DE102017207439A1

DE102017207439A1 - Elektroden mit verbesserter Beschichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102017207439A1
Application number: DE102017207439.6A
Authority: DE
Inventors: Enrica Jochler; Jörg Kaufmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2018-11-08

Abstract

Elektrode, umfassend eine auf einem leitfähigen Substrat (70) aufgetragene Beschichtung aus Beschichtungsmaterial, wobei die Beschichtung mindestens einen ersten (10) und einen räumlich davon getrennten zweiten Beschichtungsbereich (20) mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektroden mit verlängerter Lebensdauer, insbesondere für den Einsatz in Batterien, sowie Verfahren zu deren Herstellung.
Die Bedeutung moderner Batteriesysteme nimmt kontinuierlich zu. Sowohl im Bereich der Elektromobilität, das heißt im Bereich batteriebetriebener Fahrzeuge, wie Elektromobile, E-Bikes oder Hybridfahrzeuge, als auch im Bereich tragbarer Geräte, zum Beispiel Kommunikations- oder Unterhaltungsgeräte, werden hochleistungsfähige Batteriesysteme benötigt. Die Anforderungen an derartige Batteriesysteme sind vielfältig und je nach Einsatzzweck durchaus unterschiedlich. In der Regel sollen die Batterien sowohl eine hohe Batterieleistung als auch eine hohe Batterieenergie bereitstellen. Wesentlich ist darüber hinaus auch, dass sie eine möglichst lange Lebensdauer aufweisen, das heißt insbesondere sowohl kalendarisch als auch zyklusabhängig so langsam wie möglich altern. Die Nutzung von Batterien, insbesondere auch Lithium-Ionen-Batterien, führt im Laufe der Zeit nämlich zu einer verstärkten Zellschädigung und damit Alterung. Kalendarische Alterung tritt insbesondere bei der Lagerung von Batterien, insbesondere bei hohen Temperaturen und/oder längeren Lagerzeiten auf, beispielsweise auch während des Zeitraums zwischen Batteriefertigung und Ersteinsatz oder bei längeren Standzeiten, insbesondere bei Nichtverwendung ohne Lade- und Entladezyklen. Im Laufe der Zeit sinkt dabei die Kapazität und der State-of-Health (SOH). Zellschädigende und damit die Alterung beschleunigende Prozesse sind zum Beispiel Lithium-Plating, Particle-Cracking oder Schichtdickenzuwachs, insbesondere auch eine verstärkte Bildung von Solid-Electrolyte-Interfaces (SEI) aufgrund erhöhter Elektrolytzersetzung. Durch starke Beanspruchung des Aktivmaterials, der Elektrodenstruktur, bei Lagerung und/oder Lade- und Entladevorgängen, kommt es auch zu Volumenveränderungen, was zur Zerstörung der Elektrode und Kapazitätsverlust führt.
Die bisher bekannten Maßnahmen, die Batteriealterung soweit wie möglich zu reduzieren, reichen von Anwendungshinweisen für die Nutzung, Lagerung und das Aufladen von Batterien, über die Verwendung automatisierter Batteriemanagement-Systeme bis hin zur Verwendung verbesserter Materialien, Zellkomponenten sowie Zellgeometrien für noch leistungsfähigere und langlebigere Elektroden und Batterien.
So offenbart zum Beispiel die US 2003/0008213 A1 Verfahren zur Herstellung einer Batterie, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie bei Raumtemperatur nach vorheriger Lagerung bei hohen Temperaturen, wodurch die Leistung der Batterie verbessert werden kann. Keil et al. („Aging of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles; Impact of Regenerative Bracking“, 2015, EVS28, International Electric Vehicle Symposium and Exhibition, Korea) offenbart die Alterung von Lithium-Ionen-Batterien in Fahrzeugen, wobei die Lebensdauer der Batterie durch optimierte Betriebsbedingungen verlängert werden kann. Bekannt sind auch Optimierungsansätze zur Verbesserung der Energiedichte und der Lebensdauer von Siliziumhaltigen Elektroden, die eine Volumenausdehnung der Elektroden minimieren. So offenbart die EP 1 261 048 verbesserte Bindersysteme und die EP 1 730 800 Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien, die sich durch bestimmte Zusammensetzungen auszeichnen.
Nach wie vor ist jedoch ein Bedarf an Elektroden und Batterien gegeben, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen, insbesondere eine erhöhte Lebensdauer, insbesondere verringerte Alterungseffekte aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, Elektroden und Batterien bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen, insbesondere eine erhöhte Lebensdauer, insbesondere reduzierte Alterung aufweisen.
Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrunde liegende technische Problem durch die Bereitstellung der Lehren der unabhängigen Ansprüche.
Insbesondere löst die vorliegende Erfindung das ihr zugrunde liegende Problem durch die Bereitstellung einer Elektrode, umfassend eine auf einem leitfähigen Substrat aufgetragene Beschichtung aus Beschichtungsmaterial, wobei die Beschichtung mindestens einen ersten und einen räumlich davon getrennten zweiten Beschichtungsbereich mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials aufweist.
Die vorliegende Erfindung sieht daher die Bereitstellung einer Elektrode vor, umfassend eine auf einem leitfähigen Substrat aufgetragene Beschichtung aus Beschichtungsmaterial, wobei diese Beschichtung mindestens zwei verschiedene Beschichtungsbereiche aufweist, die räumlich voneinander getrennt sind und wobei die Zusammensetzungen der in den beiden räumlich voneinander getrennten Beschichtungsbereichen vorliegenden Beschichtungsmaterialien voneinander abweichen. In besonders bevorzugter Ausführungsform grenzen die mindestens zwei verschiedenen Beschichtungsbereiche entweder unmittelbar aneinander an, das heißt kontaktieren sich direkt, insbesondere sind diskret aneinander unmittelbar angrenzend angeordnet oder sie gehen fließend und kontinuierlich ineinander über.
Die vorliegende Erfindung beruht insbesondere auf der Beobachtung, dass Elektroden, die in derzeitigen Batteriezellen verbaut werden, eine einheitliche Zusammensetzung des das leitfähige Substrat beschichtenden Materials aufweisen. Die Öffnung gealterter, insbesondere zyklisierter Batteriezellen, hat gezeigt, dass die Elektroden ungleichmäßige Alterungserscheinungen aufweisen. So liegen Bereiche vor, insbesondere in gestapelten Pouch-Zellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, in denen die Alterungseffekte, zum Beispiel Lithium-Plating, Particle-Cracking und/oder Schichtdickenzuwachs, besonders im Bereich um die Stromableiter auftreten. In manchen Batteriezellen, insbesondere auch bei gewickelten Batteriezellen, tritt die Alterung bevorzugt in der Mitte des Elektrodenwickels oder besonders in den Randbereichen auf. Derartige inhomogen gealterte Elektroden können infolgedessen nicht mehr gleichmäßig Metallionen, zum Beispiel Lithium-Ionen, aufnehmen, mit der Folge eines Kapazitätsverlustes und eines Herabsetzens der Lebensdauer der Batterie. Die vorliegende Erfindung stellt überaschenderweise eine Lehre bereit, gemäß der die Lebensdauer von Elektroden, insbesondere diese aufweisenden galvanische Zellen und Batterien, verlängert werden kann, insbesondere reduzierte Kapazitätsverluste erreicht werden können. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Elektroden in räumlich unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Zusammensetzungen ihrer Beschichtung aufweisen, wodurch eine inhomogene lokale Elektrodenalterung vermieden oder reduziert wird. Erfindungsgemäß bevorzugt wird dazu eine Elektrode bereitgestellt, die in den Bereichen, in denen im Verlauf der Batterienutzung vermehrt Alterungsprozesse, wie Schichtdickenwachstum, auftreten mit einem anderen Beschichtungsmaterial versehen werden, als in Bereichen, in denen geringer ausgeprägte Alterungsphänomene zu erwarten sind. Es ist demgemäß möglich, gezielt auf die zu erwartenden Alterungsprozesse angepasste Beschichtungsmaterialien auf die entsprechenden Bereiche der Elektrode aufzubringen, um so den unterschiedlichen Lokalisations-abhängigen Alterungsprozessen Rechnung zu tragen. So werden in Bereichen der Elektrode, in denen im Verlauf der Batterienutzung aufgrund insbesondere einer Hochstrombelastung stärker ausgeprägte Alterungsprozesse zu erwarten sind, Beschichtungsmaterialien eingesetzt, die ein darauf angepasstes Aktivmaterial und/oder eine bestimmte Dichte und/oder Partikelgröße aufweisen. Erfindungsgemäß ist es insbesondere auch möglich, in Bereichen der Elektrode, in denen im Verlauf der Batterienutzung aufgrund einer geringeren Strombelastung geringer ausgeprägte Alterungsprozesse zu erwarten sind, Beschichtungsmaterialien einzusetzen, die ein darauf angepasstes Aktivmaterial und/oder Partikelgröße und/oder Dichte aufweisen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem „leitfähigen Substrat“ eine elektrisch leitfähige als Elektrodenbestandteil geeignete und der Stromzu- und -abfuhr dienende Vorrichtung, insbesondere eine Folie, insbesondere eine Metallfolie verstanden. In bevorzugter Ausführungsform kann die Metallfolie für die negative Elektrode in Form von Kupfer- und/oder für die positive Elektrode in Form von Aluminiumfolie vorliegen.
Besonders bevorzugt weist das Substrat eine Dicke von 1 bis 20, insbesondere 2 bis 18, insbesondere 5 bis 17, insbesondere 5 bis 10, vorzugsweise 10 µm auf.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem „Beschichtungsmaterial“ eine auf einem leitfähigen Substrat aufgebrachte Zusammensetzung aus mindestens einem Aktivmaterial, mindestens einem Leitkohlenstoff und mindestens einem Binder verstanden, die zusammen mit dem leitfähigen Substrat die Elektrode bildet. Das Aktivmaterial ist vorzugsweise ein Ionenspeichermedium, wobei erfindungsgemäß bevorzugt für die negative Elektrode ein Material basierend auf natürlichen und/oder synthetischen Kohlenstoffen mit oder ohne Silizium und/oder für die positive Elektrode bevorzugt ein Material basierend auf mindestens einem Übergangsmetalloxid, zum Beispiel einem Lithium-Metalloxid, insbesondere einer Kombination verschiedener Übergangsmetalloxide, insbesondere einer Kombination verschiedener Lithium-Metalloxide eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß bevorzugt wird als Lithium-Metalloxid Lithium-Mangan-Tetraoxid, Lithium-Nickel-Mangantetraoxid, Lithium-Kobalt-Dioxid, Lithium-Nickel-Dioxid, Lithium-ManganDioxid, Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid oder ein Gemisch davon eingesetzt.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter der „negativen Elektrode“ die Elektrode verstanden, die beim Entladen als Anode und beim Laden als Kathode fungiert und unter der „positiven Elektrode“ wird die Elektrode verstanden, die beim Entladen als Kathode und beim Laden als Anode fungiert.
In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Elektrode eine Elektrode für eine erfindungsgemäße Batterie, insbesondere für eine erfindungsgemäß bevorzugte Lithium-Batterie, insbesondere für eine erfindungsgemäß bevorzugte Lithium-Ionen-Batterie.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „Batterie“ eine Kombination gleichartiger, in Reihe geschalteter galvanischer Zellen verstanden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Batterie“ darüber hinaus sowohl eine primäre als auch eine sekundäre Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, bevorzugt eine sekundäre Lithium-Ionen-Batterie, verstanden. Eine primäre Batterie ist eine nicht wiederaufladbare Batterie, eine sekundäre Batterie eine wiederaufladbare Batterie.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter der „Lebensdauer“ einer Elektrode auch deren Zyklenstabilität verstanden, insbesondere wird unter einer Lebensdauer, insbesondere Zyklenstabilität, einer Batterie die Zeitspanne verstanden, innerhalb derer die Kapazität der Batterie auf einen bestimmten Wert, bevorzugt 80 %, der Ausgangskapazität, das heißt der Kapazität nach dem ersten vollständigen Ladevorgang, gefallen ist.
In bevorzugter Ausführungsform ist die Batterie eine Alkali-/Mangan-, Blei-/Säure-, Nickel-/Kadmium- oder, besonders bevorzugt, Lithium-Batterie. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die Lithium-Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie. Eine bevorzugte Lithium-Ionen-Batterie ist eine Lithium-Polymer-Batterie, Lithium-Kobaltdioxid-Batterie, Lithium-Titanat-Batterie, Lithium-Luft-Batterie, Lithium-Mangandioxid-Batterie, Lithium-Eisenphosphat-Batterie, oder Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen Batterie.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung weist eine Batterie der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse und mindestens eine galvanische Zelle mit mindestens einer negativen Elektrode, mindestens einer positiven Elektrode, mindestens einem elektrisch isolierendem Element, insbesondere einem Separator, und mindestens einer Elektrolytzusammensetzung auf, wobei mindestens eine, bevorzugt zwei, bevorzugt alle Elektroden der Batterie erfindungsgemäße Elektroden sind.
In bevorzugter Ausführungsform kann die Batterie mindestens eine Pouch-Zelle, prismatische Hartgehäusezelle oder Rundzelle umfassen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Elektrolytzusammensetzung eine flüssige, nicht wässrige Elektrolytzusammensetzung sein, insbesondere für den Einsatz in einer erfindungsgemäß bevorzugten Lithium-Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie. In einer weiteren Ausführungsform kann die Elektrolytzusammensetzung auch eine feste Elektrolytzusammensetzung sein. In bevorzugter Ausführungsform, insbesondere für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien, weist die Elektrolytzusammensetzung ein Lithiumsalz sowie ein organisches Lösungsmittel oder eine Kombination von organischen Lösungsmitteln auf, wobei das Lithiumsalz in dem organischen Lösungsmittel oder in der Kombination von organischen Lösungsmitteln gelöst ist und als Leitsalz fungiert.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem „Leitkohlenstoff” elektrisch leitfähiger Kohlenstoff, insbesondere Ruß verstanden. Dieser weist bevorzugt eine Oberfläche von mehr als 200 m²/g, bevorzugt mehr als 400 m²/g, bevorzugt mehr als 600 m²/g, bevorzugt mehr als 800 m²/g, bevorzugt mehr als 1000 m²/g auf.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Binder“ ein einzelner Binder oder eine Mischung verschiedener Binder als Binderkomponenten verstanden, insbesondere weist der Binder verschiedene Binderkomponenten und gegebenenfalls weitere Additive auf.
In besonders bevorzugter Ausführungsform liegen die auf dem leitfähigen Substrat aufgetragenen Beschichtungsmaterialien in partikulärer Form vor.
In besonders bevorzugter Ausführungsform beträgt die Partikelgröße des Beschichtungsmaterials 3 bis 50, vorzugsweise 5 bis 30, insbesondere 6 bis 25 µm.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Elektrode mindestens zwei Beschichtungsbereiche aufweist, die räumlich voneinander getrennt voneinander abweichende Zusammensetzungen des Beschichtungsmaterials aufweisen, insbesondere 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder mehr, vorzugsweise 2 oder 3, Beschichtungsbereiche mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander abweichenden Beschichtungsbereichen durch a) die Art des Beschichtungsmaterials, b) den relativen Anteil der Mengen der einzelnen Komponenten des Beschichtungsmaterials am gesamten Beschichtungsmaterial des jeweiligen Bereichs, also insbesondere der relativen Mengenanteile des Aktivmaterials, Leitkohlenstoffs und/oder Binders, c) die Partikelgröße des Beschichtungsmaterials, d) die Dichte des Beschichtungsmaterials oder von Kombinationen davon.
In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die Elektrode der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander getrennten Beschichtungsbereiche hinsichtlich der Art des Beschichtungsmaterials unterscheiden, insbesondere hinsichtlich der Art des Aktivmaterials, der Art des verwendeten Leitkohlenstoffs, der Art des verwendeten Binders oder von Kombinationen davon.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Elektrode dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Beschichtungsbereichen hinsichtlich des jeweils eingesetzten Mengenverhältnisses von Aktivmaterial zu Leitkohlenstoff zu Binder unterscheiden. In dieser Ausführungsform unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Beschichtungsbereichen also durch die relativen Anteile der Mengen von Aktivmaterial, Leitkohlenstoff und Binder am gesamten Beschichtungsmaterial im jeweiligen Beschichtungsbereich. In besonders bevorzugter Ausführungsform unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei räumlich voneinander getrennten Beschichtungsbereichen also insbesondere hinsichtlich der Mengenverhältnisse von eingesetztem Aktivmaterial, Leitkohlenstoff und Binder zueinander im jeweiligen Beschichtungsbereich.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnen sich die erfindungsgemäßen Elektroden dadurch aus, dass sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander getrennten Beschichtungsbereichen sowohl a) hinsichtlich der Art des Beschichtungsmaterials, also insbesondere Aktivmaterial, Leitkohlenstoff und/oder Binder, als auch b) hinsichtlich des jeweils eingesetzten Mengenverhältnisses von eingesetztem Aktivmaterial zu Leitkohlenstoff zu Binder unterscheiden.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnen sich die Elektroden dadurch aus, dass sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Beschichtungsbereichen hinsichtlich c) der Partikelgröße, d) der Dichte oder der Partikelgröße und der Dichte der eingesetzten Beschichtungsmaterialien voneinander unterscheiden.
Insbesondere kann in bevorzugter Ausführungsform vorgesehen sein, dass in Bereichen der Elektrode, in denen eine ausgeprägte Alterung zu erwarten ist, Beschichtungsmaterialien eingesetzt werden, die eine im Vergleich zu anderen Bereichen der erfindungsgemäßen Elektrode kleinere Partikelgröße aufweisen, insbesondere mit Partikeln einer Größe von 5 bis 10 µm, insbesondere von 6 bis 9 µm Durchmesser. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass in Bereichen der Elektrode, in denen eine geringer ausgeprägte Alterung zu erwarten ist, Beschichtungsmaterialien eingesetzt werden, die im Vergleich zu anderen Bereichen der erfindungsgemäßen Elektrode eine größere Partikelgröße aufweisen, insbesondere mit Partikeln einer Größe von 15 bis 30 µm, insbesondere 18 bis 25 µm Durchmesser.
In besonders bevorzugter Ausführungsform werden Elektroden bereitgestellt, auf denen mindestens zwei unterschiedliche Beschichtungsbereiche mit unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien vorliegen, insbesondere wobei in einem ersten Beschichtungsbereich Partikel mit einer Größe von 5 bis 10 µm, insbesondere 6 bis 9 µm Durchmesser vorliegen, während in einem zweiten Beschichtungsbereich Partikel mit einer Partikelgröße von 15 bis 30 µm, insbesondere 18 bis 25 µm Durchmesser vorliegen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden Elektroden bereitgestellt, wobei sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Beschichtungsbereichen a) hinsichtlich der Art des Beschichtungsmaterials, b) des Mengenverhältnisses von Aktivmaterial zu Leitkohlenstoff zu Binder und c) hinsichtlich der eingesetzten Größe der Partikel und d) hinsichtlich der Dichte des Beschichtungsmaterials voneinander unterscheiden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander getrennten Beschichtungsbereichen der erfindungsgemäßen Elektrode hinsichtlich a) der Art des Beschichtungsmaterials und c) der Partikelgröße des Beschichtungsmaterials.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander getrennten Beschichtungsbereichen der erfindungsgemäßen Elektrode hinsichtlich a) der Art des Beschichtungsmaterials und d) der Dichte des Beschichtungsmaterials.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander getrennten Beschichtungsbereichen der erfindungsgemäßen Elektrode hinsichtlich b) des Mengenverhältnisses von Aktivmaterial zu Leitkohlenstoff zu Binder und c) der Partikelgröße.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke der Beschichtung 5 bis 500, insbesondere 15 bis 250, insbesondere 20 bis 200, insbesondere 50 bis 150 µm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Elektrode mindestens zwei Beschichtungsbereiche aufweist, die eine unterschiedliche Dicke aufweisen. In besonders bevorzugter Ausführungsform können auf der Elektrode 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder mehr, bevorzugt 2 oder 3, Beschichtungsbereiche mit unterschiedlicher Dicke vorliegen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ermöglichen es erfindungsgemäße Elektroden mit Bereichen mindestens zwei unterschiedlicher Dicken ebenfalls und zusätzlich, inhomogene lokale Elektrodenalterung zu vermeiden oder zu reduzieren.
In besonders bevorzugter Ausführungsform sind die mindestens zwei Bereiche unterschiedlicher Dicke gleichzeitig auch die Bereiche unterschiedlicher Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials, fallen daher räumlich mit diesen zusammen. In dieser besonders bevorzugten Ausführungsform weisen daher der mindestens eine erste und der räumlich davon getrennte mindestens zweite Beschichtungsbereich sowohl eine abweichende Zusammensetzung als auch eine abweichende Dicke, das heißt Beschichtungsdicke, auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die räumlich voneinander getrennten mindestens zwei Beschichtungsbereiche mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials Bereiche gleichmäßiger Dicke sein.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die mindestens zwei voneinander abweichende Zusammensetzungen aufweisenden Beschichtungsbereiche teilweise voneinander abweichende Dicken aufweisen, das heißt lediglich Teilbereiche des ersten Beschichtungsbereiches weisen eine gleiche Dicke wie der gesamte oder Teilbereiche des zweiten Beschichtungsbereichs auf.
In besonders bevorzugter Ausführungsform werden Beschichtungsbereiche der Elektroden, in denen im Verlauf der Batterienutzung, insbesondere aufgrund einer Hochstrombelastung, stärker ausgeprägte Alterungsprozesse zu erwarten sind, mit einer im Vergleich zu anderen Bereichen der erfindungsgemäßen Elektrode dünneren Beschichtung versehen. In bevorzugter Ausführungsform werden Beschichtungsbereiche der Elektroden, in denen im Verlauf der Batterienutzung, insbesondere aufgrund einer geringeren Strombelastung, geringer ausgeprägte Alterungsprozesse zu erwarten sind, mit einer im Vergleich zu anderen Bereichen der erfindungsgemäßen Elektrode dickeren Beschichtung versehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind Bereiche der Elektroden, in denen im Verlauf der Batterienutzung eine ausgeprägte Alterung zu erwarten ist, Bereiche um die Stromableiter.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere einer erfindungsgemäßen Elektrode bereit, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen mindestens eines leitfähigen Substrates, insbesondere einer leitfähigen Folie, insbesondere einer Metallfolie, und mindestens zweier fließfähiger Beschichtungsmaterialien mit voneinander abweichender Zusammensetzung,
b) getrenntes Aufbringen der mindestens zwei Beschichtungsmaterialien mit voneinander abweichender Zusammensetzung auf räumlich voneinander getrennte Bereiche des leitfähigen Substrates und,
c) Erhalt einer Elektrode, umfassend zwei räumlich voneinander getrennte Beschichtungsbereiche mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials auf dem leitfähigen Substrat.

In besonders bevorzugter Ausführungsform werden die mindestens zwei unterschiedlichen, fließfähigen Beschichtungsmaterialien in Form jeweils einer Suspension, insbesondere jeweils einem Slurry, auf das leitfähige Substrat aufgebracht. Das Beschichtungsmaterial, insbesondere das Aktivmaterial, der Leitkohlenstoff und der Binder können in einem organischen, wässrigen oder organisch/wässrigen Lösungsmittel dispergiert sein. In besonders bevorzugter Ausführungsform werden die mindestens zwei voneinander abweichenden Beschichtungsmaterialien gezielt auf verschiedene Bereiche des leitfähigen Substrates aufgebracht, wobei sich die Anordnung der mindestens zwei räumlich voneinander getrennten mindestens zwei Beschichtungsbereiche auf dem Substrat insbesondere nach Art und Ort der zu erwartenden Alterungsprozessen, der Zellgeometrie, dem Zelltyp und/oder der Ausführung der Stromableiter, beispielsweise Plus- und Minuspol auf der gleichen Seite oder auf entgegengesetzten Seiten der Zelle, richtet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das getrennte Aufbringen der mindestens zwei verschiedenen Beschichtungsmaterialien auf dem leitfähigen Substrat in Form eines Nassbeschichtens des Substrates.
In bevorzugter Ausführungsform wird nach dem Nassbeschichten des leitfähigen Substrats ein Trocknungs- und gegebenenfalls Verdichtungsschritt durchgeführt.
In besonders bevorzugter Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung auch Elektroden, herstellbar gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren.
In besonders bevorzugter Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung auch Batterien, enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode, insbesondere eine Elektrode herstellbar nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren.
In besonders bevorzugter Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung auch Vorrichtungen, enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode, insbesondere mindestens eine erfindungsgemäße Batterie, insbesondere Roboter oder Elektrofahrzeuge, beispielsweise elektrisch angetriebene Autos, Hybridfahrzeuge oder E-Bikes, oder Elektroflugzeuge, beispielsweise Drohnen und Satelliten.
In besonders bevorzugter Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung auch erfindungsgemäße Elektroden und/oder Batterien aufweisende portable Geräte, wie Lampen oder Geräte der Kommunikations- und/oder Unterhaltungselektronik, zum Beispiel Telefon, Smartphones, Laptops oder Notebooks.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele und dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die Figuren zeigen:

Figuren lA bis 1F In schematischer Darstellung Pouchzellen und Elektroden mit Bereichen verstärkter Alterung in der Nähe der Stromableiter.
2 Eine negative Elektrode einer nicht dargestellten Pouchzelle mit zwei unterschiedlich zusammengesetzten Beschichtungsbereichen.
3 Eine negative Elektrode einer nicht dargestellten Pouchzelle mit drei unterschiedlich zusammengesetzten Beschichtungsbereichen.
4 Im Querschnitt die Vorderansicht einer Elektrode mit gleicher Beschichtungsdicke in allen drei unterschiedlich zusammengesetzten Beschichtungsbereichen.
5 Im Querschnitt die Vorderansicht einer Elektrode mit drei unterschiedlich zusammengesetzten Beschichtungsbereichen unterschiedlicher Beschichtungsdicke.

Beispiele:
1A zeigt eine Pouchzelle (100) mit einseitig angeordneten Stromableitern (111, 112) der positiven und negativen Elektrode.
1B zeigt eine positive Elektrode (Kathode) (110), wobei in der Nähe des Stromableiters (111) schematisch ein, im Vergleich zu anderen Bereichen (60) der Elektrode (110), Bereich verstärkter Elektrodenalterung (50) dargestellt ist.
1C zeigt eine negative Elektrode (Anode) (115), wobei in der Nähe des Stromableiters (112) schematisch ein, im Vergleich zu anderen Bereichen (60) der Elektrode (115), Bereich verstärkter Elektrodenalterung (50) dargestellt ist.
1D zeigt eine Pouchzelle (100), wobei die Stromableiter (111) und (112) entgegengesetzt zueinander in der Pouchzelle angeordnet sind.
1E zeigt die positive Elektrode (110) einer Pouchzelle gemäß 1D mit Bereichen (50) verstärkter Alterung in der Nähe der in einer Pouchzelle entgegengesetzt angeordneten Stromableiter (111) und (112).
1F zeigt eine negative Elektrode (115) einer Pouchzelle gemäß 1D, wobei in der Nähe der in einer Pouchzelle entgegengesetzt angeordneten Stromableiter (111,112) schematisch Bereiche verstärkter Alterung (50) dargestellt sind.
2 zeigt eine erfindungsgemäße negative Elektrode (115) für eine nicht dargestellte Pouchzelle mit gleichseitig angeordneten Stromableitern mit einem ersten und einem räumlich davon getrennten zweiten Beschichtungsbereich (10,20) mit voneinander abweichenden Zusammensetzungen des Beschichtungsmaterials. In der Nähe des Stromableiters (112) ist ein Bereich (10) angeordnet, dessen Zusammensetzung aufgrund eines zu erwartenden höheren Stromflusses und damit verbundener verstärkter Alterung eine andere Zusammensetzung aufweist als ein Bereich (20), in dem ein verringerter Stromfluss zu erwarten ist. Da die Stromableiter in der Pouchzelle gleichseitig angeordnet sind und damit lediglich in einem in der Nähe dieser Stromableiter angeordneten Bereich eine verstärkte Elektrodenalterung zu erwarten ist, ist lediglich dieser eine Bereich (10) mit einer veränderten Zusammensetzung versehen.
3 zeigt eine negative Elektrode (115) für eine nicht dargestellte Pouchzelle mit entgegengesetzt angeordneten Stromableitern, wobei die Elektrode (115) drei Beschichtungsbereiche (10, 20, 30) aufweist, mit jeweils voneinander abweichenden Zusammensetzungen. Die Bereiche (10) und (30) sind in der Nähe der entgegengesetzt angeordneten Stromableiter (112) angeordnet und weisen eine gleiche oder identische Zusammensetzung zueinander auf, die in beiden Fällen unterschiedlich zu der Zusammensetzung des Zentralbereichs (20) der Elektrode ist. Insbesondere sind die Beschichtungsbereiche (10) und (30) mit einer Beschichtungszusammensetzung ausgestattet, die einer zu erwartenden verstärkten Alterung in der Nähe der Stromableiter (112) entgegenwirkt.
4 zeigt im Querschnitt die Vorderansicht einer Elektrode (115) für eine Pouchzelle mit entgegengesetzt angeordneten Stromableitern, umfassend ein leitfähiges Substrat (70) mit einem unbeschichteten Stromableiter (112), wobei auf dem Substrat drei Beschichtungsbereiche (10), (20) und (30) angeordnet sind. Die Beschichtungsbereiche (10) und (30) sind in der Nähe der Stromableiter angeordnet und weisen eine identische Zusammensetzung auf, die sich von der des zentralen Beschichtungsbereichs (20) unterscheidet. Die Zusammensetzung der Beschichtungsbereiche (10) und (30) unterscheidet sich von der des zentralen Bereichs (20) durch die Größe der eingesetzten Partikel im Beschichtungsmaterial. Insbesondere sind die in der Nähe der Stromableiter angeordneten Bereiche (10) und (30) durch eine Zusammensetzung ausgezeichnet, gemäß der die Partikel größe in einem Bereich von 5 bis 10 µm Durchmesser liegt, während die Partikelgröße der davon abweichenden Zusammensetzung im zentralen Beschichtungsbereich (20) 15 bis 30 µm beträgt. Die in den in der Nähe der Stromableiter angeordneten Bereichen (10) und (30) eingesetzten kleineren Partikel tragen den im Verlauf der Batterienutzung aufgrund der Hochstrombelastung stärker ausgeprägten Alterungsprozessen im Bereich der Stromableiter Rechnung.
5 stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die im Wesentlichen der von 4 entspricht, wobei die Bereiche (10) und (30) gemäß 4 durch in der Nähe der Stromleiter angeordnete Beschichtungsbereiche (11) und (31) ersetzt sind, die in ihrer Zusammensetzung der der Bereiche (10) und (30) gemäß der 4 entsprechen, allerdings in einer geringeren Beschichtungsdicke ausgeführt sind. In der Nähe der Stromableiter angeordnete Bereiche der Elektrodenbeschichtung sind aufgrund der erwartungsgemäßen Hochstrombelastung einem stärkeren Alterungsprozess ausgesetzt und werden demgemäß erfindungsgemäß vorteilhafterweise mit einer dünneren Beschichtungsdicke ausgestattet. Im zentralen Beschichtungsbereich (21), in dem im Verlauf der Batterienutzung kein oder nur ein geringeres Schichtdickenwachstum oder andere ausgeprägte Alterungsprozesse zu erwarten ist, kann eine dickere Beschichtung verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2003/0008213 A1 [0004]
EP 1261048 [0004]
EP 1730800 [0004]

Claims

Elektrode, umfassend eine auf einem leitfähigen Substrat (70) aufgetragene Beschichtung aus Beschichtungsmaterial, wobei die Beschichtung mindestens einen ersten (10) und einen räumlich davon getrennten zweiten Beschichtungsbereich (20) mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials aufweist.
Elektrode nach Anspruch 1, wobei das Beschichtungsmaterial Aktivmaterial, Leitkohlenstoff und Binder aufweist.
Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Zusammensetzungen der mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Beschichtungsbereiche (10, 20, 30) hinsichtlich der Art des Beschichtungsmaterials, insbesondere des Aktivmaterials, des Leitkohlenstoffs, des Binders oder Kombinationen davon unterscheiden.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Zusammensetzungen der mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Beschichtungsbereiche (10, 20, 30) hinsichtlich des jeweils eingesetzten Mengenverhältnissen von Aktivmaterial zu Leitkohlenstoff zu Binder unterscheiden.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Zusammensetzungen der mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Beschichtungsbereiche (10, 20, 30) hinsichtlich der Partikelgröße, der Dichte oder einer Kombination davon unterscheiden.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode mindestens zwei Beschichtungsbereiche (10, 20, 30) unterschiedlicher Dicke aufweist.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste (10) und der räumlich davon getrennte zweite Beschichtungsbereich (20) unterschiedliche Dicke aufweisen.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Beschichtungsbereich (10) im Bereich des stromableitenden Elektrodenteils (111, 112) lokalisiert ist.
Batterie, umfassend mindestens eine Elektrode (110, 115) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mindestens einen Separator und mindestens einen Elektrolyten.
Batterie nach Anspruch 9, die mindestens eine Pouch-Zelle, prismatische Hartgehäusezelle oder Rundzelle umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellen mindestens eines leitfähigen Substrates (70) und mindestens zweier fließfähiger Beschichtungsmaterialen mit voneinander abweichender Zusammensetzung, b) getrenntes Aufbringen der mindestens zwei Beschichtungsmaterialien mit voneinander abweichender Zusammensetzung auf räumlich voneinander getrennte Bereiche (10, 20, 30) des leitfähigen Substrats (70) und c) Erhalt einer Elektrode (110, 115), umfassend mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Beschichtungsbereiche (10, 20, 30) mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials auf dem leitfähigen Substrat.
Elektrode, herstellbar nach dem Verfahren gemäß Anspruch 11.
Elektrode oder Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und 12 zur Anwendung in einem Elektrofahrzeug, Elektroflugzeug, Roboter oder einem portablen Gerät.
Elektrofahrzeug, Elektroflugzeug, Roboter oder portables Gerät, umfassend mindestens eine Elektrode oder Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und 12.