DE102018219988A1 - Halbelektrodenstapel und dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Halbelektrodenstapel mit zumindest einem Stromsammler (106) und einer Elektrode (102) bereitgestellt, wobei eine Zwischenschicht (104) zwischen dem Stromsammler (106) und der Elektrode (102) angeordnet ist und wobei die Zwischenschicht (104) zumindest ein Aktivmaterial und einen Binder enthält.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbelektrodenstapel, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Verwendung desselben gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • Als elementare Einheiten in Batterien setzen sich Batteriezellen aus einer Vielzahl von Elektrodeneinheiten zusammen, die in Form von Elektrodenstapeln oder Elektrodenwickeln vorliegen. Dabei umfasst ein Elektrodenstapel zumindest eine positive Elektrode in Form einer positiven Elektrodenfolie, eine negative Elektrode in Form einer negativen Elektrodenfolie und einen dazwischen angeordneten folienartigen Separator. Die positive bzw. negative Elektrode befindet sich auf einem positiven bzw. negativen Stromsammler. Unter Ausbildung einer Batteriezelle werden die Elektrodenstapel in ein Gehäuse aufgenommen. Dabei kann das Gehäuse prismatisch, rund oder folienartig ausgeführt sein.
  • Aufgrund einer Überlast oder einem Kurzschluss kann eine unzulässige Erwärmung bei Batteriezellen auftreten, die zu einer Entzündung der Batteriezellen führt. Dagegen können solche Separatoren verwendet werden, die bei einer thermischen Überlast zumindest teilweise schmelzen, wobei Poren des Separators verschlossen werden. Dadurch wird ein Ionenfluss zwischen einer positiven Elektrode und dem Separator sowie zwischen dem Separator und einer negativen Elektrode reduziert und der Strom somit in den Batteriezellen minimiert.
  • Aus der EP 1644136 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Elektrodenfolien ohne Lösemittel hergestellt werden. Dabei werden Elektrodenfolien auf einen metallischen Stromsammler laminiert.
  • Weiter ist ein Verfahren aus der US 7935155 B2 bekannt, bei dem Elektrodenfolien auf einen metallischen Stromsammler laminiert und angepresst werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Halbelektrodenstapel bereitgestellt, der zumindest einen Stromsammler und eine Elektrode umfasst. Zwischen dem Stromsammler und der Elektrode ist eine Zwischenschicht angeordnet, die zumindest ein Aktivmaterial und einen Binder enthält.
  • Bei einer thermischen Überlast werden elektronische Leitpfade innerhalb des erfindungsgemäßen Halbelektrodenstapels durch Expansion des Binders unterbrochen. Damit wird ein Elektronenfluss zwischen dem Stromsammler und der Elektrode unterbunden und somit die thermische Überlast gemildert. Ferner dient die Zwischenschicht als eine Verbindungsschicht, mit der die Elektrode elektrisch und mechanisch an den Stromsammler angebunden ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • So ist es von Vorteil, wenn das Aktivmaterial durch Leitruß oder Kohlenstoffnanoröhren ausgebildet ist. Dabei ist vorteilhaft, dass eine entsprechende Zwischenschicht eine elektrische Leitfähigkeit aufweist und damit einen elektrischen Strom zwischen der Elektrode und dem Stromsammler leitet.
  • Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn der Binder zumindest Polyvinylidenfluorid (PVDF) und ferner Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylen (PE) beinhaltet. Dabei weist eine derartige Zwischenschicht eine doppelt so große elektrische Leitfähigkeit im Temperaturbereich von -40 °C bis 100 °C als im Temperaturbereich von mehr als 150 °C auf. Damit wird die Funktion einer Verhinderung eines Elektronenflusses der Zwischenschicht bei einer thermischen Überlast aktiviert und somit ein Kurzschluss verhindert.
  • Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn eine Einwaage an Polyvinylidenfluorid (PVDF) größer als eine Einwaage an Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylen (PE) ist. Dabei weist die Zwischenschicht umfassend derartige Einwaage an Polyvinylidenfluorid (PVDF) und derartige Einwaage und Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylen (PE) eine Haftkraft beim Laminieren auf.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbelektrodenstapels durchgeführt, bei dem eine Zwischenschicht auf einen Stromsammler und anschließend eine Elektrode auf die Zwischenschicht beschichtet wird.
  • Um zu verhindern, dass bei diesem Vorgehen Risse in der Struktur des Halbelektrodenstapels entstehen, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Halbelektrodenstapels in einem ersten Verfahrensschritt eine Zwischenschicht auf einen Stromsammler laminiert oder beschichtet. Dabei wird die Zwischenschicht vorzugsweise durch ein Aktivmaterial und einen Binder ausgebildet. Weiter wird in einem zweiten Verfahrensschritt eine Elektrode auf die Zwischenschicht laminiert unter Ausbildung eines Halbelektrodenstapels.
  • Es ist vorteilhaft, wenn der erste Verfahrensschritt Teilverfahrensschritte zur Herstellung der Zwischenschicht umfasst. Dabei wird in einem ersten Teilverfahrensschritt eine Mischung aus einem Aktivmaterial aufweisend Leitruß und aus einem Binder umfassend zumindest Polyvinylidenfluorid (PVDF) bereitgestellt. Weiter wird in einem zweiten Teilverfahrensschritt die Mischung gemäß dem ersten Teilverfahrensschritt in einem Lösemittel aufweisend N-Methyl-2-pyrrolidon dispergiert. Weiterhin wird in einem dritten Teilverfahrensschritt zumindest 50% des Lösemittels abgedampft. Daraufhin wird in einem vierten Teilverfahrensschritt die Dispersion mit einem weiteren Lösemittel benetzt. Dabei ist vorteilhaft, dass die Dispersion durch die Benetzung mit dem weiteren Lösemittel flüssig wird und somit eine Klebkraft aufweist. Abschließend wird in einem fünften Verfahrensschritt die Dispersion auf einen Stromsammler laminiert unter Ausbildung einer Zwischenschicht.
  • Ferner ist es von Vorteil, wenn in einem dritten Verfahrensschritt die Elektrode mit einem Lösemittel benetzt wird. Abschließend wird in einem vierten Verfahrensschritt die Elektrode auf die Zwischenschicht fixiert, vorzugsweise gepresst, weiter vorzugsweise geklebt.
  • Der erfindungsgemäße Halbelektrodenstapel lässt sich vorteilhaft für Elektrodenstapel in lithiumhaltigen Batteriesystemen wie Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien einsetzen. Diese können Anwendung in elektrischen Fahrzeugen, in Hybridfahrzeugen, oder in stationären Anwendungen wie beispielsweise zur Speicherung regenerativ gewonnener Energie finden.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1: die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hal belektrodenstapels,
    • 2: die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Halbelektrodenstapels.
  • In 1 ist ein Halbelektrodenstapel 10 schematisch dargestellt. Dabei umfasst der Halbelektrodenstapel 10 eine Elektrode 102, eine Zwischenschicht 104 und einen Stromsammler 106. Die Elektrode 102 kann positiv oder negativ sein. Dementsprechend ist der Stromsammler in Form einer metallischen Folie aufweisend Aluminium oder Kupfer ausgebildet.
  • Die Zwischenschicht 104 ist aus zumindest einem Aktivmaterial beispielsweise in Form von Leitruß oder Kohlenstoffnanoröhren und einem Binder beispielsweise in Form von Polyvinylidenfluorid (PVDF) ausgebildet. Der Binder kann zusätzlich Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylen (PE) enthalten. Als Binder sind auch Polyolefine wie z.B. ethylen- und/oder propylenhaltige Homo- und Copolymere, Polyester, Polyvinylaromten oder Polyacrylate geeignet. Zusätzlich sind auch Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Copolymer (SBR) oder Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM) denkbar.
  • Dabei ist eine Einwaage an Polyvinylidenfluorid (PVDF) größer als eine Einwaage an Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylen (PE).
  • In 2 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Halbelektrodenstapels dargestellt. Das Verfahren 20 kann in der dargestellten Reihenfolge erfolgen.
  • In einem ersten Verfahrensschritt 22 wird eine Zwischenschicht 104 gemäß 1 auf einen Stromsammler 106 gemäß 1 aufgebracht, wobei der erste Verfahrensschritt 22 Teilverfahrensschritte umfasst. Dabei wird in einem ersten Teilverfahrensschritt 220 eine Mischung aus zumindest einem Aktivmaterial und einem Binder bereitgestellt. Das Aktivmaterial kann beispielsweise durch Leitruß ausgebildet sein und der Binder kann Polyvinylidenfluorid (PVDF) enthalten. Weiter wird in einem zweiten Teilverfahrensschritt 222 die Mischung in einem Lösemittel aufweisend N-Methyl-2-pyrrolidon dispergiert. Weiterhin wird in einem dritten Teilverfahrensschritt 224 zumindest 50% des Lösemittels abgedampft. Daraufhin wird in einem vierten Teilverfahrensschritt 226 die Dispersion mit einem weiteren Lösemittel benetzt. Dabei kann das weitere Lösemittel N-Methyl-2-pyrrolidon oder Cyclohexanon enthalten. Abschließend wird in einem fünften Teilverfahrensschritt 206 die Dispersion auf einen Stromsammler laminiert unter Ausbildung einer Zwischenschicht.
  • Weiter wird in einem zweiten Verfahrensschritt 24 eine Elektrode 102 gemäß 1 auf die Zwischenschicht 104 laminiert unter Ausbildung eines Halbelektrodenstapels 10.
  • Weiterhin wird in einem dritten Verfahrensschritt 26 die Elektrode 102 mit einem Lösemittel benetzt. Dabei weist das Lösemittel beispielsweise N-Methyl-2-pyrrolidon auf.
  • Abschließend wird in einem vierten Verfahrensschritt 28 die Elektrode auf die Zwischenschicht fixiert, vorzugsweise gepresst, weiter vorzugsweise geklebt.
  • Der beschriebene Halbelektrodenstapel eignet sich zur Verwendung in lithiumhaltigen Batteriesystemen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien sowie in Brennstoffzellen. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1644136 B1 [0004]
    • US 7935155 B2 [0005]

Claims (9)

  1. Halbelektrodenstapel mit zumindest einem Stromsammler (106) und einer Elektrode (102), wobei eine Zwischenschicht (104) zwischen dem Stromsammler (106) und der Elektrode (102) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (104) zumindest ein Aktivmaterial und einen Binder enthält.
  2. Halbelektrodenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial durch Leitruß oder Kohlenstoffnanoröhren ausgebildet ist.
  3. Halbelektrodenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder zumindest Polyvinylidenfluorid (PVDF) und ferner Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylen (PE) umfasst.
  4. Halbelektrodenstapel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einwaage an Polyvinylidenfluorid (PVDF) größer als eine Einwaage an Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylen (PE) ist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Halbelektrodenstapels, wobei in einem ersten Verfahrensschritt (22) eine Zwischenschicht (104), insbesondere eine Schicht umfassend ein Aktivmaterial und einen Binder, auf einen Stromsammler (106) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensschritt (24) eine Elektrode (102) auf die Zwischenschicht (104) laminiert wird unter Ausbildung eines Halbelektrodenstapels (10).
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Verfahrensschritt (22) Teilverfahrensschritte umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Teilverfahrensschritt (220) eine Mischung aus zumindest einem Aktivmaterial und einem Binder, insbesondere aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Leitruß oder Kohlenstoffnanoröhren, bereitgestellt wird, in einem zweiten Teilverfahrensschritt (222) die Mischung in einem Lösemittel aufweisend N-Methyl-2-pyrrolidon dispergiert wird, in einem dritten Teilverfahrensschritt (224) zumindest 50% des Lösemittels abgedampft wird, in einem vierten Teilverfahrensschritt (226) die Dispersion mit einem weiteren Lösemittel benetzt wird und in einem fünften Teilverfahrensschritt (228) die Dispersion auf einen Stromsammler (106) laminiert wird unter Ausbildung einer Zwischenschicht (104).
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Verfahrensschritt (26) die Elektrode (102) mit einem Lösemittel benetzt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Verfahrensschritt (28) die Elektrode (102) auf die Zwischenschicht (104) fixiert, vorzugsweise gepresst, weiter vorzugsweise geklebt, wird.
  9. Verwendung eines Halbelektrodenstapels nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für einen Elektrodenstapel einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle.
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