenmaterials beispielweise durch ein entsprechendes Rolle-zu-Rolle-Verfahren erfolgt ein Anlegen eines Magnetfelds und auf diese Weise eine Neuausrichtung der Partikel des Elektrodenaktivmaterials innerhalb der das Elektrodenmaterial bildenden Slurry. Abschließend kann eine Trocknung durch Luftkonvektion erfolgen. Dies fixiert die so erreichte Mikrostruktur der Batterieelektrode.
  • In vorteilhafter Weise lässt sich die entsprechende Batterieelektrode auch lösungsmittelfrei herstellen. Dazu wird das mit paramagnetischen Nanopartikeln beschichtete Elektrodenaktivmaterial in ein als trockene Pulvermischung ausgeführtes Elektrodenmaterial überführt und beispielsweise mittels zwei Kalanderwalzen unter Anwendung von Druck und Temperatur zu einer Elektrode verpresst. Vorteilhafterweise erfolgt das Anlegen des Magnetfeldes unmittelbar im Bereich der Kalandrierwalzen. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist weiterhin, das ein abschließender Trocknungsvorgang entfällt.
  • Die erfindungsgemäße Batterieelektrode lässt sich in vorteilhafter Weise einsetzen für elektrische Energiespeicher beispielsweise im mobilen Bereich bei Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen, Pedelecs oder E-Bikes sowie bei portablen Einrichtungen der Datenverarbeitung oder Telekommunikation, bei elektrischen Handwerkzeugen oder Küchenmaschinen sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ erzeugter elektrischer Energie.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Batterieelektrode während der Herstellung vor dem Anlegen eines Magnetfeldes,
    • 2 die in 1 gezeigte Batterieelektrode nach dem Anlegen eines externen Magnetfelds, und
    • 3 den schematischen Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung der in 1 und 2 genzeigten Batterieelektrode gemäß einer ersten und zweiten Ausführungsform.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist eine erfindungsgemäße Batterieelektrode 10 in einem ersten Verfahrenszustand vor dem Anlegen eines externen Magnetfeldes dargestellt. Die Batterieelektrode 10 umfasst einen Stromableiter 12, der beispielweise aus einem metallischen Material wie Kupfer oder Aluminium ausgeführt ist. Auf einer Großfläche des Stromableiters 12 befindet sich eine Schicht eines Elektrodenmaterials 14. Das Elektrodenmaterial 14 umfasst Partikel eines Elektrodenaktivmaterials 16, an denen elektrochemische Vorgänge während eines Betriebs der Batterieelektrode wie Lade- oder Entladevorgänge einer die Batterieelektrode 10 enthaltenen Batteriezelle ablaufen. Bei dem Elektrodenaktivmaterial 16 kann es sich beispielweise um ein Lithiummanganat, ein Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA), ein Lithiumeisenphosphat (LFP) oder um ein Material mit der Formel LiMO2 handeln, wobei M ausgewählt ist aus den Elementen Nickel, Kobalt, oder Mangan.
  • Das Elektrodenaktivmaterial 16 ist auf seiner Oberfläche mit Partikeln 18 eines paramagnetischen Nanomaterials beschichtet. Die Partikel 18 umfassen beispielweise als paramagnetisches Material Nd2Fe14B, SmCo5, Sm2Co17 oder Sm2Fe17N3. Weiterhin sind Partikel aus FePt geeignet, welche beispielwese in Form von Nanodrähten, Nanonetzen, oval, kugelförmig oder kubisch ausgeführten Partikeln sowie als Multipods vorliegen können. Das Aufbringen der Partikel 18 auf das Elektrodenaktivmaterial 16 erfolgt bspw. mittels Hochenergiemischens.
  • Darüber hinaus enthält das Elektrodenmaterial 14 beispielweise einen polymeren Binder 20, der der mechanischen Stabilisierung des schichtförmig auf dem Stromableiter 12 aufgebrachten Elektrodenmaterials 14 dient. Als polymerer Binder kommen beispielweise Polyolefine oder auch Polyamide in Betracht. Weiterhin enthält das Elektrodenmaterial 14 vorzugsweise ein Additiv 22 zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials 14. Dieses Additiv 22 kann beispielweise aus Kohlenstoffmodifikationen bestehen, wie beispielweise Graphit oder Ruß. Wie in 1 erkennbar, liegen die Partikel des Elektrodenaktivmaterials 16 in einem ungeordneten Zustand innerhalb des Elektrodenmaterials 14 vor.
  • In 2 ist die in 1 dargestellte Elektrode 10 in einem zweiten Zustand nach Anlegen eines externen Magnetfeldes dargestellt. Es bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
  • Sowohl in 1 als auch in 2 ist ein möglicherwiese zugesetzter polymerer Binder 20 in einem noch nicht ausgehärteten bzw. noch nicht vernetzten Zustand dargestellt. Dies ermöglicht eine Neuausrichtung der Partikel eines Elektrodenaktivmaterials 16 innerhalb des Elektrodenmaterials 14. In Figur 2 lässt sich erkennen, dass durch das Anlegen eines externen Magnetfeldes die Partikel des Elektrodenaktivmaterials 16 innerhalb des Elektrodenmaterials 14 in einer parallelen Art und Weise ausgerichtet sind. Durch die Neuordnung und die darauf basierende gleichmäßigere Struktur des Elektrodenmaterials 14 wird die Leistungsfähigkeit der Elektrode 10 deutlich erhöht.
  • In 3 ist schematisch der Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode gemäß 1 und 2 im Einzelnen dargestellt. Dabei wird in einem ersten Schritt 30 ein Elektrodenaktivmaterial bzw. Partikel eines Elektrodenaktivmaterials oberflächlich mit paramagnetischen Nanopartikeln beschichtet. In einem zweiten Schritt 32 wird das mit paramagnetischen Nanopartikeln beschichtete Elektrodenaktivmaterial in eine Slurry eines später zu erzeugenden Elektrodenmaterials eingebracht, welche neben dem mit paramagnetischen Nanopartikeln beschichteten Elektrodenaktivmaterial zusätzlich ein Lösungsmittel, beispielweise einen polymeren Binder und ein Additiv zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des späteren Elektrodenmaterials enthält. In einem dritten Schritt 34 erfolgt ein Auftragen der Slurry auf die Oberfläche eines insbesondere metallisch ausgeführten Stromableiters, beispielsweise durch eine geeignete Rakeltechnik, durch einen Druckvorgang, durch ein Sprühverfahren oder auch mittels einer Schlitzdüse. Eine bevorzugte weitere Alternative besteht in der Verwendung eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens.
  • In einem vierten Schritt 36 erfolgt dann ein Anlegen eines externen Magnetfeldes an die Elektrode im Rohzustand, umfassend den mit der Slurry beschichteten Stromableiter. Dabei kommt es zu einer Neuausrichtung der Partikel des Aktivmaterials und somit zu einer Strukturierung des späteren Elektrodenmaterials. Abschließend erfolgt vorzugsweise in einem fünften Schritt 38 ein Trocknungsvorgang beispielweise durch Luftkonvektion. Auf diese Weise wird das Lösungsmittel des Slurry entfernt und die mittels des Anlegens eines externen Magnetfeldes erfolgte Mikrostrukturierung des Elektrodenmaterials fixiert.
  • Alternativ kann die Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode auch durch ein Trockenverfahren bzw. einen Drycoating-Prozess erfolgen.
  • Dazu wird nach dem ersten Schritt 30 in einem alternativen zweiten Schritt 32a das im ersten Schritt 30 mit paramagnetischen Nanopartikeln beschichtete Elektrodenaktivmaterial in eine Trockenmischung aus beispielsweise polymerem Binder und einem Additiv zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit eingebracht und vermischt. Die so erzeugte Trockenmischung des späteren Elektrodenmaterials wird dann in einem alternativen dritten Schritt 34a beispielsweise mit zwei Kalanderwalzen durch Anwendung von Druck und Temperatur in die Form der späteren Elektrodenschicht 14 gebracht. Dabei wird beispielsweise eine Linienlast von 50 bis 600 N/mm und eine Temperatur von bspw. 120 °C angewendet. Vorzugsweise wird einem alternativen dritten Schritt 36a während des Kalandrierens bereits ein Magnetfeld unmittelbar an den Zwischenraum zwischen den Walzen angelegt. Dabei werden die entsprechenden Magnete vorzugsweise an den Walzaufhängungen installiert. Ein abschließender Trocknungsvorgang kann bei diesem Verfahren entfallen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2003197189 [0004]
    • US 2014/0065478 [0004]

Claims (15)

  1. Batterieelektrode, insbesondere für eine Lithiumionenbatterie, mit einem insbesondere metallischen Stromableiter (12) und einem auf dem Stromableiter (12) positionierten Elektrodenmaterial (14), welches ein Elektrodenaktivmaterial (16) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenaktivmaterial (16) oberflächlich mit paramagnetischen Nanopartikeln (18) beschichtet ist.
  2. Batterieelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die paramagnetischen Nanopartikel (18) aus Nd2Fe14B, SmCo5, Sm2Co17, Sm2Fe17N3 und/oder FePt ausgeführt sind.
  3. Batterieelektrode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die paramagnetischen Nanopartikel (18) aus FePt in Form von Nanodrähten, Nanogittern, oval geformten Partikeln, kugelförmig ausgeführten Partikeln oder in Form von Multipods ausgeführt sind.
  4. Batterieelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenaktivmaterial (16) ein Lithiummanganat, ein Lithiumeisenphosphat, ein Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid oder ein Oxid der Formel LiMO2 ist, wobei M ausgewählt ist aus den Elementen Nickel, Kobalt, Mangan ist.
  5. Batterielektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial (14) zusätzlich einen polymeren Binder (20) und ein Additiv (22) zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials (14), insbesondere Graphit oder Ruß enthält.
  6. Batteriezelle, insbesondere Lithiumionenbatteriezelle, enthaltend eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Elektrode eine Elektrode (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Batteriezellelektrode, wobei Partikel eines Elektrodenaktivmaterials (16) mit paramagnetischen Nanopartikeln (18) beschichtet werden, und das Elektrodenaktivmaterial (16) in einem Elektrodenmaterial (14) auf einen Stromableiter (12) der Batteriezellenelektrode (10) aufgetragen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Elektrodenmaterial beschichtete Stromableiter (12) zur Ausrichtung der Partikel des Elektrodenaktivmaterials einem Magnetfeld ausgesetzt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgetragene Elektrodenmaterial (14) neben dem Elektrodenaktivmaterial (16) zusätzlich einen Binder (20) und ein Additiv (22) zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials (14) enthält.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragen des Elektrodenmaterials (14) in Form einer Slurry erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Stromableiters (12) mit dem Elektrodenmaterial (14) durch ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass abschließend eine Trocknung durch Luftkonvektion erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial (14) lösungsmittelfrei auf den Stromableiter (12) aufgetragen wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine trockene Pulvermischung des Elektrodenmaterials (14) zwischen zwei Kalanderwalzen unter Anlegen eines Magnetfeldes in die Form einer Batterieelektrode (10) gebracht wird.
  15. Verwendung einer Batteriezelle gemäß Anspruch 6 in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern, zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
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CN111816836A (zh) * 2020-07-20 2020-10-23 四川虹微技术有限公司 一种复合锂金属负极材料及其制备方法

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