DE102019118207A1 - Electrode with spacers - Google Patents

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Sung-jin Kim
Nikolaos Tsiouvaras
Hideki Ogihara
Thomas Woehrle
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Lithiumionenzelle, die einen Stromkollektor aus Metallfolie und eine darauf aufgebrachte aktive Schicht umfasst, wobei die aktive Schicht Aktivmaterialpartikel sowie zwischen die Aktivmaterialpartikel eingebrachte komprimierbare Abstandshalter umfasst, worin die Aktivmaterialpartikel bei Lithiumaufnahme eine maximale Volumenexpansion ΔV von 33% oder mehr aufweisen.The present invention relates to an electrode for a lithium ion cell, which comprises a current collector made of metal foil and an active layer applied thereon, the active layer comprising active material particles and compressible spacers introduced between the active material particles, wherein the active material particles have a maximum volume expansion ΔV of 33% or 33% when lithium is absorbed have more.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Lithiumionenzelle, die reversible, deformierbare Abstandshalter aufweist.The present invention relates to an electrode for a lithium ion cell which has reversible, deformable spacers.

Technischer HintergrundTechnical background

Für die negative Elektrode (Anode) einer Lithiumionenzelle werden gegenwärtig typischerweise kohlenstoffbasierte Interkalationsmaterialien wie Graphit eingesetzt, die zusammen mit mind. einem Elektrodenbinder auf einer Kupferfolie als Stromableiter aufgebracht sind.For the negative electrode (anode) of a lithium ion cell, carbon-based intercalation materials such as graphite are typically used at present, which, together with at least one electrode binder, are applied to a copper foil as a current conductor.

Zur Erhöhung der Energiedichte wird versucht, das kohlenstoffbasierte Aktivmaterial durch ein Aktivmaterial mit höherer spezifischer Kapazität zu ersetzen, beispielsweise Legierungsbildner wie Silizium oder Konversionsaktivmaterialien mit niedrigem Potential gegenüber Li/Li+ wie z.B. Metalloxide, Phosphide, Nitride und Sulfide, z.B. Fe203. Auch der Einsatz einer rein metallischen Lithium basierten Anode ist möglich. Gegebenenfalls werden auch Kombinationen dieser Materialien und/oder Verbundmaterialien in Verbindung mit Kohlenstoff in Betracht gezogen.To increase the energy density, attempts are being made to replace the carbon-based active material with an active material with a higher specific capacity, for example alloying agents such as silicon or conversion active materials with a low potential for Li / Li + such as metal oxides, phosphides, nitrides and sulfides, e.g. Fe 2 0 3 . The use of a purely metallic lithium-based anode is also possible. Optionally, combinations of these materials and / or composite materials in conjunction with carbon are also contemplated.

Auch für die positive Elektrode (Kathode) wird versucht, die derzeit gängigen Interkalationsmaterialien wie z.B. Übergangsmetalloxide mit Schichtstruktur, Spinnelle oder Phosphate mit Olivin-Struktur durch Materialien mit höherer spezifischer Kapazität zu ersetzen. Hier kommen in erster Linie Konversionsmaterialien wie z. Bsp. FeF3 in Betracht.For the positive electrode (cathode), too, attempts are being made to replace the currently common intercalation materials such as transition metal oxides with a layered structure, spinnelle or phosphates with an olivine structure by materials with a higher specific capacity. Conversion materials such as E.g. FeF 3 into consideration.

Ein Nachteil dieser Legierungsbildner bzw. Konversionsmaterialien ist der große Volumenunterschied ΔV zwischen lithiiertem und delithiiertem Zustand. Bei Silizium beträgt ΔV beispielsweise etwa 300%, bei FeF3 etwa 100%.Dagegen beträgt der Unterschied bei Schicht-Oxiden wenige Prozent, bei Graphit ca. 10%.A disadvantage of these alloy formers or conversion materials is the large volume difference ΔV between the lithiated and delithiated state. With silicon, for example, ΔV is around 300%, with FeF 3 around 100%. In contrast, the difference for layer oxides is a few percent and for graphite approx. 10%.

Aufgrund dieser Volumenänderung ist die Aktivmaterialschicht bzw. die gesamte zusammengesetzte Elektrode bei der Zyklisierung erheblichen mechanischen Spannungen unterworfen. Diese können zu einer Degradation des Aktivmaterials aufgrund eines „inneren Vermahlens“, zu einer Beschädigung der SEI-Schicht sowie zu Brüchen und Ablösungen der Aktivmaterialbeschichtung vom Stromkollektor führen. Auch Effekte wie mikroskopische Abkopplung des Leitrußes vom Aktivmaterial als Fehlermechanismus können auftreten, was zur Reduktion der Lebensdauer führt.Due to this change in volume, the active material layer or the entire assembled electrode is subjected to considerable mechanical stresses during cycling. These can lead to a degradation of the active material due to "internal grinding", to damage to the SEI layer as well as to breaks and detachment of the active material coating from the current collector. Effects such as microscopic decoupling of the conductive soot from the active material as a failure mechanism can also occur, which leads to a reduction in service life.

Weiterhin werden Legierungsbildner und Konversionsmaterialien zur Verbesserung der Kinetik typischerweise in sehr geringen Schichtdicken eingesetzt, so dass der Stromkollektor ebenfalls entsprechend dünn gewählt werden muss, um Gewicht zu sparen und den Vorteil der erhöhten spezifischen Kapazität nicht zu zerstören. Gerade bei sehr dünnen Stromkollektor-Folien besteht jedoch die Gefahr, dass aufgrund der Volumenänderung der Aktivmaterialschicht der Stromkollektor selbst deformiert wird, und zudem einreißen oder vollständig reißen kann.In addition, alloy formers and conversion materials are typically used in very small layer thicknesses to improve the kinetics, so that the current collector must also be selected to be correspondingly thin in order to save weight and not destroy the advantage of the increased specific capacity. In the case of very thin current collector foils in particular, however, there is a risk that the current collector itself will be deformed due to the change in volume of the active material layer and that it may also tear or completely tear.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

In Anbetracht der obigen Problematik stellt die vorliegende Erfindung eine Elektrode für eine Lithiumionenzelle bereit, die einen Stromkollektor aus Metallfolie und eine darauf aufgebrachte aktive Schicht umfasst, wobei die aktive Schicht Aktivmaterialpartikel sowie zwischen die Aktivmaterialpartikel eingebrachte komprimierbare Abstandshalter umfasst, worin die Aktivmaterialpartikel bei Lithiumaufnahme eine maximale Volumenexpansion ΔV von 33% oder mehr aufweisen.In view of the above problem, the present invention provides an electrode for a lithium ion cell, which comprises a current collector made of metal foil and an active layer applied thereon, the active layer comprising active material particles as well as compressible spacers introduced between the active material particles, wherein the active material particles when lithium is absorbed a maximum Have volume expansion ΔV of 33% or more.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der obigen Elektrode, umfassend:

  • - Bereitstellung einer Metallfolie als Stromkollektor;
  • - Aufbringung einer Struktur aus komprimierbaren Abstandshaltern mit Zwischenräumen, die für die Aufnahme von Aktivmaterialpartikeln vorgesehen sind; und
Einbringung von Aktivmaterialpartikeln mit mindestens einem Elektroden-Binder zwischen die Abstandshalter, worin die Aktivmaterialpartikel bei Lithiumaufnahme eine maximale Volumenexpansion ΔV von 33% oder mehr aufweisen.The invention further relates to a method for producing the above electrode, comprising:
  • - Provision of a metal foil as a current collector;
  • - Application of a structure made of compressible spacers with interspaces, which are provided for receiving active material particles; and
Introduction of active material particles with at least one electrode binder between the spacers, wherein the active material particles have a maximum volume expansion ΔV of 33% or more when lithium is absorbed.

Hierbei ist ΔV definiert als: Δ V = 100%* ( V max V min ) / V min

Figure DE102019118207A1_0001
wobei bei Vmax und Vmin das Volumen des Materials der aktiven Schicht bei maximaler bzw. minimaler Lithiumbeladung darstellen.Here, ΔV is defined as: Δ V = 100% * ( V Max - V min ) / V min
Figure DE102019118207A1_0001
where V max and Vmin represent the volume of the material of the active layer with maximum and minimum lithium loading, respectively.

Insbesondere kann es sich beim Aktivmaterial um einen Legierungsbildner wie Silizium oder um ein Konversionsaktivmaterial handeln. Auch rein metallisches Lithium kann verwendet werden.In particular, the active material can be an alloy former such as silicon or a conversion active material. Purely metallic lithium can also be used.

Die komprimierbaren Abstandshalter geben bei Volumenausdehnung der Aktivmaterialpartikel nach, so dass diese expandieren können, ohne sich gegenseitig zu behindern. The compressible spacers yield when the active material particles expand in volume, so that they can expand without interfering with one another.

Dies verhindert das Auftreten mechanischer Spannungen zwischen den Aktivmaterialpartikeln und/oder zwischen der aktiven Schicht und dem Stromkollektor. Dadurch kann eine Degradation der aktiven Schicht und eine Deformation des Stromkollektors verhindert werden, was die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Zelle erhöht.This prevents mechanical stresses from occurring between the active material particles and / or between the active layer and the current collector. This can prevent degradation of the active layer and deformation of the current collector, which increases the service life and reliability of the cell.

FigurenlisteFigure list

  • 1 illustriert das Funktionsprinzip der Erfindung. Ohne Abstandshalter führt im lithiierten Zustand die Volumenexpansion des Aktivmaterials zu mechanischen Spannungen zwischen den Aktivmaterialpartikeln untereinander und gegenüber dem Stromkollektor, was letztlich den Stromkollektor deformieren und zu Rissen führen kann (oben). Mit Abstandshaltern verringert sich die mechanische Spannung und eine Deformation des Stromkollektors wird verhindert (unten). 1 illustrates the principle of operation of the invention. Without spacers, the volume expansion of the active material in the lithiated state leads to mechanical stresses between the active material particles and between them and with respect to the current collector, which can ultimately deform the current collector and lead to cracks (top). With spacers, the mechanical tension is reduced and deformation of the current collector is prevented (below).

Detaillierte BeschreibungDetailed description

AktivmaterialpartikelActive material particles

Das erfindungsgemäß einzusetzende Aktivmaterial weist Volumenexpansion ΔV von 33% oder mehr auf. Falls ein Aktivmaterial eingesetzt wird, das sowohl im lithiierten als auch im delithiierten Zustand eine definierte Dichte und Zusammensetzung aufweist, so kann ΔV direkt aus den bekannten Stoffparametern (d.h. Dichte und Molgewicht der delithiierten bzw. lithiierten Form) der jeweiligen Reinsubstanzen berechnet werden. Alternativ kann ΔV auch direkt gemessen werden, beispielsweise dilatometrisch oder durch den Vergleich lichtmikroskopischer oder elektronenmikroskopischer Aufnahmen der geladenen und der ungeladenen Elektrode.The active material to be used according to the invention has a volume expansion ΔV of 33% or more. If an active material is used that has a defined density and composition in both the lithiated and the delithiated state, ΔV can be calculated directly from the known material parameters (i.e. density and molecular weight of the delithiated or lithiated form) of the respective pure substances. Alternatively, ΔV can also be measured directly, for example dilatometrically or by comparing light microscopic or electron microscopic images of the charged and uncharged electrodes.

Beispiele für Anoden-Aktivmaterialien mit großer Volumen- bzw. Längenexpansion während der Zyklisierung umfassen Legierungsbildner wie Silizium (ΔV = 300%), Aluminium, Gallium, Germanium, Zinn, Silber, Legierungen von diesen, oder auch Phosphor, oder auch metallisches Lithium selbst. Optional können diese Materialien auch als Verbundmaterial mit Kohlenstoff eingesetzt werden. Bevorzugt sind Silizium und Silizium/Kohlenstoff-Verbundmaterialien. Als weitere Beispiele lassen sich Konversionsaktivmaterialien mit niedrigem Potential gegen Li/Li+ anführen, wie beispielsweise Metalloxide, Phosphide, Nitride und Sulfide, z.B. Fe2O3.Examples of anode active materials with great volume or length expansion during the cycling include alloying agents such as silicon (ΔV = 300%), aluminum, gallium, germanium, tin, silver, alloys of these, or phosphorus, or even metallic lithium itself. Optionally, these materials can also be used as a composite material with carbon. Silicon and silicon / carbon composite materials are preferred. As further examples, conversion active materials with a low potential against Li / Li + can be cited, such as metal oxides, phosphides, nitrides and sulfides, eg Fe 2 O 3 .

Beispiele für Kathoden-Aktivmaterialien mit großem ΔV bzw. ΔL sind insbesondere Konversionsmaterialien auf Fluoridbasis, wie z.B. FeF3 (ΔV = 100%), oder auch Sulfide mit hohem Potential gegenüber Li/Li+, wie z.B. CuS.Examples of cathode active materials with a large ΔV or ΔL are, in particular, fluoride-based conversion materials, such as FeF 3 (ΔV = 100%), or also sulfides with a high potential for Li / Li +, such as CuS.

All diese Anoden- und Kathoden-Aktivmaterialien sind in der Lage, stöchiometrisch ein hohes Verhältnis an Lithium pro Formeleinheit aufzunehmen und wieder abzugeben, was die große Volumenänderung erklärt.All of these anode and cathode active materials are able to stoichiometrically absorb a high ratio of lithium per formula unit and release it again, which explains the large change in volume.

Der volumengemittelte Teilchendurchmesser d der Aktivmaterialpartikel beträgt typischerweise für den delithiierten Zustand 0,005 bis 40 µm, vorzugsweise 0,05 bis 20 µm, insbesondere bevorzugt 0,1 bis 10 µm.. Falls das Aktivmaterial bereits bei der Herstellung in Partikelform vorliegt, so kann die Teilchengröße durch Laserstreuung nach ISO 13320 ermittelt werden. Andernfalls, etwa bei in-situ-Erzeugung der Aktivmaterialpartikel aus Precursor-Verbindungen, kann die volumengemittelte Teilchengröße auch elektronenmikroskopisch ermittelt werden, etwa durch Vermessung von 50 Teilchen und Berechnung des Mittelwerts, wobei jeder Beitrag mit dem Teilchenvolumen (bzw. mit der dritten Potenz des Durchmessers) gewichtet wird.The volume-averaged particle diameter d of the active material particles for the delithiated state is typically 0.005 to 40 μm, preferably 0.05 to 20 μm, particularly preferably 0.1 to 10 μm. If the active material is already in particle form during production, the particle size can by laser scattering ISO 13320 be determined. Otherwise, for example in the case of in-situ generation of the active material particles from precursor compounds, the volume-averaged particle size can also be determined using an electron microscope, for example by measuring 50 particles and calculating the mean value, where each contribution is related to the particle volume (or to the third power of the Diameter) is weighted.

AbstandshalterSpacers

Die erfindungsgemäßen Abstandshalter sind zwischen die Aktivmaterialpartikel eingebracht und sind aus einem komprimierbaren Material hergestellt. Bei Expansion der Aktivmaterialpartikel in Folge der Lithiumaufnahme geben die Abstandshalter nach und fangen so den Volumenschub ab. Es kann so verhindert werden, dass sich die Partikel berühren und so mechanische Spannungen entstehen, die zu einer Degradation der Elektrode führen. 1 (unten) illustriert dieses Konzept.The spacers according to the invention are introduced between the active material particles and are made of a compressible material. When the active material particles expand as a result of the uptake of lithium, the spacers give way and thus absorb the volume increase. This can prevent the particles from touching each other and thus creating mechanical stresses that lead to degradation of the electrode. 1 (below) illustrates this concept.

Als Material für die Abstandshalter kommen beliebige Polymermaterialien in Betracht, die gegenüber dem Elektrolyten unter den Betriebsbedingungen der Zelle inert sind und keine unerwünschten chemischen oder elektrochemischen Reaktionen eingehen. Beispielsweise können Materialien eingesetzt werden, die auch als Bindemittel für Elektrodenschichten eingesetzt werden, wie z.B. Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenfluorid-hexa-Fluoro-Propylen (PVdF-HFP), SBR oder Bindemittel auf Celluloseetherbasis wie CMC sowie auf Acrylat-Basis. Optional können diesen Bindemitteln elektrisch leitfähige Zusätze wie Leitruß, Graphit oder Kohlenstoff-Nanoröhren zugesetzt werden.Any polymer materials that are inert to the electrolyte under the operating conditions of the cell and do not enter into any undesired chemical or electrochemical reactions can be used as the material for the spacers. For example, materials can be used that are also used as binders for electrode layers, such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-hexa-fluoro-propylene (PVdF-HFP), SBR or binders based on cellulose ethers such as CMC and acrylate-based. Electrically conductive additives such as carbon black, graphite or carbon nanotubes can optionally be added to these binders.

Alternativ können auch folgende weiter polymere Bindemittel mit eingesetzt werden, wie beispielsweise Polyethlyenoxid (PEO), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyphenylenether (PPO), Phosphazenpolymeren wie MEEP oder auch Polyacrylnitril (PAN) sowie Polyolefin basierte Kunststoffe.
Zur Verbesserung der Lithiumionenleitfähigkeit in der Zelle kann auch ein Lithiumsalz wie z. Bsp. Lithium-hexa-fluoro-Phosphat (LiPF6), Lithium-Triflat, Lithiumperchlorat, Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumhexafluorophosphat, LiN(SO2F)2 (LiFSI) oder LiN(SO2CF3)2 (LiTFSI) zugesetzt werden. Diese Ausführungsform ist speziell in Kombination mit Aktivmaterialien mit langsamer Lithiumaustauschkinetik wie z.B. Konversionsmaterialien bevorzugt.
Alternatively, the following further polymeric binders can also be used, such as polyethylene oxide (PEO), polymethyl methacrylate (PMMA), polyphenylene ether (PPO), phosphazene polymers such as MEEP or also polyacrylonitrile (PAN) and polyolefin-based plastics.
To improve the lithium ion conductivity in the cell, a lithium salt such as. E.g. lithium hexa-fluoro-phosphate (LiPF 6 ), lithium triflate, lithium perchlorate, lithium tetrafluoroborate, Lithium hexafluorophosphate, LiN (SO 2 F) 2 (LiFSI) or LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI) can be added. This embodiment is especially preferred in combination with active materials with slow lithium exchange kinetics such as conversion materials.

Als weitere Alternative können Polymere mit intrinsischer elektrischer Leitfähigkeit angeführt werden, wie z.B. Polyfluoren, Polypyrrol, Polythiophen, Polyanilin oder Poly(p-Phenylenvinylen) (PPV), die gegebenenfalls p- oder n-dotiert sein können. Der Einsatz von Kohlenstoffnanofasern (CNF) und Leitruß kommt ebenfalls in Betracht.As a further alternative, polymers with intrinsic electrical conductivity can be mentioned, such as polyfluorene, polypyrrole, polythiophene, polyaniline or poly (p-phenylenevinylene) (PPV), which may optionally be p- or n-doped. The use of carbon nanofibers (CNF) and conductive black can also be considered.

Die mittlere Breite b der Abstandshalter beträgt typischerweise höchstens 150% des mittleren Durchmessers d des Aktivmaterials, vorzugsweise 2-100%, insbesondere 10-90%. Falls die Abstandshalter ein rechteckiges Profil aufweisen, so wird die mittlere Breite als Zahlenmittelwert der Rechtecksbreiten bestimmt. Bei abweichenden Profilen, beispielsweise mit schrägen oder gerundeten Flanken, entspricht die Breite dem Zahlenmittelwert der Profilbreiten auf halber Höhe.The mean width b of the spacers is typically at most 150% of the mean diameter d of the active material, preferably 2-100%, in particular 10-90%. If the spacers have a rectangular profile, the mean width is determined as the numerical mean value of the rectangular widths. In the case of different profiles, for example with sloping or rounded flanks, the width corresponds to the numerical mean value of the profile widths at half the height.

Die Wahl der mittleren Breite auch der Volumenexpansion ΔV der Aktivmaterialpartikel sowie von der Art des Abstandshalter-Materials abhängen, d.h., bei Aktivmaterialien mit großer Volumenexpansion sind größere Breiten des Abstandhalters bevorzugt.The choice of the mean width also depends on the volume expansion ΔV of the active material particles as well as on the type of spacer material, i.e. larger widths of the spacer are preferred for active materials with large volume expansion.

Die Anordnung der Abstandshalter, im Folgenden auch als Abstandshalter-Struktur bezeichnet, kann regelmäßig oder unregelmäßig sein. Im Fall einer regelmäßigen Anordnung können die Abstandshalter beispielsweise in Form eines rechteckigen oder hexagonalen Musters angeordnet sein, wobei der Abstandshalter die „Kanten“ der Rechtecke bzw. Sechsecke bildet und der leere Innenraum für die Aufnahme der Aktivmaterialpartikel vorgesehen ist. Die „Kanten“ können dabei in Form von homogenen wallartigen Strukturen vorliegen, oder es kann sich um eine Kette oder ein Agglomerat aus Partikeln des Abstandshaltermaterials handeln.The arrangement of the spacers, also referred to below as the spacer structure, can be regular or irregular. In the case of a regular arrangement, the spacers can be arranged, for example, in the form of a rectangular or hexagonal pattern, the spacer forming the “edges” of the rectangles or hexagons and the empty interior being provided for receiving the active material particles. The “edges” can be in the form of homogeneous wall-like structures, or they can be a chain or an agglomerate of particles of the spacer material.

Unregelmäßige Anordnungen weisen im Gegensatz zu den regelmäßigen Anordnungen keine Fernordnung auf, doch besteht typischerweise eine Nahordnung aus z.B. polygonalen Mustern mit den Abstandshaltern als „Kanten“, wobei die Innenräume wiederum für die Aufnahme der Aktivmaterialpartikel vorgesehen sind. Ein weiteres Beispiel für unregelmäßige Anordnungen sind Faserstrukturen, beispielsweise aus Kohlenstoffnanofasern, die Poren aufweisen, in die die Aktivmaterialpartikel eingebracht werden können.In contrast to regular arrangements, irregular arrangements have no long-range order, but typically a short-range order consists of, for example, polygonal patterns with the spacers as "edges", with the interior spaces in turn being intended to accommodate the active material particles. Another example of irregular arrangements are fiber structures, for example made of carbon nanofibers, which have pores into which the active material particles can be introduced.

Der Zwischenraum zwischen den Abstandshaltern ist so dimensioniert, dass er für die Aufnahme von Aktivmaterialpartikeln geeignet ist. Vorzugsweise beträgt die der minimale Abstand zwischen zwei Abstandshaltern daher vorzugsweise etwa 50-500%, stärker bevorzugt 100-250% des volumengemittelten Teilchendurchmessers der Aktivmaterialpartikel.The space between the spacers is dimensioned such that it is suitable for receiving active material particles. The minimum distance between two spacers is therefore preferably approximately 50-500%, more preferably 100-250% of the volume-average particle diameter of the active material particles.

Herstellung der ElektrodeManufacture of the electrode

Die erfindungsgemäße Elektrode kann beispielsweise hergestellt werden, indem zunächst die Abstandshalter-Struktur auf den Stromkollektor aufgebracht wird, und anschließend die Aktivmaterialpartikel in die Lücken der Abstandshalter-Struktur eingebracht werden, beispielsweise durch Beschichtung der Abstandshalter-Struktur mit einer Dispersion der Aktivmaterial-Partikel, optional in Kombination mit einem elektrisch leitfähigen Zusatz und/oder einem Bindemittel.The electrode according to the invention can be produced, for example, by first applying the spacer structure to the current collector and then introducing the active material particles into the gaps in the spacer structure, for example by coating the spacer structure with a dispersion of the active material particles, optionally in combination with an electrically conductive additive and / or a binder.

Der Stromkollektor ist typischerweise eine Metallfolie, üblicherweise Kupfer für die negative Elektrode und Aluminium für die positive Elektrode.The current collector is typically a metal foil, usually copper for the negative electrode and aluminum for the positive electrode.

Die Aufbringung von Abstandshalter-Struktur und Aktivmaterial kann in einem oder mehreren Durchgängen erfolgen. Bei einem Durchgang wird ein im Wesentlichen zweidimensionales Muster aus Abstandshalter und Aktivmaterial erhalten, bei mehreren Durchgängen wird dementsprechend ein mehrschichtiges dreidimensionales Muster erhalten.The spacer structure and active material can be applied in one or more passes. In one pass, a substantially two-dimensional pattern of spacer and active material is obtained; in the case of several passes, a multilayered three-dimensional pattern is accordingly obtained.

Bei mehreren Durchgängen können wahlweise die Zusammensetzungen und Muster der einzelnen Schichten variiert werden. Beispielsweise kann für die erste Schicht eine größere Abstandshalter-Breite b gewählt werden als für die nachfolgenden Schichten, um die Belastung für den Stromkollektor zu minimieren, und/oder eine größere Menge an elektrisch leitfähigem Material wie Leitruß zugesetzt werden.With multiple passes, the compositions and patterns of the individual layers can optionally be varied. For example, a larger spacer width b can be selected for the first layer than for the subsequent layers in order to minimize the load on the current collector, and / or a larger amount of electrically conductive material such as conductive carbon black can be added.

Regelmäßigen Anordnungen der Abstandshalter-Struktur lassen sich beispielsweise durch Druckverfahren wie Tintenstrahldruck, Siebdruck, Spray (z. B. Airbrush, Rakel) oder Musterdruck einer Dispersion des Abstandshalter-Materials in einem geeigneten Medium auf den Stromkollektor herstellen. 3D-Druck ist ebenfalls möglich.Regular arrangements of the spacer structure can be produced, for example, by printing processes such as inkjet printing, screen printing, spray (e.g. airbrush, squeegee) or pattern printing of a dispersion of the spacer material in a suitable medium on the current collector. 3D printing is also possible.

Anschließend wird eine Dispersion der Aktivmaterialpartikel, optional in Kombination mit einem Bindemittel und/oder einem elektrisch leitfähigen Zusatz, aufgetragen, so dass sich die Partikel in den Leerräumen des Musters zwischen den Abstandshaltern abscheiden.A dispersion of the active material particles, optionally in combination with a binding agent and / or an electrically conductive additive, is then applied so that the particles are deposited in the voids of the pattern between the spacers.

Unregelmäßige Abstandshalter-Strukturen können beispielsweise durch Beschichtung des Stromkollektors mit einer Dispersion des Abstandshalter-Materials in Gegenwart von Templat-Teilchen erhalten werden. Extraktion der Templat-Teilchen mit einem geeigneten Lösungsmittel, in dem das Abstandshalter-Material unlöslich ist, liefert dann wiederum ein Muster mit Leerstellen, in die dann das Aktivmaterial eingebracht werden kann. Alternativ kann die Anordnung auch durch Sprühtrocknen einer Dispersion oder Lösung des Abstandshalter-Materials erhalten werden. In diesem Fall übernimmt das verdampfende Lösungsmittel die Funktion des Templats. Das Abstandshalter-Material präzipitiert bevorzugt an der Oberfläche der verdampfenden Lösungsmittel-Tröpfchen, so dass eine Struktur mit Kanten aus feinen, agglomerierten Partikeln des Abstandshalter-Materials und Leerräumen zur Aufnahme der Aktivmaterial-Partikel entsteht. Die Größe der Leerräume und Breite der Abstandshalter kann durch geeignete Wahl von Konzentration, Lösungsmittel und Sprühbedingungen eingestellt werden.Irregular spacer structures can, for example, by coating the current collector with a dispersion of the Spacer material can be obtained in the presence of template particles. Extraction of the template particles with a suitable solvent, in which the spacer material is insoluble, then again provides a pattern with voids into which the active material can then be introduced. Alternatively, the arrangement can also be obtained by spray drying a dispersion or solution of the spacer material. In this case, the evaporating solvent takes over the function of the template. The spacer material preferably precipitates on the surface of the evaporating solvent droplets, so that a structure with edges of fine, agglomerated particles of the spacer material and empty spaces for receiving the active material particles is created. The size of the voids and the width of the spacers can be adjusted by a suitable choice of concentration, solvent and spray conditions.

Für das Aufbringen der Aktivmaterialschicht unter Einbringung der Aktivmaterialpartikel in die Zwischenräume zwischen den Abstandhaltern können solche Verfahren eingesetzt werden, wie sie im Stand der Technik für die Herstellung von Elektroden üblich sind. Bevorzugt kommen nasschemische Verfahren zum Einsatz, in denen eine Dispersion der Aktivmaterialpartikel in einem Lösungsmittel, typischerweise in Kombination mit einem Bindemittel und einem elektrisch leitfähigen Zusatz wie Leitruß mittels Aufrakeln, Rakelklinge (Doctor Blade) oder Breitschlitzdüse auf die mit den Abstandshaltern versehene Elektrodenoberfläche aufgebracht und anschließend getrocknet wird. Alternativ kann eine Extrusions-Beschichtung ohne Lösemittel oder eine Trockenbeschichtung zum Einsatz kommen.For the application of the active material layer with the introduction of the active material particles into the spaces between the spacers, such methods can be used as are customary in the prior art for the production of electrodes. Wet chemical processes are preferably used in which a dispersion of the active material particles in a solvent, typically in combination with a binder and an electrically conductive additive such as carbon black, is applied to the electrode surface provided with the spacers by means of a doctor blade, or a slot nozzle, and then applied is dried. Alternatively, an extrusion coating without solvents or a dry coating can be used.

Die erfindungsgemäße Elektrode wird je nach Typ des Aktivmaterials als Anode bzw. Kathode in einer Lithiumionenzelle eingesetzt. Besonders bevorzugt ist der Einsatz als Anode, in Verbindung mit einer Kupferfolie als Stromkollektor und Silizium oder einem Silizium/Kohlenstoff-Verbundmaterial als Aktivmaterial.The electrode according to the invention is used as an anode or cathode in a lithium ion cell, depending on the type of active material. It is particularly preferred to use it as an anode, in conjunction with a copper foil as a current collector and silicon or a silicon / carbon composite material as the active material.

Der Typ der Zelle ist nicht speziell beschränkt, und es kommen alle Zelltypen in Betracht, die für den Einsatz des jeweiligen Aktivmaterials geeignet sind. Insbesondere kann es sich um eine Zelle mit Flüssigelektrolyt, eine Zelle mit Gel- oder Polymerelektrolyt oder um eine Festkörperzelle handeln. Es sind auch alle Gehäuse bzw. Verpackungsformen für die Zelle möglich (Zellen mit hartem Gehäuse (Hardcase) sowie Zellen mit weicher Verpackung (Softpack)). Zum Stand der Technik bzgl. Gehäuse-Formen vgl. Kapitel 9, Springer 2013, Handbuch Lithium-Ionen-Batterien (Herausgeber R. Korthauer).The type of cell is not specifically restricted, and all cell types which are suitable for the use of the respective active material are possible. In particular, it can be a cell with liquid electrolyte, a cell with gel or polymer electrolyte or a solid-state cell. All housings or packaging forms for the cell are also possible (cells with a hard housing (hardcase) and cells with soft packaging (softpack)). For the state of the art with regard to housing shapes, see Chapter 9, Springer 2013, Handbook Lithium-Ion Batteries (publisher R. Korthauer).

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • ISO 13320 [0018]ISO 13320 [0018]

Claims (12)

Elektrode für eine Lithiumionenzelle, die einen Stromkollektor aus Metallfolie und eine darauf aufgebrachte aktive Schicht umfasst, wobei die aktive Schicht Aktivmaterialpartikel sowie zwischen die Aktivmaterialpartikel eingebrachte komprimierbare Abstandshalter umfasst, worin die Aktivmaterialpartikel bei Lithiumaufnahme eine maximale Volumenexpansion ΔV von 33% oder mehr aufweisen.Electrode for a lithium ion cell comprising a current collector made of metal foil and an active layer applied thereon, the active layer comprising active material particles and compressible spacers introduced between the active material particles, wherein the active material particles have a maximum volume expansion ΔV of 33% or more when lithium is absorbed. Elektrode gemäß Anspruch 1, worin die Aktivmaterialpartikel einen volumengemittelten Teilchendurchmesser d von 0,005 bis 40 µm aufweisen.Electrode according to Claim 1 , wherein the active material particles have a volume-average particle diameter d of 0.005 to 40 µm. Elektrode gemäß Anspruch 1 oder 2 für den Einsatz als Anode, worin die Metallfolie eine Kupferfolie ist, und die aktive Schicht ein lithiumlegierungsbildendes Aktivmaterial, vorzugsweise Silizium oder ein Silizium/Kohlenstoff-Verbundmaterial, enthält.Electrode according to Claim 1 or 2 for use as an anode, in which the metal foil is a copper foil and the active layer contains an active material which forms a lithium alloy, preferably silicon or a silicon / carbon composite material. Elektrode gemäß Anspruch 1 oder 2 für den Einsatz als Kathode, worin die Metallfolie eine Aluminiumfolie ist, und die aktive Schicht ein Konversionsaktivmaterial, vorzugsweise FeF3, enthält.Electrode according to Claim 1 or 2 for use as a cathode, in which the metal foil is an aluminum foil and the active layer contains a conversion active material, preferably FeF 3 . Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Metallfolie eine Dicke von 20 µm oder weniger aufweist.Electrode according to one of the Claims 1 to 4th wherein the metal foil has a thickness of 20 µm or less. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die aktive Schicht eine Dicke von 5 bis 70 µm aufweist.Electrode according to one of the Claims 1 to 5 wherein the active layer has a thickness of 5 to 70 µm. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Abstandshalter aus Polyvinylidenfluorid (PVdF), Stryol-Butadien-Kautschuk (SBR), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyethlyenoxid (PEO), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyphenylenether (PPO), MEEP, Polyacrylnitril (PAN), Polyfluoren, Polypyrrol, Polythiophen, Polyanilin oder Poly(p-Phenylenvinylen) (PPV), Polyolefinen oder Kohlenstoffnanofasern (CNF) hergestellt sind.Electrode according to one of the Claims 1 to 6th , wherein the spacers are made of polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), polyethylene oxide (PEO), polymethyl methacrylate (PMMA), polyphenylene ether (PPO), MEEP, polyacrylonitrile (PAN), polyfluoren, polypyrrole, Polythiophene, polyaniline or poly (p-phenylenevinylene) (PPV), polyolefins or carbon nanofibers (CNF) are made. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Abstandshalter im unkomprimierten Zustand eine mittlere Breite aufweisen, die 2-100% des volumengemittelten Teilchendurchmessers der Aktivmaterialpartikel beträgt.Electrode according to one of the Claims 1 to 7th wherein the spacers in the uncompressed state have an average width which is 2-100% of the volume-average particle diameter of the active material particles. Lithiumionenzelle, die mindestens eine Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.Lithium ion cell, the at least one electrode according to one of the Claims 1 to 8th includes. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithiumionenzelle, umfassend: - Bereitstellung einer Metallfolie als Stromkollektor; - Aufbringung einer Struktur aus komprimierbaren Abstandshaltern mit Zwischenräumen, die für die Aufnahme von Aktivmaterialpartikeln vorgesehen sind; und - Einbringung von Aktivmaterialpartikeln zwischen die Abstandshalter, worin die Aktivmaterialpartikel bei Lithiumaufnahme eine maximale Volumenexpansion ΔV von 33% oder mehr aufweisen.A method of manufacturing an electrode for a lithium ion cell, comprising: - Provision of a metal foil as a current collector; - Application of a structure made of compressible spacers with interspaces, which are provided for receiving active material particles; and Introduction of active material particles between the spacers, in which the active material particles have a maximum volume expansion ΔV of 33% or more when lithium is absorbed. Verfahren gemäß Anspruch 10, worin die Struktur aus komprimierbaren Abstandshaltern durch Aufbringen einer Lösung oder Dispersion eines Polymermaterials, die wahlweise einen elektrisch leitfähigen Zusatz enthalten kann, mittels eines Druckverfahrens oder durch Sprühtrocknen gebildet wird.Procedure according to Claim 10 wherein the structure of compressible spacers is formed by applying a solution or dispersion of a polymer material, which may optionally contain an electrically conductive additive, by means of a printing process or by spray drying. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, worin die Aktivmaterialpartikel durch Aufbringung einer Dispersion der Aktivmaterialpartikel in einem Lösungsmittel, die wahlweise einen elektrisch leitfähigen Zusatz und/oder ein Bindemittel enthält, zwischen die Abstandshalter eingebracht werden.Procedure according to Claim 10 or 11 wherein the active material particles are introduced between the spacers by applying a dispersion of the active material particles in a solvent which optionally contains an electrically conductive additive and / or a binder.
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