DE102019122226A1 - Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie und Herstellungsverfahren dafür Download PDF

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Nikolaos Tsiouvaras
Hideki Ogihara
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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie, aufweisend: Bereitstellen eines Stromkollektors mit einer Hauptfläche; Bilden einer ersten Elektrodenschicht auf der Hauptfläche des Stromkollektors, wobei sich eine erste Haftung zwischen dem Stromkollektor und der ersten Elektrodenschicht entlang der Hauptfläche ausbildet; Bilden einer zweiten Elektrodenschicht auf der ersten Elektrodenschicht, wobei die erste und zweite Elektrodenschicht sich entlang einer der Hauptfläche des Stromkollektors gegenüberliegenden Berührungsfläche berühren, die zweite Elektrodenschicht mit der ersten Elektrodenschicht entlang der Berührungsfläche haftend verbunden ist; und Verdichten der ersten und zweiten Elektrodenschicht mit einer Verdichtungseinrichtung, wobei während dem Verdichten ein Druckelement der Verdichtungseinrichtung auf zumindest einen Teil der der Berührungsfläche gegenüberliegenden Fläche der zweiten Elektrodenschicht einen Druck ausübt, und sich eine zweite Haftung zwischen dem Druckelement und dem Teil der zweiten Elektrodenschicht ausbilden kann, auf den der Druck ausgeübt wird; wobei das Verhältnis zwischen der ersten Haftung und der durch das Verdichten sich ergebenden zweiten Haftung größer als eins ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie sowie eine Lithium- oder Lithiumionenbatteriezelle mit einer solchen Kompositelektrode.
  • Lithium- oder Lithiumionenbatterien erreichen vergleichsweise hohe Energiedichten. Sie können in Form von Zellenstapel oder Wickelzellen ausgeführt sein. Insbesondere Wickelzellen lassen sich mit hoher Geschwindigkeit und mit geringen Kosten realisieren. In einer Lithium- oder Lithiumionenbatterie sind zumindest eine positive Elektrode und eine negative Elektrode enthalten, die durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die Elektroden weisen jeweils einen Metall enthaltenden Stromkollektor auf, der üblicherweise eine folienartige oder plattenförmige Form aufweist. Bei positiven Elektroden werden als Kollektoren meist Folien aus Aluminium und bei negativen Elektroden meist Folien aus Kupfer verwendet.
  • Elektroden werden üblicherweise durch Auftragen/Aufbringen einer Schicht aus einem zähflüssigen Elektrodenmaterial auf die Hauptfläche eines folienartigen oder plattenförmigen Stromkollektors hergestellt. Das Elektrodenmaterial kann ein Gemisch aus aktiven Material, Leitadditiv und einem Elektroden-Binder/Bindemittel sein. Der Stromkollektor kann als Band bzw. Rolle bereitgestellt werden, welches eine Beschichtungseinrichtung durchläuft, in der die Elektrodenbeschichtungsmasse beispielsweise mittels einer Düse auf das Stromkollektorband schichtförmig aufgetragen wird. Nach dem Trocknen (Abzug des Trägerlösemittels) des auf dem Stromkollektorband aufgetragenen zusammengesetzten Elektrodenmaterials, kann eine Verdichtung desselben durch Kalandrieren erfolgen. Dabei wird das mit dem Elektrodenmaterial beschichtete Stromkollektorband durch einen Spalt hindurchgeführt, der von zwei sich rotierenden Walzen gebildet wird und der kleiner als die Ausgangsdicke des mit dem Elektrodenmaterial beschichteten Stromkollektorbandes ist. Durch das Kalandrieren kann eine definierte Porosität der Beschichtung eingestellt werden. Eine allgemeine Beschreibung der Lithium-Ionen-Technologie findet man in dem von Thomas Wöhrle verfassten Kapitel 9 des Buches „Handbuch Lithium-Ionen-Batterien“, Springer, 2013, Herausgeber Reiner Korthauer.
  • Die Haftung zwischen der Elektrodenmaterialschicht und dem Stromkollektor wird in der Regel durch den im Elektrodenmaterial enthaltenen Binder bewirkt. Dementsprechend wird dieser so gewählt, dass er eine gleichbleibend gute Haftung der Elektrodenmaterialschicht an dem aus Metall bestehenden oder Metall enthaltenden Stromkollektor gewährleistet. Beispielsweise wird für die Anbindung/Haftung eines Graphit-basierten Anodenmaterials an einen Kupferbasierten Stromkollektor PVdF (Polyvinylidenfluorid), SBR (Styrene-Butadien-Rubber), CMC (Carboxymethylcellulose) oder Acrylat als Binder benutzt. Für die Anbindung eines keramisch-basierten Kathodenmaterials an einen Aluminium-Stromkollektor kann beispielsweise PVdF als Binder eingesetzt werden.
  • Beim Verdichten des auf dem Stromkollektorband aufgetragenen Elektrodenmaterials mit Kalanderwalzen können sich Teile des Elektronenmaterials aus der Schicht lösen und an der Walze haften bleiben. Dadurch verliert die Elektrode aktives Material, was zu einer Verringerung ihrer nominalen Kapazität sowie Zuverlässigkeit führt. Darüber hinaus müssen beim Herstellungsprozess aufwändige Reinigungsschritte zum Reinigen der Kalanderwalze durchgeführt werden, was den Herstellungsprozess verteuert bzw. verlangsamt. Auch kann es bei der Elektrodenherstellung zu erhöhtem Ausschuss kommen.
  • Gerade im Falle hochverdichteter Elektroden (insbesondere Anoden), bei denen ein Binder eingesetzt wird, der eine sehr starke Haftung des Elektrodenmaterials an den Stromkollektor bewirkt, können sich beim Kalandrieren Teile aus der Elektrodenmaterialschicht lösen und an einer der Kalanderwalzen haften bleiben. Der eingesetzte Binder bewirkt nämlich nicht nur eine starke Haftung der Elektrodenmaterialschicht an dem Stromkollektor, sondern auch eine starke Haftung des Elektrodenmaterials an einer der Kalanderwalzen. Ist die Haftung an der Kalanderwalze vergleichbar oder stärker als die Haftung an dem Stromkollektor, kann sich das Elektrodenmaterial vom Stromkollektor lösen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie anzugeben, das schnell und sicher durchführbar ist, bei gleichzeitiger Beibehaltung der nominalen Elektrodenbeladung, nominalen Elektrodendichte und den geforderten nominalen Eigenschaften hinsichtlich Energiedichte und Lebensdauer. Insbesondere soll das Verfahren verhindern, dass beim Verdichten der Kompositelektrode mittels Kalanderwalzen keine Teile des Elektrodenmaterials aus der auf dem Stromkollektor aufgetragenen Elektronenmaterialschicht herausgerissen und an der Kalanderwalze haften bleiben.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre des Anspruchs 1 erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 10.
  • Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie bereitzustellen, die schnell und sicher hergestellt werden kann, bei gleichzeitiger Beibehaltung der nominalen Elektrodenbeladung, nominalen Elektrodendichte und den geforderten nominalen Eigenschaften hinsichtlich Energiedichte und Lebensdauer.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre eines der unabhängigen Ansprüche 11 und 12 erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 13 und 14.
  • Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre des unabhängigen Anspruches 15 erreicht.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie, aufweisend: Bereitstellen eines folienartigen oder plattenförmigen Stromkollektors mit einer Hauptfläche;
  • Bilden einer ersten Elektrodenschicht auf der Hauptfläche des Stromkollektors, wobei die erste Elektrodenschicht ein erstes aktives Material aufweist und sich eine erste Haftung zwischen dem Stromkollektor und der ersten Elektrodenschicht entlang der Hauptfläche ausbildet; Bilden einer zweiten Elektrodenschicht auf der ersten Elektrodenschicht, wobei die erste und zweite Elektrodenschicht sich entlang einer der Hauptfläche des Stromkollektors gegenüberliegenden Berührungsfläche berühren, die zweite Elektrodenschicht ein zweites aktives Material aufweist und mit der ersten Elektrodenschicht entlang der Berührungsfläche haftend verbunden ist; und Verdichten der ersten und zweiten Elektrodenschicht mit einer Verdichtungseinrichtung, wobei während dem Verdichten ein Druckelement der Verdichtungseinrichtung auf zumindest einen Teil der der Berührungsfläche gegenüberliegenden Fläche der zweiten Elektrodenschicht einen Druck ausübt, und sich eine zweite Haftung zwischen dem Druckelement und dem Teil der zweiten Elektrodenschicht ausbilden kann, auf den der Druck ausgeübt wird; wobei das Verhältnis zwischen der ersten Haftung und der durch das Verdichten sich ergebenden zweiten Haftung größer als eins ist.
  • Dadurch kann ein Herstellungsverfahren bereitgestellt werden, bei dem während dem Verdichten die Wahrscheinlichkeit reduziert ist, dass sich Teile der ersten Elektrodenschicht von dem Stromkollektor lösen und an dem Druckelement haften bleiben. Die Herstellung der Kompositelektrode kann somit unter Beibehaltung der nominalen Eigenschaften hinsichtlich Energiedichte und Lebensdauer einfacher und schneller durchgeführt werden.
  • Unter Haftung/Haftfestigkeit zwischen zwei in Kontakt befindlichen Schichten/Phasen ist, im Sinne der vorliegenden Erfindung, die Kraft zu verstehen, die notwendig ist, die zwei in Kontakt befindlichen Schichten/Phasen (zumindest teilweise) zu trennen. Zu der Haftung kann die Adhäsion zwischen den zwei in Kontakt befindlichen Schichten aber auch die Beschaffenheit, insbesondere die Rauheit, der in Kontakt befindlichen Oberflächen beitragen. Unter Adhäsion sind die Kräfte zu verstehen, die die beiden sich berührenden Schichten aneinander drücken/pressen. Diese Kräfte können durch molekulare Wechselwirkung zwischen den sich berührenden Schichten in der Berührungsfläche (Grenzfläche) hervorgerufen werden und können im Wesentlichen von der Rauheit der sich berührenden Oberflächen unabhängig sein.
  • Verfahren zum Messen der Haftung/Haftfestigkeit zwischen zwei in Kontakt befindlichen Schichten/Phasen sind dem Fachmann bekannt, daher wird darauf nicht weiter im Detail eingegangen. Der nach einem Messverfahren gemessene Messwert für eine Haftung kann von dem verwendeten Messverfahren abhängen. Daher sollten im Sinne der vorliegenden Erfindung Messwerte für Haftungen (Haftfestigkeiten) mit demselben Verfahren ermittelt/gemessen werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen der ersten Haftung und der durch das Verdichten sich ergebenden zweiten Haftung größer als zwei, vorzugsweise größer als fünf.
  • Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit, dass sich während dem Verdichten Teile der ersten Elektrodenschicht von dem Stromkollektor lösen, noch weiter reduziert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform bedeckt die zweite Elektrodenschicht die der Hauptfläche des Stromkollektors gegenüberliegende Fläche der ersten Elektrodenschicht ganz.
  • Dadurch kann verhindert werden, dass die erste Elektrodenschicht mit dem Druckelement in Berührung kommt und sich während dem Verdichten eine Haftung zwischen der ersten Elektrodenschicht und der Oberfläche des Druckelementes ausbilden kann. Weil sich keine (unmittelbare) Haftung der ersten Elektrodenschicht an dem Druckelement - die weitaus stärker als die Haftung der zweiten Elektrodenschicht an dem Druck ausfallen könnte - ausbildet, kann die Wahrscheinlichkeit, dass sich während dem Verdichten Teile der ersten Elektrodenschicht von dem Stromkollektor lösen, ebenfalls reduziert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Elektrodenschicht ferner ein erstes Leitadditiv und einen ersten Binder auf, wobei der erste Binder einerseits das erste aktive Material und das erste Leitadditiv bindet und anderseits die erste Haftung zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem Stromkollektor ausbildet; und/oder
    weist die zweite Elektrodenschicht ferner ein zweites Leitadditiv und einen zweiten Binder auf, wobei der zweite Binder das zweite aktive Material und das zweite Leitadditiv bindet;
    wird die haftende Verbindung zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht entlang ihrer Berührungsfläche durch den ersten Binder und/oder den zweiten Binder ausgebildet.
  • Dadurch kann einerseits die elektrische Leitfähigkeit der ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht erhöht werden; und andererseits die Haftung zwischen aktivem Material und Leitadditiv innerhalb einer Elektrodenschicht, die Haftung zwischen den Elektrodenschichten, und die Haftung zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem Stromkollektor nach Wunsch eingestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die erste Elektrodenschicht das erste aktive Material und das erste Leitadditiv in Form von Partikeln, und zwischen diesen und dem ersten Binder bildet sich eine dritte Haftung heraus, enthält die zweite Elektrodenschicht das zweite aktive Material und das zweite Leitadditiv in Form von Partikeln, und zwischen diesen und dem zweiten Binder bildet sich eine vierte Haftung heraus, und ist die durch das Verdichten sich ergebende zweite Haftung zwischen dem Druckelement und der zweiten Elektrodenschicht kleiner als die dritte Haftung, kleiner als die vierte Haftung und kleiner als die haftende Verbindung zwischen der ersten und zweiten Elektronenschicht.
  • Dadurch kann während dem Verdichten verhindert werden, dass: Teile aus der ersten Elektrodenschicht herausgerissen werden, Teile der zweiten Elektrodenschicht oder die ganze zweite Elektrodenschicht sich von der ersten Elektrodenschicht lösen/löst, und Teile aus der zweiten Elektrodenschicht herausgerissen werden. Dadurch kann das Druckelement frei von Teilchen des Elektrodenmaterials bleiben und muss nicht gereinigt werden. Insbesondere aber bleiben die Eigenschaften der Kompositelektrode hinsichtlich Energiedichte und Lebensdauer erhalten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform basieren der erste Binder und der zweite Binder auf unterschiedlichen Stoffen. Beispielsweise basiert der erste Binder auf Polyvinylidenfluorid (PVdF) und/oder der zweite Binder auf Polytetrafluorethylen (PTFE).
  • Dadurch können der erste und der zweite Binder unterschiedliche Adhäsionseigenschaften aufweisen, was das Auffinden der für eine Kompositelektrode passenden/optimalen ersten und zweiten Binder erleichtern kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform basieren der erste Binder und der zweite Binder auf identischen Stoffen, jedoch ist die Konzentration des ersten Binders in der ersten Elektrodenschicht höher als die Konzentration des zweiten Binders in der zweiten Elektrodenschicht. Beispielsweise basieren der erste und zweite Binder auf Polyvinylidenfluorid (PVdF).
  • Unter Konzentration eines Binders im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Anteil dieses Binders an der Elektrodenschicht, der er angehört, zu verstehen. Dieser Anteil kann in Gewichtsprozenten (Gew %) angegeben werden. Die Konzentration einer beliebigen Komponente einer Elektrodenschicht (aktives Material, Leitadditiv oder Binder) wird als Anteil dieser Komponente an der Elektrodenschicht, der er angehört, angegeben.
  • Dadurch kann für den ersten und zweiten Binder ein und derselbe Binder oder Bindemittel eingesetzt und die unterschiedlichen Haftungen (innerhalb einer Elektrodenschicht, zwischen den Elektrodenschichten und zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem Stromkollektor) durch verschiedene Konzentrationen des Binders/Bindemittels in der jeweiligen Elektrodenschicht realisiert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Bilden der ersten Elektrodenschicht auf:
    • Vermengen des ersten aktiven Materials, des ersten Leitadditivs und des ersten Binder zu einem ersten Stoffgemisch, und
  • Auftragen des ersten Stoffgemischs auf die Hauptfläche des Stromkollektors; und
    weist das Bilden der zweiten Elektrodenschicht auf:
    • Vermengen des zweiten aktiven Materials, des zweiten Leitadditivs und des zweiten Binder zu einem zweiten Stoffgemisch, und
  • Auftragen des zweiten Stoffgemischs auf die erste Elektrodenschicht, fließen bei oder nach dem Auftragen des zweiten Stoffgemischs der erste Binder und der zweite Binder an der Berührungsfläche zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht ineinander.
  • Dadurch kann die Haftung zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht entlang ihrer Berührungsfläche verbessert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke des auf die Hauptfläche des Stromkollektors aufgetragenen ersten Stoffgemisches von der des auf die erste Elektrodenschicht aufgetragenen zweiten Stoffgemisches verschieden.
  • Dadurch kann eine erfindungsgemäße Kompositelektrode mit unterschiedlichen Elektrodenschichtdicken hergestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke des auf die Hauptfläche des Stromkollektors aufgetragenen ersten Stoffgemisches kleiner als die Dicke des auf die erste Elektrodenschicht aufgetragenen zweiten Stoffgemisches.
  • Dadurch kann eine erfindungsgemäße Kompositelektrode mit erhöhter Energiedichte hergestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste aktive Material und das zweite aktive Material identisch oder verschieden.
  • Dadurch kann das Auffinden des für die Kompositelektrode passenden ersten und zweiten aktiven Materials erleichtert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Fläche des Druckelementes, die während dem Verdichten auf die zweite Elektrodenschicht den Druck ausübt, eine Rauheit auf, deren Mittenrauwert, Ra, kleiner als 1 µm ist, oder deren gemittelte Rautiefe, Rz, kleiner als 2 µm ist.
  • Dadurch kann die Haftung der zweiten Elektrodenschicht an dem Druckelement verringert werden, und damit das Loslösen der ersten Elektrodenschicht vom Stromkollektor und/oder das Herausreißen von Teilen des Elektrodenmaterials während dem Verdichten reduziert/verhindert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Verdichtungseinrichtung Kalanderwalzen, und das Druckelement ist die Kalanderwalze, die während dem Verdichten mit der zweiten Elektrodenschicht in Kontakt gerät.
  • Dadurch kann die Verdichtungseinrichtung realisiert werden.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie, erhältlich durch ein erfindungsgemäßes Verfahren.
  • Dadurch kann eine Kompositelektrode bereitgestellt werden, die während dem Verdichten nicht durch Loslösen der ersten Elektrodenschicht vom Stromkollektor und/oder durch Herausreißen von Elektrodenmaterialteilen aus der ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht beschädigt werden kann; und somit eine hohe Energiedichte und lange Lebensdauer aufweisen kann.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie, aufweisend:
    • einen folienartigen oder plattenförmigen Stromkollektor mit einer Hauptfläche und einem die Hauptfläche bildenden Oberflächenmaterial, wobei die Hauptfläche eine Rauheit aufweist;
    • eine erste Elektrodenschicht, die auf der Hauptfläche des Stromkollektors ausgebildet ist, wobei die erste Elektrodenschicht ein erstes aktives Material und einen ersten Binder aufweist,
    • der erste Binder gegenüber der Hauptfläche des Stromkollektors eine erste Haftung aufweist und über diese eine Haftung der ersten Elektrodenschicht an dem Stromkollektor ausbildet;
    • eine zweite Elektrodenschicht, die auf der der Hauptfläche des Stromkollektors gegenüberliegenden Fläche der ersten Elektrodenschicht ausgebildet ist, wobei die zweite Elektrodenschicht ein zweites aktives Material und einen zweiten Binder aufweist,
    • der zweite Binder gegenüber einer Referenzoberfläche, die das Oberflächenmaterial und die Rauheit der Hauptfläche des Stromkollektors aufweist, eine zweite Haftung aufweist, und
    • der erste Binder und/oder der zweite Binder eine haftende Verbindung zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht entlang ihrer Berührungsfläche ausbildet;
    • wobei das Verhältnis zwischen der ersten Haftung des ersten Binders und der zweiten Haftung des zweiten Binders größer als eins ist.
  • Dadurch kann eine Kompositelektrode bereitgestellt werden, bei der die Wahrscheinlichkeit, dass sie Stellen aufweist, an denen die erste Elektrodenschicht vom Stromkollektor gelöst ist, deutlich reduziert ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen der ersten Haftung des ersten Binders und der zweiten Haftung des zweiten Binders größer als zwei, bevorzugt größer als fünf.
  • Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit, dass die Kompositelektrode Stellen aufweist, an denen die erste Elektrodenschicht vom Stromkollektor gelöst ist, weiter reduziert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Elektrodenschicht ferner ein erstes Leitadditiv auf und der erste Binder bindet das erste aktive Material und das erste Leitadditiv; und/oder
    weist die zweite Elektrodenschicht ferner ein zweites Leitadditiv auf und der zweite Binder bindet das zweite aktive Material und das zweite Leitadditiv.
  • Dadurch kann einerseits die erste und/oder zweite Elektrodenschicht eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit aufweisen; und andererseits die Haftung zwischen aktivem Material und Leitadditiv innerhalb einer Elektrodenschicht, die Haftung zwischen den Elektrodenschichten, und die Haftung zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem Stromkollektor vorgegebenen Anforderungen entsprechen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Rauheit der Hauptfläche einen Mittenrauwert, Ra, auf, der größer als 1 µm ist, und/oder
    weist die Rauheit der Hauptfläche eine gemittelte Rautiefe, Rz, auf, die größer als 2 µm ist.
  • Dadurch kann die erste Elektrodenschicht an dem Stromkollektor stärker haften, und damit die Wahrscheinlichkeit, dass die Kompositelektrode Stellen aufweist, an denen die erste Elektrodenschicht vom Stromkollektor gelöst ist, ebenfalls reduziert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform basieren der erste Binder und der zweite Binder auf unterschiedlichen Stoffen. Beispielsweise basiert der erste Binder auf Polyvinylidenfluorid (PVdF) und/oder der zweite Binder auf Polytetrafluorethylen (PTFE).
  • Dadurch können der erste und der zweite Binder unterschiedliche Adhäsionseigenschaften aufweisen und die gewünschte Haftung innerhalb einer Elektrodenschicht, zwischen den Elektrodenschichten und zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem Stromkollektor können im Wesentlichen durch die unterschiedlichen Adhäsionseigenschaften zustande kommen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform basieren der erste Binder und der zweite Binder auf identischen Stoffen, jedoch ist die Konzentration des ersten Binders in der ersten Elektrodenschicht höher als die Konzentration des zweiten Binders in der zweiten Elektrodenschicht. Beispielsweise basieren der erste und zweite Binder auf Polyvinylidenfluorid (PVdF).
  • Dadurch kann die gewünschte Haftung innerhalb einer Elektrodenschicht, zwischen den Elektrodenschichten und zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem Stromkollektor durch verschiedene Konzentrationen ein und desselben Binders/Bindemittels realisiert sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kompositelektrode eine Kathode und der erste Binder und/oder der zweite Binder ist einer oder eine Kombination der Folgenden: polar modifiziertes PVdF > Polyethylenoxid (PEO) > Polyvinylidenfluorid (PVdF) > Polyvinylidenfluorid-Hexa-Fluoro-Propylen-Co-Polymer (PVdF-HFP) > Polyvinylpyrrolidon (PVP) > Polytetrafluorethylen (PTFE), wobei das Zeichen „>“ angibt, dass die Haftung des vor dem Zeichen „>“ stehenden Binders gegen Aluminium größer als die Haftung des nach dem Zeichen „>“ stehenden Binders gegen Aluminium ist. In der Aufführung hat somit polar modifiziertes PVdF die stärkste Haftung gegen Aluminium und Polytetrafluorethylen die schwächste Haftung.
  • Dadurch können bei der Herstellung einer Elektrode die Vorteile eines organischen Binder-Systems genutzt werden; oder die Elektrode selber weist die Vorteile eines solchen Systems auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kompositelektrode eine Anode und der erste Binder und/oder der zweite Binder ist einer oder eine Kombination der Folgenden: Polyacrylat > Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) > Carboxymethylcellulose (CMC) > Polyvinylpyrrolidon (PVP), wässrige PVdF-Emulsion > wässrige PVdF-HFP-Emulsion > Polytetrafluorethylen (PTFE), wobei das Zeichen „>“ angibt, dass die Haftung des vor dem Zeichen „>“ stehenden Binders gegen Kupfer größer als die Haftung des nach dem Zeichen „>“ stehenden Binders gegen Kupfer ist. In der Aufführung hat somit Akrylat die stärkste Haftung gegen Kupfer und Polytetrafluorethylen die schwächste Haftung.
  • Dadurch können bei der Herstellung einer Anode die Vorteile eines wässrigen Binder-Systems genutzt werden; oder die Anode selber weist die Vorteile eines solchen Systems auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kompositelektrode eine Katode und der erste Binder und/oder der zweite Binder ist einer oder eine Kombination der Folgenden: polar modifiziertes PVdF > Polyethylenoxid (PEO) > Polyvinylidenfluorid (PVdF) > Polyvinylidenfluorid-Hexa-Fluoro-Propylen-Co-Polymer (PVdF-HFP) > Polyvinylpyrrolidon (PVP) > > Polytetrafluorethylen (PTFE).
  • Dadurch können bei der Herstellung einer Katode die Vorteile eines organischen Binder-Systems genutzt werden; oder die Katode selber weist die Vorteile eines solchen Systems auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kompositelektrode eine Katode und der erste Binder und/oder der zweite Binder ist einer oder eine Kombination der Folgenden: Polyacrylat > Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) > Polyvinylpyrrolidon (PVP) > wässrige PVdF-Emulsion > wässrige PVdF-HFP-Emulsion > Polytetrafluorethylen (PTFE).
  • Dadurch können bei der Herstellung einer Katode die Vorteile eines wässrigen Binder-Systems genutzt werden; oder die Katode selber weist die Vorteile eines solchen Systems auf.
  • Binder/Bindemittel, die hinsichtlich dem Oberflächenmaterial des Stromkollektors eine höhere Adhäsion aufweisen, können als erste Binder eingesetzt und Binder, die hinsichtlich dem Oberflächenmaterial des Stromkollektors eine kleinere Adhäsion aufweisen, können als zweite Binder eingesetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der ersten Elektrodenschicht kleiner als die Dicke der zweiten Elektrodenschicht.
  • Dadurch kann die Kompositelektrode eine erhöhte Energiedichte aufweisen.
  • Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle mit einer erfindungsgemäßen Kompositelektrode.
  • Dadurch kann eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer bereitgestellt werden.
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
  • Dabei zeigt
    • 1 schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Kompositelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 2a schematisch einen Stromkollektor der Kompositelektrode;
    • 2b schematisch eine auf dem Stromkollektor ausgebildete erste Elektrodenschicht;
    • 2c schematisch einen Elektrodenschichtstapel, der den Stromkollektor, die erste Elektrodenschicht und eine auf dieser ausgebildeten zweiten Elektrodenschicht enthält;
    • 2d schematisch das Verdichten des Elektrodenschichtstapels; und
    • 3 schematisch eine Kompositelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie und die 2a bis 2d veranschaulichen in schematischer Form die einzelnen Schritte dieses Verfahrens.
  • In einem Schritt S101 wird ein folienartiger oder plattenförmiger Stromkollektor 101 mit einer Hauptfläche 102 bereitgestellt. Die Hauptfläche 102 des Stromkollektors 101 weist vorzugsweise eine Rauheit mit einem Mittenrauwert, Ra, von mindestens 1 µm, oder eine Rauheit mit einer gemittelten Rautiefe, Rz, von mindestens 2 µm auf. Die Oberfläche des Stromkollektors, die die Hauptfläche 102 bildet, weist Metall auf. Dieses Metall ist bevorzugt Kupfer oder Nickel, wenn die herzustellende Kompositelektrode eine Anode ist; bzw. Aluminium, wenn die herzustellende Kompositelektrode eine Katode ist.
  • In einem Schritt S102 wird eine erste Elektrodenschicht 110 auf der Hauptfläche 102 des Stromkollektors 101 gebildet. Die erste Elektrodenschicht 110 kann aufweisen: ein erstes aktives Material 114, ein erstes Leitadditiv 116 sowie einen ersten Binder 112 zum Binden des ersten aktiven Materials 114 und des ersten Leitadditivs 116. Das erste aktive Material 114 und das erste Leitadditiv 116 können in Form von Partikeln in der ersten Elektrodenschicht 110 enthalten sein. Zwischen dem ersten Binder 112 und den Partikeln des ersten aktiven Materials 114 und des ersten Leitadditivs 116 kann sich eine erste Haftung herausbilden, die schließlich zum Binden des ersten aktiven Materials und des ersten Leitadditivs führt. Auch muss der erste Binder 112 so gewählt sein, dass er das Ausbilden einer Haftung/Haftkraft zwischen der ersten Elektrodenschicht 110 und dem Stromkollektor 101 gewährleistet.
  • Das Bilden der ersten Elektrodenschicht, S102, kann die folgenden Teilschritte aufweisen: Vermengen des ersten aktiven Materials 114, des ersten Leitadditivs 116 und des ersten Binders 112 zu einem ersten Stoffgemisch; und Auftragen/Aufbringen des ersten Stoffgemisches auf die Hauptfläche 102 des Stromkollektor 101. Der für das erste Stoffgemisch verwendete erste Binder kann in einem Lösungsmittel gelöst sein. Das Aufbringen des ersten Stoffgemisches auf die Hauptfläche des Stromkollektors kann in einer Beschichtungsanlage mittels einer Düse erfolgen. Nach dem Aufbringen des ersten Stoffgemisches auf die Hauptfläche 102 des Stromkollektors 101 kann ein Trocknen der ersten Elektrodenschicht 110 folgen. Nach dem Trocknen der ersten Elektrodenschicht 110 muss der erste Binder 112 eine Haftung der ersten Elektrodenschicht 110 an dem Stromkollektor 101 gewährleisten.
  • In einem Schritt S103 wird eine zweite Elektrodenschicht 120 auf der ersten Elektrodenschicht 110 gebildet. Vorzugsweise kann die zweite Elektrodenschicht 120 die der Hauptfläche 102 des Stromkollektors 101 gegenüberliegende Fläche der ersten Elektrodenschicht 110 ganz bedecken. Die zweite Elektrodenschicht 120 kann aufweisen: ein zweites aktives Material 124, ein zweites Leitadditiv 126 sowie einen zweiten Binder 122 zum Binden des zweiten aktiven Materials 124 und des zweiten Leitadditivs 126. Das zweite aktive Material 124 und das zweite Leitadditiv 126 können in Form von Partikeln in der zweiten Elektrodenschicht 120 enthalten sein. Zwischen dem zweiten Binder 122 und den Partikeln des zweiten aktiven Materials 124 und des zweiten Leitadditivs 126 kann sich eine zweite Haftung herausbilden, die schließlich zum Binden des zweiten aktiven Materials und des zweiten Leitadditivs führt. Auch muss der erste Binder 112 und/oder zweite Binder 122 so gewählt sein, dass er das Ausbilden einer haftenden Verbindung zwischen der ersten Elektrodenschicht 110 und der zweiten Elektrodenschicht 120 entlang ihrer Berührungsfläche 130 gewährleistet.
  • Das Bilden der zweiten Elektrodenschicht, S103, kann die folgenden Teilschritte aufweisen: Vermengen des zweiten aktiven Materials 124, des zweiten Leitadditivs 126 und des zweiten Binders 122 zu einem zweiten Stoffgemisch; und Auftragen/Aufbringen des zweiten Stoffgemisches auf die der Hauptfläche des Stromkollektors gegenüberliegende Fläche der ersten Elektrodenschicht 110. Der für das zweite Stoffgemisch verwendete zweite Binder kann in einem Lösungsmittel gelöst sein. Das Auftragen des zweiten Stoffgemisches auf die erste Elektrodenschicht 110 und das Auftragen der ersten Elektrodenschicht 110 auf den Stromkollektor 101 in Schritt 102 können quasi gleichzeitig erfolgen. Dabei wird in der Beschichtungsanlage mit einer ersten Düse zuerst die erste Elektrodenschicht 110 auf den Stromkollektor 101 aufgetragen, und danach mit einer in kurzen Abstand von der ersten Düse befindlichen zweiten Düse die zweite Elektrodenschicht 120 auf die noch nicht getrocknete erste Elektrodenschicht 110 aufgetragen. Danach kann das Trocknen der ersten und zweiten Elektrodenschicht erfolgen. Weil beim Auftragen der zweiten Elektrodenschicht die erste Elektrodenschicht noch nicht getrocknet war, können beide Elektrodenschichten an ihrer Berührungsfläche 130 ineinander fließen, was nach dem Trocknen zu einer verbesserten Haftung zwischen den beiden Schichten führt.
  • Das zweite Stoffgemisch kann auch auf eine trockene erste Elektrodenschicht 110 aufgetragen werden. In diesem Fall kann die erste Elektrodenschicht 110 an der Berührungsfläche 130 mit der (nassen) zweiten Elektrodenschicht 120 anquillen und ein Ineinanderfließen der beiden Schichten an der Berührungsfläche 130 ermöglichen. Nach dem Aufbringen des zweiten Stoffgemisches und dem Ineinanderfließen der ersten und zweiten Elektrodenschicht an der Berührungsfläche 130 kann das Trocknen der zweiten Elektrodenschicht 120 erfolgen. Nach dem Trocknen müssen der erste Binder 112 und/oder der zweite Binder 122 eine haftende Verbindung zwischen der ersten Elektrodenschicht 110 und der zweiten Elektrodenschicht 120 gewährleisten.
  • In einem Schritt S104 erfolgt das Verdichten der ersten Elektrodenschicht 110 und der zweiten Elektrodenschicht 120 mit den Kalanderwalzen 103 und 105. Dieser Schritt wird im Folgenden auch einfach als Kalandrieren bezeichnet. Beim Kalandrieren wird der aus dem Stromkollektor 101, der ersten Elektrodenschicht 110 und der zweiten Elektrodenschicht 120 gebildete Schichtenstapel 100 durch den von den Kalanderwalzen 103 und 105 gebildeten Spalt hindurchgeführt. Durch das Kalandrieren werden die erste und zweite Elektrodenschicht verdichtet und somit die Dicke des Schichtstapels 300 nach dem Kalandrieren verkleinert. Die 2c zeigt einen Schnitt des Schichtstapels 100 in der Ebene A-A, also vor dem Kalandrieren; und 3 einen Schnitt des Schichtstapels 300 in der Ebene B-B, nach dem Kalandrieren. Der Effekt des Kalandrierens ist in 3 dadurch verdeutlicht, dass die Partikel des aktiven Materials und des Leitadditivs in beiden Elektrodenschichten näher zusammenrücken und benachbarte Partikel sich öfters berühren als das in 2c der Fall ist.
  • Beim Kalandrieren übt die Walze 103 auf die Fläche 106 des Schichtenstapels 100 einen Druck aus, der zu einer Haftung zwischen der Kalanderwalze 103 und der mit dieser in Kontakt geratenen Fläche 106 führen kann. Weil die Fläche 106 des Schichtenstapels 100 gleichzeitig auch (obere) Fläche der zweiten Elektrodenschicht 120 ist, wird diese Haftung im Wesentlichen durch den zweiten Binder 120 vermittelt. Durch diese Haftung können Teile der ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht aus dem Schichtenverbund 100 herausgerissen und an der Kalenderwalze 103 haften bleiben. Die Haftung zwischen Kalanderwalze 103 und der zweiten Elektrodenschicht 120 kann von der Materialbeschaffenheit und der Rauheit der Kalanderwalze 103 sowie von den Adhäsionseigenschaften des zweiten Binder 120 abhängen. Ob ein Teil der ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht aus dem Schichtenverbund 100 herausgerissen wird oder nicht, hängt jedoch auch von der Haftung innerhalb der Schichten, der Haftung zwischen den Schichten sowie der Haftung zwischen erster Elektrodenschicht 110 und Stromkollektor 101 - und somit auch von dem ersten Binder 112 - ab.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Kompositelektrode werden daher der erste Binder 112 und der zweite Binder 122 so gewählt, dass das Verhältnis zwischen der Haftung zwischen Stromkollektor 101 und erster Elektrodenschicht 110 und der Haftung zwischen Kalanderwalze 103 und der zweiten Elektrodenschicht 120 größer als eins ist. Je größer dieses Verhältnis ist, umso geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich während dem Kalandrieren Teile der ersten Elektrodenschicht 110 von dem Stromkollektor 101 lösen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher das Verhältnis zwischen der Haftung zwischen Stromkollektor 101 und erster Elektrodenschicht 110 und der Haftung zwischen Kalanderwalze 103 und der zweiten Elektrodenschicht 120 größer als zwei, insbesondere größer als fünf. Optimal wäre es, wenn während dem Kalandrieren die mit der Kalenderwalze 103 in Kontakt geratene Fläche der zweiten Elektrodenschicht 120 nicht an der Kalanderwalze 103 haftet, d. h. die Haftung zwischen Kalanderwalze 103 und der zweiten Elektrodenschicht 120 gleich null, und somit das Verhältnis zwischen der Haftung zwischen Stromkollektor 101 und erster Elektrodenschicht 110 und der Haftung zwischen Kalanderwalze 103 und der zweiten Elektrodenschicht 120 unendlich wäre.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, den ersten und zweiten Binder so zu wählen, dass die durch das Verdichten sich ergebende zweite Haftung zwischen der Kalanderwalze 103 und der zweiten Elektrodenschicht 120 kleiner als die durch den ersten Binder 112 vermittelte Haftung zwischen dem ersten aktiven Material 114 und dem ersten Leitadditiv 116 (dritte Haftung), kleiner als die durch den zweiten Binder 122 vermittelte Haftung zwischen dem zweiten aktiven Material 124 und dem zweiten Leitadditiv 126 (vierte Haftung), und kleiner als die haftende Verbindung zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht ist. Je kleiner die zweite Haftung gegenüber der dritten Haftung, der vierten Haftung und der haftenden Verbindung zwischen den beiden Elektrodenschichten ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass während dem Kalandrieren Teile der ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht aus dem Schichtenverbund 100 herausgerissen werden und an der Kalanderwalze 103 hängen bleiben.
  • Der erste Binder 112 und der zweite Binder 122 können auf unterschiedlichen Stoffen/Bindemittel basieren. Beispielsweise ist der erste Binder PVdF-basiert und der zweite Binder PTFE-basiert.
  • Der erste Binder 112 und der zweite Binder 122 können auch auf demselben Stoff/Bindemittel basieren, jedoch unterscheiden sie sich in ihrer Konzentration dahingehend, dass die Konzentration des ersten Binders 112 in der ersten Elektrodenschicht 110 höher als die Konzentration des zweiten Binders 122 in der zweiten Elektrodenschicht 120 ist. Beispielsweise sind der erste Binder und der zweite Binder PVdF-basiert.
  • Das erste aktive Material 114 und das zweite aktive Material 124 können identisch oder verschieden sein.
  • Weil die Haftung zwischen Kalanderwalze 103 und der zweiten Elektrodenschicht 120 auch von der Rauheit der Kalanderwalze 103 abhängen kann, ist es vorteilhaft, wenn diese eine Rauheit aufweist, die kleiner als die Rauheit der Hauptfläche 102 des Stromkollektors 101 ist. Vorzugsweise weist die Rauheit der Kalanderwalze 103 einen Mittenrauwert, Ra, auf, der kleiner als 1 µm ist, oder eine gemittelte Rautiefe, Rz, die kleiner als 2 µm ist.
  • Die erste und zweite Elektrodenschicht können unterschiedliche Dicken aufweisen. Beispielsweise kann die Dicke der zweiten Elektrodenschicht 120 größer als die der ersten Elektrodenschicht 110 sein. Diese Ausführungsform kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Konzentration des zweiten Binders 122 kleiner als die Konzentration des ersten Binders 112 ist. Dann nämlich kann der Anteil des ersten und zweiten aktiven Materials an der Kompositelektrode höher sein als bei einer Kompositelektrode, bei der die Dicken der ersten und zweiten Elektrodenschicht gleich sind.
  • Die 3 zeigt den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Kompositelektrode für eine Lithium- oder Lithiumionen-Batterie. Die erfindungsgemäße Kompositelektrode 300 kann nach dem bisher beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Kompositelektrode hergestellt werden und weist einen Stromkollektor 101, eine erste Elektrodenschicht 310 und eine auf dieser ausgebildete zweite Elektrodenschicht 320 auf.
  • Der Stromkollektor 101 kann folienartig oder plattenförmig sein, und weist eine Hauptfläche 102 und eine die Hauptfläche bildendes Oberflächenmaterial auf, das Metall enthält. Das Metall kann Kupfer oder Nickel sein, wenn die Kompositelektrode 300 eine Anode; oder Aluminium sein, wenn die Kompositelektrode 300 eine Katode ist. Der Stromkollektor 101 kann auch ganz aus dem im Oberflächenmaterial enthaltenen Metall gefertigt sein. Es ist vorteilhaft, wenn die Hauptfläche der Stromkollektors eine Rauheit aufweist, deren Mittenrauwert, Ra, mindestens 1 µm, oder deren gemittelte Rautiefe, Rz, mindestens 2 µm beträgt.
  • Die erste Elektrodenschicht 310 ist auf der Hauptfläche 102 des Stromkollektors 101 ausgebildet und weist ein erstes aktives Material 114, ein erstes Leitadditiv 116 und einen ersten Binder 112 auf. Das erste aktive Material 114 und das erste Leitadditiv 116 können in Form von Partikeln in der ersten Elektrodenschicht 310 enthalten sein. Der erste Binder 112 kann das erste aktive Material 114 und das erste Leitadditiv 116 binden und weist gegenüber der Hauptfläche 102 des Stromkollektors 101 eine erste Haftung auf. Über diese kann der erste Binder 112 eine Haftung zwischen der ersten Elektrodenschicht 310 und dem Stromkollektor 101 an seiner Hauptfläche ausbilden.
  • Die zweite Elektrodenschicht 320 ist auf der ersten Elektrodenschicht 310 ausgebildet, auf einer Fläche, die der Hauptfläche 102 des Stromkollektors 101 gegenüberliegt; und weist ein zweites aktives Material 124, ein zweites Leitadditiv 126 und einen zweiten Binder 122 auf. Das zweite aktive Material 124 und das zweite Leitadditiv 126 können in Form von Partikeln in der zweiten Elektrodenschicht 320 enthalten sein. Der zweite Binder 122 kann das zweite aktive Material 124 und das zweite Leitadditiv 126 binden und weist gegenüber einer Fläche, die das Oberflächenmaterial und die Rauheit der Hauptfläche 102 des Stromkollektors 101 hat (auch Referenzfläche benannt), eine zweite Haftung auf.
  • Die erste und zweite Elektrodenschicht berühren sich und haften aneinander entlang einer Berührungsfläche 130. Diese haftende Verbindung wird von dem ersten Binder 112 und/oder dem zweiten Binder 122 ausgebildet.
  • Erfindungsgemäß sind der erste Binder 112 und der zweite Binder 122 so gewählt, dass das Verhältnis zwischen der ersten Haftung des ersten Binders und der zweiten Haftung des zweiten Binders größer als eins, bevorzugt größer als 2, insbesondere größer als fünf ist. Wenn der erste und zweite Binder so gewählt werden, ist die Wahrscheinlichkeit sehr klein, dass beim Herstellen der Kompositelektrode 300, insbesondere bei ihrer Verdichtung, sich die erste Elektrodenschicht an irgendeiner Stelle von dem Stromkollektor gelöst hat. Auch ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass die Kompositelektrode 300 Stellen in der ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht aufweist, in denen aktives Material und/oder Leitadditiv fehlt.
  • Der erste Binder 112 und der zweite Binder 122 können auf unterschiedlichen Stoffen basieren. Beispielsweise basiert der erste Binder auf Polyvinylidenfluorid (PVdF) und der zweite Binder auf Polytetrafluorethylen (PTFE).
  • Der erste Binder 112 und der zweite Binder 122 können auch auf identischen Stoffen basieren, jedoch ist dann die Konzentration des ersten Binders in der ersten Elektrodenschicht höher als die Konzentration des zweiten Binders in der zweiten Elektrodenschicht. Beispielsweise basieren der erste und zweite Binder auf Polyvinylidenfluorid (PVdF).
  • Das erste aktive Material 114 und das zweite aktive Material 124 können identisch oder verschieden sein.
  • In einer erfindungsgemäßen Kompositelektrode können die erste Elektrodenschicht 310 und die zweite Elektrodenschicht 320 unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Beispielsweise kann die Dicke der zweiten Elektrodenschicht 320 größer als die der ersten Elektrodenschicht 310 sein. Vorteilhaft kann eine solche Kompositelektrode sein, wenn die Konzentration des zweiten Binders kleiner als die Konzentration des ersten Binders ist. Dann nämlich kann die Kompositelektrode mehr aktives Material aufnehmen als eine ihr entsprechende Kompositelektrode, bei der aber die Dicken der ersten und zweiten Elektrodenschicht gleich sind.
  • Die Kompositelektrode 300 kann als Anode oder Kathode einer Lithium- oder Lithiumionenbatterie ausgebildet sein.
  • Die im Folgenden gezeigten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Kompositelektrode für Lithium- oder Lithiumionen-Batterien. Die für die Herstellung der jeweiligen Kompositelektroden verwendeten Materialien sind in den Tabellen 1 bis 4 angegeben. Zudem gibt jede Tabelle die mittlere Partikelgröße d50 für das Aktivmaterial und das Leitadditiv sowie die Konzentration eines jeden Materials in Gewichtsprozenten (Gew%) an. Die Konzentration eines Materials bezieht sich auf den Anteil dieses Materials in einer Elektrodenschicht. In den Tabellen wird eine Elektrodenschicht einfach als Schicht und der Stromkollektor als Ableiter bezeichnet.
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • Das erste Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Anode für eine Lithium- oder Lithiumionen-Batterie. Das für den Stromkollektor/Ableiter verwendete Metall, die Zusammensetzung des ersten Stoffgemisches, das auf die Hauptfläche des Stromkollektors zur Ausbildung der ersten Elektrodenschicht aufgetragen wird, sowie die Zusammensetzung des zweiten Stoffgemisches, das das auf die erste Elektrodenschicht zur Ausbildung der zweiten Elektrodenschicht aufgetragen wird, sind in der ersten Zeile der Tabelle 1 angegeben. Wie man der Tabelle entnehmen kann, basieren die in der ersten und zweiten Elektrodenschicht eingesetzten Binder auf unterschiedlichen Stoffen (PVdF bzw. PTFE). Die in der ersten und zweiten Elektrodenschicht eingesetzten Aktivmaterialien sind identisch (Graphit). Ebenso die Leitadditive (Leitruß). Tabelle 1
    Anode Erste Schicht Zweite Schicht
    Ableiter Aktivmaterial Leitadditiv Binder Aktivmaterial Leitadditiv Binder
    Cu Graphit MCMP 25-28 (Osaka Gas) d50=25µm 92 Gew% Leitruß Super P (Imerys) d50=50nm 2 Gew% HSV 900 PVdF (ARKEMA) 6 Gew% Graphit MCMP 25-28 (Osaka Gas) d50=25µm 92 Gew% Leitruß Super P (Imerys) d50=50nm 2 Gew% PTFE (SOLVAY) 6 Gew%
    Ni Graphit MCMP 25-28 (Osaka Gas) d50=25µm 92 Gew% Leitruß Super P (Imerys) d50=50nm 2 Gew% HSV 900 PVdF (ARKEMA) 6 Gew% Graphit MCMP 25-28 (Osaka Gas) d50=25µm 92 Gew% Leitruß Super P (Imerys) d50=50nm 2 Gew% PTFE (SOLVAY) 6 Gew%
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur in dem Metall, das für den Stromkollektor verwendet wird. Die dafür eingesetzten Materialien sind in der zweiten Zeile der Tab. 1 angegeben.
  • Drittes Ausführungsbeispiel
  • Das dritte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Katode für eine Lithium- oder Lithiumionen-Batterie. Das für den Stromkollektor verwendete Metall, die Zusammensetzung des ersten Stoffgemisches, das auf den Stromkollektor zur Ausbildung der ersten Elektrodenschicht aufgetragen wird, sowie die Zusammensetzung des zweiten Stoffgemisches, das das auf die erste Elektrodenschicht zur Ausbildung der zweiten Elektrodenschicht aufgetragen wird, sind in der Tabelle 2 angegeben. Die in der ersten und zweiten Elektrodenschicht eingesetzten Binder basieren auf unterschiedlichen Stoffen (PVdF bzw. PTFE). Die in der ersten und zweiten Elektrodenschicht eingesetzten Aktivmaterialien sind identisch. Ebenso die Leitadditive. Tabelle 2
    Katode Erste Schicht Zweite Schicht
    Ableiter Aktivmaterial Leitadditiv Binder Aktivmaterial Leitadditiv Binder
    Al LiCoO2 (Kd-10, Umicore) d50=10µm 93 Gew% Leitruß Super P (Imerys) d50=50nm 3 Gew% SOLEF 5130 PVdF (Solvay) 4 Gew% LiCoO2 (Kd-10, Umicore) d50=15µm 93 Gew% Leitruß Super P (Imerys) d50=50nm 3 Gew% PTFE (SOLVAY) 4 Gew%
  • Viertes Ausführungsbeispiel
  • Das vierte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Anode für eine Lithium- oder Lithiumionen-Batterie. Das für den Stromkollektor verwendete Metall, die Zusammensetzung des ersten Stoffgemisches, das auf den Stromkollektor zur Ausbildung der ersten Elektrodenschicht aufgetragen wird, sowie die Zusammensetzung des zweiten Stoffgemisches, das das auf die erste Elektrodenschicht zur Ausbildung der zweiten Elektrodenschicht aufgetragen wird, sind in der ersten Zeile der Tab. 3 angegeben. Wie man der Tabelle entnehmen kann, basieren die in der ersten und zweiten Elektrodenschicht eingesetzten Binder auf demselben Stoff (PVdF), haben aber unterschiedliche Konzentrationen in den jeweiligen Elektrodenschichten. Die in der ersten und zweiten Elektrodenschicht eingesetzten Aktivmaterialien sind identisch (Graphit). Ebenso die Leitadditive (Leitruß). Tabelle 3
    Anode Erste Schicht Zweite Schicht
    Ableiter Binder Aktivmaterial Leitadditiv Konz. des Binders Aktivmaterial Leitadditiv Konz. des Binders
    Cu SOLEF 5130 PVdF (Solvay) Graphit Hitachi MAGE d50=20µm 93 Gew% Leitruß Super P 1,5 Gew% 5,5 Gew% Graphit Hitachi MAGE d50=20µm 95 Gew% Leitruß Super P 1,5Gew% 3,5 Gew%
    Ni SOLEF 5130 PVdF (Solvay) Graphit Hitachi MAGE d50=20µm 93 Gew% Leitruß Super P 1,5 Gew% 5,5 Gew% Graphit Hitachi MAGE d50=20µm 95 Gew% Leitruß Super P 1,5Gew% 3,5 Gew%
  • Fünftes Ausführungsbeispiel
  • Das fünfte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vierten Ausführungsbeispiel nur in dem Metall, das für den Stromkollektor verwendet wird. Die dafür eingesetzten Materialien sind in der zweiten Zeile der Tabelle 3 angegeben.
  • Sechstes Ausführungsbeispiel
  • Das sechste Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Katode für eine Lithium- oder Lithiumionen-Batterie. Das für den Stromkollektor verwendete Metall, die Zusammensetzung des ersten Stoffgemisches, das auf den Stromkollektor zur Ausbildung der ersten Elektrodenschicht aufgetragen wird, sowie die Zusammensetzung des zweiten Stoffgemisches, das auf die erste Elektrodenschicht zur Ausbildung der zweiten Elektrodenschicht aufgetragen wird, sind in der Tabelle 4 angegeben. Die in der ersten und zweiten Elektrodenschicht eingesetzten Binder basieren auf demselben Stoff (PVdF), haben aber unterschiedliche Konzentrationen in den jeweiligen Elektrodenschichten. Die in der ersten und zweiten Elektrodenschicht eingesetzten Aktivmaterialien sind identisch. Ebenso die Leitadditive. Tabelle 4
    Katode Erste Schicht Zweite Schicht
    Ableiter Binder Aktivmaterial Leitadditiv Konz. des Binders Aktivmaterial Leitadditiv Konz. des Binders
    Al SOLEF 5130 PVdF (Solvay) LiCoO2 (Kd-10, Umicore) d50=15µm 93 Gew% Leitruß Super P (Imerys) d50=50nm 3 Gew% 4 Gew% LiCoO2 (Kd-10, Umicore) d50=15µm 95 Gew% Leitruß Super P (Imerys) d50=50nm 3 Gew% 2 Gew%
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Elektrodenschichtstapel
    101
    Stromkollektor (Folie)
    102
    Hauptfläche des Stromkollektors
    103
    Erste (obere) Kalanderwalze
    105
    Zweite (untere) Kalanderwalze
    106
    Fläche des Elektrodenstapels, die die erste Kalanderwalze berührt
    107
    Fläche des Elektrodenstapels, die die zweite Kalanderwalze berührt
    110
    Erste Elektrodenschicht
    112
    Erster Binder
    114
    Erstes aktives Material
    116
    Erstes Leitadditiv
    120
    Zweite Elektrodenschicht
    122
    Zweiter Binder
    124
    Zweites aktives Material
    126
    Zweites Leitadditiv
    130
    Verbindungsfläche zw. der ersten und zweiten Elektrodenschicht
    300
    Kompositelektrode
    310
    Erste Elektrodenschicht der Kompositelektrode
    320
    Zweite Elektrodenschicht der Kompositelektrode
    330
    Verbindungsfläche zw. den zwei Elektrodenschichten der Kompositelektrode

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Kompositelektrode (300) für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie, aufweisend: Bereitstellen eines folienartigen oder plattenförmigen Stromkollektors (101) mit einer Hauptfläche; Bilden einer ersten Elektrodenschicht (110) auf der Hauptfläche des Stromkollektors (101), wobei die erste Elektrodenschicht (110) ein erstes aktives Material (114) aufweist und sich eine erste Haftung zwischen dem Stromkollektor (101) und der ersten Elektrodenschicht (110) entlang der Hauptfläche ausbildet; Bilden einer zweiten Elektrodenschicht (120) auf der ersten Elektrodenschicht (110), wobei die erste und zweite Elektrodenschicht sich entlang einer der Hauptfläche des Stromkollektors (101) gegenüberliegenden Berührungsfläche (130) berühren, die zweite Elektrodenschicht (120) ein zweites aktives Material (124) aufweist und mit der ersten Elektrodenschicht (110) entlang der Berührungsfläche (130) haftend verbunden ist; und Verdichten der ersten und zweiten Elektrodenschicht mit einer Verdichtungseinrichtung, wobei während dem Verdichten ein Druckelement (103) der Verdichtungseinrichtung auf zumindest einen Teil der der Berührungsfläche (130) gegenüberliegenden Fläche der zweiten Elektrodenschicht (120) einen Druck ausübt, und sich eine zweite Haftung zwischen dem Druckelement und dem Teil der zweiten Elektrodenschicht (120) ausbilden kann, auf den der Druck ausgeübt wird; wobei das Verhältnis zwischen der ersten Haftung und der durch das Verdichten sich ergebenden zweiten Haftung größer als eins ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis zwischen der ersten Haftung und der durch das Verdichten sich ergebenden zweiten Haftung (120) größer als zwei, vorzugsweise größer als fünf ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrodenschicht (110) ferner ein erstes Leitadditiv (116) und einen ersten Binder (112) aufweist, wobei der erste Binder (112) einerseits das erste aktive Material (114) und das erste Leitadditiv (116) bindet und anderseits die erste Haftung zwischen der ersten Elektrodenschicht (110) und dem Stromkollektor (101) ausbildet; und/oder die zweite Elektrodenschicht (120) ferner ein zweites Leitadditiv (126) und einen zweiten Binder (122) aufweist, wobei der zweite Binder (122) das zweite aktive Material (124) und das zweite Leitadditiv (126) bindet; wobei die haftende Verbindung zwischen der ersten Elektrodenschicht (110) und der zweiten Elektrodenschicht (120) entlang ihrer Berührungsfläche (130) durch den ersten Binder (112) und/oder den zweiten Binder (122) ausgebildet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Elektrodenschicht (110) das erste aktive Material (114) und das erste Leitadditiv (116) in Form von Partikeln enthält, und zwischen diesen und dem ersten Binder (112) sich eine dritte Haftung herausbildet, wobei die zweite Elektrodenschicht (120) das zweite aktive Material (124) und das zweite Leitadditiv (126) in Form von Partikeln enthält, und zwischen diesen und dem zweiten Binder (122) sich eine vierte Haftung herausbildet, und die durch das Verdichten sich ergebende zweite Haftung zwischen dem Druckelement (103) und der zweiten Elektrodenschicht (120) kleiner als die dritte Haftung, kleiner als die vierte Haftung und kleiner als die haftende Verbindung zwischen der ersten und zweiten Elektronenschicht ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste Binder (112) und der zweite Binder (122) auf unterschiedlichen Stoffen basieren.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste Binder (112) und der zweite Binder (122) auf identischen Stoffen basieren, jedoch die Konzentration des ersten Binders (112) in der ersten Elektrodenschicht (110) höher als die Konzentration des zweiten Binders (122) in der zweiten Elektrodenschicht (120) ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Bilden der ersten Elektrodenschicht (110) aufweist: Vermengen des ersten aktiven Materials (114), des ersten Leitadditivs (116) und des ersten Binder (112) zu einem ersten Stoffgemisch, und Auftragen des ersten Stoffgemischs auf die Hauptfläche des Stromkollektors (101); und das Bilden der zweiten Elektrodenschicht (120) aufweist: Vermengen des zweiten aktiven Materials (124), des zweiten Leitadditivs (126) und des zweiten Binder (122) zu einem zweiten Stoffgemisch, und Auftragen des zweiten Stoffgemischs auf die erste Elektrodenschicht (110), wobei bei oder nach dem Auftragen des zweiten Stoffgemischs der erste Binder (112) und der zweite Binder (122) an der Berührungsfläche (130) zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht ineinanderfließen.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste aktive Material (114) und das zweite aktive Material (124) identisch oder verschieden sind.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fläche des Druckelementes (103), die während dem Verdichten auf die zweite Elektrodenschicht (120) den Druck ausübt, eine Rauheit aufweist, deren Mittenrauwert, Ra, kleiner als 1 µm ist, oder deren gemittelte Rautiefe, Rz, kleiner als 2 µm ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdichtungseinrichtung Kalanderwalzen (103, 105) enthält, und das Druckelement die Kalanderwalze (103) ist, die während dem Verdichten mit der zweiten Elektrodenschicht (120) in Kontakt gerät.
  11. Kompositelektrode (300) für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
  12. Kompositelektrode (300) für eine Lithium- oder Lithiumionenbatterie, aufweisend: einen folienartigen oder plattenförmigen Stromkollektor (101) mit einer Hauptfläche und einem die Hauptfläche bildenden Oberflächenmaterial, wobei die Hauptfläche eine Rauheit aufweist; eine erste Elektrodenschicht (310), die auf der Hauptfläche des Stromkollektors (101) ausgebildet ist, wobei die erste Elektrodenschicht (310) ein erstes aktives Material (114) und einen ersten Binder (112) aufweist, der erste Binder (112) gegenüber der Hauptfläche des Stromkollektors (101) eine erste Haftung aufweist und über diese eine Haftung der ersten Elektrodenschicht (310) an dem Stromkollektor (101) ausbildet; eine zweite Elektrodenschicht (320), die auf der der Hauptfläche des Stromkollektors (101) gegenüberliegenden Fläche der ersten Elektrodenschicht (310) ausgebildet ist, wobei die zweite Elektrodenschicht (320) ein zweites aktives Material (124) und einen zweiten Binder (122) aufweist, der zweite Binder (122) gegenüber einer Referenzoberfläche, die das Oberflächenmaterial und die Rauheit der Hauptfläche des Stromkollektors (101) aufweist, eine zweite Haftung aufweist, und der erste Binder (112) und/oder der zweite Binder (122) eine haftende Verbindung zwischen der ersten Elektrodenschicht (310) und der zweiten Elektrodenschicht (320) entlang ihrer Berührungsfläche (130) ausbildet; wobei das Verhältnis zwischen der ersten Haftung des ersten Binders (112) und der zweiten Haftung des zweiten Binders (122) größer als eins ist.
  13. Kompositelektrode (300) nach Anspruch 12, wobei das Verhältnis zwischen der ersten Haftung des ersten Binders und der zweiten Haftung des zweiten Binders größer als zwei, bevorzugt größer als fünf ist.
  14. Kompositelektrode (300) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Rauheit der Hauptfläche einen Mittenrauwert, Ra, aufweist, der größer als 1 µm ist, und/oder die Rauheit der Hauptfläche eine gemittelte Rautiefe, Rz, aufweist, die größer als 2 µm ist.
  15. Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle mit einer Kompositelektrode gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14.
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