DE102018219508A1

DE102018219508A1 - Elektrodenstapel und Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102018219508A1
Application number: DE102018219508.0A
Authority: DE
Inventors: Joo Young Choi; Heungtaek Shim; Taesung Kim; Hyunchul Roh; Younggeun Choi
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels (20) beschrieben, wobei in einem ersten Verfahrensschritt (11) ein zumindest ein positives Elektrodenelement (26), zumindest ein negatives Elektrodenelement (22) und zumindest einen zwischen dem positiven Elektrodenelement (26) und dem negativen Elektrodenelement (22) angeordneten Festkörperelektrolyten (24) enthaltender Elektrodenstapel (20) bereitgestellt wird,wobeiin einem zweiten Verfahrensschritt (12) der Elektrodenstapel (20) in der Art erwärmt wird, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem negativen Elektrodenelement (22) und dem Festkörperelektrolyten (24) sowie dem positiven Elektrodenelement (26) und dem Festkörperelektrolyten (24) ausgebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektrodenstapel und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie eine Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Zur Umsetzung der Elektromobilität werden Sekundärbatterien, die auch als wieder aufladbare Akkumulatoren bezeichnet werden, zur Speicherung elektrischer Energie verwendet. Dafür sind Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer großen Energiedichte, ihrer guten thermischen Stabilität und ihrer geringen Selbstentladung besonders geeignet.
Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Lithium-Ionen-Batteriezellen. Man unterscheidet hierbei zwischen Batteriezellen mit einem Flüssigelektrolyten und solchen mit einem Festkörperelektrolyten.
Aktuell werden Batteriezellen mit einem Festkörperelektrolyten, die auch als Festkörperzellen bezeichnet werden, bevorzugt in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet. Der Grund dafür ist, dass aufgrund der Verwendung eines Festkörperelektrolyten anstatt eines flüssigen Elektrolyten die Gefahr einer Entzündung des flüssigen Elektrolyten beim Erwärmen der betroffenen Batteriezellen vermieden werden kann.
Derartige Festkörperzellen beinhalten üblicherweise eine oder mehrere Elektrodeneinheiten in Form von Elektrodenwickeln oder Elektrodenstapeln, die zumindest eine positive Elektrode, zumindest eine negative Elektrode und zumindest einen Separator in Form eines Festkörperelektrolyten enthalten, der die positive und die negative Elektrode räumlich voneinander trennt. Die positive bzw. negative Elektrode befindet sich auf einem positiven bzw. negativen Stromsammler. Unter Ausbildung einer Festkörperzelle sind die Elektrodeneinheiten in ein Gehäuse aufgenommen. Das Gehäuse kann je nach Anwendungsfall prismatisch, rund oder folienartig sein.
Bisher liegt der Forschungsfokus in Bezug auf ein genormtes und effizientes Herstellungsverfahren auf üblichen Lithium-Ionen-Batteriezellen mit flüssigen Elektrolyten. Es gibt kein bekanntes Herstellungsverfahren für Festkörperzellen, das in Hinblick auf Herstellungsdauer oder Kosten optimiert ist.
Aus der US 2017/207482 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Elektrodeneinheit in Form eines Elektrodenwickels hergestellt wird. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein erstes Aktivmaterial für eine erste Elektrode bereitgestellt. Darüber hinaus wird ein zweites Aktivmaterial für einen Festkörperelektrolyten bereitgestellt. Anschließend wird ein drittes Aktivmaterial für eine zweite Elektrode bereitgestellt. Die erste Elektrode, die zweite Elektrode und der Festkörperelektrolyt sind folienartig ausgebildet und werden abschließend um einander gewickelt.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels vorgeschlagen. Dabei weist der Elektrodenstapel zumindest ein positives Elektrodenelement, zumindest ein negatives Elektrodenelement und zumindest einen zwischen dem positiven Elektrodenelement und dem negativen Elektrodenelement angeordneten Festkörperelektrolyten auf.
In einem ersten Verfahrensschritt wird ein derartiger Elektrodenstapel bereitgestellt. Anschließend wird der fertig bereitgestellte Elektrodenstapel in einem zweiten Verfahrensschritt in der Art erwärmt, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem negativen Elektrodenelement und dem Festkörperelektrolyten sowie dem positiven Elektrodenelement und dem Festkörperelektrolyten ausgebildet wird.
Dabei ist es vorteilhaft, dass das positive Elektrodenelement, der Festkörperelektrolyt und das negative Elektrodenelement als eine Einheit erwärmt werden können, ohne einzeln und separat voneinander erwärmt werden zu müssen. Dieser Verfahrensschritt kann übliche sonstige Herstellungsverfahren eines solchen Elektrodenstapels um ggf. zwei Verfahrensschritte reduzieren. Dadurch können die Herstellungskosten minimiert und darüber hinaus die Herstellungsdauer optimiert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So ist es von besonderem Vorteil, wenn das positive Elektrodenelement eine positive Elektrode umfasst. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn das negative Elektrodenelement eine negative Elektrode umfasst. Dabei dient das positive Elektrodenelement als eine Kathode und das negative Elektrodenelement als eine Anode während eines Entladevorgangs.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das positive Elektrodenelement weiterhin eine erste Trägerschicht umfasst. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn das negative Elektrodenelement weiterhin eine zweite Trägerschicht umfasst. Durch die erste bzw. die zweite Trägerschicht weisen das positive bzw. negative Elektrodenelement eine bessere mechanische Stabilität auf.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der jeweilige Siedepunkt der ersten bzw. zweiten Trägerschicht kleiner als der Siedepunkt der positiven bzw. negativen Elektrode ist. Damit können in dem zweiten Verfahrensschritt die erste Trägerschicht bzw. die zweite Trägerschicht mittels Verdampfen von dem positiven Elektrodenelement bzw. von dem negativen Elektrodenelement entfernt werden.
Der besondere Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass keine weiteren oder zusätzlichen Wärmebehandlungen notwendig sind. Dadurch kann der betroffene Herstellungsprozess weiter vereinfacht werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Festkörperelektrolyt eine dritte Trägerschicht aufweist und die dritte Trägerschicht vor der Bereitstellung des Elektrodenstapels von dem Festkörperelektrolyten manuell oder maschinell entfernt wird. Die dritte Trägerschicht wird als eine Trägerschicht für das Aktivmaterial des Festkörperelektrolyten betrachtet und hat überwiegend eine mechanische Stützfunktion.
Darüber hinaus lässt sich ein vorteilhafter Effekt erzielen, wenn der Festkörperelektrolyt sauerstoffhaltig ist. Dies bewirkt eine hohe lonen-Transportfähigkeit der Festkörperelektrolyte und dadurch eine gute elektrische Leitfähigkeit derartiger Festkörperelektrolyte in diese enthaltenden Festkörperzellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhaft für einen Elektrodenstapel, insbesondere einen Elektrodenstapel umfassend einen Festkörperelektrolyten, anwenden. Derartige Elektrodenstapel lassen sich wiederum vorteilhaft für Festkörperzellen einsetzen, die 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 kommen.
Figurenliste
In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Elektrodenstapels,
2: eine schematische Darstellung eines Verfahrensschrittes in 1,
3: eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektrodenstapels.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren 10 zur Herstellung eines Elektrodenstapels schematisch dargestellt. Das Verfahren 10 kann beispielsweise in der dargestellten Reihenfolge erfolgen.
In einem ersten Verfahrensschritt 11 wird ein Elektrodenstapel bereitgestellt. Der Elektrodenstapel kann zumindest ein positives Elektrodenelement, zumindest ein negatives Elektrodenelement und zumindest einen zwischen dem positiven Elektrodenelement und dem negativen Elektrodenelement angeordneten Festkörperelektrolyten aufweisen. Das positive Elektrodenelement kann eine positive Elektrode oder eine Kombination aus einer positiven Elektrode und einer ersten Trägerschicht umfassen. Zugleich kann das negative Elektrodenelement eine negative Elektrode oder eine Kombination aus einer negativen Elektrode und einer zweiten Trägerschicht umfassen.
Der erste Verfahrensschritt 11 kann mehrere in 2 dargestellte Teilverfahrensschritte umfassen, wobei in einem ersten Teilverfahrensschritt 110 ein positives Aktivmaterial bereitgestellt wird. Das positive Aktivmaterial kann LiCo_XO₂ oder Co Substitution mit Mangan, Nickel, Aluminium oder LiFePO₄ oder LiMn₂O₄ sein.
In einem zweiten Teilverfahrensschritt 112 wird das positive Aktivmaterial auf eine erste Trägerschicht aufgetragen unter Ausbildung eines positiven Elektrodenelements. Die erste Trägerschicht kann Polymere aufweisen, welche einen Siedepunkt aufweisen, der kleiner als der Siedepunkt des positiven Aktivmaterials ist. Zugleich wird in dem ersten Teilverfahrensschritt 110 ein negatives Aktivmaterial bereitgestellt. Das negative Aktivmaterial kann Lithium, Silizium, Graphit oder einen amorphen Kohlenstoff enthalten. Anschließend wird in dem zweiten Teilverfahrensschritt 112 das negative Aktivmaterial auf eine zweite Trägerschicht aufgetragen unter Ausbildung eines negativen Elektrodenelements. Wie die erste Trägerschicht kann die zweite Trägerschicht Polymere aufweisen, welche einen Siedepunkt aufweisen, der kleiner als der Siedepunkt des negativen Aktivmaterials ist. Die Polymere der ersten Trägerschicht können sich von den Polymeren der zweiten Trägerschicht unterscheiden. Darüber hinaus kann in dem ersten Teilverfahrensschritt 110 ein Festkörperelektrolyt in Form von NASICON oder ein Festkörperelektrolyt mit Granatstrukturen, vorzugsweise Lithium-Lanthan-Zirkonate (LLZO), aufweisen. Das Aktivmaterial des Festkörperelektrolyten wird dabei auf eine dritte Trägerschicht aufgetragen.
In einem dritten Teilverfahrensschritt 114 wird das positive Elektrodenelement mittels Wärmebestrahlung bei einer Temperatur von 110 °C bis 140 °C getrocknet. Dazu werden bespielweise simultan der Festkörperelektrolyt bei einer Temperatur von 110 °C bis 140 °C und das negative Elektrodenelement bei einer Temperatur von 80 °C bis 90 ° mittels Wärmebestrahlung getrocknet.
In einem vierten Teilverfahrensschritt 116 wird das positive Aktivmaterial auf die erste Trägerschicht und das negative Aktivmaterial auf die zweite Trägerschicht mittels Rollpressen festgedrückt. Zusätzlich kann auch in dem vierten Teilverfahrensschritt 116 der Festkörperelektrolyt zeitgleich auf die dritte Trägerschicht mittels Rollpressen befestigt werden. Das fertig hergestellte positive bzw. negative Elektrodenelement mitsamt dem Festkörperelektrolyten und der mit dieser verbundenen dritten Trägerschicht können je nach Anwendungsfall in gleichmäße Einzelstücke in einem fünften Teilverfahrensschritt 118 geschnitten werden. Abschließend wird die dritte Trägerschicht von dem Festkörperelektrolyten manuell oder maschinell entfernt.
Weiter wird der Elektrodenstapel in einem zweiten Verfahrensschritt 12 erwärmt, sodass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem negativen Elektrodenelement und dem Festkörperelektrolyten sowie dem positiven Elektrodenelement und dem Festkörperelektrolyten ausgebildet wird. Weiterhin wird in dem zweiten Verfahrensschritt 12 der Elektrodenstapel in der Art erwärmt, dass die erste Trägerschicht bzw. die zweite Trägerschicht mittels Verdampfens von dem ersten Elektrodenelement bzw. von dem zweiten Elektrodenelement entfernt werden. Dabei kann die Temperatur in einem für den zweiten Verfahrensschritt geeigneten Ofen zwischen 300 °C bis 600 °C betragen.
Um eine Festkörperzelle mit zumindest einem Elektrodenstapel, der nach dem dargestellten Verfahren 10 hergestellt ist, ausbilden zu können, wird in einem dritten Verfahrensschritt 13 ein negativer Stromsammler auf der negativen Elektrode beispielsweise mittels Kleben aufgebracht. Im Anschluss wird in einem vierten Verfahrensschritt 14 ein positiver Stromsammler gemäß dem gleichen Verfahren auf der positiven Elektrode aufgebracht zur Ausbildung einer Festkörperzelle. Nachfolgend wird die Festkörperzelle in einem fünften Verfahrensschritt 15 in einem Gehäuse aufgenommen. Alternativ kann eine beliebige Anzahl von Elektrodenstapeln, die gemäß dem dargestellten Verfahren 10 hergestellt sind, übereinandergestapelt werden. Dabei kann ein zweiter Elektrodenstapel mit einer spiegelverkehrten Abfolge von positiver Elektrode, Festkörperelektrolyten und negativen Elektrode auf einen ersten Elektrodenstapel gestapelt werden. Die zwei aufeinander gestapelten positiven Elektroden sind dabei beispielsweise von einem dazwischen angeordneten positiven Stromsammler getrennt. Nach dem Stapeln von Elektrodenstapeln können die Festkörperzellen durch eine oben bzw. unten befindende Heißplatte zusammengepresst werden, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Festkörperzellen zu erzielen.
In 2 ist ein erfindungsgemäßer Elektrodenstapel 20 schematisch dargestellt. Der Elektrodenstapel 20 umfasst eine positive Elektrode 26, einen Festkörperelektrolyten 24 und eine negative Elektrode 22, welche folienartig ausgebildet und aufeinandergestapelt sind. Darüber hinaus ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der negativen Elektrode 22 und dem Festkörperelektrolyten 24 sowie der positiven Elektrode 26 und dem Festkörperelektrolyten 24 ausgebildet. Die beschriebenen Elektrodenstapel eignen sich für Festkörperzellen, die wiederum Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie finden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017207482 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels (20), wobei in einem ersten Verfahrensschritt (11) ein zumindest ein positives Elektrodenelement (26), zumindest ein negatives Elektrodenelement (22) und zumindest einen zwischen dem positiven Elektrodenelement (26) und dem negativen Elektrodenelement (22) angeordneten Festkörperelektrolyten (24) enthaltender Elektrodenstapel (20) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensschritt (12) der Elektrodenstapel (20) in der Art erwärmt wird, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem negativen Elektrodenelement (22) und dem Festkörperelektrolyten (24) sowie dem positiven Elektrodenelement (26) und dem Festkörperelektrolyten (24) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das positive Elektrodenelement (26) eine positive Elektrode umfasst und/oder das negative Elektrodenelement (22) eine negative Elektrode umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das positive Elektrodenelement (26) weiterhin eine erste Trägerschicht umfasst und/oder das negative Elektrodenelement (22) weiterhin eine zweite Trägerschicht umfasst.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verfahrensschritt (12) der Elektrodenstapel (20) weiterhin in der Art erwärmt wird, dass die erste Trägerschicht bzw. die zweite Trägerschicht mittels Verdampfens von dem positiven Elektrodenelement (26) bzw. von dem negativen (22) Elektrodenelement entfernt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, wobei der Festkörperelektrolyt (24) eine dritte Trägerschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Trägerschicht vor der Bereitstellung des Elektrodenstapels (20) von dem Festkörperelektrolyten (24) entfernt wird.
Elektrodenstapel umfassend zumindest eine positiven Elektrode (26), zumindest eine negative Elektrode (22) und zumindest einen zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordneten Festkörperelektrolyten (24), wobei eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der negativen Elektrode (22) und dem Festkörperelektrolyten (24) sowie der positiven Elektrode (26) und dem Festkörperelektrolyten (24) ausgebildet ist, hergestellt nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5.
Elektrodenstapel nach dem vorherigen Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperelektrolyt (24) sauerstoffhaltig ist.
Verwendung eines Elektrodenstapels nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 7 in Batteriezellen in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) und in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).