DE102018217764A1

DE102018217764A1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, Elektrode und Batteriezelle

Info

Publication number: DE102018217764A1
Application number: DE102018217764.3A
Authority: DE
Inventors: Timofey Kruglov; Uwe Iben
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2019-07-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (21, 22) für eine Batteriezelle (2), umfassend folgende Schritte:- Bereitstellen eines Vorläufermaterials, welches anisotrope Partikel umfasst, die aus einem Elektrodenmaterial bestehen, oder welches eine Mischung von anisotropen Partikel umfasst, die jeweils Komponenten des Elektrodenmaterials aufweisen, wobei die anisotropen Partikel jeweils eine Längsachse aufweisen, die sich entlang einer längsten geometrischen Ausdehnung des anisotropen Partikels erstreckt;- Aufbringen des Vorläufermaterials auf ein folienartig ausgebildetes Substrat;- Ausrichten der anisotropen Partikel auf dem Substrat durch mechanische derart, dass nach dem Ausrichten die Längsachse des jeweiligen anisotropen Partikels senkrecht zu dem folienartig ausgebildeten Substrat steht;- Erstellung einer Elektrodenschicht (41, 42) aus dem Vorläufermaterial.Die Erfindung betrifft ferner eine Elektrode (21, 22) für eine Batteriezelle (2), die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, sowie eine Batteriezelle (2), die mindestens eine erfindungsgemäßen Elektrode (21, 22) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batteriezelle. Die Erfindung betrifft ferner eine Elektrode, die nach dem erfindungsgemäße Verfahren hergestellt ist, sowie eine Batteriezelle, die eine Erfindungsgemäße Elektrode umfasst.
Stand der Technik
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
In einem Akkumulator finden insbesondere Lithium-basierte Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
Lithium-basierte Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid oder ein schwefelhaltiges Material. Bei dem Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Graphit oder Silizium oder metallisches Lithium.
Das Dokument JP 2012-064432 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Pulverschicht, die ein aktives Material und/oder einen festen Elektrolyten enthält, ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenkörpers, der mindestens einen Stromkollektor und eine Elektrodenschicht umfasst, und ein Verfahren zum Herstellen einer Feststoff-Batterie mit einem Festelektrolyten.
Das Dokument JP 2015-022916 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenschicht und eine Herstellungsvorrichtung zum Auftragen eines Füllstoffs, der ein Aktivmaterial enthält, auf einen porösen Körper.
Das Dokument US 2016/096334 A1 offenbart ein Verfahren zur Orientierung von Poren unter Verwendung eines magnetischen Feldes.
Das Dokument US 2012/177842 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Energiespeichervorrichtung, die eine Sekundärbatterie mit nicht-wässrigem Elektrolyt, insbesondere eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie umfasst.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Dabei kann es sich um eine negative Elektrode handeln, die auch als Anode bezeichnet wird, oder um eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:
Zunächst wird ein Vorläufermaterial bereitgestellt, welches anisotrope Partikel enthält. Dabei kann das Vorläufermaterial anisotrope Partikel umfassen, die aus einem Elektrodenmaterial bestehen. Das Vorläufermaterial kann aber auch eine Mischung von anisotropen Partikeln umfassen, die jeweils Komponenten des Elektrodenmaterials aufweisen. Die anisotropen Partikel weisen jeweils eine Längsachse auf, die sich entlang einer längsten geometrischen Ausdehnung des anisotropen Partikels erstreckt.
Die anisotropen Partikel bzw. die Mischung von anisotropen Partikeln können jeweils wiederum ein Gemisch aus anisotropen Partikeln unterschiedlicher Form und/oder Größe sein.
Nach dem Bereitstellen wird das Vorläufermaterial auf ein folienartig ausgebildetes Substrat aufgebracht. Danach werden die anisotropen Partikel auf dem Substrat derart ausgerichtet, dass nach dem Ausrichten die Längsachse des jeweiligen anisotropen Partikels senkrecht zu dem folienartig ausgebildeten Substrat steht. Das Ausrichten der anisotropen Partikel auf dem Substrat erfolgt bevorzugt durch eine mechanische Einwirkung, eine thermische Einwirkung, Einwirkung eines elektrischen Feldes oder Einwirkung eines magnetischen Feldes.
Bevorzugt weisen mindestens 80 % der anisotropen Partikel nach dem Ausrichten eine Orientierung auf, welche um weniger als 10° von der Senkrechten zur Oberfläche des Substrats abweicht.
Eine mechanische Einwirkung kann beispielsweise in Form einer Vibration ausgestaltet sein, bei der das Substrat entlang einer Richtung, die Senkrecht zu der Oberfläche des folienartig ausgebildeten Substrats ist, in Vibration versetzt wird. Des Weiteren kann eine mechanische Einwirkung durch Schall erfolgen. Die mechanische Einwirkung wirkt direkt auf die auszurichtenden anisotropen Partikel ein.
Eine Einwirkung unter Verwendung von elektrischen und/oder magnetischen Feldern kann ebenfalls direkt auf die anisotropen Partikel wirken, sofern diese magnetische Bestandteile beinhalten oder elektrisch geladen sind. Des Weiteren können weitere Einwirkungen indirekt erfolgen. Beispielsweise können dem Vorläufermaterial Hilfsstoffe zugegeben werden, welche sich bei thermischer Einwirkung in bestimmter Weise ausdehnen und dabei eine Orientierung der anisotropen Partikel bewirken. Des Weiteren können magnetische und/oder elektrisch geladene Hilfsstoffe zugegeben werden, welche mit den anisotropen Partikeln wechselwirken und somit eine Ausrichtung bei Einwirkung von einem elektrischen und/oder magnetischen Feld ermöglichen. Gegebenenfalls verwendete Hilfsstoffe können bei einer weiteren Verarbeitung entfernt werden, beispielsweise durch Verdampfen, oder können in dem Material verbleiben.
Das Vorläufermaterial kann beispielsweise in Form einer Suspension ausgeführt sein. In einer Ausführungsform sind die anisotropen Partikel in einer Flüssigkeit wie beispielsweise einem Lösungsmittel suspendiert, welches später entfernt wird. Beispielsweise kann die Flüssigkeit im Rahmen des Schritts der Erstellung der Elektrodenschicht durch Wärmeeinwirkung verdampft werden. In einer alternativen Ausführungsform sind die anisotropen Partikel in einem flüssigen Elektrolyten suspendiert, der auch nach dem Erstellen der Elektrodenschicht in der Elektrode verbleibt.
Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, die Oberfläche des Substrats vorzubehandeln, beispielsweise durch Dehnen oder ein Ätzverfahren, so dass die Oberfläche des Substrats Strukturen aufweist, die eine Orientierung der anisotropen Partikel ermöglicht oder unterstützt.
Die mechanische Einwirkung auf das Substrat zum Ausrichten der anisotropen Partikel umfasst dabei vorzugsweise eine Vibration, die senkrecht zu der Oberfläche des folienartig ausgebildeten Substrats ist. Die Vibration ist verhältnismäßig einfach und kostengünstig durchführbar. Frequenz und Amplitude der Vibration werden abhängig von der Anisotropie der Partikel, der Größenverteilung der anisotropen Partikel und der mechanischen Eigenschaften der anisotropen Partikel, wie deren Reibungskoeffizienten, eingestellt.
Nach dem Ausrichten der anisotropen Partikel wird aus dem Vorläufermaterial durch entsprechende Weiterbehandlung eine Elektrodenschicht erstellt. Die Weiterbehandlung kann insbesondere ein Pressen beinhalten. Beispielsweise kann eine Kalandrierung vorgenommen werden. Insbesondere kann eine Rollezu-Rolle Kalandrierung vorgenommen werden. Des Weiteren ist es möglich, den Schritt des Ausrichtens und den Schritt der Weiterbehandlung gemeinsam auszuführen, wobei beispielsweise eine Kalandrierung gleichzeitig mit einer mechanischen Einwirkung, einer thermischen Einwirkung, einer magnetischen Einwirkung und/oder einer Einwirkung durch ein elektrisches Feld eingesetzt wird.
Bei einem Pressen oder Kalandrieren können sich die einzelnen anisotropen Partikel verbinden, wobei eine Porenstruktur mit einer aufgrund der Anisotropie der Partikel anisotropen Tortuosität entsteht. In der erstellten Elektrodenschicht können je nach Ausführungsform die einzelnen anisotropen Partikel noch als solche erkennbar bleiben oder zu einem porösen Material verschmelzen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist das folienartige Substrat eine Trägerfolie, welche nach dem Erstellen der Elektrodenschicht entfernt wird. Ist die Elektrodenschicht freitragend, so kann die Trägerfolie in einem ersten Schritt entfernt werden und in einem zweiten Schritt die Elektrodenschicht mit einem folienartig ausgebildeten Stromableiter verbunden werden. Alternativ dazu kann eine freie Seite der Elektrodenschicht in einem ersten Schritt mit einem folienartig ausgebildeten Stromableiter verbunden werden und die Trägerfolie kann in einem nachfolgenden zweiten Schritt entfernt werden.
Ein einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist das folienartige Substrat ein Stromableiter der herzustellenden Elektrode. Der Schritt zum Aufbringen des Elektrodenmaterials auf dem Stromableiter und der Schritt zum Ausrichten der anisotropen Partikel auf dem Stromableiter müssen nicht zwingend nacheinander ausgeführt werden sondern können in dieser Ausführungsform des Verfahrens auch geleichzeitig stattfinden.
Der Stromableiter ist aus elektrisch leitendem Material, bevorzugt aus einer Metallfolie gefertigt. Wenn der Stromableiter zur Herstellung einer Anode vorgesehen ist, so ist er beispielsweise aus Kupfer gefertigt. Wenn der Stromableiter zur Herstellung einer Kathode vorgesehen ist, so ist er beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Die Elektrodenschicht bildet gemeinsam mit dem Stromableiter die Elektrode.
Das Elektrodenmaterial umfasst bevorzugt mindestens eine oder mehrere der folgenden Komponenten: mindestens ein Aktivmaterial, mindestens einen Leitzusatz, mindestens einen Binder und/oder mindestens einen Elektrolyten. Das Elektrodenmaterial umfasst bevorzugt zumindest ein Aktivmaterial, welches aus chemisch aktiven Substanzen besteht, die für eine Energiespeicherung in Batteriezellen verantwortlich sind. Wenn das Elektrodenmaterial zur Herstellung einer Anode vorgesehen ist, so handelt es sich bei dem Aktivmaterial beispielsweise um Graphit oder Silizium. Wenn das Elektrodenmaterial zur Herstellung einer Kathode vorgesehen ist, so handelt es sich bei dem Aktivmaterial beispielsweise um ein Metalloxid.
Das Elektrodenmaterial kann ferner zur Erhöhung einer elektrischen Leitfähigkeit einen Leitzusatz wie beispielsweise Carbon Black und/oder zum Zusammenhalten des Aktivmaterials einen Binder, insbesondere PVDF (Polyvinylidenfluorid), enthalten.
Darüber hinaus kann das Elektrodenmaterial einen Elektrolyten aufweisen. Der Elektrolyt kann insbesondere ein Festelektrolyt sein. Geeignete Festelektrolyten sind beispielsweise NASICON LiTi₂(PO₄)₃, LiGe2(PO4)3, Granate wie Li₇La₃Zr₂O₁₂, Perovskite wie Li_3xLa_2/3-xTiO₃, LISICON, γ-Li₃PO₄, LiPON, Li₃N, Sulfide wie Li₄GeS₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₂S-P₂S₅, Argyrodite wie Li₆PS₅X (X=Cl, Br, I), Anti-Perovskite wie Li₃OX (X=Cl, Br, I).
Bevorzugt liegt ein mittlerer Partikeldurchmesser im Bereich von 20 nm bis 100 µm, wobei ein mittlerer Partikeldurchmesser im Bereich von 100 nm bis 10 µm bevorzugt wird. Dabei bezieht sich der Durchmesser auf die größte Länge zwischen zwei Punkten auf der kleinsten Projektionsfläche eines Partikels. Die Durchmesser der Partikel unterliegen einer Größenverteilung, wobei unter dem mittleren Partikeldurchmesser der Median der Größenverteilung verstanden wird. Grenzen für die Partikelgrößen können beispielsweise durch Sieben definiert werden, wobei alle Partikel oberhalb bzw. unterhalb einer vorgegebenen Größe ausgesiebt werden. Des Weiteren sind dem Fachmann verschiedene Herstellungsprozesse für Pulver, Granulate und Partikel bekannt, bei denen bereits bei der Herstellung der Teilchen enge Größenverteilungen erreicht werden können. Ein Beispiel hierfür sind Granulationsprozesse.
Bevorzugt ist das Längenverhältnis zwischen der Längsachse und weiteren Nebenachsen der anisotropen Partikel größer als oder gleich 2:1, wobei das Verhältnis besonders bevorzugt im Bereich von 2:1 bis 10:1 liegt. Ein größeres Verhältnis, also eine größere Anisotropie der Partikel, ermöglicht eine verbesserte Tortuosität in einer Richtung senkrecht zum Substrat. Hingegen sind anisotrope Partikel mit kleinerem Verhältnis leichter auszurichten und zu handhaben.
Bevorzugt weisen zumindest 80 vol.% der anisotropen Partikel ein Verhältnis von Längsachse zu den Nebenachsen von 2:1 oder größer auf.
Die anisotropen Partikel können jede beliebige anisotrope Körperform aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die anisotropen Partikel jeweils einen ellipsoidförmigen Körper auf. Ein Ellipsoid ist die dreidimensionale Entsprechung einer Ellipse. Der Ellipsoid stellt dabei eine idealisierte Form dar, wobei reale anisotrope Partikel von diesem Ideal abweichen können. Für das Verhältnis von der Längsachse zu den Nebenachsen wird dabei ein Ellipsoid betrachtet, welcher das reale Aussehen des anisotropen Partikels am besten annähert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die anisotropen Partikel jeweils einen kapselförmigen Körper auf. Ein kapselförmiger Körper ist eine halbierte Kugel, in deren Mitte passend ein Zylinder mit dem gleichen Radius eingefügt wurde. Wiederum stellt dabei die Kapselform eine Idealisierung dar, wobei für die Betrachtung des Verhältnisses von der Längsachse zu den Nebenachsen des anisotropen Partikels auf die idealisierte Kapselform abgestellt wird, die das reale Aussehen am besten annähert.
Es wird ferner eine Elektrode für eine Batteriezelle vorgeschlagen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Bei der Elektrode kann es sich dabei um eine Anode ebenso wie um eine Kathode handeln.
In Elektroden nach dem Stand der Technik ist eine Tortuosität, welche den Grad der Gewundenheit von Transportwegen in den Poren eines porösen Materials angibt, isotrop und kann über die Bruggemann Beziehung durch $τ = \frac{1}{\sqrt{ε}}$
angegeben werden, wobei τ die Tortuosität und ε die Porosität angibt. Für eine Porosität von beispielsweise 37 vol.% ergibt sich eine isotrope Tortuosität von ca. 1,64.
Eine erfindungsgemäße Elektrode weist eine Anisotropie der Tortuosität auf, welche in der Richtung senkrecht zum Stromableiter beispielsweise über die Beziehung $τ = {(\frac{l_{e f f}}{l})}^{2}$
ausgedrückt werden kann, wobei I die Dicke der Elektrodenschicht ist und leff die mittlere effektive Länge eines Transportwegs durch die poröse Elektrodenschicht angibt. In der Richtung senkrecht zum folienartig ausgebildeten Stromableiter wird erfindungsgemäß eine verbesserte Tortuosität erreicht, welche beispielsweise ca. 1,1 beträgt und damit nahe an der minimal möglichen Tortuosität von 1 liegt. In einer dazu senkrechten Orientierung (also in einer Richtung parallel zu dem Stromableiter) wird beispielsweise eine Tortuosität von über 1,6 erreicht.
Die erfindungsgemäße Elektrode weist eine Elektrodenschicht auf, deren Tortuosität in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Stromableiters bevorzugt kleiner ist als 1,2 und besonders bevorzugt kleiner als 1,1 und in Richtungen parallel zu der Oberfläche des Stromableiters bevorzugt größer ist als 1,6.
Die Porosität der Elektrodenschicht beträgt bevorzugt im Bereich von 20 bis 60 vol.%, besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 50 vol.%.
Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode umfasst. Bevorzugt umfasst die Batteriezelle dabei eine erfindungsgemäße Anode und eine erfindungsgemäße Kathode.
Eine Erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Aber auch andere Anwendungen sind denkbar.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Elektrodenschicht der erfindungsgemäßen Elektrode für eine Batteriezelle weist eine verhältnismäßig gute Leistungsdichte auf. Durch das Ausrichten der anisotropen Partikel des Elektrodenmaterials entsteht eine geringe Tortuosität in dem Elektrodenmaterial in einer Richtung, die parallel zu der Längsachse des jeweiligen anisotropen Partikels ist, die sich entlang einer längsten geometrischen Ausdehnung des jeweiligen anisotropen Partikels erstreckt. Durch die Orientierung der anisotropen Partikel wird die Partikeldichte und/oder die Partikelkonzentration erhöht. Dadurch wird die Leistungsdichte des erfindungsgemäßen Elektrodenmaterials im Vergleich mit anderen Elektrodenschichten, die aus dem Stand der Technik bereits bekannt sind, bei gleicher Energiedichte deutlich erhöht.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
2: eine schematische Darstellung eines anisotropen Partikels eines Vorläufermaterials gemäß einer ersten Ausführungsform,
3: eine schematische Darstellung eines anisotropen Partikels eines Vorläufermaterials gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4a: eine schematische Darstellung eines Elektrodenmaterials auf einem Stromableiter vor Ausrichten der anisotropen Partikel,
4b: eine schematische Darstellung eines Elektrodenmaterials auf dem Stromableiter nach Ausrichten der anisotropen Partikel und
5: eine schematische Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektrode.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Eine Batteriezelle 2 ist in 1 schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 23 zu dem Elektrodenwickel gewickelt.
Die Anode 21 umfasst eine anodische Elektrodenschicht 41 und einen Stromableiter 31, welche flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden sind. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer, und elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Kathode 22 umfasst eine kathodische Elektrodenschicht 42 und einen Stromableiter 32, welche flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden sind. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium, und elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Anode 21 und die Kathode 22 sind durch den Separator 23 voneinander getrennt, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Der Separator 23 ist dabei zwischen der anodischen Elektrodenschicht 41 und der kathodischen Elektrodenschicht 42 angeordnet. Der Separator 23 ist elektrisch isolierend ausgebildet, aber ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines anisotropen Partikels 60 eines Vorläufermaterials 50 gemäß einer ersten Ausführungsform.
Dabei weist das anisotrope Partikel 60 einen ellipsoidförmigen Körper auf.
Ein Ellipsoid ist eine dreidimensionale Entsprechung einer Ellipse. Es umfasst dabei drei Halbachsen a, b und c. Vorzugsweise handelt es sich im Sinne dieser Erfindung um ein Rotationsellipsoid, bei welchem genau zwei Halbachsen a und c übereinstimmen.
Das in 2 dargestellte anisotrope Partikel 60 weist eine Längsachse x auf, welche sich entlang einer längsten geometrischen Ausdehnung des anisotropen Partikels 60 erstreckt.
Vorliegend in 2 liegt die Halbachse b des ellipsoidförmigen Körpers auf der Längsachse x.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines anisotropen Partikels 60 eines Vorläufermaterials 50 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Dabei weist das anisotrope Partikel 60 einen kapselförmigen Körper auf, welcher eine erste Halbkugel 62 mit einem Radius r, eine zweite Halbkugel 63 mit einem Radius r und einen zwischen den zwei Halbkugeln 62 und 63 eingefügten Zylinder 64 mit einem Radius r und einer Höhe h umfasst.
Das in 3 dargestellte anisotrope Partikel 60 weist eine Längsachse x auf, welche sich entlang einer längsten geometrischen Ausdehnung des anisotropen Partikels 60 erstreckt.
Vorliegend in 3 stellt die Längsachse x eine Mittellinie des kapselförmigen anisotropen Partikels 60 dar.
4a zeigt eine schematische Darstellung eines Vorläufermaterials 50 auf einem Stromableiter 31 vor dem Ausrichten der anisotropen Partikel 60. Dabei handelt es sich vorliegend um das Vorläufermaterial 50 zur Erstellung einer anodischen Elektrodenschicht 41 der Batteriezelle 2 aus 1.
Das Vorläufermaterial 50 ist auf dem folienartig ausgebildeten Stromableiter 31 der Anode 21 aufgebracht und kann anisotrope Partikel 60 umfassen, die aus einem Elektrodenmaterial 52 bestehen. Das Vorläufermaterial 50 kann aber auch eine Mischung von anisotropen Partikeln 60 umfassen, die jeweilige Komponenten des Elektrodenmaterials 52 aufweisen.
Der Stromableiter 31 ist dabei aus elektrisch leitendem Material, bevorzugt aus Metallfolien gefertigt. Vorliegend handelt es sich um den Stromableiter 31 zur Herstellung der Anode 21, so ist der Stromableiter 31 beispielsweise aus Kupfer gefertigt.
Die anisotropen Partikel 60 weisen jeweils eine Längsachse x auf, die sich entlang einer längsten geometrischen Ausdehnung des anisotropen Partikels 60 erstreckt. Dabei sind die anisotropen Partikel 60 unregelmäßig auf dem folienartig ausgebildeten Stromableiter 31 verteilt. Insbesondere weisen die anisotropen Partikel 60 unterschiedliche und voneinander unabhängige Ausrichtungen auf dem Stromableiter 31 auf.
Der Stromableiter 31 wird in mechanische Vibration versetzt. Die mechanische Vibration weist dabei eine Vibrationsrichtung 70 auf, welche in 4a als entsprechender Doppelpfeil dargestellt ist, und welche senkrecht zu dem Stromableiter 31 ist. Die mechanische Vibration auf den Stromableiter 31 stellt eine mechanische Einwirkung auf den Stromableiter 31 im Sinne der Erfindung dar.
Bei der Vibration kann der Stromableiter 31 auf einem schwingenden Tisch angeordnet sein. Unter einem schwingenden Tisch ist dabei eine horizontale Auflagefläche zu verstehen, die mit variabler Frequenz und Amplitude eine sinusförmige Auslenkung in horizontaler Richtung vollziehen kann. Der Stromableiter 31 kann hierbei beispielsweise mittels eines Unterdrucks und/oder auch einer Klemmvorrichtung auf der horizontalen Auflagefläche fixiert werden.
Das Aufbringen des Elektrodenmaterials 52 auf dem Stromableiter 31 und das Ausrichten der anisotropen Partikel 60 auf dem Stromableiter 31 durch mechanische Einwirkung auf den Stromableiter 31 müssen nicht zwingend nacheinander durchgeführt werden, sondern können auch gleichzeitig stattfinden.
4b zeigt eine schematische Darstellung eines Vorläufermaterials 50 auf dem Stromableiter 31 nach dem Ausrichten der anisotropen Partikel 60.
Durch die Einwirkung der Vibration auf den Stromableiter 31, die senkrecht zu dem Stromableiter 31 ist, erfolgt ein Ausrichten der anisotropen Partikel 60 derart, dass die Längsachse x des jeweiligen anisotropen Partikels 60 nach dem Ausrichten senkrecht zu dem Stromableiter 31 ist. Die Längsachse x des jeweiligen anisotropen Partikels 60 verläuft dabei parallel zu der Vibrationsrichtung 70. Nach der Einwirkung der Vibration auf den Stromableiter 31 sind die Längsachsen x der anisotropen Partikel 60 somit parallel zueinander ausgerichtet.
Die in 4a und 4b gezeigten Darstellungen können sich auch auf eine Kathode 22 beziehen.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektrode im Detail. Dabei handelt es sich vorliegend um eine Anode 21, welche eine Elektrodenschicht 41 und einen Stromableiter 31 umfasst. Eine Kathode 22 kann gleichartig dargestellt werden.
Der Stromableiter 31 ist dabei folienartig ausgebildet. Auf dem Stromableiter 31 ist die Elektrodenschicht 41 aufgebracht.
Die Elektrodenschicht 41 umfasst dabei anisotrope Partikel 60, welche aus einem Elektrodenmaterial 52 bestehen, oder welche jeweils Komponenten des Elektrodenmaterials 52 aufweisen.
Das Elektrodenmaterial 52 umfasst unter anderem ein Aktivmaterial, welches für eine Energiespeicherung in Batteriezellen verantwortlich ist. Das Elektrodenmaterial 52 kann ferner einen Leitzusatz wie beispielsweise Carbon Black und/oder einen Binder, insbesondere PVDF, enthalten. Darüber hinaus kann das Elektrodenmaterial 52 einen Festelektrolyt aufweisen.
Vorliegend in 5 weisen die anisotropen Partikel 60 einen kapselförmigen Körper auf. Die anisotropen Partikel 60 können aber auch einen ellipsoidförmigen Körper oder andere Körperformen aufweisen.
Die anisotropen Partikel 60 weisen jeweils eine Längsachse x auf, die sich entlang einer längsten geometrischen Ausdehnung des jeweiligen anisotropen Partikels 60 erstreckt und senkrecht zu dem Stromableiter 31 steht.
In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die anisotropen Partikel 60 nach dem Erstellen der Elektrodenschicht 41 noch als solche erkennbar. In alternativen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die anisotropen Partikel 60 zu einem einheitlichen porösen Material verschmolzen werden.
Als Aktivmaterial für die anodische Elektrodenschicht 41 kommen unter anderem Graphit, Silizium sowie Lithium-Metall in Frage. Als Aktivmaterial für die kathodische Elektrodenschicht 42 eignen sich beispielsweise Metalloxide (Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxide (LiNixCoyAl(1-x-y)O2, NCA), Lithium-Nickel-Cobalt-Manganoxide (LiNixCoyMn(1-x-y)O2, NCM), Lithiumeisenphosphat (LiFePO4, LFP)), schwefelhaltige Materialien (z.B. Komposit aus Polyacrylnitril (PAN) und Schwefel, z.B. SPAN).
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012064432 A [0005]
JP 2015022916 A [0006]
US 2016096334 A1 [0007]
US 2012177842 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (21, 22) für eine Batteriezelle (2), umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen eines Vorläufermaterials (50), welches anisotrope Partikel (60) umfasst, die aus einem Elektrodenmaterial (52) bestehen, oder welches eine Mischung von anisotropen Partikeln (60) umfasst, die jeweils Komponenten des Elektrodenmaterials (52) aufweisen, wobei die anisotropen Partikel (60) jeweils eine Längsachse (x) aufweisen, die sich entlang einer längsten geometrischen Ausdehnung des anisotropen Partikels (60) erstreckt; - Aufbringen des Vorläufermaterials (50) auf ein Substrat; - Ausrichten der anisotropen Partikel (60) auf dem Substrat derart, dass nach dem Ausrichten die Längsachse (x) des jeweiligen anisotropen Partikels (60) senkrecht zu dem folienartig ausgebildeten Substrat steht; - Erstellung einer Elektrodenschicht (41, 42) aus dem Vorläufermaterial (50).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichten der anisotropen Partikel (60) durch mechanische Einwirkung, thermische Einwirkung, Einwirkung eines elektrischen Feldes und/oder durch Einwirkung eines magnetischen Feldes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschicht (41, 42) durch einen Pressvorgang aus dem Vorläufermaterial (50) erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial (52) eines oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst: - mindestens ein Aktivmaterial, - mindestens einen Leitzusatz, - mindestens einen Binder und/oder - mindestens einen Elektrolyt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein folienartig ausgebildeter Stromableiter (31, 32) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein folienartig ausgebildeter Träger ist, der nach dem Erstellen der Elektrodenschicht entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die anisotropen Partikel (60) einen ellipsoidförmigen Körper aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die anisotropen Partikel (60) einen kapselförmigen Körper aufweisen.
Elektrode (21, 22) für eine Batteriezelle (2), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Batteriezelle (2), umfassend mindestens eine Elektrode (21, 22) nach Anspruch 9.
Verwendung der Batteriezelle (2) nach Anspruch 10 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.