DE102018105669A1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batterie - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (2) für eine Batterie werden ein Aktivmaterial (5) und ein Bindemittel (6) miteinander vermischt und anschließend verdichtet. Es wird im Wesentlichen nur das Bindemittel (6) teilweise oder vollständig, von wenigstens einer Oberfläche (2a) der Elektrode (2) selektiv entfernt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batterie, wobei ein Aktivmaterial und ein Bindemittel miteinander vermischt und anschließend verdichtet werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Elektrode für eine Batterie, mit einem Aktivmaterial und einem Bindemittel, die miteinander vermischt und verdichtet sind sowie eine Batterie mit einer solchen Elektrode.
  • Eine Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie setzt sich aus einem Aktivmaterial, Additiven und einem Bindemittel zu einer Aktivmasse, appliziert auf einem elektrisch leitfähigen Stromableiter, zusammen. Das Aktivmaterial liefert bzw. speichert für den reversiblen Prozess innerhalb einer Batterie die Lithium-Ionen. Die Additive sorgen für eine elektrische Anbindung innerhalb der Speicherpartikel und zum Stromableiter. Das Bindemittel stellt die mechanische Stütze des Gemisches. Nach der Beschichtung und einem anschließenden Trocknungsprozess liegt ein ausgeprägtes offenporiges Netzwerk innerhalb der Aktivmasse vor. Die porösen Elektroden werden mit flüssigem Elektrolyt gefüllt, der den Austausch der Ionen zwischen dem Aktivmaterial und der Gegenelektrode durch einen ionisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Separator gewährleistet. Durch einen Verdichtungsprozess wird maßgeblich der Volumennutzungsgrad der Elektroden-Aktivmasse auf Kosten der Poren bzw. des Porennetzwerks erhöht. Dadurch kommt es zu einer Veränderung des Aufbaus der Mikrostruktur der Elektrode-Aktivmasse. Dies betrifft Kathode und Anode gleichermaßen. Die daraus resultierende Eigenschaftsveränderung einer Batterie ist an das jeweilige Einsatzgebiet anzupassen.
  • In der Regel muss dabei jedoch ein Kompromiss zwischen der erreichbaren Energiedichte und der Leistungsdichte eingegangen werden. Während die Energiedichte maßgeblich durch die aufnehmbare Kapazitäts- und demzufolge Energiemenge bestimmt wird und somit direkt auf die erzielbare Nutzungsdauer bzw. Reichweite in mobilen Anwendungen abzielt, bestimmt die zeitliche Lade- bzw. Entladefähigkeit die Leistungsdichte einer Batterie. Diese beiden Eigenschaften einer Batterie verhalten sich in der Regel konträr zueinander. Beispielsweise ist eine hohe Energiedichte und eine damit verbundene große aufnehmbare Energiemenge häufig auch mit einer langen Ladedauer verbunden. Durch das Verdichten der Aktivmasse werden die darin enthaltenen Poren teilweise geschlossen, was den Nachteil mit sich bringt, dass die Elektrodenmasse eine geringere Menge des Elektrolyten aufnehmen kann sowie Bereiche zum lonenaustausch nicht mehr zur Verfügung stehen. Das hat wiederum negative Auswirkungen auf die elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden und verschlechtert damit auch die Leistungsfähigkeit der Batterie.
  • In den nachfolgend angeführten Dokumenten wurde bereits beschrieben, die Elektroden mittels einer Laserbearbeitung zu modifizieren, so dass vor allem bei hohen Strömen eine Verbesserung der Batterieeigenschaften erreicht werden kann.
  • Beispielsweise beschreibt die DE 10 2011 120 893 B3 ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials für Lithium-Ionen-Batterien, bei dem in einem an die Oberfläche einer Schicht des Elektrodenmaterials angrenzenden Schicht eine Struktur erzeugt wird, die aus kegelförmigen Elementen besteht. In dieser Schicht sollen neben dem Aktivmaterial auch das Bindemittel und bestimmte Leitfähigkeitsadditive erhalten bleiben.
  • Die EP 2 697 850 B1 beschreibt eine Elektrolytbatterie mit einer Fluidleit-Kanalstruktur, die Kanäle mit Tiefen von zumindest 70% der Dicke der aktiven Schicht aufweist. Diese Kanäle können beispielsweise mittels Laserbearbeitung erzeugt werden.
  • Bei beiden genannten Lösungen geht aufgrund der Laserbearbeitung jedoch eine große Menge des Aktivmaterials verloren, was die Speicherkapazität der Elektroden und damit auch diejenige einer diese Elektroden nutzenden Batterie verringert. Dies führt zu einer Verringerung der Energiedichte, wodurch die genannten Lösungen nicht dazu geeignet sind, etwas zu dem oben genannten Zielkonflikt des gleichzeitigen Erreichens einer hohen Energie- und Leistungsdichte beizutragen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batterie zu schaffen, mit dem die elektrochemischen Eigenschaften der Batterie, insbesondere die zeitliche Lade- und Entladefähigkeit bei Batterien mit hoher Energiedichte, verbessert werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Durch das erfindungsgemäße selektive Entfernen des Bindemittels von wenigstens einer Oberfläche der Elektrode werden im Prinzip neue Zugänge für den Elektrolyten geschaffen, die möglicherweise durch das vorhergehende Verdichten geschlossen wurden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden oberflächennahe, verschlossene Porenpfade geöffnet und neue Zugangspfade zu tieferliegenden Porenpfaden geschaffen. Auf diese Weise erhöht sich die Zugänglichkeit, sodass eine größere Menge des Elektrolyten in das Elektrodenmaterial eindringen kann und eine bessere Anbindung von Porenpfaden an die Oberfläche gegeben ist, wodurch sich die Transportfähigkeit der Elektroden für Ionen, insbesondere die Diffusion von Lithium-Ionen im Falle der Verwendung der Elektroden bei einer Lithium-Ionen-Batterie, erhöht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich also um eine gezielte Modifikation der Aktivmassenbestandteile wenigstens einer Oberflächenseite der Elektrode.
  • Die erfindungsgemäße selektive Entfernung des Bindemittels, die teilweise oder vollständig erfolgen kann, erzeugt dabei also eine oberflächennahe Modifizierung bzw. eine gezielte Mikrostrukturierung der Elektrode, die die Benetzung und Durchdringung derselben mit Elektrolyt und damit auch die Transporteigenschaften der Elektrode verbessert. Die durch die erfindungsgemäße Lösung verbesserten Transporteigenschaften bzw. -mechanismen tragen außerdem dazu bei, dass eine metallische Abscheidung von Lithium unterbunden wird, wodurch die Lebensdauer und die Sicherheit der Batterie erhöht werden.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass nur ein sehr geringer Anteil des Bindemittels von der Oberfläche entfernt wird, so dass ein Lösen einzelner Speichermaterialen aus der Elektrode verhindert wird und die mit derselben speicherbare Energiemenge vollständig erhalten bleibt. Auch die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtungsmasse, gewährleistet durch das Binder-Leitadditivnetzwerk bzw. die in dem Bindemittel enthaltenen Leitadditive, wird nicht verringert, da dasselbe erfindungsgemäß nur oberflächennah entfernt wird. Auf diese Weise steigt die Leistungsdichte und damit auch die zeitliche Lade- und Entladefähigkeit bzw. Stromratenfähigkeit der mit einer erfindungsgemäßen Elektrode ausgestatteten Batterie bei zumindest gleichbleibender Energiedichte der Batterie. Dabei bleibt vorzugsweise zumindest der überwiegende Teil des Aktivmaterials an der bearbeiteten Oberfläche erhalten.
  • In der Praxis hat sich gezeigt, dass Batterien, die mit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektroden ausgestattet sind, tatsächlich eine verbesserte Stromratenfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Elektroden aufweisen, wobei Verbesserungen von 15 - 20% beobachtet wurden.
  • In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Bindemittel nach dem Verdichten von der wenigstens einen Oberfläche der Elektrode entfernt wird. Da sich gerade bei hoch verdichteten Elektroden die oben beschriebenen Probleme ergeben, ist es besonders effektiv, das Entfernen des Bindemittels nach dem Verdichten durchzuführen. Grundsätzlich könnte das Bindemittel jedoch auch vor dem Verdichten desselben selektiv von der Oberfläche der Elektrode entfernt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Bindemittel im Wesentlichen von der gesamten Oberfläche der Elektrode entfernt wird. Auf diese Weise ergibt sich ein verbesserter Zugang für den Elektrolyt in das Material der Elektrode, was die Transportfähigkeit der Elektrode weiter verbessert. Vorzugsweise wird das Bindemittel also zu annähernd 100 % in x-y-Richtung bzw. in einer horizontalen Ebene entfernt, wobei in z-Richtung, also in der Tiefe, ein vergleichsweise geringer Abtrag erfolgt. Wie oben erwähnt ist jedoch auch ein nur teilweises selektives Entfernen des Bindemittels von der Oberfläche möglich.
  • Ein sehr guter Kompromiss hinsichtlich der Schaffung einer verbesserten Zugänglichkeit des Elektrodenmaterials für den Elektrolyten und des Verhinderns der Gefahr der Verringerung der Menge des Aktivmaterials ergibt sich, wenn das Bindemittel mit einer Tiefe von 1 bis 20 µm von der Oberfläche entfernt wird. Dabei können Randbedingungen für den Abtrag bzw. die Tiefe und dem Umfang des Bindemittelabtrags sein, dass die mechanische Integrität der Elektroden nicht negativ beeinflusst wird und dass die elektrische Anbindung der Aktivmaterialien in ausreichendem Maße erhalten bleibt.
  • Hinsichtlich des Potentials zur Verbesserung der Eigenschaften der Elektrode hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Porosität der Elektrode nach dem Verdichten unter 40%, vorzugsweise unter 35%, liegt. Die Porosität der Elektrode kann dabei von der Schichtdicke abhängen.
  • In einer weiteren, sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Bindemittel mittels eines Laserstrahls entfernt wird. Die Verwendung eines Laserstrahls hat sich im Hinblick auf das selektive Entfernen des Bindemittels als besonders effektiv erwiesen, insbesondere da auf diese Weise sehr einfach sichergestellt werden kann, dass das Aktivmaterial an bzw. in der Elektrode verbleibt. Der Grund hierfür ist unter anderem in den sehr unterschiedlichen Schmelz- bzw. Zersetzungstemperaturen des Aktivmaterials und des Bindemittels sowie in unterschiedlichen Absorptionseigenschaften derselben zu sehen. Des Weiteren kann die Wechselwirkungszeit zwischen dem Laserstrahl und der Aktivmasse der Elektroden in Verbindung mit den bekannten Schmelzpunkten gezielt eingestellt werden, sodass die notwendigen Energiemengen zur selektiven Entfernung einer Komponente, z.B. des Bindemittels exakt eingestellt werden können. Dadurch kommt es auf der einen Seite zu einem effektiven Abtrag des Bindemittels, auf der anderen Seite bleibt das Aktivmaterial unbeeinflusst. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, andere auf Lichtquellen basierende Verfahren einzusetzen, mit denen ein selektiver Abtrag des Bindemittels zum Beispiel durch thermische Oxidation oder chemisches Aufbrechen der Bindungen erzielt werden kann. Des Weiteren sind plasmagestützte Verfahren, wie beispielsweise Argonplasmabehandlung, Coronabehandlung usw., mechanische Verfahren, wie zum Beispiel Bürsten oder Abtrag mittels Fluidstrahl, sowie chemische Verfahren denkbar, um ein selektives Entfernen des Bindemittels von der wenigstens einen Oberfläche der Elektrode zu erreichen.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass das Bindemittel punktförmig mit einem Durchmesser von z.B. 2 - 70 µm. Solche lokalen punktförmigen Vertiefungen, die sich bis zu dem Ableitelement oder gegebenenfalls sogar durch dasselbe hindurch erstrecken können, können auch unabhängig von der oberflächlichen Entfernung des Bindemittels erfolgen. Dies ist ebenfalls eine Möglichkeit, den Zugang für den Elektrolyten in das Material der Elektrode und damit die Transportfähigkeit der Elektrode zu verbessern.
  • In Anspruch 8 ist eine Elektrode für eine Batterie, mit einem Aktivmaterial und einem Bindemittel, die miteinander vermischt und verdichtet sind angegeben, bei der im Wesentlichen nur das Bindemittel, teilweise oder vollständig, von wenigstens einer Oberfläche der Elektrode selektiv entfernt ist.
  • Eine solche Batterieelektrode bietet erhebliche Vorteile, wie sie bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt wurden.
  • Eine bezüglich ihrer Transportfähigkeit besonders vorteilhafte Elektrode ergibt sich, wenn das Bindemittel im Wesentlichen von der gesamten Oberfläche der Elektrode entfernt ist.
  • Eine Batterie mit wenigstens einer derartigen Elektrode ist in Anspruch 10 angegeben.
  • Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • 2 eine stark schematisierte Aufsicht auf eine Elektrode für eine Batterie vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
    • 3 die Elektrode aus 2 nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 1, mit der ein nachfolgend beschriebenes Verfahren zum Bearbeiten einer in 2 dargestellten Elektrode 2 einer nicht dargestellten Batterie durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung 1 weist eine Verdichtungseinrichtung 3 auf, mit der das die Elektrode 2 bildende Material in an sich bekannter Weise verdichtet werden kann. Die Verdichtungseinrichtung 3 ist im vorliegenden Fall als Kalander ausgebildet und weist zwei Kalanderwalzen 3a auf. Des Weiteren weist die Vorrichtung 1 eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 auf, deren Wirkungsweise nachfolgend näher erläutert wird. Die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 ist im vorliegenden Fall als Yb:YAG-Faserlaser 4a ausgebildet. Statt einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 könnten auch mehrere eingesetzt werden, um die Effektivität der Vorrichtung 1 zu erhöhen. Diese mehreren Laserstrahlerzeugungseinrichtungen 4 können dabei parallel oder seriell eingesetzt werden. Des Weiteren ist es möglich, andere, an sich bekannte Laserarten, vorzugsweise Festkörperlaser, als die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 einzusetzen. Eine bevorzugte Wellenlänge eines von der Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 erzeugten Laserstrahls 4b beträgt 0,2 - 2 µm. Selbstverständlich kommen auch andere geeignete Wellenlängen in Betracht.
  • In einem ersten Schritt des Verfahrens werden ein in 2 sehr schematisch angedeutetes Aktivmaterial 5, das auch als Speichermaterial bezeichnet werden kann, und ein Bindemittel 6, das nicht dargestellte, jedoch an sich bekannte Leitadditive enthält, miteinander vermischt, auf eine dünne, elektrisch leitfähige, nicht dargestellte Metallfolie, die auch als Ableiterfolie bzw. Ableitelement bezeichnet wird und vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer sowie Legierungen aus diesen Materialien besteht, oder auf einen beispielsweise metallischen Schaum mit einer Dicke von typischerweise 5 - 500 µm aufgebracht und anschließend mittels der Verdichtungseinrichtung 3 verdichtet, wobei zwischen dem Vermischen und dem Verdichten ein Trocknungsschritt erfolgen kann. Statt metallischen Materialien können auch elektrisch leitende Kunststoffe als Ableitelement eingesetzt werden. Dadurch ergibt sich eine Masse bzw. ein Gemisch, das in 2 als rechteckiges Gebilde dargestellt ist. Die Größe dieses Gebildes kann im Prinzip beliebig sein und insbesondere so groß, dass daraus mehrere der Elektroden 2 erzeugt werden können. Insbesondere ist ein kontinuierliches Verdichten des aus dem Aktivmaterial 5 und dem Bindemittel 6 gebildeten Gemischs möglich, was im vorliegenden Fall durch die beiden Kalanderwalzen 3a erreicht wird. Als Aktivmaterial 5 für Kathoden können insbesondere Aktivmaterialien mit Schichtstruktur (z.B. Li(NixMnyCoz)O2,LiCoO2), mit Spinellstruktur (z.B. LiMn2O4) oder Olivinstruktur (z.B. LiFePO4) und andere Lithium-Mischoxide, sowie Mischungen daraus verwendet werden. Insbesondere können diese Mischoxide auch auf anderen Elementen als Lithium, wie zum Beispiel auf Natrium, basieren. Für Anoden kommt als Aktivmaterial z.B. Graphit oder Silizium oder ein Gemisch aus beiden zum Einsatz. Für das Bindemittel kommen 2-15% Polymerbinder (beispielsweise Styrol-Butadien-Rubber (SBR), Carboxymethylcellulose, PVDF) in Frage.
  • Die Elektrode 2 bzw. das die Elektrode 2 bildende Material weist eine Vielzahl von Poren 7 auf. Die Porosität der Elektrode 2 bzw. des die Elektrode 2 bildenden Materials beträgt nach dem Verdichten vorzugsweise unter 40%, noch bevorzugter unter 35%. Die Porosität bezeichnet dabei das Verhältnis zwischen den in der Elektrode 2 vorhandenen Poren 7 und dem die Elektrode 2 bildenden Material, also dem Gemisch aus dem Aktivmaterial 5 und dem Bindemittel 6.
  • Nach dem Verdichten wird im Wesentlichen nur das Bindemittel 6, teilweise oder vollständig, von wenigstens einer Oberfläche 2a der Elektrode 2 selektiv entfernt bzw. abgetragen. Dabei werden auch die in dem Bindemittel 6 enthaltenen Leitadditive entfernt. Mit der Angabe „im Wesentlichen“ ist dabei gemeint, dass beim Entfernen des Bindemittels 6 auch ein geringer Anteil des Aktivmaterials 5 entfernt, geschädigt oder von der restlichen Aktivmasse elektrisch entkoppelt werden kann, was jedoch unbeabsichtigt geschieht. Dieser ungewollt entfernte Anteil ist jedoch wesentlich geringer als der Anteil des Bindemittels 6, der von der Oberfläche 2a der Elektrode 2 entfernt wird, sodass zumindest der überwiegende Teil des Aktivmaterials 5 an der Oberfläche 2a verbleibt. In 3 ist die Elektrode 2 in dem Zustand dargestellt, in dem das Bindemittel 6 von der Oberfläche 2a der Elektrode 2 entfernt wurde. Zum Beispiel durch die unterschiedlichen Schmelztemperaturen und/oder durch die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften des Aktivmaterial 5 einerseits und des Bindemittels 6 andererseits lassen sich Parameter für die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 finden, mit denen dieser selektive Abtrag des Bindemittels 6 und dadurch die oben beschriebenen Verbesserungen der Eigenschaften der Elektrode 2 realisiert werden können. Beispielhafte Parameter für den Betrieb der Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 sind zu einem späteren Zeitpunkt angegeben.
  • Durch das selektive Abtragen des Bindemittels 6 von der Oberfläche 2a der Elektrode 2 werden sich in der Nähe der Oberfläche 2a befindende, durch das Verdichten verschlossene Porenpfade geöffnet und es werden neue Zugangspfade zu weiter unterhalb der Oberfläche 2a liegenden Porenpfaden geschaffen.
  • Grundsätzlich ist es auch möglich, das Bindemittel 6 vor dem Verdichten von der Oberfläche 2a der Elektrode 2 selektiv zu entfernen, ein selektives Abtragen des Bindemittels 6 nach dem Entfernen ist jedoch besonders effektiv, um die oben genannten Vorteile zu erreichen.
  • Selbstverständlich sind die Darstellungen der 2 und 3 als sehr schematisch anzusehen, da die mikrostrukturellen Gegebenheiten der Elektrode 2 zeichnerisch schwer darstellbar sind. Dies gilt insbesondere für die Darstellung der durch die Poren 7 gebildeten Porosität, aber auch für das Aktivmaterial 5 und die anderen Bestandteile der Elektrode 2 sowie für die Mengenanteil/-verhältnisse der unterschiedlichen Phasen.
  • Vorzugsweise wird das Bindemittel 6 im Wesentlichen von der gesamten Oberfläche 2a der Elektrode 2 entfernt. Dies bedeutet, dass sich nach dem Entfernen des Bindemittels nur noch äußerst geringe Mengen des Bindemittels 6 auf der Oberfläche 2a der Elektrode 2 befinden. Die Tiefe, in der das Bindemittel 6 von der Oberfläche 2a der Elektrode 2 entfernt wird, beträgt vorzugsweise 1 bis 20 µm. In einer größeren Tiefe ist demnach der Anteil des Bindemittels 6 unverändert, wodurch sichergestellt wird, dass das Bindemittel 6 seiner Aufgabe, nämlich das Aktivmaterial 5 zu halten, nachkommen kann. Grundsätzlich ist es möglich, das Bindemittel 6 auch von dem der Oberfläche 2a gegenüberliegenden Bereich der Elektrode 2 zu entfernen, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, da sich der durch das Verdichten ergebende negative Effekt des Verschließens der Poren 7 für den Elektrolyten häufig nur auf einer Seite der Oberfläche einstellt und die Porosität meist ohnehin von der Oberfläche 2a weg abnimmt. Typischerweise wird das Aktivmaterial 5 beidseitig auf einem Ableitelement appliziert. In diesem Fall ist es zu bevorzugen, dass beide gegenüberliegenden, ableiterfernen Oberflächen 2a nachbehandelt werden. Wenn also das Ableitelement in der Mitte als Nullpunkt betrachtet wird, werden jeweils die ableiterfernen Oberflächen 2a bearbeitet.
  • Des Weiteren kann das Bindemittel 6 punktförmig mit einem Durchmesser von z.B. 2 - 70 µm abgetragen werden. Dadurch entstehen in der Elektrode 2 Bohrungen, deren Tiefe von der Dicke der Elektrode 2 abhängt und auch tiefer sein kann als die oben erwähnten 1 bis 20 µm. Gegebenenfalls können diese Bohrungen auch durch das Ableitelement verlaufen.
  • Durch das Entfernen des Bindemittels 6 werden, wie oben angedeutet, auf der Oberfläche 2a der Elektrode 2 neue Zugänge zu den Poren 7 geschaffen, durch die der Elektrolyt in das die Elektrode 2 bildende Material, also in die Mischung des Aktivmaterials 5 mit den Leitadditiven und dem Bindemittel 6, gelangen kann. Nach dem Beschichten, Trocknen, Verdichten und Modifizieren folgt die Assemblierung. Dazu wird die Elektrode 2, getrennt durch einen Separator, mit einer nicht dargestellten Gegenelektrode zu einem Elektrodenstapel bzw. -wickel aufgebaut, in ein nicht dargestelltes Zellgehäuse gepackt, mit dem Elektrolyten befüllt, verschlossen und dann formiert bzw. aktiviert. Die Befüllung mit dem Elektrolyten erfolgt also relativ spät in dem Herstellungsprozess. Als Aktivmaterial 5, Bindemittel 6 und Elektrolyt können die unterschiedlichsten Substanzen eingesetzt werden. Unter anderem hängen die verwendeten Substanzen auch davon ab, ob die Elektrode 2 als Kathode oder als Anode für die Batterie eingesetzt werden soll.
  • Wie in 1 ersichtlich, wird das Bindemittel 6 im vorliegenden Fall in einem dem Verdichten nachgeschalteten, separaten Prozessschritt von der Oberfläche 2a der Elektrode 2 entfernt. Die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4, die im vorliegenden Fall zum selektiven Entfernen des Bindemittels 6 von der Oberfläche 2a eingesetzt wird, ist dabei in der mit „x“ bezeichneten Prozessrichtung nach der Verdichtungseinrichtung 3 angeordnet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das die Elektrode 2 bildende Material bereits verdichtet ist, wenn das Bindemittel 6 von der Oberfläche 2a entfernt wird. Dabei können die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 und die Verdichtungseinrichtung 3 miteinander synchronisiert sein, um eine zuverlässige Fertigung der Elektroden 2 zu gewährleisten. Dabei ist das Abtragen des Bindemittels 6 räumlich von dem Verdichten getrennt, erfolgt zeitlich jedoch gleichzeitig mit dem Verdichten, wobei selbstverständlich nicht der mit der Verdichtungseinrichtung 3 momentan verdichtete Bereich der Elektrode 2 laserbearbeitet wird. Mit anderen Worten ist dabei der Prozessschritt des Entfernens des Bindemittels 6 dem Prozessschritt des Verdichtens räumlich nachgeschaltet, so dass lediglich das bereits verdichtete Material der Elektrode 2 bearbeitet werden wird. Dadurch kann ein zeit- und kostenintensiver Prozessablauf vermieden werden.
  • Es ist jedoch auch möglich, das Verdichten und die Laserbearbeitung in zwei vollständig getrennten, gegebenenfalls auch in unterschiedlichen Werkstätten, zum Beispiel in jeweiligen Rolle-zu-Rolle-Prozessen durchzuführen.
  • Der Laserstrahl 4b kann in beiden Fällen zum Beispiel senkrecht zur Prozessrichtung geführt werden, sodass er die gesamte Breite der Elektrode 2 abscannt. Die Oberfläche 2a der Elektrode 2 kann dabei einfach oder mehrfach mit dem Laserstrahl 4b überfahren werden. Die Häufigkeit hängt unter anderem von den gewählten Laserprozessparametern und der gewünschten Abtragtiefe ab.
  • Wie bereits oben erwähnt, wird das Bindemittel 6 vorzugsweise mittels eines von der Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 bzw. von den Yb:YAG-Faserlasern 4a erzeugten Laserstrahls 4b entfernt.
  • In Versuchen haben sich folgende Parameter für die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 bzw. für die Yb:YAG-Faserlaser 4a als besonders geeignet herausgestellt:
    Maximale mittlere Laserleistung: ca. 20 W
    Fokusdurchmesser (f=160mm): ca. 70 µm
    Frequenzbereich: 1 Hz - 1000 kHz
    Wellenlänge: 1064 nm
    Beugungsmaßzahl M2 : <2,0
  • Die weiteren Laserparameter hängen unter anderem davon ab, ob die Elektrode 2 als Kathode oder als Anode eingesetzt wird. Sie sind nachfolgend ebenfalls angegeben:
    Kenngröße und Einheit Kathode Anode
    Modus: gepulst gepulst
    Pulsfrequenz [Hz]: 200000 26500
    Pulsdauer [ns]: 9 20
    Leistung [%]: 20 30
    Geschwindigkeit [mm/s]: 1500 1500
    Linienabstand [mm]: 0,035 0,035
    Pulse pro Punkt: 1 1
    Modus: gepulst gepulst
  • Eine typische Zusammensetzung und ein typischer Aufbau einer NCM-Kathode sind nachfolgend gegeben:
    Aktivmaterial NCM111: 92 Gew.-%
    Bindemittel (PVDF): 4 Gew.-%
    Leitadditive (Leitruß und Leitgraphit): je 2 Gew.-%
    Flächengewicht Aktivmaterial: 15 mg/cm2
    Theoretische Flächenkapazität: ca. 2,4 mAh/cm2
  • Als Verdichtungsstufen kommen beispielsweise in Frage:
    • 33% Porosität (Schichtdicke ohne Abl. 59,2 µm)
    • 28% Porosität (Schichtdicke ohne Abl. 54,5 µm)
    • 25% Porosität (Schichtdicke ohne Abl. 52,5 µm)
    • 20% Porosität (Schichtdicke ohne Abl. 49,5 µm)
  • Für denkbare Anwendungen der Lasermodifizierung an Kathoden ergibt sich die folgende mögliche Spannbreite an Kenndaten: Aktivmaterial: Anteil an Aktivmasse 85 - 98%. In Frage kommende Speichermaterialen sind z.B. Li1(NixCoyMnz)O2 (NCM), Li1(NixCoyAlz)O2 (NCA) noch in veränderlicher stöchiometrischer Zusammensetzung, LiFePO4 (LFP), LiMn2O4 (LMO), LiCoO2 (LCO) und Blends aus diesen Materialien.
    Bindemittel: 1 - 14% Polymerbinder (z.B. PVDF)
    Leitadditive: insg. 1 - 14 %
    Flächengewicht Aktivmaterial: 3 - 50 mg/cm2
    Trockenschichtdicke (unverdichtet): 20 - 500 µm
    Porosität: 5 - 50 %
  • Eine typische Zusammensetzung und ein typischer Aufbau einer graphitbasierten Anode sind nachfolgend gegeben:
    Aktivmaterial Graphit: Anteil 95,4 %
    Bindemittel: Styrol-Butadien-Rubber (SBR) 2,25 %,
    Carboxymethylcellulose (CMC) 1,5 %
    Leitadditive: Leitruß 0,6 %
    Flächengewicht Aktivmaterial: 10 mg/cm2
    Theo. Flächenkapazität: ca. 3,7 mAh/cm2
  • Als Verdichtungsstufen kommen beispielsweise in Frage:
    • 30% Porosität (Schichtdicke ohne Abl. 71,5 µm)
    • 25% Porosität (Schichtdicke ohne Abl. 65,5 µm)
    • 20% Porosität (Schichtdicke ohne Abl. 62 µm)
  • Für denkbare Anwendungen der Lasermodifizierung an Graphitanoden ergibt sich die folgende mögliche Spannbreite an Kenndaten:
    Aktivmaterial: Anteil an Aktivmasse 85 - 98%. In Frage kommende Speichermaterialen sind z.B. amorpher und teilkristalliner Kohlenstoff, Graphit, Carbon Nanotubes, Silizium und Blends aus diesen Materialien.
    Bindemittel: 2 - 15 % Polymerbinder (bspw. Styrol-Butadien-Rubber (SBR), Carboxymethylcellulose, PVDF)
    Leitadditive: 1 - 14%
    Flächengewicht Aktivmaterial: 3 - 30 mg/cm2
    Trockenschichtdicke (unverdichtet): 20 - 500 µm
    Porosität: 5 - 50 %
  • Im vorliegenden Fall wird das Bindemittel 6, wie ausführlich beschrieben, mittels des Laserstrahls 4b von der Oberfläche 2a der Elektrode 2 selektiv entfernt. Denkbare alternative Verfahren zum selektiven Abtragen des Bindemittels 6 sind alle auf Lichtquellen basierenden Verfahren, wie zum Beispiel Laser aller Wellenlängen, insbesondere Infrarot, UV und EUV, mit gepulstem oder kontinuierlichem Laserstrahl, die einen selektiven Abtrag des Bindemittels 6 z.B. durch thermische Zersetzung, mechanisches Abplatzen infolge thermischer Spannungen oder chemisches Aufbrechen der Bindungen (Kaltbearbeitung) erzielen, plasmagestütze Verfahren, wie zum Beispiel Argonplasmaverfahren oder Coronabehandlung, mechanische Verfahren, beispielsweise Bürsten oder Fluidstrahl, sowie chemische Verfahren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011120893 B3 [0005]
    • EP 2697850 B1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (2) für eine Batterie, wobei ein Aktivmaterial (5) und ein Bindemittel (6) miteinander vermischt und anschließend verdichtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen nur das Bindemittel (6), teilweise oder vollständig, von wenigstens einer Oberfläche (2a) der Elektrode (2) selektiv entfernt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (6) nach dem Verdichten von der wenigstens einen Oberfläche (2a) der Elektrode (2) entfernt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (6) im Wesentlichen von der gesamten Oberfläche (2a) der Elektrode (2) entfernt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (6) mit einer Tiefe von 1 bis 20 µm von der Oberfläche (2a) entfernt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Elektrode (2) nach dem Verdichten unter 40%, vorzugsweise unter 35%, liegt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (6) mittels eines Laserstrahls (4b) entfernt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (6) punktförmig mit einem Durchmesser von 2 - 70 µm abgetragen wird.
  8. Elektrode (2) für eine Batterie, mit einem Aktivmaterial (5) und einem Bindemittel (6), die miteinander vermischt und verdichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen nur das Bindemittel (6), teilweise oder vollständig, von wenigstens einer Oberfläche (2a) der Elektrode (2) selektiv entfernt ist.
  9. Elektrode (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (6) im Wesentlichen von der gesamten Oberfläche (2a) der Elektrode (2) entfernt ist.
  10. Batterie mit wenigstens einer Elektrode (2) nach Anspruch 8 oder 9.
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