DE102018214216A1 - Manufacturing process for a battery electrode and battery cell and battery electrode and battery cell made therefrom, device for producing battery cells, vehicle, and use of ionic liquids - Google Patents

Manufacturing process for a battery electrode and battery cell and battery electrode and battery cell made therefrom, device for producing battery cells, vehicle, and use of ionic liquids Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Batterieelektrode (150), umfassend wenigstens die Schritte:a. Herstellen eines Batterieelektrodenrohlings (S10, S20)b. Behandlung des Batterieelektrodenrohlings (S30) dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des Batterieelektrodenrohlings (20, 90) mittels einer ionischen Flüssigkeit durchgeführt wird.The invention relates to a production method for a battery electrode (150), comprising at least the steps: a. Manufacturing a battery electrode blank (S10, S20) b. Treatment of the battery electrode blank (S30), characterized in that the treatment of the battery electrode blank (20, 90) is carried out using an ionic liquid.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Batterieelektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Batterieelektrode gemäß dem Anspruch 9. Weiterhin betriff die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Batteriezellen gemäß dem Anspruch 10 und eine Batteriezelle gemäß dem Anspruch 11. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Batteriezellen gemäß Anspruch 12 sowie ein elektrifiziertes Fahrzeug dem gemäß Anspruch 13. Mit der Erfindung steht auch die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten gemäß dem Anspruch 14 in Zusammenhang.The invention relates to a production method for a battery electrode according to the preamble of claim 1 and a battery electrode according to claim 9. Furthermore, the invention relates to a method for producing battery cells according to claim 10 and a battery cell according to claim 11. The invention also relates to a device for the production of battery cells according to claim 12 and an electrified vehicle according to claim 13. The invention also relates to the use of ionic liquids according to claim 14.

In modernen Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, bildet sich zwischen den Elektroden und Elektrolyt eine Grenzschicht. Die Ausbildung dieser Grenzschicht ist insbesondere auf der Anodenseite, dort „Solid Electrolyte Interphase“, kurz „SEI“, genannt, in einem gewissen Rahmen gewollt. Sie verringert unter anderem die weitere Zersetzung des Elektrolyten sowie die Bildung von Dendriten im Betrieb der Zelle. Während der Zyklisierung von Batteriezellen, insbesondere im Fall siliziumhaltiger Anoden, findet eine Volumenänderung der Batterieelektroden statt, wodurch die SEI teilweise zerstört wird. Während der Neubildung der SEI wird anschließend wiederum Elektrolyt zersetzt, und diesem irreversibel Lithium-Ionen entzogen, wodurch die Kapazität der Batteriezelle sinkt.In modern batteries, in particular lithium-ion batteries for electrified motor vehicles, a boundary layer forms between the electrodes and the electrolyte. The formation of this boundary layer is desired to a certain extent, in particular on the anode side, there called "Solid Electrolyte Interphase", or "SEI" for short. Among other things, it reduces the further decomposition of the electrolyte and the formation of dendrites in the operation of the cell. During the cyclization of battery cells, particularly in the case of silicon-containing anodes, the volume of the battery electrodes changes, which partially destroys the SEI. During the new formation of the SEI, electrolyte is then decomposed again and lithium ion is irreversibly removed from it, which reduces the capacity of the battery cell.

Um eine Zersetzung des Elektrolyten zur initialen Bildung der SEI zu verhindern, wird im Dokument WO 2013/082330 A1 vorgeschlagen, vor dem Zusammenbau einer Batteriezelle in einem Prälithiierungsschritt Lithium-Ionen in die Anode einzubringen und dabei bereits eine SEI auszubilden. Diese zersetzt sich jedoch ebenfalls während der Zyklisierung der Zelle, sodass zur Neubildung dem Elektrolyt wiederum Lithium-Ionen entzogen werden, wodurch die Kapazität im Betrieb irreversibel sinkt.In order to prevent decomposition of the electrolyte for the initial formation of the SEI, the document WO 2013/082330 A1 proposed to introduce lithium ions into the anode in a prelithiation step before assembling a battery cell and already form an SEI. However, this also decomposes during the cyclization of the cell, so that lithium ions are again removed from the electrolyte for new formation, which irreversibly reduces the capacity during operation.

Im Stand der Technik, wie beispielsweise in dem Dokument DE10 2016 211 061 A1 , wird deshalb teilweise vorgesehen, den Elektrolyten mit speziellen, eine SEI ausbildenden, Additiven zu versetzen. Dies reduziert jedoch die Energiedichte der Batteriezelle durch das Einbringen der Additive. Weiterhin verzögert es die Zersetzung des Elektrolyten nur bis zur vollständigen Umwandlung der Additive.In the prior art, such as in the document DE10 2016 211 061 A1 , it is therefore partially planned to add special additives that form an SEI to the electrolyte. However, this reduces the energy density of the battery cell by introducing the additives. Furthermore, it only delays the decomposition of the electrolyte until the additives have completely converted.

Auch ist aus dem Dokument WO 2012/145796 A1 bekannt, sogenannte ionische Flüssigkeiten als Elektrolyt von Lithium-Ionen-Batterien zu verwenden, da diese eine besonders haltbare SEI ausbilden. Ionische Flüssigkeiten, auch als ionische Salze bezeichnet, sind organische Salze, welche ohne in einem Lösungsmittel gelöst zu sein, bei Temperaturen unterhalb 373 K flüssig sind. Nachteilig ist jedoch, dass ionische Flüssigkeiten aufgrund geringer ionischer Leitfähigkeit sowie hoher Kosten für den Einsatz als Elektrolyt weniger gut geeignet sind.Is also from the document WO 2012/145796 A1 Known to use so-called ionic liquids as the electrolyte of lithium-ion batteries, since they form a particularly durable SEI. Ionic liquids, also called ionic salts, are organic salts which are liquid at temperatures below 373 K without being dissolved in a solvent. It is disadvantageous, however, that ionic liquids are less suitable for use as an electrolyte due to their low ionic conductivity and high costs.

Im Dokument US 2016 035 191 0 A1 wird dagegen vorgeschlagen, durch eine Nano-Beschichtung der Elektroden vor dem Zusammenbau eine besonders haltbare Schutzschicht zu erzeugen. Durch diese besonders haltbare Schutzschicht sollen Beschädigungen an der SEI und damit die daraus resultierende Zersetzung des Elektrolyts im Vorfeld vermieden werden. Nachteilig ist der große Aufwand während des Beschichtungsvorgangs sowie dessen Integration in den Fertigungsprozess.In the document US 2016 035 191 0 A1 it is proposed, on the other hand, to produce a particularly durable protective layer by nano-coating the electrodes before assembly. This particularly durable protective layer is intended to prevent damage to the SEI and the resulting decomposition of the electrolyte in advance. A disadvantage is the great effort during the coating process and its integration into the manufacturing process.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise zu überwinden.The object of the present invention is to at least partially overcome the disadvantages of the prior art mentioned.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verfahren mit den Merkmalen gemäß der Ansprüche 1 und 10 sowie durch die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 12 sowie die Erzeugnisse gemäß der Ansprüche 9 und 11 gelöst. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 13 und eine Verwendung gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.This object is achieved according to the invention by the method having the features according to claims 1 and 10 and by the device according to claim 12 and the products according to claims 9 and 11. The invention also relates to a vehicle according to claim 13 and a use according to claim 14. Advantageous further developments of the invention are characterized in the dependent claims. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and / or details from the figures, further embodiment variants of the invention being shown.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Herstellungsverfahren für eine Batterieelektrode, welches wenigstens die folgenden Schritte umfasst:

  1. a. Herstellen eines Batterieelektrodenrohlings
  2. b. Behandlung des Batterieelektrodenrohlings
The method according to the invention is a manufacturing method for a battery electrode, which comprises at least the following steps:
  1. a. Manufacture of a battery electrode blank
  2. b. Treatment of the battery electrode blank

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des Batterieelektrodenrohlings mittels einer ionischen Flüssigkeit durchgeführt wird.The method is characterized in that the treatment of the battery electrode blank is carried out using an ionic liquid.

Die Durchführung der Behandlung des Batterieelektrodenrohlings mittels einer ionischen Flüssigkeit vereinbart vorteilhaft die Eigenschaft von ionischen Flüssigkeiten, wie beispielsweise eine besonders beständige Schutzschicht, insbesondere SEI, auszubilden, unter Vermeidung deren Nachteile hinsichtlich ionischer Leitfähigkeit und hoher Kosten.Carrying out the treatment of the battery electrode blank with an ionic liquid advantageously agrees to form the property of ionic liquids, such as, for example, a particularly resistant protective layer, in particular SEI, while avoiding their disadvantages with regard to ionic conductivity and high costs.

Bei der Batterieelektrode kann es sich vorliegend um eine positive oder negative Elektrode, also um eine Kathode oder bevorzugt eine Anode handeln. An der Anode bildet sich die bereits genannte SEI aus, sodass sich das Verfahren hier besonders vorteilhaft auswirkt.In the present case, the battery electrode can be a positive or negative electrode, that is to say a cathode or preferably an anode act. The SEI already mentioned is formed on the anode, so that the method has a particularly advantageous effect here.

Unter einem Batterieelektrodenrohling ist vorliegend eine in der Fertigung befindliche Batterieelektrode zu verstehen. Die Fertigung der Batterieelektrode endet erfindungsgemäß kurz vorher oder mit dem Verbau der Batterieelektrode in einer Batteriezelle. Es ist aber auch denkbar, dass die Fertigung einige Zeit vor dem Verbau vollständig abgeschlossen ist. Im erfindungsgemäßen Sinne ist unter einem Batterieelektrodenrohling insbesondere ein Zwischenprodukt des Batterieelektroden-Fertigungsprozesses zu verstehen, in welchem der sogenannte „Slurry“, eine Mischung aus - üblicherweise - Elektrodenaktivmaterial und Binder, bereits auf eine Trägerfolie, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, aufgetragen ist. Bevorzugt handelt es sich um ein Zwischenprodukt des Batterieelektroden-Fertigungsprozesses, welches außerdem bereits einen Trocknungsprozess durchlaufen hat, besonders bevorzugt um ein Zwischenprodukt des Batterieelektroden-Fertigungsprozesses, welches sich unmittelbar vor dem Verbau in einer Batteriezelle befindet.In the present case, a battery electrode blank is to be understood as a battery electrode that is being manufactured. According to the invention, the manufacture of the battery electrode ends shortly before or with the installation of the battery electrode in a battery cell. However, it is also conceivable that the production will be completely completed some time before the installation. In the sense of the invention, a battery electrode blank is to be understood in particular as an intermediate product of the battery electrode manufacturing process in which the so-called “slurry”, a mixture of - usually - electrode active material and binder, is already applied to a carrier film, for example copper or aluminum. It is preferably an intermediate product of the battery electrode manufacturing process which has also already undergone a drying process, particularly preferably an intermediate product of the battery electrode manufacturing process, which is located in a battery cell immediately before installation.

Es ist aber auch denkbar, dass noch kein Trocknungsschritt stattgefunden hat, oder dieser nur zum Teil stattgefunden hat. Dies hat den Vorteil, dass der Rohling noch besonders leicht verformbar ist und somit eine Behandlung besonders vorteilhaft in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchgeführt werden kann.However, it is also conceivable that no drying step has yet taken place, or that it has only taken place in part. This has the advantage that the blank is still particularly easily deformable and thus a treatment can be carried out particularly advantageously in a roll-to-roll process.

Es ist sogar denkbar, dass unter einer Batterieelektrode lediglich das Aktivmaterial einer Elektrode verstanden wird. Dann kann eine erfindungsgemäße Behandlung direkt auf Aktivmaterialpartikel und/oder den Slurry angewandt werden.It is even conceivable that a battery electrode is understood only to mean the active material of an electrode. A treatment according to the invention can then be applied directly to active material particles and / or the slurry.

Die Behandlung selbst kann bevorzugt in einem Tauchbad stattfinden. Es ist aber auch denkbar, dass sie mittels eines Sprühprozesses durchgeführt wird. Bevorzugt wird dann in einem elektrochemischen Verfahren eine Behandlung des Batterieelektrodenrohlings mittels der erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeit durchgeführt. Insbesondere wenn das Verfahren früh im Fertigungsprozess auf den Batterieelektrodenrohling, also beispielsweise direkt auf das Aktivmaterial und/oder das Slurry, angewandt wird, kann eine elektrochemische Behandlung technisch nur schwer durchführbar sein, sodass lediglich eine chemische Behandlung mittels geeigneter Additive in Frage kommt.The treatment itself can preferably take place in an immersion bath. However, it is also conceivable that it is carried out by means of a spraying process. A treatment of the battery electrode blank using the ionic liquid according to the invention is then preferably carried out in an electrochemical process. In particular, if the method is applied to the battery electrode blank, for example directly to the active material and / or the slurry, early in the manufacturing process, electrochemical treatment can be technically difficult to carry out, so that only chemical treatment using suitable additives is suitable.

In einer bevorzugten Gruppe von Ausführungsformen wird durch die Behandlung eine Schutzschicht auf der Elektrode ausgebildet. Die Schutzschicht kann dabei auf einer Anode und/oder einer Kathode ausgebildet werden. Bevorzugt wird die Schutzschicht in einem elektrochemischen Prozess ausgebildet. Die Steuerung des Prozesses findet in diesem Fall im Besonderen über das dabei eingestellte Potential statt. Die Ausbildung einer Schutzschicht vor dem Verbau in einer Batteriezelle wirkt sich vorteilhaft dahingehend aus, dass eine Schutzschicht außerhalb einer Batteriezelle besonders gezielt ausgebildet werden kann. Weiterhin kann sie bei entsprechender Ausführung den Batterieelektrodenrohling in folgenden Verarbeitungsschritten vor ungewollten Umwelteinwirkungen schützen.In a preferred group of embodiments, the treatment forms a protective layer on the electrode. The protective layer can be formed on an anode and / or a cathode. The protective layer is preferably formed in an electrochemical process. In this case, the process is controlled, in particular, using the potential set. The formation of a protective layer before installation in a battery cell has an advantageous effect in that a protective layer outside a battery cell can be formed in a particularly targeted manner. Furthermore, it can protect the battery electrode blank from unwanted environmental effects in the following processing steps if it is designed accordingly.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei der Batterieelektrode um eine Anode, besonders bevorzugt um eine Siliziumanode oder Silizium-Graphitanode oder Graphitanode handeln. Mit anderen Worten wird das Verfahren auf eine Siliziumanode oder Silizium-Graphitanode oder Graphitanode angewandt. Diese Anodentypen sind, verglichen mit anderen Elektrodentypen, im Betrieb verhältnismäßig großen Volumenänderungen ausgesetzt, sodass eine auf ihnen ausgebildete Schutzschicht, insbesondere SEI, großen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Somit kommt hier das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft zum Einsatz, da es eine besonders beständige Schutzschicht, insbesondere SEI, ausbildet.In a further preferred embodiment, the battery electrode can be an anode, particularly preferably a silicon anode or silicon-graphite anode or graphite anode. In other words, the method is applied to a silicon anode or silicon-graphite anode or graphite anode. Compared to other types of electrodes, these types of anodes are exposed to relatively large changes in volume during operation, so that a protective layer, in particular SEI, formed on them is exposed to great mechanical loads. The method according to the invention is thus used particularly advantageously here, since it forms a particularly durable protective layer, in particular SEI.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird in dem Behandlungsschritt auf einer Siliziumanode oder Silizium-Graphitanode oder Graphitanode in einem elektrochemischen Verfahren eine Solid-Electrolyte-Interphase ausgebildet. In anderen Worten wird die Anode derart behandelt, also die Prozessparameter, wie beispielsweise das eingestellte Potential, derart gewählt, dass sich in einem elektrochemischen Verfahren mittels der ionischen Flüssigkeit eine Solid-Electrolyte-Interphase ausbildet. Die gezielte Ausbildung einer Solid-Electrolyte-Interphase hat in diesem Prozessschritt den Vorteil, dass dabei die Eigenschaft der ionischen Flüssigkeiten, eine besonders beständige SEI auszubilden, optimal ausgenutzt werden.In a particularly preferred embodiment, a solid-electrolyte interphase is formed in the treatment step on a silicon anode or silicon-graphite anode or graphite anode in an electrochemical process. In other words, the anode is treated in such a way that the process parameters, such as the set potential, are selected such that a solid electrolyte interphase is formed in an electrochemical process using the ionic liquid. The targeted formation of a solid electrolyte interphase has the advantage in this process step that the property of the ionic liquids, to form a particularly stable SEI, is optimally exploited.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während der Behandlung des Batterieelektrodenrohlings Lithium-Ionen im Batterieelektrodenrohling eingelagert. Mit anderen Worten werden die zugrundeliegenden Prozessparameter, insbesondere das eingestellte Potential, derart gewählt, dass Lithium-Ionen aus einer Lithiumquelle in den Batterieelektrodenrohling eingelagert werden. Dieser Verfahrensschritt wird auch Prälithiierung genannt. Wird mit dem behandelten Batterieelektrodenrohling anschließend eine Batterie gebaut, so erhöht die vorherige Einlagerung der Lithium-Ionen vorteilhaft die Gesamtmenge an Lithium-Ionen in der Zelle und somit deren Zyklenstabilität.In a further embodiment of the method according to the invention, lithium ions are embedded in the battery electrode blank during the treatment of the battery electrode blank. In other words, the underlying process parameters, in particular the set potential, are selected such that lithium ions from a lithium source are embedded in the battery electrode blank. This process step is also called prelithiation. If a battery is subsequently built with the treated battery electrode blank, the previous storage of the lithium ions advantageously increases the total amount of lithium ions in the cell and thus their cycle stability.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während der Behandlung des Batterieelektrodenrohlings keine oder nahezu keine Lithium-Ionen im Batterieelektrodenrohling eingelagert. In anderen Worten werden die zugrundeliegenden Prozessparameter, derart gewählt, dass gerade keine Lithium-Ionen in den Batterieelektrodenrohling eingelagert werden. Insbesondere wird das eingestellte Potential im Vergleich zur Prälithiierung geringer gewählt. Dieser Verfahrensschritt wird auch Pretreatment genannt. Üblicherweise ist es nicht möglich, eine Einlagerung von Lithium-Ionen gänzlich zu verhindern. Durch die entsprechende Wahl der Prozessparameter fällt die Anzahl eingelagerter Lithium-Ionen jedoch derart gering aus, dass ihre chemische Wirkung in den folgenden Verfahrensschritten der Elektroden- und/oder Batterieherstellung vernachlässigbar ist. Aufgrund der hohen Anfälligkeit für Umwelteinflüsse hat das Pretreatment den Vorteil, dass der Aufwand zum Schutz der Batterieelektrode im Produktionsprozess, und damit dessen Kosten, reduziert wird. Dadurch kann in manchen Ausführungsbeispielen die Produktion gänzlich ohne Nutzung einer Schutzathmosphäre durchgeführt werden. In another embodiment of the method according to the invention, no or almost no lithium ions are stored in the battery electrode blank during the treatment of the battery electrode blank. In other words, the underlying process parameters are selected in such a way that no lithium ions are stored in the battery electrode blank. In particular, the set potential is chosen to be lower compared to prelithiation. This process step is also called pretreatment. It is usually not possible to completely prevent the storage of lithium ions. Due to the appropriate choice of process parameters, however, the number of stored lithium ions is so small that their chemical effect is negligible in the subsequent process steps of electrode and / or battery manufacture. Due to the high susceptibility to environmental influences, pretreatment has the advantage that the effort to protect the battery electrode in the production process, and thus its costs, is reduced. As a result, in some exemplary embodiments, production can be carried out entirely without using a protective atmosphere.

Besonders bevorzugt wird die erfindungsmäßige Behandlung der Batterieelektrode wenigstens mittels eines der folgenden ionischen Salze, auch bezeichnet als ionischen Flüssigkeiten, durchgeführt:

  • - LiTFSI in PYR13TFSI (Lithium bis(trifluoromethan)sulfonimid in N-Propyl-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imid)
  • - LiFSI in EMIFSI (Lithium bis(fluorosulfonyl)imid in 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imid)
  • - LiFSI in PYR13FSI (Lithium bis(fluorosulfonyl)imid in N-Propyl-N-methylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imid)
The treatment of the battery electrode according to the invention is particularly preferably carried out using at least one of the following ionic salts, also referred to as ionic liquids:
  • - LiTFSI in PYR13TFSI (lithium bis (trifluoromethane) sulfonimide in N-propyl-N-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide)
  • - LiFSI in EMIFSI (lithium bis (fluorosulfonyl) imide in 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide)
  • - LiFSI in PYR13FSI (lithium bis (fluorosulfonyl) imide in N-propyl-N-methylpyrrolidinium bis (fluorosulfonyl) imide)

Dabei ist ein Leitsalz in einer ionischen Flüssigkeit gelöst. Vorliegend ist als Leitsalz LiTFSI und/oder LiFSI vorgesehen. Die genannten ionischen Flüssigkeiten bilden in Kombination mit dem jeweiligen Leitsalz besonders vorteilhaft eine beständige Schutzschicht im erfindungsgemäßen Sinne aus.A conductive salt is dissolved in an ionic liquid. In the present case, LiTFSI and / or LiFSI is provided as the conductive salt. The ionic liquids mentioned form, in combination with the respective conductive salt, particularly advantageously form a stable protective layer in the sense of the invention.

In einer Gruppe von Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Molarität M eines im Behandlungsschritt eingesetzten Leitsalzes zwischen 0,1 und 5 M liegt. Das zur Anwendung kommende Leitsalz ist dabei nicht auf die vorgenannten beschränkt, wenngleich diese besonders vorteilhaft zum Einsatz kommen.In a group of embodiments it is provided that the molarity M of a conductive salt used in the treatment step is between 0.1 and 5 M. The conductive salt used is not limited to the aforementioned, although these are used particularly advantageously.

Die Erfindung betrifft auch eine Batterieelektrode, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde oder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren fertigbar ist.The invention also relates to a battery electrode which was manufactured by the method according to the invention or can be manufactured by the method according to the invention.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Herstellungsverfahren für eine Batteriezelle, umfassend wenigstens die Schritte:

  1. a. Bereitstellen wenigstens einer erfindungsgemäßen Batterieelektrode
  2. b. Bau der Batteriezelle mit der wenigstens einen Batterieelektrode
The invention also relates to a production method for a battery cell, comprising at least the steps:
  1. a. Providing at least one battery electrode according to the invention
  2. b. Construction of the battery cell with the at least one battery electrode

Bevorzugt handelt es sich bei der Batteriezelle um eine wiederaufladbare Batteriezelle. Besonders bevorzugt handelt es sich um eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batteriezelle. Diese Zelltypen sind besonders für den Verbau in elektrifizierten Fahrzeugen geeignet.The battery cell is preferably a rechargeable battery cell. It is particularly preferably a rechargeable lithium-ion battery cell. These cell types are particularly suitable for installation in electrified vehicles.

Den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten folgt in einigen Ausführungsformen - unmittelbar oder nach weiteren Zwischenschritten - ein Formierungsschritt. Im Formierungsschritt wird eine gebaute Batterie derart mit Strom beaufschlagt, dass initial gewisse elektrochemische Prozesse, wie die Bildung einer SEI, gezielt ablaufen, bevor eine Zyklisierung der Batteriezelle im Betrieb stattfindet. In einigen Ausführungsformen kann dieser Schritt bei der Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens entfallen oder verkürzt werden. Insbesondere kann der Formierungsschritt um ein Zeitintervall verkürzt werden, dessen Dauer von den Prozessparametern der erfindungsgemäßen Behandlung des Batterieelektrodenrohlings, insbesondere von der Dauer und/oder der Höhe und/oder dem Verlauf eines während der Behandlung an einem Batterieelektrodenrohling angelegten Potentials, abhängt. Dies verkürzt vorteilhaft die Gesamt-Fertigungszeit bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren.In some embodiments, the method steps according to the invention are followed - immediately or after further intermediate steps - by a forming step. In the formation step, a built battery is supplied with current in such a way that certain electrochemical processes, such as the formation of an SEI, initially take place before the battery cell is cycled during operation. In some embodiments, this step can be omitted or shortened when using the method according to the invention. In particular, the formation step can be shortened by a time interval, the duration of which depends on the process parameters of the treatment of the battery electrode blank according to the invention, in particular on the duration and / or the height and / or the course of a potential applied to a battery electrode blank during the treatment. This advantageously shortens the total manufacturing time when using the method according to the invention.

Ist im Rahmen der erfindungsgemäßen Behandlung eine Schutzschicht ausgebildet, insbesondere eine Prälithiierung vorgenommen worden, so kann im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Batteriezelle vorgesehen sein, dass eine alternative Kathode, insbesondere eine im Vergleich zu einer Verfahrensdurchführung ohne Ausbildung einer Schutzschicht, insbesondere Prälithiierung, kleinere Kathode gewählt wird. Insbesondere wird die Größe der alternativen Kathode abhängig von den Prozessparametern der Behandlung gewählt. Während der Ausbildung einer Schutzschicht in einem Formierungsschritt werden Lithium-Ionen gebunden. Diese werden im Rahmen des Fertigungsverfahrens über die Kathode in die Batteriezelle eingebracht, mit anderen Worten sind sie in der Kathode gespeichert, bevor diese in die Batteriezelle eingebaut wird. Ist eine Schutzschicht bereits vor dem Zusammenbau der Batteriezelle auf einer oder beiden Elektroden ausgebildet, so müssen dementsprechend weniger Lithium-Ionen in der Kathode gespeichert, die Kathode kann also dementsprechend kleiner ausgebildet, werden. Dadurch werden vorteilhaft Materialkosten gespart und die Energiedichte der Batteriezelle erhöht.If a protective layer has been formed in the course of the treatment according to the invention, in particular a prelithiation has been carried out, it can be provided in the production method for a battery cell in accordance with the invention that an alternative cathode, in particular a cathode which is smaller in comparison to a method implementation without forming a protective layer, in particular prelithiation, is chosen becomes. In particular, the size of the alternative cathode is selected depending on the process parameters of the treatment. Lithium ions are bound during the formation of a protective layer in a formation step. As part of the manufacturing process, these are introduced into the battery cell via the cathode, in other words they are stored in the cathode before it is installed in the battery cell. If a protective layer is already formed on one or both electrodes before the battery cell is assembled, fewer must be used accordingly Lithium ions are stored in the cathode, so the cathode can accordingly be made smaller. This advantageously saves material costs and increases the energy density of the battery cell.

Erfindungsgemäß vorgesehen ist außerdem eine Batteriezelle, hergestellt und/oder herstellbar nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren.According to the invention, a battery cell is also provided, manufactured and / or producible by one of the methods according to the invention.

Im Zusammenhang der Erfindung steht zudem eine Vorrichtung zur Herstellung von Batterieelektroden, aufweisend wenigstens eine Behandlungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass in der Behandlungsvorrichtung in einem elektrochemischen Verfahren ein Batterieelektrodenrohling mit einer ionischen Flüssigkeit behandelbar ist.The invention also relates to a device for producing battery electrodes, comprising at least one treatment device, characterized in that a battery electrode blank can be treated with an ionic liquid in the treatment device in an electrochemical process.

Die Behandlungsvorrichtung ist bevorzugt ein Tauchbad. In einer bevorzugten Ausführungsform findet die Behandlung des Batterieelektrodenrohlings in einem Rollzu-Rolle-Verfahren statt. Tauchbäder und Rolle-zu-Rolle-Verfahren sind in der Verfahrenstechnik vielfach eingesetzt, sodass sie üblicherweise mit hoher Effizienz in einen Prozess integriert werden können.The treatment device is preferably an immersion bath. In a preferred embodiment, the treatment of the battery electrode blank takes place in a roll-to-roll process. Dip baths and roll-to-roll processes are widely used in process engineering so that they can usually be integrated into a process with high efficiency.

Besonders bevorzugt ist die Behandlungsvorrichtung zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batterieelektrode ausgeführt.The treatment device is particularly preferably designed to carry out a method according to the invention for producing a battery electrode.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein elektrifiziertes Fahrzeug, insbesondere ein Landfahrzeug, bevorzugt ein nicht-schienengebundenes Landfahrzeug, besonders bevorzugt ein Personenkraftfahrzeug, welches eine Traktionsbatterie aufweist. Diese Traktionsbatterie beinhaltet wenigstens eine erfindungsgemäße Batteriezelle, welche wiederum wenigstens eine erfindungsgemäße Batterieelektrode beinhaltet. Unter einer Traktionsbatterie ist dabei eine Batterie zu verstehen, welche die elektrische Antriebsmaschine zumindest zeitweise mit wenigstens einem Teil der für den Antrieb des Fahrzeugs erforderlichen elektrischen Energie versorgt.Furthermore, the invention relates to an electrified vehicle, in particular a land vehicle, preferably a non-rail-bound land vehicle, particularly preferably a passenger vehicle, which has a traction battery. This traction battery contains at least one battery cell according to the invention, which in turn contains at least one battery electrode according to the invention. A traction battery is to be understood here as a battery which at least temporarily supplies the electric drive machine with at least part of the electrical energy required for driving the vehicle.

Schließlich betrifft die Erfindung noch die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit zur Ausbildung einer Solid-Electrolyte-Interphase auf einem Batterieelektrodenrohling vor dem Einbau der Batterieelektrode in eine Batterie, insbesondere im Rahmen einer der vorgenannten Herstellungsverfahren.Finally, the invention also relates to the use of an ionic liquid to form a solid electrolyte interphase on a battery electrode blank before the battery electrode is installed in a battery, in particular as part of one of the aforementioned production processes.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:

  • 1 einen beispielhaften Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 schematisch Komponenten in der Batteriezellenfertigung in verschiedenen Phasen,
  • 3 schematisch Komponenten in der Batteriezellenfertigung in verschiedenen Phasen bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 4 schematisch Komponenten in der Batteriezellenfertigung in verschiedenen Phasen bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 5 die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens als Rolle-zu-Rolle-Verfahren,
  • 6 ein erfindungsgemäßes elektrifiziertes Fahrzeug.
Further advantages and advantageous embodiments and developments of the invention are illustrated by the following description with reference to the figures. It shows in detail:
  • 1 an exemplary sequence of an embodiment of the method according to the invention,
  • 2 schematic components in battery cell production in different phases,
  • 3 schematically components in battery cell production in different phases in another embodiment of the method according to the invention,
  • 4 schematically components in battery cell production in different phases in another embodiment of the method according to the invention,
  • 5 the execution of a method according to the invention as a roll-to-roll process,
  • 6 an electrified vehicle according to the invention.

Unter Bezugnahme auf die Figuren werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie dessen beispielhafte Anwendung in einem Fahrzeug dargestellt.With reference to the figures, embodiments of the method according to the invention and its exemplary application in a vehicle are shown.

1 zeigt für ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung einen beispielhaften Ablauf. Dabei wird in einem ersten Schritt S10 ein Anodenrohling gefertigt. In einem Parallelschritt S20 wird ein Kathodenrohling gefertigt. Die Anode wird anschließend in einem Prälithiierungsschritt S30 elektrochemisch nachbearbeitet. Die Erzeugnisse der Prozessschritte werden anschließend gemeinsam mit weiteren Zellkomponenten 10 zu einer Batteriezelle zusammengebaut S40. Anschließend wird die eigentliche Batteriezellenfertigung mit einem Formierungsschritt S50 abgeschlossen. 1 shows an exemplary sequence for a possible embodiment of the invention. In a first step S10 made an anode blank. In a parallel step S20 a cathode blank is manufactured. The anode is then subjected to a prelithiation step S30 post-processed electrochemically. The products of the process steps are then together with other cell components 10 assembled into a battery cell S40 , Then the actual battery cell production with a forming step S50 completed.

2 zeigt Komponenten der Batteriezellenfertigung in verschiedenen Phasen. Dabei findet keine Behandlung des Batterieelektrodenrohlings - in diesem Fall einer Siliziumanode 20 - statt. Aus diesem Grund wird in der zusammengebauten Batteriezelle aus Anode 20, Separator 80 und Kathode 90, durch das angelegte Potential 50 mittels Lithium-Ionen 40 aus der Kathode 90 eine Solid-Electrolyte-Interphase ausgebildet. 2 shows components of battery cell production in different phases. There is no treatment of the battery electrode blank - in this case a silicon anode 20 - instead of. For this reason, the anode becomes in the assembled battery cell 20 , Separator 80 and cathode 90 , by the applied potential 50 using lithium ions 40 from the cathode 90 a solid electrolyte interphase.

3 zeigt dagegen Komponenten der Batteriezellenfertigung, wobei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anwendung kommt. Mittels eines Galvanostaten 100, welcher den Stromfluss 30 regelt, wird hier in einem Behandlungsschritt durch Einstellen eines entsprechenden Potentials 50 aus einer Lithiumquelle 70 (hier schematisch dargestellt) in einem Tauchbad, an der Oberfläche der Siliziumanode 20 eine Solid-Electrolyte-Interphase 60 ausgebildet und gleichzeitig Lithium-Ionen 40 in der Anode 20 eingelagert (Prälithiierung). Wird anschließend die Formierung durchgeführt, so kann diese wesentlich verkürzt werden. Die Batteriezelle ist somit direkt nach dem Zusammenbau einsatzbereit und im Betrieb werden keine, oder nur sehr wenige, Lithium-Ionen 40 aus der Kathode 90 zur Ausbildung oder Aufrechterhaltung einer SEI 60 benötigt. 3 on the other hand shows components of the battery cell production, an embodiment of the method according to the invention being used. By means of a galvanostat 100 which is the current flow 30 is regulated here in one treatment step by setting a corresponding potential 50 from a lithium source 70 (shown here schematically) in an immersion bath, on the surface of the silicon anode 20 a solid electrolyte interphase 60 trained and at the same time lithium-ion 40 in the anode 20 stored (prelithiation). If the formation is then carried out, it can be shortened considerably. The battery cell is thus ready for use immediately after assembly and no, or very few, lithium ions become operational 40 from the cathode 90 to train or maintain an SEI 60 needed.

4 zeigt, ähnlich wie 3, Komponenten der Batteriezellenfertigung, wobei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anwendung kommt. Hier wird das Potential 50 jedoch derart eingestellt, dass zwar eine SEI 60 ausgebildet wird, aber zusätzlich nur im Verhältnis wenige Lithium-Ionen 40 in der Siliziumanode 20 eingelagert werden. Dadurch erhöht sich die Beständigkeit der Elektrode gegen Umwelteinflüsse während des Fertigungsverfahrens. Im Betrieb werden hier in einer initialen Ladung im Verhältnis deutlich mehr Lithium-Ionen 40 in der Anode 20 eingelagert. 4 shows similar to 3 , Components of battery cell production, an embodiment of the method according to the invention being used. Here is the potential 50 however set such that an SEI 60 is formed, but additionally only in the ratio of a few lithium ions 40 in the silicon anode 20 be stored. This increases the resistance of the electrode to environmental influences during the manufacturing process. In operation, significantly more lithium ions are used in an initial charge 40 in the anode 20 stored.

5 zeigt, wie in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren in einem Tauchbad eine Prälithiierung durchgeführt wird. Dabei wird eine verformbare Elektrodenrolle 110 durch ein Tauchbad geleitet und die Prälithiierung mittels eines über einen Galvanostaten 100 eingestellten Potentials 50 kontinuierlich durchgeführt. Vorteilhaft wird diese Behandlung vor einem Trocknungsschritt durchgeführt, da dann die Elektrodenrolle noch leicht verformbar ist. 5 shows how a prelithiation is carried out in a roll-to-roll process in an immersion bath. This creates a deformable electrode roll 110 passed through an immersion bath and the prelithiation by means of a galvanostat 100 set potential 50 carried out continuously. This treatment is advantageously carried out before a drying step, since the electrode roller is then still easily deformable.

6 zeigt schließlich ein erfindungsgemäßes elektrifiziertes Fahrzeug (120) mit einer Traktionsbatterie (130), welche zwei Batteriezellen (140) mit jeweils einer Batterieelektrode (150) beinhaltet. 6 finally shows an electrified vehicle according to the invention ( 120 ) with a traction battery ( 130 ) which two battery cells ( 140 ) with one battery electrode each ( 150 ) includes.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

S10S10
Anodenfertigunganode production
S20S20
Kathodenfertigungcathode production
S30S30
Prälithiierungprelithiation
S40S40
Zusammenbauassembly
S50S50
Formierungformation
1010
weitere Zellkomponentenother cell components
2020
Siliziumanodesilicon anode
3030
Elektronenelectrons
4040
Lithium-IonenLithium-ion
5050
Potentialpotential
6060
Solid-Electrolyte-InterphaseSolid Electrolyte Interphase
7070
Lithium-QuelleLithium-source
8080
Separatorseparator
9090
Kathodecathode
100100
Galvanostatgalvanostat
110110
Elektrodenrolleelectrode roller
120120
elektrifiziertes Fahrzeugelectrified vehicle
130130
Traktionsbatterietraction battery
140140
Batteriezellebattery cell
150150
Batterieelektrodebattery electrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • US 20160351910 A1 [0006]US 20160351910 A1 [0006]

Claims (14)

Herstellungsverfahren für eine Batterieelektrode (150), umfassend wenigstens die Schritte: a. Herstellen eines Batterieelektrodenrohlings (S10, S20) b. Behandlung des Batterieelektrodenrohlings (S30) dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des Batterieelektrodenrohlings mittels einer ionischen Flüssigkeit durchgeführt wird.Manufacturing method for a battery electrode (150), comprising at least the steps: a. Manufacturing a battery electrode blank (S10, S20) b. Treatment of the battery electrode blank (S30), characterized in that the treatment of the battery electrode blank is carried out using an ionic liquid. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Behandlung eine Schutzschicht (60) auf der Elektrode (150) ausgebildet wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the treatment forms a protective layer (60) on the electrode (150). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Batterieelektrode (150) um eine Siliziumanode oder Silizium-Graphitanode oder Graphitanode handelt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the battery electrode (150) is a silicon anode or silicon-graphite anode or graphite anode. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Anode (20) in einem elektrochemischen Verfahren eine Solid-Electrolyte-Interphase (60) ausgebildet wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that a solid electrolyte interphase (60) is formed on the anode (20) in an electrochemical process. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Behandlung des Batterieelektrodenrohlings Lithium-Ionen (40) im Batterieelektrodenrohling (20, 90) eingelagert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the treatment of the battery electrode blank, lithium ions (40) are embedded in the battery electrode blank (20, 90). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Behandlung des Batterieelektrodenrohlings (20, 90) keine oder nahezu keine Lithium-Ionen (40) im Batterieelektrodenrohling (20, 90) eingelagert werden.Procedure according to one of the Claims 1 to 4 , characterized in that no or almost no lithium ions (40) are stored in the battery electrode blank (20, 90) during the treatment of the battery electrode blank (20, 90). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Behandlung des Batterieelektrodenrohlings (20, 90) mit wenigstens eines der folgenden ionischen Salze durchgeführt wird: - LiTFSI in PYR13TFSI (Lithium bis(trifluoromethan)sulfonimide in N-Propyl-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) - LiFSI in EMIFSI (Lithium bis(fluorosulfonyl)imide in 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl) imide) - LiFSI in PYR13FSI (Lithium bis(fluorosulfonyl)imide in N-Propyl-N-methylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imide)Method according to one of the preceding claims, characterized in that for the treatment of the battery electrode blank (20, 90) is carried out with at least one of the following ionic salts: LiTFSI in PYR13TFSI (lithium bis (trifluoromethane) sulfonimide in N-propyl-N-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) - LiFSI in EMIFSI (lithium bis (fluorosulfonyl) imide in 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide) - LiFSI in PYR13FSI (lithium bis (fluorosulfonyl) imide in N-propyl-N-methylpyrrolidin (fluorosulfonyl) imides) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Molarität eines im Behandlungsschritt eingesetzten Leitsalzes zwischen 0,1 und 5 M liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the molarity of a conducting salt used in the treatment step is between 0.1 and 5 M. Batterieelektrode (150), hergestellt und/oder herstellbar mittels eines Herstellungsverfahrens, welches die Anwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.Battery electrode (150), produced and / or producible by means of a production method, which comprises the application of the method according to one of the preceding claims. Herstellungsverfahren für eine Batteriezelle (140), umfassend wenigstens die Schritte: a. Bereitstellen wenigstens einer Batterieelektrode (150) gemäß Anspruch 9 b. Bau der Batteriezelle (140) mit der wenigstens einen Batterieelektrode (S40)Manufacturing method for a battery cell (140), comprising at least the steps: a. Providing at least one battery electrode (150) according to Claim 9 b. Construction of the battery cell (140) with the at least one battery electrode (S40) Batteriezelle (140), hergestellt und/oder herstellbar nach dem Anspruch 10.Battery cell (140), manufactured and / or manufactured according to the Claim 10 , Vorrichtung zur Herstellung von Batterieelektroden (150), aufweisend wenigstens eine Behandlungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass in der Behandlungsvorrichtung in einem elektrochemischen Verfahren ein BatterieelektrodenRohling mit einer ionischen Flüssigkeit behandelbar ist.Device for producing battery electrodes (150), comprising at least one treatment device, characterized in that a battery electrode blank can be treated with an ionic liquid in the treatment device in an electrochemical process. Elektrifiziertes Fahrzeug (120) mit einer Traktionsbatterie (130), aufweisend wenigstens eine Batteriezelle (140) gemäß Anspruch 11, aufweisend wenigstens eine Batterieelektrode (150) gemäß Anspruch 9.Electrified vehicle (120) with a traction battery (130), comprising at least one battery cell (140) according to Claim 11 comprising at least one battery electrode (150) according to Claim 9 , Verwendung einer ionischen Flüssigkeit zur Ausbildung einer Solid-Electrolyte-Interphase (60) auf einem Batterieelektrodenrohling (20, 90) in einem elektrochemischen Verfahren vor dem Einbau der Batterieelektrode (150) in eine Batterie (140).Use of an ionic liquid to form a solid electrolyte interphase (60) on a battery electrode blank (20, 90) in an electrochemical process before the battery electrode (150) is installed in a battery (140).
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