DE102019200229A1 - Anodische Elektrode und Verfahren zu deren Wärmebehandlung - Google Patents

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Joo Young Choi
Younggeun Choi
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer anodischen Elektrode (20) für eine Festkörperbatteriezelle beschrieben,wobei in einem ersten Verfahrensschritt (102) die anodische Elektrode (20) bei einer ersten Temperatur erwärmt, insbesondere gesintert wird und wobei in einem zweiten Verfahrensschritt (104) die anodische Elektrode (20) in eine Dispersion umfassend Kohlenstoff (206) eingetaucht wird undin einem dritten Verfahrensschritt (106) die anodische Elektrode (20) bei einer zweiten Temperatur, die gleich oder kleiner als die erste Temperatur ist, derart erwärmt wird, dass eine elektrische Leitfähigkeit der anodischen Elektrode (20) hergestellt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine anodische Elektrode und ein Verfahren zu deren Wärmebehandlung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • Zur Umsetzung der Elektromobilität werden Sekundärbatterien, die auch als wieder aufladbare Akkumulatoren bezeichnet werden, zur Umwandlung elektrischer Energie verwendet. Dafür sind Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer großen Energiedichte, ihrer guten thermischen Stabilität und ihrer geringen Selbstentladung besonders geeignet.
  • Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Lithium-Ionen-Batteriezellen. Man unterscheidet hierbei zwischen Batteriezellen mit einem Flüssigelektrolyten und solchen mit einem Festkörperelektrolyten.
    Aktuell werden Batteriezellen mit einem Festkörperelektrolyten, die auch als Festkörperbatteriezellen bezeichnet werden, bevorzugt in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet. Der Grund dafür ist, dass aufgrund der Verwendung eines Festkörperelektrolyten anstatt eines flüssigen Elektrolyten die Gefahr einer Entzündung des flüssigen Elektrolyten beim Erwärmen der betroffenen Batteriezellen vermieden werden kann. Dadurch weisen die Festkörperbatteriezellen eine bessere Betriebssicherheit als Batteriezellen mit einem flüssigen Elektrolyten auf. Zudem weisen Festkörperbatteriezellen mit einem sauerstoffhaltigen Festkörperelektrolyten eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit auf. Darüber hinaus lassen sich derartige Festkörperbatteriezellen in einem breiten Temperaturbereich betreiben.
  • Derartige Festkörperbatteriezellen beinhalten üblicherweise eine oder mehrere Elektrodeneinheiten in Form von Elektrodenwickeln oder Elektrodenstapeln, die zumindest eine anodische Elektrode, zumindest eine kathodische Elektrode und zumindest einen Separator in Form eines Festkörperelektrolyten enthalten, der die anodische Elektrode und die kathodische Elektrode räumlich voneinander trennt. Wegen der chemischen Stabilität der Festkörperbatteriezellen kann die anodische Elektrode metallisches Lithium aufweisen, das eine sehr hohe spezifische Kapazität besitzt. Die anodische bzw. kathodische Elektrode befindet sich auf einem anodischen bzw. kathodischen Stromsammler. Zudem ist es vorteilhaft bei der Verwendung von metallischem Lithium als anodische Elektrode, dass eine derartige anodische Elektrode gleichzeitig den Stromsammler darstellt und somit kein zusätzlicher Stromsammler benötigt wird. Die Elektrodeneinheiten sind unter Ausbildung einer Festkörperbatteriezelle in ein Gehäuse aufgenommen. Das Gehäuse kann je nach Anwendungsfall prismatisch, rund oder folienartig sein.
  • Die elektrische Leitfähigkeit bei solchen Festkörperbatteriezellen ist jedoch geringer als bei den Batteriezellen mit flüssigen Elektrolyten.
  • Ein Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit in Festkörperbatteriezellen ist aus dem Dokument US 2017/346092 A1 bekannt, bei dem ein Festkörperelektrolyt bei einer Temperatur zwischen 400 °C und 650 °C gesintert wird.
  • Darüber hinaus ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bekannt, bei dem eine anodische Elektrode bei einer Temperatur im Bereich von 1000 °C bis 1100 °C erwärmt wird, so dass ein anodisches Aktivmaterial mit einem Festkörperelektrolyten elektrisch kontaktiert wird. Trotz der hohen Temperatur entstehen nach der Erwärmung zumindest 5% von Poren in der anodischen Elektrode, welche die elektrische Leitfähigkeit der anodischen Elektrode beeinträchtigen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Diesbezüglich wird ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Wärmebehandlung einer anodischen Elektrode für eine Festkörperbatteriezelle bereitgestellt.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt die anodische Elektrode bei einer ersten Temperatur erwärmt. Vorzugsweise wird in dem ersten Verfahrensschritt die anodische Elektrode bei der ersten Temperatur gesintert. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt die anodische Elektrode in eine Dispersion eingetaucht. Dabei umfasst die Dispersion Kohlenstoff, insbesondere Kohlenstoffpartikel. Weiter wird in einem dritten Verfahrensschritt die anodische Elektrode bei einer zweiten Temperatur derart erwärmt, dass eine elektrische Leitfähigkeit der anodischen Elektrode hergestellt wird. Dabei ist die zweite Temperatur gleich oder kleiner als die erste Temperatur.
  • Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Wärmebehandlung einer anodischen Elektrode in zwei separaten Schritten erfolgt. Der zweite Schritt wird durchgeführt, nachdem die anodische Elektrode in eine Dispersion umfassend Kohlenstoff, insbesondere Kohlenstoffpartikel, eingetaucht worden ist. Der zweite Schritt dient dazu, Öffnungen bzw. Poren in der anodischen Elektrode mit Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffpartikeln aus der Dispersion zu befüllen. Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit der anodischen Elektrode verbessert.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • So ist vorteilhaft, wenn die erste Temperatur im Bereich von 550 °C bis 900 °C liegt. Weiter ist vorteilhaft, wenn die zweite Temperatur im Bereich von 500 °C bis 850 °C vorliegt.
  • Dadurch lassen sich Herstellungskosten derartiger anodischer Elektroden verringern, da verglichen mit üblichen Sintertemperaturen eine Wärmebehandlung bei niedrigen Temperaturen im Bereich von 1000 °C bis 1100 °C ausreichend ist.
  • Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die anodische Elektrode zumindest ein Aktivmaterial und einen sauerstoffhaltigen Elektrolyten enthält.
  • Die gemäß der vorliegenden Erfindung wärmebehandelte anodische Elektrode lässt sich vorteilhaft für eine Festkörperbatteriezelle oder eine Festoxidbrennstoffzelle einsetzen, die unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz kommen.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1: ein beispielhaftes Prozessschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
    • 2: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen anodischen Elektrode.
  • In 1 ist ein beispielhaftes Prozessschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens 10 zur Wärmebehandlung einer anodischen Elektrode 20 dargestellt. Das Verfahren kann in der dargestellten Reihenfolge folgen.
  • In einem ersten Verfahrensschritt 102 wird die anodische Elektrode 20 bei einer ersten Temperatur erwärmt. Beispielsweise wird die anodische Elektrode 20 bei einer Temperatur im Bereich von 550 °C bis 900 ° gesintert. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt 104 die anodische Elektrode 20 in eine Dispersion eingetaucht. Die Dispersion kann beispielsweise eine Mischung aus Wasser und Ruß sein. Weiter wird in einem dritten Verfahrensschritt 106 die anodische Elektrode 20 bei einer zweiten Temperatur erwärmt. Die zweite Temperatur ist beispielsweis gleich oder kleiner als die erste Temperatur und liegt beispielsweise im Bereich von 500 °C bis 850 °C.
  • In 2 ist eine anodische Elektrode 20, die gemäß dem Verfahren in 1 wärmebehandelt ist, schematisch dargestellt. Die anodische Elektrode 20 beinhaltet beispielsweise eine Einwaage an Aktivmaterial in Form von Aktivmaterialpartikeln 202. Dabei umfasst das Aktivmaterial beispielsweise synthetischen Graphit. Zwischen den Aktivmaterialpartikeln 202 ist ein sauerstoffhaltiger Elektrolyt 204 vorhanden. Dabei kann der sauerstoffhaltige Elektrolyt 204 in Form von NASICON vorliegen, vorzugsweise als Li(1+x)AlxTi(2-x)(PO4)3, wobei X beispielsweise gleich 0,4 ist. Alternativ kann der sauerstoffhaltige Elektrolyt 204 eine Perowskitstruktur aufweisen und vorzugsweise als Li0,35La0,55TiO3 vorliegen. Denkbar ist auch, dass der sauerstoffhaltige Elektrolyt 204 eine Granatstruktur aufweist und vorzugsweise als Li5La3Ta2O12, weiter vorzugsweise als Li7La3Zr2O12 vorliegt.
  • Nach der Erwärmung im dritten Verfahrensschritt 106 gemäß 1 sind Öffnungen bzw. Poren zwischen Aktivmaterialpartikeln 202 in der anodischen Elektrode 20 beispielsweise mit Kohlenstoffpartikeln 206 befüllt. Dabei dienen die Kohlenstoffpartikel 206 als Leitzusatz, der die elektrische Leitfähigkeit der anodischen Elektrode 20 verstärkt.
  • Die beschriebene anodische Elektrode 20 findet Anwendung in Festkörperbatteriezellen, die wiederum Anwendungen in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie finden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2017346092 A1 [0006]

Claims (5)

  1. Verfahren zur Wärmebehandlung einer anodischen Elektrode (20) für eine Festkörperbatteriezelle, wobei in einem ersten Verfahrensschritt (102) die anodische Elektrode (20) bei einer ersten Temperatur erwärmt, insbesondere gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensschritt (104) die anodische Elektrode (20) in eine Dispersion umfassend Kohlenstoff (206) eingetaucht wird und in einem dritten Verfahrensschritt (106) die anodische Elektrode (20) bei einer zweiten Temperatur, die gleich oder kleiner als die erste Temperatur ist, derart erwärmt wird, dass eine elektrische Leitfähigkeit der anodischen Elektrode (20) hergestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur im Bereich von 550 °C bis 900 °C liegt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur im Bereich von 550 °C bis 850 °C liegt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Elektrode (20) zumindest ein Aktivmaterial (202) und einen sauerstoffhaltigen Elektrolyten (204) enthält.
  5. Anodische Elektrode (20), hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in einer Batteriezelle zur Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (PEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20110236299A1 (en) * 2010-03-25 2011-09-29 Tsinghua University Method for making lithium-ion battery electrode material
US20170346092A1 (en) 2016-05-27 2017-11-30 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Oxide electrolyte sintered body and method for producing the same

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