DE102017212013A1 - Binder composition for electrochemical energy storage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bindemittelzusammensetzung für eine Elektrode, umfassend mindestens ein Bindemittel, ausgewählt aus Polyacrylnitril und Polyvinylidenfluorid sowie Gemischen davon, und mindestens ein Lösungsmittel, ausgewählt aus mindestens einem Sulfoxid der allgemeinen Formel (l):
einem linearen, verzweigten oder cyclischen, gesättigten oder ungesättigten Alkylrest mit 1 bis 15 Kohlenstoffatomen,
einem Arylrest mit 5 bis 15 Kohlenstoffatomen,
sowie Gemischen davon.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Bindemittelzusammensetzung wirkt sich positiv auf die Stabilität der Elektrode aus.
The invention relates to a binder composition for an electrode comprising at least one binder selected from polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride and mixtures thereof, and at least one solvent selected from at least one sulfoxide of the general formula (I):
a linear, branched or cyclic, saturated or unsaturated alkyl radical having 1 to 15 carbon atoms,
an aryl radical having 5 to 15 carbon atoms,
and mixtures thereof.
The use of the binder composition according to the invention has a positive effect on the stability of the electrode.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Bindemittelzusammensetzung für Aktivmaterialzusammensetzungen elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere elektrochemischer Hochleistungsspeicher.The invention relates to a binder composition for active material compositions of electrochemical energy stores, in particular electrochemical high-performance storage.
Ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung von Elektroden umfasst die Herstellung einer Aufschlämmung (sog. Slurry) des Aktivmaterials der Elektrode sowie ggf. vorhandener Zusätze in einem Lösungsmittel (Aktivmaterialaufschlämmung). Üblicherweise wird dem Lösungsmittel zuvor ein Bindemittel zugegeben, welches in dem Lösungsmittel löslich ist. Nach dem Aufbringen der Aktivmaterialaufschlämmung auf ein Substrat wird dann das Lösungsmittel entfernt und man erhält eine stabile, zusammenhängende Aktivmaterialschicht, welche durch das Bindemittel zusammengehalten wird. Üblicherweise wird als Bindemittelzusammensetzung eine Lösung von Carboxymethylcellulose (CMC) in Wasser oder eine Lösung von Polyvinylidenfluorid (PVdF) in N-Methylpyrrolidon (NMP) eingesetzt.A conventional process for the preparation of electrodes comprises the preparation of a slurry (so-called slurry) of the active material of the electrode and optionally present additives in a solvent (active material slurry). Usually, a binder which is soluble in the solvent is previously added to the solvent. After applying the active material slurry to a substrate, the solvent is then removed to obtain a stable, coherent active material layer which is held together by the binder. Usually, a solution of carboxymethylcellulose (CMC) in water or a solution of polyvinylidene fluoride (PVdF) in N-methylpyrrolidone (NMP) is used as binder composition.
Der Einsatz von Wasser als Lösungsmittel führt jedoch häufig zu unerwünschten Nebenreaktionen mit den Aktivmaterialien, insbesondere im Bereich von elektrochemischen Hochenergiespeichern. Beispielsweise bildet Wasser in Verbindung mit Lithiumtitanaten Lithiumhydroxid-Moleküle, was die Entstehung von Gasen und dadurch eine Verschlechterung des Zusammenhalts der Aktivmaterialzusammensetzung der Elektrode zur Folge hat. Darüber hinaus kann CMC bei seiner Zersetzung das Aktivmaterial der Kathode angreifen. Auf der anderen Seite ist NMP ein hochgradig toxisches Lösungsmittel, welches im Umgang während der Herstellung von Elektroden kostenintensive Maßnahmen für den Gesundheitsschutz erfordert.However, the use of water as a solvent often leads to undesirable side reactions with the active materials, especially in the field of electrochemical high energy storage. For example, water in combination with lithium titanates forms lithium hydroxide molecules, resulting in the formation of gases and thereby deterioration of the integrity of the active material composition of the electrode. In addition, CMC can attack the active material of the cathode during its decomposition. On the other hand, NMP is a highly toxic solvent, which requires costly measures for the protection of human health during handling of electrodes.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Bindemittelzusammensetzung für eine Elektrode, umfassend mindestens ein Bindemittel, ausgewählt aus Polyacrylnitril und Polyvinylidenfluorid sowie Gemischen davon, und mindestens ein Lösungsmittel, ausgewählt aus mindestens einem Sulfoxid der allgemeinen Formel (l):
- einem linearen, verzweigten oder cyclischen, gesättigten oder ungesättigten Alkylrest mit 1 bis 15 Kohlenstoffatomen,
- einem Arylrest mit 5 bis 15 Kohlenstoffatomen,
- sowie Gemischen davon.
- a linear, branched or cyclic, saturated or unsaturated alkyl radical having 1 to 15 carbon atoms,
- an aryl radical having 5 to 15 carbon atoms,
- and mixtures thereof.
Es wurde gefunden, dass diese Lösungsmittel eine gute Löslichkeit der Bindemittel gewährleisten und wenig bis keine Nebenreaktionen mit den üblicherweise verwendeten Aktivmaterialien eingehen.It has been found that these solvents ensure good solubility of the binders and undergo little or no side reactions with the commonly used active materials.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist R1 ausgewählt aus einem linearen, verzweigten oder cyclischen, gesättigten oder ungesättigten Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen.In a preferred embodiment, R 1 is selected from a linear, branched or cyclic, saturated or unsaturated alkyl radical having 1 to 6 carbon atoms.
In einer Ausführungsform ist R1 ausgewählt aus einem linearen, verzweigten oder cyclischen, gesättigten oder ungesättigten Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, und R2 ist ausgewählt aus einem linearen, verzweigten oder cyclischen, gesättigten oder ungesättigten Alkylrest mit 1 bis 15 Kohlenstoffatomen und einem Arylrest mit 5 bis 15 Kohlenstoffatomen.In one embodiment, R 1 is selected from a linear, branched or cyclic, saturated or unsaturated alkyl radical having 1 to 6 carbon atoms, and R 2 is selected from a linear, branched or cyclic, saturated or unsaturated alkyl radical having 1 to 15 carbon atoms and an aryl radical with 5 to 15 carbon atoms.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus einem linearen, verzweigten oder cyclischen, gesättigten oder ungesättigten Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen.In a further preferred embodiment, R 1 and R 2 are independently selected from a linear, branched or cyclic, saturated or unsaturated alkyl radical having 1 to 6 carbon atoms.
Insbesondere geeignet sind Lösungsmittel, ausgewählt aus einem Sulfoxid der allgemeinen Formel (l), wobei R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus einem Methylrest, einem Ethylrest, einem n-Propylrest, einem iso-Propylrest, einem n-Butylrest, einem iso-Butylrest, einem tert-Butylrest, einem n-Pentylrest, 2-Pentylrest, einem 3-Pentylrest, einem 2-Methylbutylrest, einem 3-Methylbutylrest, einem 3-Methylbut-2-ylrest, einem 2-Methylbut-2-ylrest und einem 2,2-Dimethylpropylrest.Especially suitable are solvents selected from a sulfoxide of the general formula (I) wherein R 1 and R 2 are independently selected from methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, n-butyl, iso Butyl, tert-butyl, n-pentyl, 2-pentyl, 3-pentyl, 2-methylbutyl, 3-methylbutyl, 3-methylbut-2-yl, 2-methylbut-2-yl and a 2,2-dimethylpropyl radical.
Bevorzugt sind ferner Bindemittelzusammensetzung, wobei das Lösungsmittel mindestens ein Sulfoxid, ausgewählt aus Dimethylsulfoxid, Diethylsulfoxid, Methylethylsulfoxid, Di-n-propylsulfoxid, Di-iso-propylsulfoxid, Methyl-n-propylsulfoxid, Ethylpropylsulfoxid, Methyl-iso-propylsulfoxid, Ethyl-iso-propylsulfoxid, Di-n-butyl-sulfoxid, Di-iso-butyl-sulfoxid, Di-tert-butyl-sulfoxid, Methyl-n-butyl-sulfoxid, Methyl-iso-butyl-sulfoxid Methyl-tert-butyl-sulfoxid, Ethyln-butyl-sulfoxid, Ethyl-iso-butyl-sulfoxid, Ethyl-tert-butyl-sulfoxid, n-Propyl-n-butyl-sulfoxid, n-Propyl-iso-butyl-sulfoxid, n-Propyl-tert-butyl-sulfoxid, iso-Propyl-n-butyl-sulfoxid, iso-Propyl-iso-butyl-sulfoxid, iso-Propyl-tert-butyl-sulfoxid oder einem Gemisch davon ist. Also preferred are binder compositions, wherein the solvent is at least one sulfoxide selected from dimethylsulfoxide, diethylsulfoxide, methylethylsulfoxide, di-n-propylsulfoxide, di-iso-propylsulfoxide, methyl-n-propylsulfoxide, ethylpropylsulfoxide, methyl-iso-propylsulfoxide, ethyliso- propylsulfoxide, di-n-butyl-sulfoxide, di-iso-butyl-sulfoxide, di-tert-butyl-sulfoxide, methyl-n-butyl-sulfoxide, methyl-iso-butyl-sulfoxide, methyl-tert-butyl-sulfoxide, ethyln -butyl-sulfoxide, ethyl-iso-butyl-sulfoxide, ethyl-tert-butyl-sulfoxide, n-propyl-n-butyl-sulfoxide, n-propyl-iso-butyl-sulfoxide, n-propyl-tert-butyl-sulfoxide iso-propyl-n-butyl-sulfoxide, iso-propyl-iso-butyl-sulfoxide, iso-propyl-tert-butyl-sulfoxide or a mixture thereof.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Bindemittelzusammensetzung, umfassend mindestens ein Bindemittel, ausgewählt aus Polyacrylnitril und Polyvinylidenfluorid sowie Gemischen davon und mindestens ein Lösungsmittel, ausgewählt aus einem Sulfoxid der allgemeinen Formel (l), wobei das Lösungsmittel ausgewählt ist aus Dimethylsulfoxid, Diethylsulfoxid sowie Gemischen davon. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Lösungsmittel Dimethylsulfoxid. Diese Lösungsmittel zeichnet sich durch eine sehr geringe Toxizität, gutes Lösungsverhalten gegenüber den Bindemitteln sowie einen ausreichend hohen Dampfdruck und aus dem Aktivmaterialaufschlämmung bzw. der Aktivmaterialschicht entfernt werden zu können.In a particularly preferred embodiment, the invention relates to a binder composition comprising at least one binder selected from polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride and mixtures thereof and at least one solvent selected from a sulfoxide of the general formula (I), wherein the solvent is selected from dimethyl sulfoxide, diethyl sulfoxide and Mixtures thereof. In a most preferred embodiment, the solvent is dimethylsulfoxide. These solvents are characterized by a very low toxicity, good solvent behavior towards the binders and a sufficiently high vapor pressure and to be removed from the Aktivmaterialaufschlämmung or the active material layer.
Die Bindemittelzusammensetzung umfasst ferner mindestens ein Bindemittel, ausgewählt aus, ausgewählt aus Polyacrylnitril und Polyvinylidenfluorid sowie Gemischen davon. Vorzugsweise umfasst die Bindemittelzusammensetzung das Bindemittel in einer Menge von 0,1 bis 20 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,5 bis 10 Gew.-% und insbesondere 3 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Bindemittelzusammensetzung.The binder composition further comprises at least one binder selected from selected from polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride and mixtures thereof. Preferably, the binder composition comprises the binder in an amount of from 0.1% to 20%, more preferably from 0.5% to 10%, and most preferably from 3% to 5% by weight, based on the total weight of the binder composition.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Bindemittelzusammensetzung kein Polyacrylnitril. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Bindemittelzusammensetzung kein Polyvinylidenfluorid. In einer weiteren, alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Bindemittelzusammensetzung ein Gemisch aus Polyacrylnitril und Polyvinylidenfluorid.In one embodiment of the invention, the binder composition does not comprise polyacrylonitrile. In an alternative embodiment of the invention, the binder composition does not comprise polyvinylidene fluoride. In a further alternative embodiment of the invention, the binder composition comprises a mixture of polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride.
Polyvinylidenfluoride im Sinne dieser Erfindung sind Polymere, welche zu mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise zu mindestens 75 Gew.-%, stärker bevorzugt zu mindestens 90 Gew.-% und insbesondere zu mindestens 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polyvinylidenfluorids, aus einer Widerholungseinheit der Formel (II) aufgebaut sind:
Geeignete Comonomere sind insbesondere solche, die Wiederholungseinheiten der folgenden allgemeinen Formel (IIb) bilden:
Polyacrylnitrile im Sinne dieser Erfindung sind Polymere, welche zu mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise zu mindestens 75 Gew.-%, stärker bevorzugt zu mindestens 90 Gew.-% und insbesondere zu mindestens 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polyacrylnitrils, aus einer Widerholungseinheit der Formel (lila) aufgebaut sind:
Geeignete Comonomere sind insbesondere solche, die Wiederholungseinheiten der folgenden allgemeinen Formel (IIIb) bilden:
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Bindemittelzusammensetzung zur Herstellung einer Elektrode, wobei die Elektrode mindestens ein Bindemittel, ausgewählt aus Polyacrylnitril und Polyvinylidenfluorid, mindestens ein Aktivmaterial, sowie gegebenenfalls Leitzusätze umfasst.The invention also provides the use of a binder composition according to the invention for producing an electrode, wherein the electrode comprises at least one binder selected from polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride, at least one active material, and optionally conductive additives.
Als Aktivmaterial kann prinzipiell jedes herkömmliche Aktivmaterial eingesetzt werden, sofern dieses zur Herstellung von positiven oder negativen Elektroden, d.h. Kathoden oder Anoden, von elektrochemischen Energiespeichern geeignet ist. Elektrochemische Energiespeicher im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere elektrochemische Zellen, welche Lithium-haltige Aktivmaterialien oder hochporöse Kohlenstoffe umfassen, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren und Hybridsuperkondensatoren auf Basis von Lithiumhaltigen Aktivmaterialien.As the active material, any conventional active material may be used in principle, as far as it is used to prepare positive or negative electrodes, i. Cathodes or anodes, of electrochemical energy storage is suitable. Electrochemical energy stores in the context of this invention are, in particular, electrochemical cells which comprise lithium-containing active materials or highly porous carbons, in particular lithium-ion batteries, supercapacitors and hybrid supercapacitors based on lithium-containing active materials.
Als geeignete Aktivmaterialien für die negative Elektrode sind sowohl statisch kapazitive Aktivmaterialien, als auch elektrochemische Redoxaktivmaterialien oder Gemische davon zu nennen. Ein geeignetes statisch kapazitives Aktivmaterial im Sinne dieser Erfindung ist Kohlenstoff in seinen verschiedenen Erscheinungsformen, wie Aktivkohle, Aktivkohlefasern, Graphen und Kohlenstoffnanoröhrchen. Bevorzugt werden Kohlenstoffmodifikationen eingesetzt, insbesondere Aktivkohle. Ein geeignetes elektrochemisches Redoxaktivmaterial für die negative Elektrode im Sinne dieser Erfindung ist ein Material, welches aus elektrochemischen Sekundärbatterien, insbesondere aus Lithium-Ionen-Batterien bekannt ist, und geeignet ist eine reversible elektrochemische bzw. faradische Lithium-Ionen-Interkalationsreaktion einzugehen bzw. eine Lithium-Ionen-Interkalationsverbindung auszubilden. Geeignete elektrochemische Redoxaktivmaterialien für die negative Elektrode sind insbesondere Lithiumtitanate (LTO) wie Li4Ti5O12, aber auch Lithiumvanadiumphosphate wie Li3V2(PO4)3.Suitable active materials for the negative electrode include both static capacitive active materials and electrochemical redox active materials or mixtures thereof. A suitable static capacitive active material in the sense of this invention is carbon in its various forms, such as activated carbon, activated carbon fibers, graphene and carbon nanotubes. Carbon modifications are preferably used, in particular activated carbon. A suitable electrochemical redox-active material for the negative electrode in the context of this invention is a material which is known from electrochemical secondary batteries, in particular lithium-ion batteries, and is suitable for initiating a reversible electrochemical or faradic lithium-ion intercalation reaction or a lithium Form an ion intercalation compound. Suitable electrochemical redox active materials for the negative electrode are in particular lithium titanates (LTO) such as Li 4 Ti 5 O 12 , but also lithium vanadium phosphates such as Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 .
Als geeignete Aktivmaterialien für die positive Elektrode sind sowohl statisch kapazitive Aktivmaterial, als auch elektrochemische Redoxaktivmaterialien oder Gemische davon zu nennen. Bezüglich des statisch kapazitiven Materials der positiven Elektrode gelten sämtliche Ausführungen zur negativen Elektrode entsprechend. Die dort genannten Aktivmaterialien sind auch für die positive Elektrode geeignet.Suitable active materials for the positive electrode include both static capacitive active material and electrochemical redox active materials or mixtures thereof. With regard to the static capacitive material of the positive electrode, all statements on the negative electrode apply accordingly. The active materials mentioned there are also suitable for the positive electrode.
Geeignete elektrochemische Redoxaktivmaterialien für die positive Elektrode sind beispielsweise lithiierte Interkalationsverbindungen, welche in der Lage sind Lithium-Ionen reversibel aufzunehmen und freizusetzen. Das positive Aktivmaterial kann ein zusammengesetztes Oxid umfassen, welches mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Magnesium, Nickel, sowie Lithium, enthält.Suitable electrochemical redox active materials for the positive electrode are, for example, lithiated intercalation compounds which are capable of reversibly taking up and releasing lithium ions. 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 Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Aktivmaterial der positiven Elektrode, umfassend eine Verbindung der Formel LiMO2, wobei M ausgewählt ist aus Co, Ni, Mn, Cr oder Gemischen von diesen sowie Gemischen von diesen mit Al. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kathodenaktivmaterial um ein Material, welches Nickel umfasst, d.h. LiNi1-xM'xO2, wobei M' ausgewählt ist aus Co, Mn, Cr 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) oder LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2; NMC (111)).One embodiment of the present invention comprises a positive electrode active material comprising a compound of the formula LiMO 2 wherein M is selected from Co, Ni, Mn, Cr or mixtures of these and mixtures of these with Al. In a preferred embodiment, wherein the cathode active material is a material comprising nickel, ie LiNi 1 - x M 'x O 2, wherein M' is selected from Co, Mn, Cr and Al, and 0 ≤ x <. 1 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) or LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 ; NMC (111)).
Ferner sind als bevorzugte positive Aktivmaterialien überlithiierte schichtförmige Oxide zu nennen, welche dem Fachmann bekannt sind. Beispiele hierfür sind Li1+xMn2-yMyO4 mit x ≤ 0,8, y < 2; Li1+xCo1-yMyO2 mit x ≤ 0,8, y < 1; Li1+xNi1-y-zCoyMzO4 mit x ≤ 0,8, y < 1, z < 1 und y+z < 1. In den vorgenannten Verbindungen kann M ausgewählt sein aus Al, Mg und/oder Mn.Furthermore, as preferred positive active materials, mention may be made of overlaid layered oxides which are known to the person skilled in the art. Examples are Li 1 + x Mn 2-y M y O 4 where x ≤ 0.8, y <2; Li 1 + x Co 1 -y M y O 2 where x ≤ 0.8, y <1; Li 1 + x Ni 1 -yz Co y M z O 4 where x ≤ 0.8, y <1, z <1 and y + z <1. In the aforementioned compounds, M may be selected from Al, Mg and / or Mn.
Zwei oder mehrere der positiven Aktivmaterialien können insbesondere auch in Kombination miteinander verwendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst beispielsweise Verbindungen der Formel n(Li2MnO3) : n-1(LiNi-xM'xO2) wobei M' ausgewählt ist aus Co, Mn, Cr und Al und 0 < n < 1 ist und 0 < x < 1 ist.In particular, two or more of the positive active materials may also be used in combination with each other. A preferred embodiment comprises, for example, compounds of the formula n (Li 2 MnO 3 ): n-1 (LiNi x M ' x O 2 ) where M' is selected from Co, Mn, Cr and Al and 0 <n <1 and 0 <x <1.
Ferner sind insbesondere Spinellverbindungen (z.B. LiMn2O4), Olivinverbindungen (z.B. LiFePO4), Silikatverbindungen (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 (eg LiMn 2 O 4 ), olivine compounds (eg LiFePO 4 ), silicate compounds (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.
Besonders bevorzugte Aktivmaterialien sind Aktivkohle, Li4Ti5O12, LiMn2O4 und Li3V2(PO4)3.Particularly preferred active materials are activated carbon, Li 4 Ti 5 O 12 , LiMn 2 O 4 and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 .
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, umfassend die Schritte:
- (a) Bereitstellen einer Aktivmaterialaufschlämmung, umfassend mindestens ein Bindemittel, ausgewählt aus Polyacrylnitril, Polyvinylidenfluorid oder einem Gemisch davon, mindestens ein Lösungsmittel ausgewählt aus einem Sulfoxid der allgemeinen Formel (l):
- (b) Aufbringen der Aktivmaterialaufschlämmung auf mindestens eine Substratoberfläche; und
- (c) Entfernen des Lösungsmittels aus der Aktivmaterialaufschlämmung, um eine Aktivmaterialschicht zu bilden.
- (a) providing an active material slurry comprising at least one binder selected from polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride or a mixture thereof, at least one solvent selected from a sulfoxide of the general formula (I):
- (b) applying the active material slurry to at least one substrate surface; and
- (c) removing the solvent from the active material slurry to form an active material layer.
Die Bereitstellung der Aktivmaterialaufschlämmung wird beispielsweise so erreicht, dass das Aktivmaterial bzw. die Aktivmaterialien sowie ggf. eingesetzte Zusätze wie insbesondere Leitadditive (z.B. Graphit oder Ruß) in einem Mischer trocken vorgemischt werden. In einem weiteren Mischer wird das/die Bindemittel in dem Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch gelöst. Anschließend wird die Bindemittellösung zu dem Aktivmaterialgemisch gegeben und die Bestandteile werden innig vermischt, um die Aktivmaterialaufschlämmung zu erhalten. Dieser Schritt kann ganz oder teilweise bei einer erhöhten Umgebungstemperatur (z.B. im Bereich von 30°C bis 100°C) erfolgen, um die Löslichkeit des Bindemittels im Lösungsmittel zu erhöhen und/oder die Viskosität des Lösungsmittels bzw. der Lösungsmittel-haltigen Bindemittelzusammensetzung zu reduzieren.The provision of the active material slurry is achieved, for example, in such a way that the active material (s) and optionally used additives such as, in particular, conductive additives (for example graphite or carbon black) are premixed dry in a mixer. In another mixer, the binder (s) is dissolved in the solvent or solvent mixture. Subsequently, the binder solution is added to the active material mixture and the ingredients are intimately mixed to obtain the active material slurry. This step can be wholly or partly at an elevated ambient temperature (eg in the range of 30 ° C to 100 ° C) to increase the solubility of the binder in the solvent and / or to reduce the viscosity of the solvent or solvent-containing binder composition ,
In einer alternativen Ausführungsform wird zunächst das Aktivmaterial bzw. die Aktivmaterialien mit dem Bindemittel sowie ggf. eingesetzten Zusätzen wie insbesondere Leitzusätze (z.B. Graphit) in einem Mischer trocken vorgemischt. Anschließend wird das Lösungsmittel zu dem Bindemittel-haltigen Aktivmaterialgemisch gegeben und die Bestandteile werden innig vermischt, um die Aktivmaterialaufschlämmung zu erhalten. Dieser Schritt kann ganz oder teilweise bei einer erhöhten Umgebungstemperatur (z.B. im Bereich von 30°C bis 100°C) erfolgen, um die Löslichkeit des Bindemittels im Lösungsmittel zu erhöhen und/oder die Viskosität des Lösungsmittels bzw. der Lösungsmittel-haltigen Bindemittelzusammensetzung zu reduzieren.In an alternative embodiment, the active material or the active materials are first dry premixed with the binder and any additives used, in particular conductive additives (for example graphite) in a mixer. Subsequently, the solvent is added to the binder-containing active material mixture, and the ingredients are intimately mixed to obtain the active material slurry. This step can be wholly or partly at an elevated ambient temperature (eg in the range of 30 ° C to 100 ° C) to increase the solubility of the binder in the solvent and / or to reduce the viscosity of the solvent or solvent-containing binder composition ,
Dem Fachmann ist bewusst, dass die Reihenfolge und Art der Mischung der Bestandteile der Aktivmaterialaufschlämmung beliebig sind und dem jeweiligen Verfahren angepasst werden können, solange die daraus resultierende Aktivmaterialaufschlämmung sämtliche Bestandteile umfasst. Vorzugsweise umfasst die Aktivmaterialaufschlämmung, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialaufschlämmung, 1 bis 50 Gew.-%, insbesondere 5 bis 40 Gew.-%, Lösungsmittel. Dies ermöglicht eine gute Benetzung des Aktivmaterials mit der Bindemittelzusammensetzung. Trotzdem ist die erhaltene Aktivmaterialaufschlämmung ausreichend fest, um anschließend kontrolliert auf eine Substratoberfläche aufgebracht werden zu können ohne zu zerfließen.It will be appreciated by those skilled in the art that the order and type of blending of the constituents of the active material slurry may be arbitrary and adapted to the particular process as long as the resulting active material slurry comprises all ingredients. Preferably, the active material slurry, based on the total weight of the active material slurry, comprises from 1 to 50% by weight, especially from 5 to 40% by weight, of solvent. This allows good wetting of the active material with the binder composition. Nevertheless, the resulting active material slurry is sufficiently strong to be subsequently controllably applied to a substrate surface without deliquescing.
Die Aktivmaterialaufschlämmung wird anschließend auf mindestens eine Substratoberfläche aufgebracht. Dies kann nach jedem dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen, insbesondere durch rakeln, extrudieren und/oder kalandrieren.The active material slurry is then applied to at least one substrate surface. This can be done by any method known to those skilled in the art, in particular by doctoring, extruding and / or calendering.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Substratoberfläche um mindestens eine Oberfläche eines Stromsammlers. Der Stromsammler ist vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall wie Aluminium, Nickel, Kupfer, sowie Legierungen dieser Metalle miteinander oder mit anderen Metallen, gefertigt.Preferably, the substrate surface is at least one surface of a current collector. The current collector is preferably made of an electrically conductive material, in particular a metal such as aluminum, nickel, copper, and alloys of these metals with each other or with other metals.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Substratoberfläche die Oberfläche eines nicht elektrisch leitfähigen Materials sein, beispielsweise eines nicht elektrisch leitfähigen Kunststoffs. So kann eine freistehende Aktivmaterialschicht, umfassend mindestens ein Bindemittel, gebildet werden, welche anschließend auf einem Stromsammler aufgebracht werden kann.In an alternative embodiment, the substrate surface may be the surface of a non-electrically conductive material, for example a non-electrically conductive plastic. Thus, a freestanding active material layer comprising at least one binder can be formed, which can then be applied to a current collector.
Die Entfernung des Lösungsmittels erfolgt vorzugsweise bei einer erhöhten Umgebungstemperatur und/oder einem reduzierten Umgebungsdruck. Beispielsweise wird eine Umgebungstemperatur in einem Bereich von 30°C bis 200°C, insbesondere 50°C bis 150°C angewendet. Der Umgebungsdruck wird beispielsweise in einem Bereich von 0,01 bar bis 1 bar, vorzugweise in einem Bereich von 0,1 bis 0,7 bar gewählt.The removal of the solvent is preferably carried out at an elevated ambient temperature and / or a reduced ambient pressure. For example, an ambient temperature in a range of 30 ° C to 200 ° C, especially 50 ° C to 150 ° C is applied. The ambient pressure is selected, for example, in a range of 0.01 bar to 1 bar, preferably in a range of 0.1 to 0.7 bar.
Die so erhaltene Elektrode kann vorteilhaft in einem elektrochemischen Energiespeicher verwendet werden. Gegenstand der Erfindung ist somit auch die nach dem beschriebenen Verfahren erhaltene Elektrode sowie der elektrochemische Energiespeicher, welcher mindestens eine nach dem beschriebenen Verfahren erhaltene Elektrode umfasst. Der elektrochemische Energiespeicher umfasst dabei die herkömmlichen weiteren Bestandteile, wie insbesondere Elektrolyte und Separatoren. Diese sind dem Fachmann bekannt und werden im Rahmen seines Fachwissens ausgewählt.The electrode obtained in this way can advantageously be used in an electrochemical energy store. The invention thus also relates to the electrode obtained by the process described and the electrochemical Energy storage, which comprises at least one electrode obtained by the described method. The electrochemical energy store comprises the conventional further components, in particular electrolytes and separators. These are known to the person skilled in the art and are selected within the framework of his specialist knowledge.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Bindemittelzusammensetzung zeichnet sich dadurch aus, dass diese nicht oder nur in geringem Umfang Nebenreaktionen mit den herkömmlicherweise eingesetzten Aktivmaterialien, insbesondere mit Aktivkohle, Li4Ti5O12, LiMn2O4 und Li3V2(PO4)3, eingehen. Darüber hinaus umfasst die Bindemittelzusammensetzung keine oder nur wenig toxische Verbindungen, sodass die Maßnahmen zum Gesundheitsschutz beim Umgang mit der Bindemittelzusammensetzung im Vergleich zu NMP-haltigen Bindemittelzusammensetzungen reduziert werden können. Die erhaltenen Elektroden bzw. die daraus hergestellten Energiespeicher weisen im Vergleich zu herkömmlichen Elektroden eine höhere Zyklenstabilität auf.The binder composition according to the invention is characterized in that it does not or only to a minor extent undergoes side reactions with the conventionally used active materials, in particular with activated carbon, Li 4 Ti 5 O 12 , LiMn 2 O 4 and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , In addition, the binder composition comprises little or no toxic compounds so that the health protection measures when handling the binder composition can be reduced compared to NMP-containing binder compositions. The resulting electrodes or the energy stores produced therefrom have a higher cycle stability compared to conventional electrodes.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert:
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1 zeigt die Entladungskapazität verschiedener Elektroden über den Verlauf mehrerer Be- und Entlandungszyklen.
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1 shows the discharge capacity of different electrodes over the course of several loading and unloading cycles.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Beispiele veranschaulicht werden.The invention will be illustrated by the following examples.
Beispiel 1example 1
Herstellung einer positiven ElektrodeProduction of a positive electrode
Zur Herstellung der positiven Elektrode wird ein trockenes Gemisch aus 3,25 g LiMn2O4 und 1,75 g Aktivkohle als Aktivmaterial sowie 0,25 g Carbon Black als Leitadditiv hergestellt. Dann werden 5,5 g einer 4,76%igen Bindemittellösung (Polyvinylidenfluorid in Dimethylsulfoxid) sowie 5,4 g reines Dimethylsulfoxid zugefügt und innig vermischt. Die erhaltene Suspension wird mittels eines Rakelverfahrens direkt auf einen Stromsammler mit einer Schichtdicke von ca. 100 µm zu einer positiven Elektrode gegossen und getrocknet.To prepare the positive electrode, a dry mixture of 3.25 g of LiMn 2 O 4 and 1.75 g of activated carbon as the active material and 0.25 g of carbon black as a conductive additive is prepared. Then 5.5 g of a 4.76% binder solution (polyvinylidene fluoride in dimethyl sulfoxide) and 5.4 g of pure dimethyl sulfoxide are added and mixed intimately. The suspension obtained is poured by means of a doctor blade method directly onto a current collector with a layer thickness of about 100 microns to a positive electrode and dried.
Herstellung der negativen ElektrodeProduction of the negative electrode
Zur Herstellung der negativen Elektrode wird ein trockenes Gemisch aus 3,7 g Li4Ti5O12 als Aktivmaterial sowie 1 g Carbon Black als Leitadditiv hergestellt. Dann werden 12,5 g einer 2%igen Bindemittellösung (Polyvinylidenfluorid in Dimethylsulfoxid) sowie 6 g reines Dimethylsulfoxid zugefügt und innig vermischt. Die erhaltene Suspension wird mittels eines Rakelverfahrens direkt auf einen Stromsammler mit einer Schichtdicke von ca. 100 µm zu einer positiven Elektrode gegossen und getrocknet.To prepare the negative electrode, a dry mixture of 3.7 g of Li 4 Ti 5 O 12 as the active material and 1 g of carbon black as a conductive additive is prepared. Then 12.5 g of a 2% binder solution (polyvinylidene fluoride in dimethyl sulfoxide) and 6 g of pure dimethyl sulfoxide are added and mixed intimately. The suspension obtained is poured by means of a doctor blade method directly onto a current collector with a layer thickness of about 100 microns to a positive electrode and dried.
Die Elektroden werden zusammen mit einem Separator auf Basis von Cellulose in einem Gehäuse zusammengefügt. Ein Elektrolyt, umfassend ein Lithiumsalz (LiClO4) und ein aprotisches Lösungsmittel (Acetonitril) wird in das Gehäuse gefüllt. Das Gehäuse wird verschlossen, um so eine elektrochemische Zelle zu bilden.The electrodes are joined together with a cellulose-based separator in a housing. An electrolyte comprising a lithium salt (LiClO 4 ) and an aprotic solvent (acetonitrile) is charged into the housing. The housing is closed so as to form an electrochemical cell.
Beispiel 2Example 2
Eine elektrochemische Zelle wird wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit dem Unterschied, dass die positive Elektrode unter Verwendung von Polyacrylnitril als Bindemittel gefertigt wird (5,5 g einer 4,76%igen Lösung von Polyacrylnitril in Dimethylsulfoxid).An electrochemical cell is prepared as described in Example 1, except that the positive electrode is fabricated using polyacrylonitrile as a binder (5.5 g of a 4.76% solution of polyacrylonitrile in dimethylsulfoxide).
Vergleichsbeispiel 1Comparative Example 1
Eine elektrochemische Zelle wird wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit dem Unterschied, dass die positive Elektrode unter Verwendung von Polytetrafluorethen (PTFE) als Bindemittel mit NMP als Lösungsmittel gefertigt wird.An electrochemical cell is prepared as described in Example 1 except that the positive electrode is fabricated using polytetrafluoroethene (PTFE) as a binder with NMP as the solvent.
Vergleichsbeispiel 2Comparative Example 2
Eine elektrochemische Zelle wird wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit dem Unterschied, dass die positive Elektrode unter Verwendung von Carboxymethylcellulose und Styrol-Butadien-Kautschuk als Bindemittel mit Wasser als Lösungsmittel gefertigt wird.An electrochemical cell is prepared as described in Example 1 except that the positive electrode is made using carboxymethyl cellulose and styrene-butadiene rubber as a binder with water as the solvent.
Die normalisierten Entladungskapazitäten (
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 therein highlighted aspects. 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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