DE102017212266A1

DE102017212266A1 - Verfahren zum Herstellen eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle

Info

Publication number: DE102017212266A1
Application number: DE102017212266.8A
Authority: DE
Inventors: Silvan Hippchen; Danijel Nikolic; Guido Klamt; Anne Buchkremer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2019-01-24
Also published as: WO2019015892A1; EP3656005A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle, aufweisend die Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen von Separatormaterial;
b) gegebenenfalls Zerkleinern des in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Separatormaterials;
c) gegebenenfalls Trocknen des in Verfahrensschritt a) bereitgestellten und gegebenenfalls zerkleinerten Separatormaterials;
d) gegebenenfalls Mischen des Separatormaterials mit wenigstens einem von einem Leitsalz und einem Bindermaterial;
e) Heißpressen des Separatormaterials unter Ausbilden eines Separators, und
f) Hinzufügen von Flüssigelektrolyt zu dem in Verfahrensschritt e) erzeugten Separator dann, wenn in Verfahrensschritt d) das Separatormaterial nicht mit einem Leitsalz vermischt wurde.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle mit einem verbesserten Festkörperseparator.
Stand der Technik
Elektrochemische Energiespeicher, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind in vielen täglichen Anwendungen weit verbreitet. Sie werden beispielsweise in Computern, wie etwa Laptops, Mobiltelefonen, Smartphones und bei anderen Anwendungen eingesetzt. Auch bei der zur Zeit stark vorangetriebenen Elektrifizierung von Fahrzeugen, wie etwa Kraftfahrzeugen, etwa bei elektrischen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, bieten derartige Batterien Vorteile. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie werden insbesondere lithiumbasierte Batterien, wie etwa Lithium-Ionen-Batterien oder Lithium-Batterien, als Energiequellen bei Elektrofahrzeugen verwendet.
Bei Lithium-Ionen-Batterien, beispielsweise, werden oftmals Festkörperelektrolyte beziehungsweise Festkörperseparatoren verwendet. Diese sind oftmals aus einem Polymer oder einer Keramik gefertigt und werden insbesondere in einer nasschemischen Synthese hergestellt.
Das Dokument US 2014/0099556 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Festkörperseparators für eine Sekundärbatterie. Ein derartiges Verfahren beruht auf einem nasschemischen Prozess.
G.B. Appetechi, S.Scaccia, S. Passerini, J. of El. Chem. Soc., 2000, 21, 4888-4452 beschreibt ferner einen Prozess zur Herstellung eines Separators basierend auf Polyethylenoxid, wobei der Separator durch Extrusion hergestellt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle, aufweisend die Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen von Separatormaterial;
b) gegebenenfalls Zerkleinern des in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Separatormaterials;
c) gegebenenfalls Trocknen des in Verfahrensschritt a) bereitgestellten und gegebenenfalls zerkleinerten Separatormaterials;
d) gegebenenfalls Mischen des Separatormaterials mit wenigstens einem von einem Leitsalz und einem Bindermaterial;
e) Heißpressen des Separatormaterials unter Ausbilden eines Separators; und
f) Hinzufügen von Flüssigelektrolyt zu dem in Verfahrensschritt e) erzeugten Separator dann, wenn in Verfahrensschritt d) das Separatormaterial nicht mit einem Leitsalz vermischt wurde.

Die vorstehenden Verfahrensschritte können dabei grundsätzlich in der vorstehend beschriebenen Reihenfolge, in einer abweichenden Reihenfolge oder auch zumindest teilweise gleichzeig ablaufen.
Ein vorbeschriebenes Verfahren erlaubt auf überraschende Weise das Herstellen eines Festkörperseparators mit einer besonders geringen Menge an Lösungsmittelresten, was die Langzeitbeständigkeit und Verlässlichkeit einer mit einem derart erzeugten Festkörperseparator ausgestatteten Batteriezelle signifikant erhöhen kann. Ferner kann auf besonders definierte Weise ein Festkörperseparator darstellbar sein.
Es wird somit beschrieben ein Verfahren zum Herstellen eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle. Beispielsweise kann das Verfahren das Herstellen eines Festkörperseparators für eine Lithium-Ionen-Batterie oder etwa eine Lithium-Batterie mit einer Lithium-Metallanode betreffen, ohne jedoch auf diese Beispiele beschränkt zu sein. Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen Prozess, der Bestandteil eines Verfahrens zum Herstellen einer Batteriezelle beziehungsweise einer Batterie ist.
Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte.
Gemäß Verfahrensschritt a) umfasst das Verfahren das Bereitstellen von Separatormaterial. Als solches kann grundsätzlich jegliches Separatormaterial bereitgestellt werden, das für die gewünschte Anwendung bevorzugt sein kann. Grundsätzlich kann das Separatormaterial entsprechend den gewünschten Eigenschaften ausgewählt werden beispielsweise dann, wenn der zu erzeugende Festkörperseparator gleichermaßen als Festkörperelektrolyt dienen soll. Da der zu erzeugende Festkörperseparator einen besonders geringen Gehalt an Lösungsmittel aufweisen soll, kann das Separatormaterial gegebenenfalls bereits in trockener Form bereitgestellt werden, insbesondere in nicht mit Lösungsmittel versetzter Form.
Beispielsweise kann das Separatormaterial bereitgestellt werden mit einem Feuchtegehalt beziehungsweise Lösungsmittelgehalt von kleiner oder gleich 0,1 ppm, bezogen auf die Masse des Feststoff des Separatormaterials und die Masse des Lösungsmittels.
Alternativ oder zusätzlich kann es bezüglich der Bereitstellung eines geeigneten Separatormaterials für die nachfolgenden Verfahrensschritte von Vorteil sein, wenn das Separatormaterial mit einer Partikelgröße, etwa einer Partikelgröße d₉₀, bereitgestellt wird, die kleiner oder gleich 15 µm ist, etwa kleiner oder gleich 10 µm. Beispielsweise kann das Separatormaterial vorliegen beziehungsweise bereitgestellt werden in einer Partikelgröße, etwa einer Partikelgröße d₉₀, in einem Bereich von größer oder gleich 1 µm bis kleiner oder gleich 15 µm. Die Partikelgröße kann beispielsweise bestimmbar sein durch Laserdiffraktometrie.
Ferner kann unter einer Partikelgröße D₉₀ insbesondere zu verstehen sein, dass 90% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert.
Die etwaige Partikelgröße des in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Separatormaterials ist jedoch nicht grundsätzlich kritisch, da sich in Verfahrensschritt b) ein Zerkleinern des in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Separatormaterials anschließen kann. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn das in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Separatormaterial eine zu große Partikelgröße aufweist. Insoweit die in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Partikel eine größere Partikelgröße aufweisen als gewünscht, beispielsweise wenn die Partikelgröße oberhalb des vorstehend definierten Bereichs liegt, kann somit gemäß Verfahrensschritt b) ein Zerkleinern des Separatormaterials erfolgen. Insoweit jedoch die in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Partikel eine ausreichend geringe Größe aufweisen, beispielsweise wenn sie bereits in dem vorbeschriebenen Bereich der Partikelgröße liegen, kann auf den Verfahrensschritt b) verzichtet werden.
Weiterhin, beispielsweise anschließend an Verfahrensschritt a) beziehungsweise gegebenenfalls an Verfahrensschritt b), kann das Verfahren gemäß Verfahrensschritt c) das Trocknen des Separatormaterials umfassen. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn das Separatormaterial einen Lösungsmittelgehalt beziehungsweise einen Gehalt an Flüssigkeiten aufweist in einem Bereich von größer als 0,1 ppm, bezogen auf die Masse des Feststoff des Separatormaterials und die Masse des Lösungsmittels.
Ein Trocknen des Separatormaterials kann dabei beispielsweise erfolgen durch eine Temperaturbehandlung etwa bei erhöhter Temperatur, also etwa bei zur Raumtemperatur (22°C) erhöhter Temperatur, und ferner gegebenenfalls unter zu dem Umgebungsdruck von etwa 1bar reduziertem Druck. Die genaue Einstellung der Temperatur beziehungsweise des Druckes kann dabei abhängig sein von dem ausgewählten Separatormaterial. Ferner kann, wenn das in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Separatormaterial einen ausreichenden hohen Trockengehalt aufweist beziehungsweise einen ausreichend geringen Flüssigkeitsgehalt, der beispielsweise in dem vorstehend definierten Bereich liegen kann, auf den Verfahrensschritt c) verzichtet werden.
Somit kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass das Separatormaterial vor wenigstens einem der Verfahrensschritte d) und e) wenigstens eines von einen Feuchtegehalt in einem Bereich von kleiner oder gleich 0,1 ppm und eine Partikelgröße in einem Bereich von kleiner oder gleich 15 µm aufweist.
Gemäß Verfahrensschritt d) kann das vorbeschriebene Verfahren ferner das Mischen des Separatormaterials mit wenigstens einem von einem Leitsalz und einem Bindermaterial umfassen.
Die Zugabe eines Leitsalzes kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn das Separatormaterial einen Festkörperseparator ausbilden soll und dabei gleichzeitig die Funktion eines Festkörperelektrolyten wahrnimmt. Unter einem Leitsalz kann dabei in an sich bekannter Weise verstanden werden eine Verbindung, welche die ionische Leitfähigkeit erhöhen kann. Beispiele für ein verwendbares Leitsalz, etwa bei einem Einsatz des Separators in einer Lithium-Ionen-Batterie umfassen etwa LiTFSi, LiPF₆, LiClO₄, LiBF₄, LiCF₃SO₃ oder LiN(SO₂CF₃)₂. Der Anteil an in das Separatormaterial eingefügtem Leitsalz kann insbesondere von der spezifischen Anwendung abhängig sein und von dem Fachmann ohne Probleme gewählt werden. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann der zu erzeugende Separator gleichermaßen als Elektrolyt dienen ohne auf Lösungsmittel zurückgreifen zu müssen.
Ferner kann ein Bindermaterial zugegeben werden, etwa um verbesserte mechanische Eigenschaften zu erhalten. Dies kann beispielsweise bei einem keramischen Separatormaterial von Vorteil sein. Nicht beschränkende Bindermaterialien umfassen etwa Polymere, wie diese aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt sind, etwa Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyethylenglycol (PEG).
Für den Fall, dass dem Separator ein flüssiger Elektrolyt hinzugegeben werden soll, kann der Separator porös erzeugt werden und anschließend ein Festkörperseparator hinzugegeben werden beziehungsweise in die Poren gefüllt werden. Nicht beschränkende Beispiele für entsprechende Flüssigelektrolyte umfassen beispielsweise eine Mischung aus Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat und LIPF₆. Die Porosität des Separators kann ferner über die Pressdauer und den Pressdruck eingestellt werden, bzw. über die Dauer der Homogenisierung, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
Weiterhin umfasst das vorbeschriebene Verfahren als Verfahrensschritt e) das Heißpressen des Separatormaterials unter Ausbilden eines Separators. Durch diesen Verfahrensschritt kann der Separator im Wesentlichen fertig gestellt sein. Im Detail kann in diesem Verfahrensschritt die endgültige Dicke des Separators bereitgestellt werden, welche in für den Fachmann verständlicher Weise nach den gewünschte Spezifikationen einstellbar sein kann. Durch ein Heißpressen kann ferner die Homogenität des Separators verbessert werden, was die Wirkung des Separators verbessern kann. Darüber hinaus kann auf besonders definierte und steuerbare Weise der Separator erzeugbar sein. Beispielsweise kann durch die Anpassung der Pressbedingungen die Porosität des Separators beeinflusst werden, was anwendungsbedingt von Vorteil sein kann und eine hohe Adaptierbarkeit ermöglichen kann.
Unter einem Heißpressen kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden werden das Behandeln des Separators mit zu der Raumtemperatur von 22°C und dem Atmosphärendruck von 1 bar erhöhten Bedingungen, wobei insbesondere ein Pressen zwischen zwei Presselementen, wie etwa zwei Pressblechen, realisiert werden kann.
Ferner kann ein Heißpressen lediglich einmal durchgeführt werden, oder mehrmals hintereinander.
Anschließen an das Heißpressen kann sich gemäß Verfahrensschritt f), wie dies vorstehend bereits beschrieben ist, ein Hinzufügen von Flüssigelektrolyt zu dem in Verfahrensschritt e) erzeugten Separator. Dies kann insbesondere dann erforderlich beziehungsweise von Vorteil sein, wenn in Verfahrensschritt d) das Separatormaterial nicht mit einem Leitsalz vermischt wurde.
Anschließend kann der so erzeugte Separator etwa durch Falten beziehungsweise Umlegen in seine gewünschte Form gebracht werden, so dass iterativ die Schichtdicke einstellbar sein kann, wobei dies grundsätzlich vor oder nach einer gegebenenfalls erfolgten Zugabe des Elektrolyten möglich ist.
Ein vorbeschriebenes Verfahren kann gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik signifikante Vorteile aufweisen, wie nachstehend beschrieben wird.
Lithium-Ionen-Batterien, beispielsweise, umfassen meist eine negative Elektrode beziehungsweise Anode und eine positive Elektrode beziehungsweise Kathode, welche Elektroden durch eine flüssige oder feste Elektrolytschicht getrennt sind. Beim Laden beziehungsweise Entladen der Batteriezelle werden Lithiumionen (Li+-Ionen) von der Kathode zur Anode beziehungsweise von der Anode zur Kathode durch den Elektrolyt transportiert. Beim Laden der Zelle, also beim Einlagern der Lithiumionen in dem entsprechenden Elektrodenmaterial, wie beispielsweise Graphit, beziehungsweise bei dem Abschieden auf der Anode kann sich unter ungünstigen Bedingungen metallisches Lithium ungeordnet abscheiden. Aus dem so abgelagerten Lithium können sich Dendritstrukturen bilden, die bis zur positiven Elektrode durch den Elektrolyten wachsen können, was letztlich zu einem Kurzschluss der Batteriezelle führen kann.
Es wurde nun gefunden, dass die vorstehend beschriebene Dendritbildung mit den zuvor beschriebenen Nachteilen insbesondere bei nasschemischen Verfahren zur Herstellung von Separatoren auftreten.
Derartige nasschemische Prozesse werden auch für Copolymermaterialien und/oder Kompositmaterialien bei der Herstellung von Festkörperseparatoren angewendet. Dadurch bleiben selbst nach aufwändigem Trocknen der Materialien Reste an Lösungsmitteln beziehungsweise an Wasser in dem Separatormaterial zurück. Derartige Lösungsmittelreste aus der Herstellung oder auch Wasserreste aus der Luftfeuchtigkeit, was zu den Lösungsmitteln zu zählen ist, kann die Lithiumschicht durch weiterführende Reaktionen beschädigen oder zerstören. Dadurch werden die Leistung und die Langlebigkeit der Batterie herabgesetzt. Ferner kann so ein Dendritwachstum begünstigt werden. Darüber hinaus können die vorgenannten Lösungsmittelreste oder andere Fremdmaterialien zu unregelmäßigen Strukturen insbesondere des Lithiums führen, welche wiederum zu Dendriten heranwachsen können.
Unter Verwendung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens kann es jedoch in Abkehr zu den aus dem Stand der Technik bekannten nasschemischen Verfahren ermöglicht werden, dass ein Separator mit einem besonders geringen Lösungsmittelanteil erzeugt wird. Dadurch kann ein Durchwachsen von Dendriten beim Laden von Batteriezellen, wie etwa von Lithium-Ionen-Zellen signifikant erschwert werden. Weiterhin können Reaktionen an der Grenzfläche zwischen dem Separatormaterial beziehungsweise dem Elektrolyt und beispielsweise einer Anode, etwa Metallanode, erschwert beziehungsweise verhindert werden. Ferner kann durch das Heißpressen auf definierte und dabei adaptive Weise ein Separator erzeugbar sein.
Durch das vorstehend beschriebene Verfahren kann die Verlässlichkeit beziehungsweise Langlebigkeit einer Batterie, die mit einem derart erzeugten Separator ausgestattet ist, signifikant verbessert werden.
Es kann bevorzugt sein, dass zwischen den Verfahrensschritten a) und e), beispielsweise zwischen den Verfahrensschritten d) und e), ein Homogenisieren des Separatormaterials, beispielsweise der in Verfahrensschritt c) erzeugten Mischung, erfolgt. Insbesondere durch das Durchführen eines Homogenisierens des Separatormaterials wie etwa durch ein besonders effektives Vermischen von Separatormaterial und Leitsalz kann es ermöglicht werden, dass der erzeugte Separator an jeder Position eine definierte Zusammensetzung aufweist. Das ermöglicht für eine mit einem derart hergestellten Separator erzeugte Batteriezelle ein besonders definiertes und leistungsstarkes Arbeiten.
Es kann dabei bevorzugt sein, dass ein Homogenisieren erfolgt durch das Einwirken einer insbesondere zu der Raumtemperatur (22°C) erhöhten Temperatur. Insbesondere durch das Einwirken einer erhöhten Temperatur kann ein effektives Homogenisieren des Separatormaterials und etwa eine effektive Durchmischung der in dem Gemisch umfassend das Separatormaterial und das Leitsalz enthaltenen Substanzen ermöglicht werden. Beispielsweise kann ein Homogenisieren erfolgen für einen Zeitraum in einem Bereich von größer oder gleich 1 Stunde bis kleiner oder gleich 24 Stunden, etwa in einem Bereich von größer oder gleich 5 Stunden bis kleiner oder gleich 18 Stunden, beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich einer 8 Stunden bis kleiner oder gleich 12 Stunden. Geeignete Temperaturen zum Homogenisieren können beispielsweise in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 25°C bis kleiner oder gleich 200 °C liegen.
Es kann ferner bevorzugt sein, dass das Homogenisieren unter wenigstens einem von einer lösungsmittelfreien Atmosphäre und einer Schutzgasatmosphäre erfolgt, wie dies nachstehend im Detail für die Verfahrensschritte b), c) oder d) beschrieben ist.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass das Separatormaterial wenigstens eines von einem Copolymer und einem Kompositwerkstoff umfasst. Beispielsweise kann für das Separatormaterial ein Copolymer verwendet werden, das wenigstens einen Polymerbestandteil enthält aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und Derivaten hiervon. Ferner kann das Separatormaterial beispielsweise einen Kompositwerkstoff aus einem anorganischen Werkstoff, wie etwa einem keramischen Material oder einem etwa sulfidischen Glas, und einem Polymer oder Copolymer, beispielsweise wie vorstehend beschrieben, aufweisen. Diese Werkstoffe ziehen Wasser aus dem System, wodurch langfristig die Zellelebensdauer verbessert werden kann. Durch das vorgeschlagene Verfahren wird der in der Zelle vorhandenen Wasseranteil minimiert und eine definierte Zusammensetzung der Materialien gewährleistet. Insbesondere die Verwendung von Copolymeren und/oder Kompositwerkstoffen etwa aus der vorbezeichneten Gruppe kann das vorstehend definierte Verfahren vorteilhaft erlauben und kann einen besonders geringen Lösungsmittelanteil im System erlauben.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass Verfahrensschritt b) erfolgt durch ein Mahlen. Insbesondere unter Verwendung eines Mahlvorgangs kann das Separatormaterial auf einfache Weise eine besonders kleine Partikelgröße erhalten, wie diese beispielsweise vorstehend definiert ist. Darüber hinaus kann durch ein Mahlen ein Separatormaterial in Form von Partikeln erhalten werden, die eine sehr homogene Partikelgröße aufweisen. Das kann ein Vermischen beziehungsweise Homogenisieren des Separatormaterials, etwa ein Vermischen mit einem Leitsalz, wie dies vorstehend beschrieben ist, vereinfachen beziehungsweise besonders effektiv gestalten.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass Verfahrensschritt b), beispielsweise unter Verwendung eines Mahlens, erfolgt unter einem Kühlen des Separatormaterials. Beispielsweise kann das Separatormaterial gekühlt werden unter Verwendung von flüssigem Stickstoff und/oder unter Kühlung auf eine Temperatur von kleiner als -190°C. Insbesondere unter einer zusätzlichen Kühlung kann ein Zerkleinern, wie etwa Zermahlen, des Separatormaterials effektiv gestaltet werden beziehungsweise können Partikel mit einer besonders homogenen Partikelgrößenverteilung erreicht werden.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass wenigstens einer der Verfahrensschritte b), c) oder d) in wenigstens einer von einer lösungsmittelfreien, insbesondere wasserfreien, Atmosphäre und einer Schutzgasatmosphäre, also insbesondere sauerstofffreien Atmosphäre, erfolgt. Beispielsweise kann wenigstens einer, beispielsweise sämtliche, der Verfahrensschritte b), c) und d) unter einer lösemittelfreien und/oder Schutzgasatmosphäre ausgeführt werden. In dieser Ausgestaltung kann es effektiv verhindert werden, dass bereits getrocknetes Separatormaterial vor der Herstellung des Separators wieder Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, aufnimmt oder durch den Sauerstoff negativ verändert wird oder Sauerstoff in das System eingetragen wird. Dadurch kann insbesondere in dieser Ausgestaltung ein besonders definierter Separator erzeugt werden, der einen besonders geringen Lösungsmittelanteil und Sauerstoffanteil aufnimmt, was die vorstehend beschriebenen Vorteile besonders ausgeprägt möglich machen kann.
Als Schutzgas kann beispielsweise Stickstoff oder Argon Verwendung finden. Dabei kann eine Schutzgasatmosphäre aufweisen einen Sauerstoffanteil von gleich oder weniger als 5%, bevorzugt gleich oder weniger als 3%, weiter bevorzugt gleich oder weniger als 1%, noch weiter bevorzugt gleich oder weniger als 100ppm, beispielsweise kleiner oder weniger als 0,1 ppm, bezogen auf die Masse des Gases.
Ferner kann eine lösemittelfreie Atmosphäre aufweisen einen Lösungsmittelanteil von gleich oder weniger als 5%, bevorzugt gleich oder weniger als 3%, weiter bevorzugt gleich oder weniger als 1%, noch weiter bevorzugt gleich oder weniger als 100ppm, beispielsweise kleiner oder weniger als 0,1 ppm, bezogen auf die Masse des Lösungsmittels und des Gases.
Es kann bevorzugt sein, dass Verfahrensschritt e) erfolgt bei wenigstens einem von einer Temperatur von wenigstens 25°C, etwa von wenigstens 60°C, und einem Druck von wenigstens 50 bar. Insbesondere bei diesen Bedingungen kann ein Homogenisieren des Separatormaterials, wie etwa der Mischung aufweisend das Separatormaterial und das Leitsalz, unterstützt werden. Darüber hinaus kann in dieser Ausgestaltung in effektiver Weise der Separator mechanisch verpresst und somit an seine gewünschte Ausmaße, wie insbesondere Dicke, angepasst werden. Die oberen Grenzen können dabei prozesstechnisch bedingt sein, oder die Stabilität beziehungsweise Zersetzungstemperatur der verwendeten Materialien können in Betracht gezogen werden.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass das Separatormaterial wenigstens zwei Polymerbestandteile aufweist, wobei Verfahrensschritt e) erfolgt bei einer Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts wenigstens eines Polymerbestandteils und die unterhalb des Schmelzpunkts wenigstens eines weiteren Polymerbestandteils liegt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Separator beziehungsweise das Separatormaterial sich nicht vollständig verflüssigt während des Pressvorgangs beziehungsweise während Verfahrensschritt e), jedoch trotzdem eine vorteilhafte Verarbeitbarkeit aufweist. Insbesondere diese Ausgestaltung kann dazu beitragen, dass ein Zurückbleiben von Lösemittelresten, wie beispielsweise Wasserresten, elimiert werden und entsprechend gegebenenfalls auf weitere Trocknungsschritte verzichtet werden kann.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Festkörperseparators wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, die Figur sowie die Figurenbeschreibung verwiesen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, bei dem ein Festkörperseparator hergestellt wird und auf einer ersten Seite mit einer Anode kontaktiert wird und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite mit einer Kathode kontaktiert wird, wobei der Festkörperseparator hergestellt wird, wie dies vorstehend im Detail beschrieben ist.
In diesem Verfahren kann somit zunächst ein Festkörperseparator hergestellt werden, wie dies vorstehend beschrieben ist. Ferner können Anode und Kathode bereitgestellt werden, wie dies grundsätzlich bekannt ist und zu einem entsprechenden Schichtaufbau zusammengefügt, beispielsweise laminiert werden.
Eine derart ausgestaltete Batteriezelle kann insbesondere die Vorteile aufweisen, wie diese vorstehend für den Separator beschrieben sind. Insbesondere kann die Gefahr einer Dendritbildung reduziert werden und so die Langzeitstabilität verbessert werden.
Mögliche Ausgestaltungen der Batteriezelle umfassen in nicht beschränkender Weise eine negative Elektrode, die wenigstens eins von Kohlenstoff, Silizium und metallischem Lithium umfasst und eine positive Elektrode, die umfassen kann wenigstens eins von LiCoO₂, LiMn₂O₄ oder LiFePO₄. Ferner kann ein Elektrolyt vorgesehen sein, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise ausgestaltet als Flüssigelektrolyt, etwa als Gelelektrolyt. Jedoch kann auf einen flüssigen Elektrolyt auch verzichtet werden, insoweit der Separator durch das Vorsehen eines Leitsalzes in dem Separatormaterial die Eigenschaften eines Elektrolyten aufweist, wie dies vorstehend im Detail beschrieben ist.
Einsatz finden kann eine derart erzeugte Batteriezelle grundsätzlich beispielsweise in Primär- und Sekundärbatterien bei Laptops, PDAs, Mobiltelefonen und anderen Verbrauchsgütern, oder auch in Elektrowerkzeugen, Gartenwerkzeugen oder auch in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie beispielsweise in Hybrid, Plug-in Hybrid oder Elektrofahrzeugen.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Batteriezelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Herstellen eines Festkörperseparators, die Figur sowie die Figurenbeschreibung verwiesen.
Figurenliste
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert, wobei die beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein können, insoweit sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt

1 eine schematisches Prozessschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Batterieelektrode umfassend ein Verfahren zum Herstellen eines Separatormaterials.

In der 1 ist ein Prozessschema gezeigt, welches ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Dabei zeigt Schritt 10 gemäß Verfahrensschritt a) das Bereitstellen von Separatormaterial. Ausgehend von dem Separatormaterial wird bei Schritt 12, entsprechend Verfahrensschritt c) das Separatormaterial zerkleinert. Dieser Schritt ist optional und insbesondere abhängig von der Ausgestaltung des in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Separatormaterials. Ferner kann sich in Schritt 14 ein Trocknen des Separatormaterials anschließen, etwa an Schritt 10 oder an Schritt 12. Auch dieser Schritt ist optional und insbesondere abhängig von der Ausgestaltung des in Verfahrensschritt a) beziehungsweise Schritt 10 bereitgestellten Separatormaterials. Schritt 18, der sich anschließen kann an einen der Schritte 10, 12 oder 14 beschreibt gemäß Verfahrensschritt c) das Vermischen des gegebenenfalls zerkleinerten und gegebenenfalls getrockneten Separatormaterials mit einem Leitsalz, das gemäß Schritt 16 bereitgestellt wurde. Auch dieser Schritt 168 ist optional und davon abhängig, ob eine Mischung eines Leitsalzes mit dem Separatormaterial bereitgestellt werden soll. Bei Schritt 20, der sich anschließen kann an einen der Schritte 10, 12, 14 oder 18, kann ein Homogenisieren des Separatormaterials erfolgen. Schließlich erfolgt bei Schritt 22, der sich anschließen kann an einen der Schritte 10, 12, 14, 18 oder 20 gemäß Verfahrensschritt e) ein Heißpressen des Separatormaterials. Nach diesem Schritt kann der Separator fertig gestellt sein. Jedoch kann sich bei Schritt 24 das Hinzufügen eines Flüssigelektrolyten, wie etwa eines Gelelektrolyten, an den Schritt 22 anschließen und kann sich gemäß Schritt 26 das Ausbilden einer Batteriezelle beziehungsweise einer Batterie mit dem erzeugten Separator an den Schritt 22 oder 24 anschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0099556 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

G.B. Appetechi, S.Scaccia, S. Passerini, J. of El. Chem. Soc., 2000, 21, 4888-4452 beschreibt ferner einen Prozess zur Herstellung eines Separators basierend auf Polyethylenoxid, wobei der Separator durch Extrusion hergestellt wird [0005]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen von Separatormaterial; b) gegebenenfalls Zerkleinern des in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Separatormaterials; c) gegebenenfalls Trocknen des in Verfahrensschritt a) bereitgestellten und gegebenenfalls zerkleinerten Separatormaterials; d) gegebenenfalls Mischen des Separatormaterials mit wenigstens einem von einem Leitsalz und einem Bindermaterial; e) Heißpressen des Separatormaterials unter Ausbilden eines Separators, und f) Hinzufügen von Flüssigelektrolyt zu dem in Verfahrensschritt e) erzeugten Separator dann, wenn in Verfahrensschritt d) das Separatormaterial nicht mit einem Leitsalz vermischt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Separatormaterial vor wenigstens einem der Verfahrensschritte d) und e) wenigstens eines von einen Feuchtegehalt in einem Bereich von kleiner oder gleich 0,1 ppm und einer Partikelgröße in einem Bereich von kleiner oder gleich 15 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verfahrensschritten a) und e) ein Homogenisieren des Separatormaterials erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Separatormaterial wenigstens eines von einem Copolymer und einem Kompositwerkstoff umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt b) erfolgt durch ein Mahlen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt b) erfolgt unter einem Kühlen des Separatormaterials.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Verfahrensschritte b), c) oder d) in wenigstens einer von einer lösungsmittelfreien Atmosphäre und einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt e) erfolgt bei wenigstens einem von einer Temperatur von wenigstens 25°C und einem Druck von wenigstens 50 bar.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Separatormaterial wenigstens zwei Polymerbestandteile aufweist, wobei Verfahrensschritt e) erfolgt bei einer Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts wenigstens eines Polymerbestandteils und die unterhalb des Schmelzpunkts wenigstens eines weiteren Polymerbestandteils liegt.
Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, bei dem ein Festkörperseparator hergestellt wird und auf einer ersten Seite mit einer Anode kontaktiert wird und auf der einer ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite mit einer Kathode kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperseparator hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.