DE102017217386A1 - Electrode for a lithium-ion battery - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie umfassend mindestens ein Aktivmaterial, mindestens einen Stromsammler, mindestens ein Leitadditiv und mindestens ein Bindermaterial, wobei das mindestens eine Bindermaterial mindestens ein Elastomer und mindestens eine ionische Flüssigkeit umfasst, ein Verfahren zu deren Herstellung und eine Batterie umfassend diese Elektrode.The present invention relates to an electrode for a lithium-ion battery comprising at least one active material, at least one current collector, at least one conductive additive and at least one binder material, wherein the at least one binder material comprises at least one elastomer and at least one ionic liquid, a process for their preparation and a battery comprising this electrode.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie umfassend mindestens ein Bindermaterial auf Elastomerbasis, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie eine Lithium-Ionen-Batterie umfassend eine solche Elektrode.The present invention relates to an electrode for a lithium-ion battery comprising at least one binder material based on elastomers, a process for their preparation and a lithium-ion battery comprising such an electrode.
Lithium-Ionen-Batterien umfassen im Wesentlichen zwei Elektroden (Anode und Kathode), die jeweils mindestens ein Aktivmaterial, mindestens einen Stromsammler, mindestens ein Leitadditiv und mindestens ein Bindermaterial umfassen.Lithium-ion batteries essentially comprise two electrodes (anode and cathode), each comprising at least one active material, at least one current collector, at least one conductive additive and at least one binder material.
Das Bindermaterial dient im Wesentlichen dazu, die Partikel des Aktivmaterials und des Leitadditivs sowohl untereinander als auch mit dem Stromsammler zu verbinden, um die mechanische Integrität der Elektrode sicherzustellen.Essentially, the binder material serves to bond the particles of the active material and the conductive additive both to one another and to the current collector to ensure the mechanical integrity of the electrode.
Es ist bekannt, dass das Bindermaterial einer Elektrode einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften der Elektrode und damit auf die Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batterie, umfassend diese Elektrode, haben kann. Dies betrifft insbesondere die Zyklenstabilität sowie die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie.It is known that the binder material of an electrode can have a significant influence on the properties of the electrode and thus on the properties of the lithium-ion battery comprising this electrode. This relates in particular to the cycle stability and the capacity of the lithium-ion battery.
In einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie findet als Bindermaterial für die Kathode üblicherweise Polyvinylidenfluorid (PVdF) Anwendung, während das Bindermaterial der Anode einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie, üblicherweise ebenfalls PVdF aber auch StyrolButadien-Kautschuk (SBR) in Verbindung mit Natrium-Cellulose (Na-CMC) als Verdickungsmittel umfasst. PVdF hat sich als Bindemittel für Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien etabliert, da es in dem üblicherweise benutzen Spannungsbereich elektrochemisch stabil ist.In a conventional lithium-ion battery, polyvinylidene fluoride (PVdF) is usually used as binder material for the cathode, while the binder material is the anode of a conventional lithium-ion battery, usually also PVdF but also styrene-butadiene rubber (SBR) in combination with sodium Cellulose (Na-CMC) as a thickener. PVdF has established itself as a binder for electrodes for lithium-ion batteries because it is electrochemically stable in the commonly used voltage range.
Allerdings ist der Einsatz von PVdF in mehrerlei Hinsicht nachteilig. Insbesondere weist das PVdF eine relativ schlechte elektrische Leitfähigkeit auf und kann insbesondere Graphit als Aktivmaterial relativ schlecht binden. Zudem ist PVdF in Wasser und in nicht-toxischen Lösungsmitteln nahezu unlöslich und muss daher in stark polaren Lösungsmitteln wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) gelöst werden. Außerdem ist die Adhäsion von PVdF zum Stromsammler relativ niedrig, was sich insbesondere bei gealterten Batterien durch Abblätterung bzw. einem Kapazitätsverlust bemerkbar macht. Weiterhin ist die Verwendung von NMP als Lösungsmittel für das PVdF aus ökologischer und ökonomischer Sicht nicht vorteilhaft. Zudem ist die Flexibilität der Elektroden mit PVdF als Bindermaterial eher unvorteilhaft.However, the use of PVdF is disadvantageous in several respects. In particular, the PVdF has a relatively poor electrical conductivity and in particular can bind graphite as active material relatively poor. In addition, PVdF is almost insoluble in water and non-toxic solvents and therefore needs to be dissolved in strong polar solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). In addition, the adhesion of PVdF to the current collector is relatively low, which is particularly noticeable in aged batteries by delamination or a loss of capacity. Furthermore, the use of NMP as a solvent for the PVdF is not advantageous from an ecological and economical point of view. In addition, the flexibility of the electrodes with PVdF as binder material is rather unfavorable.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, insbesondere die Nachteile von Bindermaterialien bzw. Elektroden umfassend Bindermaterialien auf PVdF Basis zu beseitigen. Insbesondere soll eine Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie umfassend mindestens ein Bindermaterial bereitgestellt werden, wobei das mindestens eine Bindermaterial frei von PVdF ist und bei deren Herstellung auf toxische Lösungsmittel wie NMP weitgehend verzichtet werden kann. Zudem soll das mindestens eine Bindermaterial eine bessere Adhäsion und dadurch eine höhere Zyklenstabilität sowie eine höhere erreichbare praktische Kapazität als bekannte Bindermaterialien ermöglichen. Außerdem soll das Bindermaterial einen relativ geringen Innenwiderstand aufweisen. Des Weiteren soll die Festigkeit des Bindermaterials, die Flexibilität des Bindermaterials und die Anbindung des Bindermaterials an das/die Aktivmaterial(ein) und den Stromsammler verbessert werden, damit eine insgesamt vorteilhafte Elektrode bereitgestellt werden kann.The object of the present invention is to eliminate the disadvantages known from the prior art, in particular the disadvantages of binder materials or electrodes comprising PVdF-based binder materials. In particular, an electrode for a lithium-ion battery comprising at least one binder material is to be provided, wherein the at least one binder material is free of PVdF and can be largely dispensed with in the preparation of toxic solvents such as NMP. In addition, the at least one binder material should allow better adhesion and thus a higher cycle stability and a higher achievable practical capacity than known binder materials. In addition, the binder material should have a relatively low internal resistance. Furthermore, the strength of the binder material, the flexibility of the binder material and the binding of the binder material to the active material (s) and the current collector should be improved in order to provide an overall advantageous electrode.
Obige Aufgabe wird durch eine Elektrode gemäß Anspruch 1 gelöst, insbesondere durch eine Elektrode umfassend mindestens ein Aktivmaterial, mindestens einen Stromsammler, mindestens ein Leitadditiv und mindestens ein Bindermaterial, wobei das mindestens eine Bindermaterial mindestens ein Elastomer und mindestens eine ionische Flüssigkeit umfasst.The above object is achieved by an electrode according to claim 1, in particular by an electrode comprising at least one active material, at least one current collector, at least one conductive additive and at least one binder material, wherein the at least one binder material comprises at least one elastomer and at least one ionic liquid.
Eine Elektrode umfassend ein Bindermaterial, das mindestens ein vernetztes Elastomer und mindestens eine ionische Flüssigkeit umfasst, ist in mehrerer Hinsicht vorteilhaft. Durch das Elastomer und die ionische Flüssigkeit kann eine verbesserte Adhäsion und damit eine höhere Zyklenstabilität erreicht werden. Auch weisen solche Elektroden eine höhere praktische Kapazität als herkömmliche Elektroden auf. Zudem weist das erfindungsgemäße Bindermaterial eine hohe Festigkeit auf und kann die Anbindung der Aktivmaterialien an den Stromsammler verbessern. Auch weist die erfindungsgemäße Elektrode einen niedrigen Innenwiderstand auf. Insbesondere ist es zudem vorteilhaft, dass auf das nachteilige PVdF verzichtet werden kann und dass bei der Herstellung einer solchen Elektrode auch nicht auf toxische Lösungsmittel wie NMP zurückgegriffen werden muss.An electrode comprising a binder material comprising at least one crosslinked elastomer and at least one ionic liquid is advantageous in several respects. By the elastomer and the ionic liquid improved adhesion and thus a higher cycle stability can be achieved. Also, such electrodes have higher practical capacity than conventional electrodes. In addition, the binder material according to the invention has a high strength and can improve the connection of the active materials to the current collector. Also, the electrode according to the invention has a low internal resistance. In particular, it is also advantageous that the disadvantageous PVdF can be dispensed with and that it is not necessary to resort to toxic solvents such as NMP in the production of such an electrode.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für Lithium-Ionen-Batterien. Die Elektrode kann sowohl als Anode als auch als Kathode eingesetzt werden. Bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Elektrode für Lithium-Ionen-Batterien um eine Kathode. The present invention relates to an electrode for lithium-ion batteries. The electrode can be used both as an anode and as a cathode. The electrode according to the invention for lithium-ion batteries is preferably a cathode.
Die Auswahl des mindestens einen Aktivmaterials, des mindestens einen Stromsammlers und des mindestens einen Leitadditivs ist nicht beschränkt.The selection of the at least one active material, the at least one current collector and the at least one conductive additive is not limited.
Gängige Aktivmaterialien für die Anode einer Lithium-Ionen-Batterie umfassen üblicherweise Graphit, amorphen Kohlenstoff, Lithium-Legierungen, beispielsweise Lithium-Silizium-, oder Lithium-Zinn-Legierungen, Lithium-Titanat (Li4Ti5O12) und/oder ein Metalloidoxid, wie SiO2.Common active materials for the anode of a lithium-ion battery usually include graphite, amorphous carbon, lithium alloys, such as lithium-silicon, or lithium-tin alloys, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) and / or a Metalloid oxide, such as SiO 2 .
Die Kathode umfasst üblicherweise Lithiummetallsalze, wie Lithium-Manganoxid (LiMn2O4), Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2), Lithiumeisenphosphat (LiFePO4), Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (LiNixMnyCozO2), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (LiNiCoAlO2), Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO2)als AktivmaterialienThe cathode usually comprises lithium metal salts, such as lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), lithium nickel manganese cobalt oxide (LiNi x Mn y Co z O 2 ), lithium Nickel-cobalt-aluminum-oxide (LiNiCoAlO 2 ), lithium-nickel-oxide (LiNiO 2 ) as active materials
Auch der Stromsammler unterliegt keiner weiteren Beschränkung. Als Stromsammler wird bei Lithium-Ionen-Batterien in der Kathode üblicherweise eine Aluminiumfolie und in der Anode üblicherweise eine Kupferfolie eingesetzt.Also, the current collector is not subject to any further restriction. As a current collector is usually used in lithium-ion batteries in the cathode, an aluminum foil and in the anode usually a copper foil.
Das Leitadditiv ist ebenfalls nicht beschränkt und umfasst üblicherweise Ruß, Graphit, Vapor Grown Carbon Fibres (VGCF), Graphen und/oder Carbon Nanotubes.The conductive additive is also not limited and usually includes carbon black, graphite, Vapor Grown Carbon Fibers (VGCF), graphene and / or carbon nanotubes.
Das Bindermaterial der erfindungsgemäßen Elektrode umfasst mindestens ein Elastomer.The binder material of the electrode according to the invention comprises at least one elastomer.
Das mindestens eine Elastomer liegt vorzugsweise in einer Menge von etwa 20 bis 100 phr, besonders bevorzugt von etwa 50 bis 100 phr und ganz besonders bevorzugt von etwa 80 bis 100 phr vor.The at least one elastomer is preferably present in an amount of from about 20 to 100 phr, more preferably from about 50 to 100 phr, and most preferably from about 80 to 100 phr.
Mit „parts per hundred rubber“ (phr) werden in der gummichemischen Industrie die Massenanteile der einzelnen Mischungsbestandteile in einem Rezept einer Elastomermischung bezeichnet. Diese Angaben werden jeweils auf
100 (Massen-)Teile des Grundpolymers oder der Grundpolymere (bei Polymerblends) bezogen.In the rubber-mixing industry, "parts per hundred rubber" (phr) refers to the mass fractions of the individual constituents of the mixture in a recipe for an elastomer compound. These details are each on
100 (parts by mass) of the base polymer or base polymers (in the case of polymer blends).
Elastomere sind Polymere mit gummielastischem Verhalten, die bei 20 °C wiederholt mindestens auf das Zweifache ihrer Länge gedehnt werden können und nach Aufhebung des für die Dehnung erforderlichen Zwanges sofort wieder annähernd ihre Ausgangsdimensionen einnehmen. Sie sind weitmaschige, in der Regel vernetzte, hochpolymere Werkstoffe, die bei der Gebrauchstemperatur aufgrund der Verknüpfung der einzelnen Polymerketten an den Vernetzungsstellen nicht viskos fließen können.Elastomers are polymers with rubber-elastic behavior, which can be repeatedly stretched at 20 ° C at least twice their length and take immediately after relaxation of the strain required for the expansion again almost their initial dimensions. They are weitmaschige, usually cross-linked, high polymer materials that can not flow viscous at the temperature of use due to the linkage of the individual polymer chains at the crosslinking.
Die einzelnen Polymerketten können reversibel und irreversibel vernetzt sein.The individual polymer chains can be reversibly and irreversibly crosslinked.
Irreversibel vernetzte Elastomere werden im Allgemeinen durch Vulkanisation von natürlichen (Naturkautschuke) und synthetischen Kautschuken (Synthesekautschuke) hergestellt. Unter Vulkanisation versteht man die Überführung von plastischen, kautschukartigen, ungesättigten oder gesättigten Polymeren in den gummielastischen Zustand, klassischerweise durch Vernetzung Schwefel(-Verbindungen). Dabei werden die einzelnen Polymerketten irreversibel durch kovalente Bindungen miteinander verbunden.Irreversibly crosslinked elastomers are generally produced by vulcanization of natural (natural rubbers) and synthetic rubbers (synthetic rubbers). Vulcanization is the conversion of plastic, rubbery, unsaturated or saturated polymers into the rubber-elastic state, traditionally by crosslinking sulfur (compounds). The individual polymer chains are irreversibly connected by covalent bonds.
Bei manchen Synthesekautschuken werden auch schwefelfreie Vernetzer als Vulkanisationsmittel verwendet, wie z. B. Peroxide oder Metalloxide (MgO, ZnO).In some synthetic rubbers sulfur-free crosslinkers are also used as vulcanizing agents, such as. As peroxides or metal oxides (MgO, ZnO).
Die erfindungsgemäße Elektrode ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bindermaterial mindestens ein vernetztes Elastomer, vorzugsweise mindestens ein irreversibel vernetztes Elastomer umfasst.The electrode according to the invention is preferably characterized in that the at least one binder material comprises at least one crosslinked elastomer, preferably at least one irreversibly crosslinked elastomer.
Die erfindungsgemäße Elektrode ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bindermaterial ein vernetztes Elastomer, vorzugsweise ein irreversibel vernetztes Elastomer, auf Basis eines Synthesekautschuks umfasst.The electrode according to the invention is preferably characterized in that the at least one binder material comprises a crosslinked elastomer, preferably an irreversibly crosslinked elastomer, based on a synthetic rubber.
Insbesondere durch die Auswahl der Temperatur und des eingesetzten Vernetzungsmittels kann der Grad der Vernetzung des mindestens einen Elastomers beeinflusst werden, womit insbesondere die mechanische Integrität der Elektrode und der Innenwiderstand durch Flokkulation (Füllstoffaggregate) des Bindermaterials positiv beeinflusst werden kann.In particular, by selecting the temperature and the crosslinking agent used, the degree of crosslinking of the at least one elastomer can be influenced, with which in particular the mechanical integrity of the electrode and the internal resistance by flocculation (filler aggregates) of the binder material can be positively influenced.
Unter Synthesekautschuk versteht man synthetische Elastomere, die im Wesentlichen auf Basis petrochemischer Rohstoffe synthetisch hergestellt werden.Synthetic rubber is understood to mean synthetic elastomers which are synthetically produced essentially on the basis of petrochemical raw materials.
Die erfindungsgemäße Elektrode ist vorzugsweise ferner dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bindermaterial ein Elastomer auf Basis von Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM), Polyacrylat-Kautschuk (ACM), hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Chlorsulfonyl-Polyethylen-Kautschuk (CSM), Ethylen-Acrylat-Kautschuk (AEM), Ethylen-Vinylacetat-Kautschuk (EAM bzw. EVA), Fluorkautschuk (FKM), Perfluorkautschuk (FKKM) und/oder Phenyl-Methyl-Polysiloxan-Kautschuk (PMQ) umfasst.The electrode according to the invention is further preferably characterized in that the at least one binder material is an elastomer based on ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), ethylene-propylene rubber (EPM), polyacrylate rubber (ACM), hydrogenated acrylonitrile-butadiene Rubber (HNBR), chlorosulfonyl polyethylene rubber (CSM), ethylene acrylate rubber (AEM), ethylene vinyl acetate rubber (EAM or EVA), fluororubber (FKM), perfluororubber (FKKM) and / or phenyl Methyl polysiloxane rubber (PMQ).
Besonders bevorzugt ist ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und/oder Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM).Particularly preferred is an ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) and / or ethylene-propylene rubber (EPM).
Geeignete Vernetzungsmittel zur irreversiblen Vernetzung des mindestens einen Elastomers umfassen Peroxide, Metalloxide, wie etwa MgO oder ZnO, ... und/oder Schwefel bzw. Schwefelverbindungen, wobei Peroxide, wie Di(tert-butylperoxyisopropyl)benzol, das unter dem Handelsnamen Perkadox 14-40 (AkzoNobel) erhältlich ist, besonders bevorzugt sind.Suitable crosslinking agents for irreversibly crosslinking the at least one elastomer include peroxides, metal oxides such as MgO or ZnO, ... and / or sulfur or sulfur compounds, with peroxides such as di (tert-butylperoxyisopropyl) benzene sold under the trade name Perkadox. 40 (Akzo Nobel), are particularly preferred.
Bevorzugt wird das mindestens eine Elastomer durch ein Vernetzungsmittel irreversibel vernetzt, das vorzugsweise in einer Menge von etwa 2 bis 10 phr, besonders bevorzugt von etwa 4 bis 8 phr, vorhanden ist.Preferably, the at least one elastomer is irreversibly crosslinked by a crosslinking agent, which is preferably present in an amount of from about 2 to 10 phr, more preferably from about 4 to 8 phr.
Das mindestens eine Elastomer kann auch durch energiereiche Strahlung oder durch den Einfluss von Wärmeenergie irreversibel vernetzt werden.The at least one elastomer can also be irreversibly crosslinked by high-energy radiation or by the influence of thermal energy.
Die erfindungsgemäße Elektrode ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Bindermaterial mindestens eine ionische Flüssigkeit umfasst.The electrode according to the invention is further characterized in that the binder material comprises at least one ionic liquid.
Unter dem Begriff „ionische Flüssigkeit“ versteht man Flüssigkeiten die ausschließlich aus Ionen aufgebaut sind. Es handelt sich um geschmolzene Salze organischer Verbindungen oder eutektische Gemische von organischen und anorganischen Salzen, die bei Temperaturen unter 100°C flüssig sind, ohne dass das Salz dabei in einem Lösungsmittel wie Wasser gelöst ist.The term "ionic liquid" means liquids which are composed exclusively of ions. They are molten salts of organic compounds or eutectic mixtures of organic and inorganic salts, which are liquid at temperatures below 100 ° C, without the salt being dissolved in a solvent such as water.
Beispiele für bekannte Kationen in ionischen Flüssigkeiten umfassen: Imidazolium, Pyridinium, Pyrrolidinium, Guanidinium, Uronium, Thiouronium, Piperidinium, Morpholinium, Ammonium und Phosphonium, die vorzugsweise alkyliert sein können. Als Anionen in ionischen Flüssigkeiten sind Halogenide, Tetrafluoroborate, Trifluoracetate, Triflate, Imide, Amide, Sulfate, Hexafluorophosphate, Phosphinate, Tosylate, Tetrachloridoaluminate, Tetrachloridoferrate, Hexafluoridophosphate, Hexafluoridoantimonate, Trifluormethansulfonate, Sulfonate, Benzolsulfonate, N- Bis(trifluormethylsulfonyl)amid, die alle vorzugsweise alkyliert sein können, bekannt.Examples of known cations in ionic liquids include: imidazolium, pyridinium, pyrrolidinium, guanidinium, uronium, thiouronium, piperidinium, morpholinium, ammonium and phosphonium, which may preferably be alkylated. As anions in ionic liquids are halides, tetrafluoroborates, trifluoroacetates, triflates, imides, amides, sulfates, hexafluorophosphates, phosphinates, tosylates, Tetrachloridoaluminate, Tetrachloridoferrate, Hexafluoridophosphate, Hexafluoridoantimonate, trifluoromethanesulfonates, sulfonates, benzenesulfonates, N-bis (trifluoromethylsulfonyl) amide, all preferably alkylated, known.
Kommerziell sind solche ionischen Flüssigkeiten beispielsweise von BASF in einer Serie mit dem Handelsnamen „Basionics™“ erhältlich. Diese umfasst beispielweise l-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid, I-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid, 1-Ethyl-3-methylimidazoliummethansulfonat, 1-Butyl-3 -methylimidazoliummethansulfonat, Methyltributylammoniummethylsulfat, 1,2,3-Trimethylimidazoliummethylsulfat, Methylimidazoliumchlorid, Methylimidazoliumhydrogensulfat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrachloroaluminat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrachloroaluminat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumacetat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat, 1-Butyl-3-methylimidazoliummethylsulfat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumthiocyanat, 1-Butyl-3-methylimidazoliumthiocyanat, 1-Ethyl-2,3-dimethylimidazoliumethylsulfat ... und/oder 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat.Commercially, such ionic liquids are available, for example, from BASF in a series with the trade name "Basionics ™". These include, for example, 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-ethyl-3-methylimidazolium methanesulfonate, 1-butyl-3-methylimidazolium methanesulfonate, methyltributylammonium methylsulfate, 1,2,3-trimethylimidazolium methylsulfate, methylimidazolium chloride, methylimidazolium bisulfate, 1 Ethyl 3-methylimidazolium hydrogensulfate, 1-butyl-3-methylimidazolium hydrogensulfate, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroaluminate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroaluminate, 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate, 1-butyl-3-methylimidazolium acetate, 1-ethyl 3-methylimidazolium ethylsulfate, 1-butyl-3-methylimidazolium methylsulfate, 1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanate, 1-butyl-3-methylimidazolium thiocyanate, 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium ethylsulfate ... and / or 1-ethyl-3-yl methylimidazolium.
Besonders bevorzugt ist der Einsatz von 1-Ethyl-3-methylimidazolium-ethylsulfat, wie es unter dem Handelsnamen Basionics LQ01 von BASF erhältlich ist.Particularly preferred is the use of 1-ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate, as it is available under the trade name Basionics LQ01 from BASF.
Der Einsatz mindestens einer ionischen Flüssigkeit in dem Bindermaterial hat den Vorteil, dass das Bindermaterial eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist.The use of at least one ionic liquid in the binder material has the advantage that the binder material has a higher electrical conductivity.
Es ist bevorzugt, dass die mindestens eine ionische Flüssigkeit in einer Menge von etwa 5 bis 50 phr, bevorzugt von etwa 10 bis 45 phr, besonders bevorzugt von etwa 20 bis 35 phr in dem Bindermittel vorliegt. It is preferred that the at least one ionic liquid is present in an amount of from about 5 to 50 phr, preferably from about 10 to 45 phr, more preferably from about 20 to 35 phr, in the binder.
Liegt die mindestens eine ionische Flüssigkeit in einer geringeren Menge vor, so können die positiven Eigenschaften hinsichtlich einer besseren elektrischen Leitfähigkeit nicht ausreichend hervortreten. Bei einer höheren Menge wird die mechanische Integrität des Bindermaterials herabgesetzt.If the at least one ionic liquid is present in a smaller amount, the positive properties with regard to better electrical conductivity can not be sufficiently evident. At a higher level, the mechanical integrity of the binder material is reduced.
Die erfindungsgemäße Elektrode ist vorzugsweise ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Bindermaterial mindestens ein adhäsives Additiv, vorzugsweise ein adhäsives Additiv für eine ionische Flüssigkeit umfasst, das in der Regel ein Metalloxid oder Metalloidoxid, vorzugsweise Silica, umfasst.The electrode according to the invention is furthermore preferably characterized in that the binder material comprises at least one adhesive additive, preferably an adhesive additive for an ionic liquid, which as a rule comprises a metal oxide or metalloid oxide, preferably silica.
Unter Silica versteht man synthetisches SiO2, das meist amorph vorliegt und großtechnisch in unterschiedlichen Prozessen in großen Mengen erzeugt werden kann. Ein solches Silica ist beispielweise unter dem Handelsnamen „Silica VN3“ von Evonik erhältlich.Silica is understood to mean synthetic SiO 2 , which is usually amorphous and can be produced industrially in large quantities in various processes. Such a silica is available, for example, under the trade name "Silica VN3" from Evonik.
Das mindestens eine adhäsive Additiv, vorzugsweise Silica, liegt vorzugsweise in einer Menge von etwa 10 bis 50 phr, besonders bevorzugt von etwa 20 bis 40 phr in dem Bindermaterial vor.The at least one adhesive additive, preferably silica, is preferably present in an amount of from about 10 to 50 phr, more preferably from about 20 to 40 phr in the binder material.
Der Einsatz von mindestens einem adhäsiven Additiv, vorzugsweise Silica, hat den Vorteil, dass die ionische Flüssigkeit nicht vom Elektrolyten herausgelöst und so ein leitfähiges ausgerüstetes Füllstoffnetzwerk im Elastomer erzeugt werden kann.The use of at least one adhesive additive, preferably silica, has the advantage that the ionic liquid can not be dissolved out from the electrolyte and thus a conductive equipped filler network can be produced in the elastomer.
Vorteilhafterweise kann die mindestens eine ionische Flüssigkeit auf der Oberfläche des mindestens einen adhäsiven Additivs adsorbieren, was besonders vorteilhaft für die Leitfähigkeit des Bindermaterials ist. Zudem wird durch den Zusatz von mindestens einem adhäsiven Additiv die mechanische Integrität des Bindermaterials und damit der Elektrode verbessert.Advantageously, the at least one ionic liquid can adsorb on the surface of the at least one adhesive additive, which is particularly advantageous for the conductivity of the binder material. In addition, the addition of at least one adhesive additive improves the mechanical integrity of the binder material and thus of the electrode.
Die erfindungsgemäße Elektrode ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass das Bindermaterial mindestens ein Aktivator, vorzugsweise mit säurefangenden Eigenschaften umfasst. Der Aktivator umfasst vorzugsweise mindestens ein ZnO.The electrode according to the invention is preferably characterized in that the binder material comprises at least one activator, preferably with acid-absorbing properties. The activator preferably comprises at least one ZnO.
Der Einsatz eines Aktivators mit säurefangenen Eigenschaften, vorzugsweise ZnO, hat den Vorteil, dass Fluorwasserstoff, der im Laufe der Betriebsdauer der Lithium-Ionen-Batterie in dieser entstehen kann von dem Aktivator mit säurefangenden Eigenschaften neutralisiert werden kann. Damit kann dem Alterungsprozess der Lithium-Ionen-Batterie entgegengewirkt werden.The use of an activator with acid-inherent properties, preferably ZnO, has the advantage that hydrogen fluoride, which can arise in the course of the operating life of the lithium-ion battery in this can be neutralized by the activator with acid-absorbing properties. Thus, the aging process of the lithium-ion battery can be counteracted.
Der mindestens eine Aktivator, vorzugsweise ZnO, liegt vorzugsweise in einer Menge von etwa 10 bis 50 phr, besonders bevorzugt von etwa 2 bis 20 phr, ganz besonders bevorzugt von etwa 5 bis 15 phr, in dem Bindermaterial vor.The at least one activator, preferably ZnO, is preferably present in the binder material in an amount of about 10 to 50 phr, more preferably from about 2 to 20 phr, most preferably from about 5 to 15 phr.
Das Bindermaterial der erfindungsgemäßen Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie kann außerdem weitere übliche Additive, wie Alterungsschutzmittel und Haftvermittler umfassen.The binder material of the lithium-ion battery electrode according to the invention may also comprise other conventional additives, such as anti-aging agents and adhesion promoters.
Diese üblichen Additive liegen vorzugsweise jeweils in einer Menge von etwa 0,1 bis 10 phr in dem Bindermaterial vor.These conventional additives are preferably present in each case in an amount of about 0.1 to 10 phr in the binder material.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie wie vorstehend beschrieben.The present invention also relates to a method of manufacturing an electrode for a lithium-ion battery as described above.
Die in dem nachfolgend beschriebenen Verfahren eingesetzten Materialien entsprechen den Materialien, wie sie vorstehend definiert wurden.The materials used in the process described below correspond to the materials as defined above.
Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst die folgenden Schritte.
- a) Herstellen einer Mischung von mindestens einem Elastomer und mindestens einer ionische Flüssigkeit, sowie gegebenenfalls mindestens einem Vernetzungsmittel, mindestens einem adhäsiven Additiv, vorzugsweise Silica, und/oder mindestens einem Aktivator, vorzugsweise ZnO, um einen Elastomercompound zu erhalten;
- b) Zugabe eines organischen Lösungsmittel, um den in a) erhaltenen Elastomercompound zu lösen bzw. zu dispergieren;
- c) Zugabe mindestens eines Aktivmaterials, sowie des mindestens einen Leitadditivs zu der in Schritt b) erhaltenen Lösung bzw. Dispersion, um eine weitere Lösung bzw. Dispersion zu erhalten;
- d) Auftragen der in Schritt c) erhaltenen Lösung bzw. Dispersion auf mindestens einen Stromsammler, um einen beschichteten Stromsammler zu erhalten; und
- e) Ausheizen des in Schritt d) erhaltene beschichteten Stromsammlers bei einer Temperatur zwischen etwa 40 und 200°C für etwa 0,5 bis 3 h, um eine Elektrode zu erhalten.
- a) preparing a mixture of at least one elastomer and at least one ionic liquid, and optionally at least one crosslinking agent, at least one adhesive additive, preferably silica, and / or at least one activator, preferably ZnO, to obtain an elastomer compound;
- b) adding an organic solvent to dissolve or disperse the elastomer compound obtained in a);
- c) adding at least one active material and the at least one conductive additive to the solution or dispersion obtained in step b) to obtain a further solution or dispersion;
- d) applying the solution or dispersion obtained in step c) to at least one current collector in order to obtain a coated current collector; and
- e) annealing the coated current collector obtained in step d) at a temperature between about 40 and 200 ° C for about 0.5 to 3 hours to obtain an electrode.
In Schritt a) wird zunächst ein Elastomercompound hergestellt. Hierzu werden vorzugsweise etwa 50 bis 100 phr mindestens einen Elastomers, vorzugsweise ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk und/oder ein Ethylen-Propylen-Kautschuk, etwa 10 bis 45 phr mindestens einer ionischen Flüssigkeit, vorzugsweise 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat und gegebenenfalls etwa 10 bis 50 phr mindestens eines adhäsiven Additivs, vorzugsweise Silica, etwa 2 bis 10 phr mindestens eines Vernetzungsmittels, vorzugsweise eines Peroxids und etwa 5 bis 15 phr mindestens eines Aktivators, vorzugsweise ZnO, gemischt.In step a), an elastomer compound is first prepared. For this purpose, preferably about 50 to 100 phr of at least one elastomer, preferably an ethylene-propylene-diene rubber and / or an ethylene-propylene rubber, about 10 to 45 phr of at least one ionic liquid, preferably 1-ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat and optionally about 10 to 50 phr of at least one adhesive additive, preferably silica, about 2 to 10 phr of at least one crosslinking agent, preferably a peroxide and about 5 to 15 phr of at least one activator, preferably ZnO mixed.
Das Mischen erfolgt, wie üblicherweise in der Elastomerchemie bekannt, vorzugsweise mit einem Innenmischer und/oder in einem Walzwerk-Mischprozess. Diese Verfahren sind beispielsweise in dem Standardwerk „Röthemeyer, Kautschuktechnologie (3. Auflage, 10/2013)“ beschrieben.The mixing takes place, as is usually known in elastomer chemistry, preferably with an internal mixer and / or in a rolling mill mixing process. These methods are described for example in the standard work "Röthemeyer, rubber technology (3rd edition, 10/2013)".
Dieser Verfahrensschritt hat den Vorteil, dass ein Elsatomercompound, umfassend das mindestens eine Elastomer und die mindestens eine ionische Flüssigkeit und gegebenenfalls die übrigen beschriebenen Verbindungen, bereitgestellt wird.This process step has the advantage that an electrolyte compound comprising the at least one elastomer and the at least one ionic liquid and optionally the other compounds described is provided.
Die mindestens eine ionische Flüssigkeit und gegebenenfalls die übrigen beschriebenen Verbindungen sind vorzugsweise eng und fest mit dem Polymer des mindestens einen Elastomers verbunden, sodass die vorteilhaften Eigenschaften der übrigen beschriebenen Verbindungen besonders zum Tragen kommen.The at least one ionic liquid and optionally the other compounds described are preferably closely and firmly bonded to the polymer of the at least one elastomer, so that the advantageous properties of the other compounds described are particularly significant.
Dieses Verfahren ist insbesondere vorteilhaft gegenüber dem sonst üblichen „Slurry-Verfahren“, bei dem das Polymer und die übrigen zugegebenen Verbindungen lediglich in einem Lösungsmittel gelöst werden, um dann auf den Stromsammler aufgetragen zu werden. Ein solches Verfahren hat gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren deutliche Nachteile. So kann beispielsweise der Vernetzer auf dem Aktivmaterial oder einem Leitzusatz adsorbiert und dann nicht adäquat für die Vernetzung des Binders genutzt werden.This method is particularly advantageous over the usual "slurry process", in which the polymer and the other added compounds are dissolved only in a solvent, and then applied to the current collector. Such a method has significant disadvantages compared with the method according to the invention. Thus, for example, the crosslinker can be adsorbed on the active material or a conductive additive and then not used adequately for the crosslinking of the binder.
Durch die in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschaltete Herstellung des Elastomercompounds, umfassend das mindestens eine Elastomer, die mindestens eine ionische Flüssigkeit sowie gegebenenfalls die sonstigen Verbindungen, bevor das mindestens eine Elastomer in einem Lösungsmittel gelöst wird, können diese Nachteile umgangen werden.The preparation of the elastomer compound upstream of the process according to the invention, comprising the at least one elastomer, the at least one ionic liquid and optionally the other compounds before the at least one elastomer is dissolved in a solvent, can overcome these disadvantages.
Der Elastomercompound und damit die erfindungsgemäße Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie ist vorzugsweise frei von PVdF.The elastomer compound and thus the electrode according to the invention for a lithium-ion battery is preferably free of PVdF.
In den weiteren Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun der in Schritt a) hergestellte Elastomercompound gemäß dem bei der Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien üblichen „Slurry-Verfahren“ als Bindermaterial in die Elektrode eingearbeitet.In the further steps of the process according to the invention, the elastomer compound prepared in step a) is then incorporated into the electrode as binder material according to the "slurry process" customary in the production of electrodes for lithium-ion batteries.
Hierzu wird in Verfahrensschritt b) mindestens ein organisches Lösungsmittel zugegeben, um den in Schritt a) erhaltene Elastomercompound zu lösen bzw. zu dispergieren.For this purpose, at least one organic solvent is added in process step b) in order to dissolve or disperse the elastomer compound obtained in step a).
Das mindestens eine organisches Lösungsmittel ist dabei nicht beschränkt und umfasst vorzugsweise Hexan, Cyclohexan, Toluol, Xylol, und/oder Aceton.The at least one organic solvent is not limited and preferably comprises hexane, cyclohexane, toluene, xylene, and / or acetone.
Es ist besonders bevorzugt, dass als organisches Lösungsmittel nicht N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) eingesetzt wird, da diese gesundheitlich äußerst bedenklich ist.It is particularly preferred that the organic solvent is not N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is used, since this is extremely harmful to health.
Die Menge des zugegebenen mindestens einen organischen Lösungsmittels beträgt im Verhältnis Elastomercompound zu dem mindestens einem organischen Lösungsmittel etwa 1:5 bis 1:20, vorzugsweise etwa 1:7 bis 1:15, besonders bevorzugt etwa 1:10 bis 1:12.The amount of added at least one organic solvent is in the ratio elastomer compound to the at least one organic solvent about 1: 5 to 1:20, preferably about 1: 7 to 1:15, more preferably about 1:10 to 1:12.
Das mindestens eine organische Lösungsmittel wird mit dem Elastomercompound vorzugsweise etwa 5 bis 20 h, besonders bevorzugt etwa 8 bis 15 h inkubiert. The at least one organic solvent is preferably incubated with the elastomer compound for about 5 to 20 hours, more preferably about 8 to 15 hours.
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt c) das mindestens eine Aktivmaterial, sowie das mindestens eine Leitadditiv zu der in Schritt b) erhaltenen Lösung bzw. Dispersion gegeben, um eine weitere Lösung bzw. Dispersion zu erhalten.Subsequently, in a process step c), the at least one active material and the at least one conductive additive are added to the solution or dispersion obtained in step b) in order to obtain a further solution or dispersion.
Die Mengen werden vorzugsweise so gewählt, dass die in Schritt c) erhaltene Lösung bzw. Dispersion vorzugsweise etwa 1 bis 15 Gew.-% des Elastomercompounds, etwa 30 bis 90 Gew.-% des mindestens einen Aktivmaterials und etwa 1 bis 15 Gew.-% des mindestens eine Leitadditivs und etwa 20 bis 60 Gew.-% des mindestens einen organischen Lösungsmittels umfasst.The amounts are preferably selected such that the solution or dispersion obtained in step c) preferably contains about 1 to 15% by weight of the elastomer compound, about 30 to 90% by weight of the at least one active material and about 1 to 15% by weight. % of the at least one conductive additive and about 20 to 60 wt .-% of the at least one organic solvent.
Bevorzugt umfasst das aus der Lösung bzw. Dispersion in Schritt c) erhaltenen Elektrodenmaterial in trockenem Zustand, d.h. ohne das mindestens eine organische Lösungsmittel etwa 1 bis 10 Gew.-% des Elastomercompounds, etwa 80 bis 98 Gew.-% des mindestens einen Aktivmaterials und etwa 1 bis 10 Gew.-% des mindestens eine Leitadditivs.Preferably, the electrode material obtained from the solution or dispersion in step c) in a dry state, i. without the at least one organic solvent about 1 to 10 wt .-% of the elastomer compound, about 80 to 98 wt .-% of the at least one active material and about 1 to 10 wt .-% of the at least one conductive additive.
Um die Lösung bzw. Dispersion in Schritt c) zu erhalten wird die Zusammensetzung nach Zugabe des mindestens einen Aktivmaterials und des mindestens einen Leitadditivs vorzugsweise in einem Dispergiergerät für etwa 0,5 bis 2 h bei etwa 5000 bis 15000 U/min, vorzugsweise bei etwa 10000 U/min vermischt.In order to obtain the solution or dispersion in step c), the composition is preferably after addition of the at least one active material and the at least one conductive additive in a dispersing for about 0.5 to 2 h at about 5000 to 15000 U / min, preferably at about Mixed at 10,000 rpm.
Zur Dispersion sind nicht nur die üblichen Dispergiergeräte geeignet, wie sie dem Fachmann bekannt sind, sondern auch Kugelmühlen, wie Planetkugelmühlen und alle weiteren Geräte, die distributives Mischen erlauben.For the dispersion, not only the usual dispersing devices are suitable, as known to those skilled in the art, but also ball mills, such as planetary ball mills and all other devices that allow distributive mixing.
In einem weiteren Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in Schritt c) erhaltenen Lösung bzw. Dispersion auf den mindestens einen Stromsammler aufgetragen.In a further step d) of the process according to the invention, the solution or dispersion obtained in step c) is applied to the at least one current collector.
Die Dispersion wird vorzugsweise mittels Filmziehgerät (zwischen etwa 1 bis 40 mm/s, vorzugsweise bei etwa 15 mm/s) und Rakel auf den mindestens einen Stromsammler auftragen („Doktor-Blade-Verfahren“). Der mindestens eine Stromsammler umfasst bei der Herstellung einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie vorzugsweise eine Aluminiumfolie und bei der Herstellung einer Anode für eine Lithium-Ionen-Batterie vorzugsweise eine Kupferfolie.The dispersion is preferably applied to the at least one current collector by means of a film applicator (between about 1 to 40 mm / s, preferably at about 15 mm / s) and a doctor blade ("Doctor Blade Method"). The at least one current collector preferably comprises an aluminum foil in the manufacture of a cathode for a lithium-ion battery and preferably a copper foil in the production of an anode for a lithium-ion battery.
Die Dispersion kann dabei auch mittels Siebdruckverfahren, mittels Sprühen und/oder mittels Tiefdruckverfahren auf den mindestens einen Stromsammler aufgetragen werden.The dispersion can also be applied to the at least one current collector by means of screen printing, by spraying and / or by gravure printing.
Geeignete Aluminium- bzw. Kupferfolien sind kommerziell erhältlich, beispielsweise von den Firmen AME Energy Company, Targray, UACJ Foil Corporation, MTI Corporation und/oder China Energy Lithium.Suitable aluminum or copper foils are commercially available, for example from AME Energy Company, Targray, UACJ Foil Corporation, MTI Corporation and / or China Energy Lithium.
Die Lösung bzw. Dispersion, die in Schritt c) erhalten wurde, wird vorzugsweise in einer Dicke von etwa 20 bis 500 µm, besonders bevorzugt von etwa 50 bis 300 µm auf den mindestens einen Stromsammler aufgebracht.The solution or dispersion obtained in step c) is preferably applied to the at least one current collector in a thickness of about 20 to 500 .mu.m, more preferably from about 50 to 300 .mu.m.
In dem weiteren Verfahrensschritt e) wird der in Schritt d) erhaltene beschichtete Stromsammler bei einer Temperatur zwischen etwa 40 und 200°C für etwa 0,5 bis 3 h ausgeheizt, um eine Elektrode zu erhalten.In the further process step e), the coated current collector obtained in step d) is baked at a temperature between about 40 and 200 ° C for about 0.5 to 3 hours to obtain an electrode.
In diesem Ausheizschritt findet, wenn in dem Bindermaterial mindestens ein Vernetzungsmittel vorhanden ist, auch die Vernetzung des mindestens einen Elastomers statt.In this annealing step, if at least one crosslinking agent is present in the binder material, the crosslinking of the at least one elastomer also takes place.
Soll während des Ausheizens auch das mindestens eine Elastomer vernetzt werden, so ist es bevorzugt, dass der beschichtete Stromsammler mindestens etwa 1 h bei etwa 180°C ausgeheizt wird.If the at least one elastomer is also to be crosslinked during bake-off, it is preferred that the coated current collector be baked at about 180 ° C. for at least about 1 hour.
Wird während des Ausheizens nicht vernetzt, so ist es bevorzugt, dass der beschichtete Stromsammler bei etwas niedrigeren Temperaturen zwischen etwa 45 und 180°C für etwa 1 h ausgeheizt wird.Is not crosslinked during bake, it is preferred that the coated current collector is heated at slightly lower temperatures between about 45 and 180 ° C for about 1 h.
Es ist auch möglich, zunächst einen Ausheizungsschritt bei niedrigeren Temperaturen zwischen etwa 40°C und etwa 90°C für etwa 30 min durchzuführen, um das mindestens eine organische Lösungsmittel zu entfernen und den beschichteten Stromsammler zu trocknen, und einen zweiten Ausheizungsschritt bei höheren Temperaturen von etwa 120°C bis etwa 180°C für etwa 30 min anzuschließen, um das mindestens eine Elastomer zu vernetzen.It is also possible to first carry out a bake step at lower temperatures between about 40 ° C and about 90 ° C for about 30 minutes to remove the at least one organic solvent and dry the coated current collector, and a second bake step higher temperatures of about 120 ° C to about 180 ° C for about 30 minutes to connect the at least one elastomer.
Insbesondere kann durch die Auswahl der Temperatur und des eingesetzten Vernetzungsmittels der Grad der Vernetzung des mindestens einen Elastomers beeinflusst werden. Dadurch kann insbesondere die mechanische Integrität der Elektrode und der Innenwiderstand des Bindermaterials positiv beeinflusst werden.In particular, by selecting the temperature and the crosslinking agent used, the degree of crosslinking of the at least one elastomer can be influenced. As a result, in particular the mechanical integrity of the electrode and the internal resistance of the binder material can be positively influenced.
Bevor die in Schritt e) erhaltene Elektrode in einer üblichen Lithium-Ionen-Batterie eingesetzt werden kann, wird die Elektrode vorzugsweise in das gewünschte Zellformat gebracht. Dies geschieht vorzugsweise durch einfaches Schneiden der Elektrode in das gewünschte Format.Before the electrode obtained in step e) can be used in a conventional lithium-ion battery, the electrode is preferably brought into the desired cell format. This is preferably done by simply cutting the electrode into the desired format.
Anschließend wird die in Form gebrachte Elektrode bei etwa 100 bis 150°C für etwa 8 bis 14 h im Hochvakuum behandelt. Unter Hochvakuum wird eine Atmosphäre mit einem Luftdruck von kleiner als 10-2 mbar verstanden.Subsequently, the shaped electrode is treated at about 100 to 150 ° C for about 8 to 14 hours in a high vacuum. Under high vacuum is meant an atmosphere with an air pressure of less than 10 -2 mbar.
In diesem Hochvakuumschritt werden letzte Lösungsmittelreste, insbesondere auch Wasser, und andere flüchtige Stoffe aus der Elektrode entfernt.In this high-vacuum step, residual solvent residues, especially water, and other volatiles are removed from the electrode.
Nach der Behandlung im Hochvakuum wird die Elektrode vorzugsweise unter Schutzatmosphäre, vorzugsweise unter Argon-Atmosphäre, gelagert bzw. weiterverarbeitet, um eine erneute Kontamination der Elektrode zu verhindern.After treatment in a high vacuum, the electrode is preferably stored or processed under a protective atmosphere, preferably under an argon atmosphere, in order to prevent renewed contamination of the electrode.
Das vorstehend beschriebene Verfahren eignet sich zur Herstellung einer Kathode sowie einer Anode für eine Lithium-Ionen-Batterie. Bevorzugt wird mit dem vorstehend beschriebenen Verfahre eine Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie hergestellt.The method described above is suitable for producing a cathode and an anode for a lithium-ion battery. Preferably, a cathode for a lithium-ion battery is produced by the method described above.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Elektrode erhältlich nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren.The present invention also relates to an electrode obtainable by the method described above.
Die nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhältliche Elektrode kann eine Anode oder eine Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Bevorzugst ist die nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhältliche Elektrode eine Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie.The electrode obtainable by the method described above may be an anode or a cathode for a lithium-ion battery. Most preferably, the electrode obtainable by the method described above is a cathode for a lithium-ion battery.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Lithium-Ionen-Batterie umfassend mindestens eine Elektrode, wie sie vorstehend beschrieben ist und/oder wie sie durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhältlich ist.The present invention also relates to a lithium-ion battery comprising at least one electrode as described above and / or as obtainable by the method described above.
Der Aufbau einer solchen Lithium-Ionen-Batterie ist dem Fachmann bekannt. Eine übliche Lithium-Ionen-Batterie umfasst mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode, von denen mindestens eine, eine wie vorstehend beschriebene Elektrode und/oder mindestens eine Elektrode wie sie durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhältlich ist, umfasst, mindestens einen Separator, mindestens eines Elektrolyten und mindestens eine Umhüllung bzw. ein Zellgehäuse.The structure of such a lithium-ion battery is known in the art. A conventional lithium-ion battery comprises at least one anode and at least one cathode, at least one of which comprises an electrode as described above and / or at least one electrode as obtainable by the method described above, at least one separator, at least one Electrolytes and at least one enclosure or a cell housing.
Die Auswahl des Separators ist nicht beschränkt bzw. kann vielmehr jeden bekannten Separator umfassen. Bekannte Separatoren umfassen Separatoren auf Basis von gewobenem und/oder mikroprösem Polypropylen, Polyethylen, Keramiken und/oder Al2O3.. Auch Glasfaservliese und ... sind als Separatoren geeignet.The selection of the separator is not limited or rather may include any known separator. Known separators include separators based on woven and / or micro-pristine polypropylene, polyethylene, ceramics and / or Al 2 O 3. Glass fiber nonwovens and also are suitable as separators.
Auch die Auswahl des Elektrolyten ist nicht beschränkt. Es können beispielsweise Elektrolyten in flüssiger-, fester- oder Gel-Form auf Basis von Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Dimethoxyethan, Dioxolan, Tetrahydrofuran, Gamma-butyrolacton, Diethylcarbonat, Dimethylcarbonate, Ethylmethylcarbonate, Methylacetat, Methylformiat, Ethylacetat und/oder Methylbutyrat eingesetzt werden.Also, the choice of the electrolyte is not limited. For example, electrolytes in liquid, solid or gel form based on propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethoxyethane, dioxolane, tetrahydrofuran, gamma-butyrolactone, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl acetate, methyl formate, ethyl acetate and / or methyl butyrate can be used.
Der Elektrolyt kann auch mindestens eine anorganische Verbindung, wie ein Lithium-, Barium-, Calcium-, Aluminium-, Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Kupfer-, Zink- und/oder AmmoniumSalz, wie LiPF6, LiBF4 Lithium-bis(oxalato)borat (LiBOB) und/oder LiClO4 umfassen.The electrolyte may also contain at least one inorganic compound such as a lithium, barium, calcium, aluminum, sodium, potassium, magnesium, copper, zinc and / or ammonium salt such as LiPF 6 , LiBF 4 lithium. bis (oxalato) borate (LiBOB) and / or LiClO 4 .
Der Aufbau einer solchen Lithium-Ionen-Batterie ist nicht weiter beschränkt. Beispielsweise kann ein Separator in Stücke von ähnlicher Größe wie die Anode und die Kathode geschnitten und zwischen den beiden platziert werden. Die Anode, die Kathode und der Separator werden vorzugsweise in ein Zellgehäuse gegeben, das beispielsweise aus einem Metall wie Nickel, nickelplattiertem Stahl, rostfreiem Stahl oder Aluminium hergestellt werden kann. Es kann auch ein Kunststoff wie Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyamid und/oder Polysulfoneingesetzt werden, wobei der Kunststoff vorzugsweise mit einer wasserundurchlässigen Beschichtung versehen ist.. Das Zellgehäuse wird anschließend mit der Elektrolytlösung gefüllt und versiegelt.The structure of such a lithium-ion battery is not limited. For example, a separator may be cut into pieces of similar size as the anode and the cathode and placed between the two. The anode, cathode and separator are preferably placed in a cell housing made of, for example, a metal such as nickel, nickel-plated steel, stainless steel or aluminum can be produced. It can also be a plastic such as polyvinyl chloride, polypropylene, polyamide and / or Polysulfoneingesetztes, wherein the plastic is preferably provided with a water-impermeable coating .. The cell housing is then filled with the electrolyte solution and sealed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen erläutert. Die Beispiele dienen dabei lediglich der Illustration der Erfindung und sind in keiner Weise beschränkend.The invention will be explained below by way of examples. The examples serve merely to illustrate the invention and are in no way limiting.
Beispiele:Examples:
Beispiel 1example 1
Es wurde die in Tabelle 1 aufgeführte Zusammensetzung für einen Elastomercompound, der in dem Bindermaterial der erfindungsgemäßen Elektrode enthalten sein kann, hergestellt.
Tabelle 1:
Die Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 wurde mittels Innenmischer (Laborinnenmischer von Harburg-Freudenberger, GK5E) für etwa 5 min bei 50°C und 30 U/min vermischt, um einen Elastomercompound zu erhalten.The composition according to Table 1 was mixed by means of internal mixers (laboratory internal mixer from Harburg-Freudenberger, GK5E) for about 5 minutes at 50 ° C. and 30 rpm to obtain an elastomer compound.
Anschließend wurden der erhaltene Elastomercompound zur Herstellung eines Eletrodenslurrys für eine Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie der Zusammensetzung gemäß Tabelle 2 eigesetzt. Dabei wurde zunächst der Elastomercompound in Cyclohexan über Nacht gelöst und anschließend die übrigen Verbindungen wurden zugegeben, um eine Zusammensetzung gemäß Tabelle 2 zu erhalten.
Tabelle 2:
Die Zusammensetzung gemäß Tabelle 2 wurde für etwa eine Stunde bei 10.000 U/min in einem Dispergiergerät (Ultra Turrax) gemischt.The composition according to Table 2 was mixed for about one hour at 10,000 rpm in a disperser (Ultra Turrax).
Die erhaltene Dispersion wurde anschließend mittels Filmziehgerät (15 mm/sec) und Rakel auf eine Aluminiumfolie als Stromsammler auftragen (Doktor-Blade-Verfahren). Die Nassfilmschichtdicke betrug zwischen 150 µm.The dispersion obtained was then applied by means of a film-drawing apparatus (15 mm / sec) and a doctor blade to an aluminum foil as a current collector (Doctor Blade method). The wet film thickness was between 150 μm.
Anschließend wurde der beschichtete Stromsammler bei einer Temperatur von 45 bis 180°C für etwa 1 h ausgeheizt, um eine Elektrode zu erhalten.Subsequently, the coated current collector was baked at a temperature of 45 to 180 ° C for about 1 hour to obtain an electrode.
Die Elektrode wurde anschließend bei 120° für 12 h unter Hochvakuum bei weniger als 10-2 mbar behandelt und zur weiteren Verwendung unter Argon-Atmosphäre gelagert.The electrode was then treated at 120 ° for 12 h under high vacuum at less than 10 -2 mbar and stored for further use under argon atmosphere.
Die Elektroden wurden anschließend im gewünschten Zellformat verbauen. Die fertige Halbzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode (Lithiumfolie) und der Kathode (s.o.), und einem Separator (Glasfaservlies), Elektrolyt (Diethylcarbonat, Ethylencarbonat und Lithiumhexafluorophosphat) und einem Zellgehäuse.The electrodes were then obstructed in the desired cell format. The finished half cell consists of two electrodes, the anode (lithium foil) and the cathode (see above), and a separator (glass fiber fleece), electrolyte (diethyl carbonate, ethylene carbonate and lithium hexafluorophosphate) and a cell housing.
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