DE102020111241A1 - Anode, Lithiumionenbatterie und Verfahren zum Herstellen einer Anode - Google Patents

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Abstract

Eine Anode für eine Lithiumionenbatterie umfasst einen Anodenfilm (12) mit einem Anodenaktivmaterial, wobei das Anodenaktivmaterial eine silizium- und/oder titanbasierte Komponente enthält. Der Anodenfilm (12) umfasst eine Fläche mit zumindest einem ersten Teilbereich (16) und einem zweiten Teilbereich (18), die in einem vorbestimmten Muster zueinander angeordnet sind, wobei ein Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente im ersten Teilbereich (16) verschieden ist vom Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente im zweiten Teilbereich (18)Zudem wird eine Lithiumionenbatterie mit einer solchen Anode sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Anode angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anode, eine Lithiumionenbatterie mit einer solchen Anode sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Anode.
  • Im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionenbatterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zum Begriff „Lithiumionen-Zelle“ genutzt. Die Lithiumionenbatterie kann auch eine Festkörperbatterie sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörperbatterie.
  • Lithiumionenbatterien haben zumindest zwei verschiedene Elektroden, eine positive (Kathode) und eine negative (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf. Die Kathode und die Anode werden während des Herstellungsprozesses beispielsweise in Stapeln übereinander angeordnet, wobei zur elektrischen Isolierung zwischen Kathode und Anode ein Separator verwendet wird.
  • In Lithiumionenbatterien muss sowohl die Anode als auch die Kathode in der Lage sein, Lithiumionen aufzunehmen bzw. abzugeben. Die Aufnahme bzw. Abgabe der Lithiumionen kann zu einer Volumenänderung des Aktivmaterials führen, wobei das Ausmaß der Volumenänderung vom jeweiligen Aktivmaterial abhängig ist. Insbesondere Anodenaktivmaterialien, die für Lithiumionenbatterien mit hohen Energiedichten in Frage kommen, zeigen starke Volumenänderungen. Die Kontrolle dieser Volumenänderung ist insbesondere während des ersten Ladevorgangs nach Ausbildung der SEI (engl. „solid electrolyte interface“) auf der Anode von besonderer Bedeutung.
  • Üblicherweise werden in Einzelzellen Anoden verbaut, die eine größere Fläche aufweisen als die dazugehörigen Kathoden. Dies ermöglicht eine gewisse Fehlertoleranz in der relativen Ausrichtung von Anode und Kathode während der Herstellung der Einzelzelle. Auf diese Weise können interne Kurzschlüsse verhindert werden, die durch ungewollte Kontakte zwischen Anode und Kathode entstehen könnten. Die Anoden weisen durch eine solche Anordnung jedoch überstehende Randbereiche auf.
  • Diese Anordnung von Anode und Kathode führt dazu, dass während des Ladevorgangs Lithiumionen lediglich in dem Bereich der Anode eingelagert werden, in welchem die Kathode über der Anode angeordnet ist. Weist die Anode ein Aktivmaterial auf, welches während der Einlagerung von Lithium Volumenänderungen zeigt, treten diese Volumenänderungen nicht im über die Kathode überstehenden Randbereich der Anode auf. Daraus resultieren mechanische Spannungen innerhalb der Anode, die zur Ausbildung von Falten führen können, insbesondere im oder nahe des Randbereichs der Anode. Durch die Faltenbildung kann die Funktionsweise der Zelle jedoch beeinträchtigt werden.
  • Um die Faltenbildung zu unterbinden, können Fixierschablonen verwendet werden, die auf den Randbereich aufgesetzt werden und somit ein Einrollen bzw. eine Faltenbildung der Anode verhindern. Jedoch muss die Fixierschablone vor dem Einbau der Einzelzelle in ein Zellmodul aus mehreren Einzelzellen wieder entfernt werden, wobei Beschädigungen der Elektrodenoberflächen auftreten können.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anode sowie eine Lithiumionenbatterie bereitzustellen, die ein stabiles Verhalten während des Lade- bzw. Entladevorgangs zeigen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anode anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anode für eine Lithiumionenbatterie, die einen Anodenfilm mit einem Anodenaktivmaterial umfasst, wobei das Anodenaktivmaterial eine silizium- und/oder titanbasierte Komponente enthält. Der Anodenfilm umfasst eine Fläche mit zumindest einem ersten Teilbereich und einem zweiten Teilbereich, die in einem vorbestimmten Muster zueinander angeordnet sind, wobei ein Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente im ersten Teilbereich verschieden ist vom Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente im zweiten Teilbereich.
  • Die silizium- und/oder titanbasierte Komponente des Anodenaktivmaterials ist insbesondere ein Aktivmaterial mit starker Volumenänderung bei der Einlagerung bzw. Auslagerung von Lithium. Entsprechend ist die silizium- und/oder titanbasierte Komponente der bestimmende Bestandteil für die während des Lade- bzw. Entladevorgangs auftretende Volumenänderung des Anodenaktivmaterials und des Anodenfilms.
  • Der Begriff „starke Volumenänderung“ steht hier insbesondere für eine Volumenänderung bei der Einlagerung bzw. Auslagerung von Lithium, die größer ist als die Volumenänderung von Graphit bei der Einlagerung bzw. Auslagerung von Lithium.
  • Insbesondere zeigt ein Anodenaktivmaterial eine starke Volumenänderung, wenn sich bei Aufnahme von 50 % der maximal reversibel interkalierbaren Molmenge Lithiums das Volumen des Anodenaktivmaterials mindestens um 50 % vergrößert und bei Abgabe von 50 % der maximal reversibel von 50 % der maximal reversibel aufnehmbaren Molmenge Lithiums mindestens um 50 % verkleinert, jeweils bezogen auf das Volumen vor Aufnahme bzw. Abgabe von Lithium.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass die Verwendung eines Anodenfilms mit mehreren Teilbereichen, die unterschiedliche Gewichtsanteile an Anodenaktivmaterial mit einer silizium- und/oder titanbasierte Komponente aufweisen, eine Faltenbildung des Anodenfilms, insbesondere während des ersten Ladevorgangs, effektiv verhindern kann.
  • Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß möglich, die Gewichtsanteile der silizium- und/oder titanbasierten Komponente des Anodenaktivmaterials in den Teilbereichen so anzupassen, dass eine möglichst gleichmäßige Volumenänderung während des Lade- bzw. Entladevorgangs erzielt wird.
  • Somit müssen insbesondere keine zusätzlichen Bestandteile zur Fixierung der Anode verwendet werden.
  • Der Unterschied im Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente erzeugt einen Gradienten im Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente im Anodenfilm in Richtung eines Außenrands des Anodenfilms.
  • Die Teilbereiche im Anodenfilm können scharfe Trennbereiche zueinander aufweisen oder kontinuierlich ineinander übergehen. In ersterem Fall verläuft der Gradient der silizium- und/oder titanbasierten Komponente stufenweise, während in letzterem Fall der Gradient stetig verläuft.
  • Die silizium- und/oder titanbasierte Komponente kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Silizium-Suboxid, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Siliziumlegierungen, Titan, Titanoxid, Titan-Kohlenstoff-Komposit und Kombinationen davon.
  • Derartige Aktivmaterialien zeichnen sich durch besonders hohe Energiedichten aus. Jedoch zeigen diese Aktivmaterialien starke Volumenänderungen während des Lade- bzw. Entladevorgangs. Die erfindungsgemäße Anode ermöglicht es, die hohen Energiedichten dieser Aktivmaterialien auszunutzen, ohne dass sich deren starke Volumenänderungen negativ auf die Stabilität des Anodenfilms auswirken.
  • Die silizium- und/oder titanbasierte Komponente liegt insbesondere in einem Anteil von 0,5 bis 30 Gew.-% vor, bevorzugt von 1 bis 26 Gew.-%.
  • Der Anodenfilm kann neben der silizium- und/oder titanbasierten Komponente noch weitere Anodenaktivmaterialien umfassen, beispielsweise Graphit. Die weiteren Anodenaktivmaterialien liegen insbesondere in einem Anteil von 65 bis 98 Gew.-% vor, bevorzugt von 70 bis 95 Gew.-%. Die weiteren Anodenaktivmaterialien weisen eine im Vergleich zur silizium- und/oder titanbasierten Komponente geringere Volumenänderung während der Einlagerung bzw. Auslagerung von Lithiumionen auf.
  • Um den Einfluss der unterschiedlichen Gewichtsanteile der silizium- und/oder titanbasierten Komponente auf das Verhalten des Anodenfilms während des Lade- bzw. Entladevorgangs weiter zu erhöhen, kann der zweite Teilbereich direkt an die Außenkante des Anodenfilms angrenzen.
  • Da der Randbereich des Anodenfilms, also der direkt an die Außenkante des Anodenfilms angrenzende Bereich, bei der späteren Herstellung einer Lithiumionenbatterie über die Kathode hinausragen wird, ist in diesem Bereich der Einfluss der Volumenänderung des Anodenaktivmaterials am größten. Somit kann die Ausbildung von Falten im Anodenfilm durch Anpassung des Gewichtsanteils der silizium- und/oder titanbasierten Komponente in diesem Bereich besonders effektiv verhindert werden.
  • Insbesondere ist in dieser Variante der Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente im zweiten Teilbereich niedriger als im ersten Teilbereich. Auf diese Weise wird erreicht, dass im zweiten Teilbereich eine geringere Volumenänderung als im ersten Teilbereich auftritt, also gerade der Randbereich des Anodenfilms nur geringe Änderungen zeigt.
  • In einer ersten Variante unterscheiden sich die Gewichtsanteile der silizium- und/oder titanbasierten Komponente im ersten und zweiten Teilbereich um mindestens 5 %, bevorzugt mindestens 10 %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials. Insbesondere kann der erste oder der zweite Teilbereich frei von der silizium- und/oder titanbasierten Komponente sein. Bevorzugt ist der zweite, näher an der Außenkante des Anodenfilms liegende Teilbereich frei von der silizium- und/oder titanbasierten Komponente.
  • Gemäß einer weiteren Variante können sich die Gewichtsanteile der silizium- und/oder titanbasierten Komponente zwischen erstem und zweiten Teilbereich um einen Faktor von mindestens zwei unterscheiden, bevorzugt von mindestens drei. Umso stärker sich der Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente zwischen erstem und zweiten Teilbereich unterscheidet, desto größer ist der Einfluss auf das Ausmaß der Volumenänderung während des Lade- bzw. Entladevorgangs.
  • In einer weiteren Variante weist der Anodenfilm mehr als zwei Teilbereiche auf, wobei sich der Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente des Anodenaktivmaterials in jedem Teilbereich vom Gewichtsanteil an silizium- und/oder titanbasierter Komponente des Anodenaktivmaterials in zumindest einem anderen Teilbereich unterscheidet.
  • Durch die Verwendung einer Vielzahl von Teilbereichen kann das Verhalten des Anodenfilms bezüglich auftretender Volumenänderungen noch präziser eingestellt werden bzw. auf die spätere Verwendung mit einer gewünschten Kathode maßgeschneidert werden.
  • Einige der Teilbereiche können den gleichen Gewichtsanteil an silizium- und/oder titanbasierter Komponente aufweisen, solange zumindest ein weiterer Teilbereich mit einem abweichenden Gewichtsanteil an silizium- und/oder titanbasierter Komponente vorhanden ist.
  • Auch können mehrere hintereinander angrenzende Teilbereiche alternierende Gewichtsanteile an silizium- und/oder titanbasierter Komponente aufweisen. Auf diese Weise ist eine besonders gleichmäßige Anpassung der jeweils auftretenden Volumenänderungen möglich.
  • In noch einer weiteren Variante weist der Anodenfilm einen geometrischen Schwerpunkt auf und der Gewichtsanteil an der silizium- und/oder titanbasierten Komponente des Anodenaktivmaterials der Teilbereiche nimmt in einer Erstreckungsrichtung vom geometrischen Schwerpunkt zur Außenkante des Anodenfilms hin ab, insbesondere stetig ab.
  • Die Gestalt des Anodenfilms und der geometrische Schwerpunkt des Anodenfilms beziehen sich hier ausschließlich auf die zweidimensionale geometrische Form der größten Seitenfläche des Anodenfilms. Mit anderen Worten werden Unterschiede in der Dicke und/oder der Dichte des Anodenfilms bei der Bestimmung des geometrischen Schwerpunkts nicht berücksichtigt.
  • Weist der Anodenfilm beispielsweise die Gestalt eines Rechtecks auf, ist der geometrische Schwerpunkt gleich dem Mittelpunkt des Rechtecks, das heißt dem Kreuzungspunkt der beiden Mittellinien, die sich zwischen jeweils entgegengesetzten Seiten, also jeweils entgegengesetzten Außenkanten, des Rechtecks erstrecken.
  • Durch einen abnehmenden Gewichtsanteil an silizium- und/oder titanbasierter Komponente vom geometrischen Schwerpunkt aus in Richtung Außenkante des Anodenfilms reduziert sich entsprechend der Anteil des Bestandteils des Anodenfilms, der für die Volumenänderung während des Lade- bzw. Entladevorgang hauptsächlich verantwortlich ist. Auf diese Weise werden mechanische Spannungen im Anodenfilm vermieden, die ein Ablösen bzw. Aufrollen des Anodenfilms verursachen könnten.
  • Insbesondere sinkt der Gewichtsanteil an silizium- und/oder titanbasierter Komponente ausgehend vom geometrischen Schwerpunkt gleichmäßig in alle Richtungen zu allen Außenkanten des Anodenfilms. Auf diese Weise wird ein besonders gleichmäßiger Verlauf im Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente erzielt, der die mechanischen Spannungen innerhalb des Anodenfilms weiter reduziert.
  • Zusätzlich zum Anodenaktivmaterial kann der Anodenfilm weitere Komponenten und Zusätze aufweisen, wie beispielsweise ein Bindemittel und/oder Leitfähigkeitsverbesserer. Als weitere Komponenten und Zusätze können alle üblichen im Stand der Technik bekannten Verbindungen und Materialien eingesetzt werden.
  • Als Leitfähigkeitsverbesserer können Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltige Verbindungen, insbesondere Leitruß, Graphit, Carbon Nano Tubes (CNT) und/oder Graphen verwendet werden.
  • Leitfähigkeitsverbesserer sind insbesondere in einem Anteil von 0,1 bis 3 Gew.-% im Anodenfilm enthalten, bevorzugt von 0,1 bis 2 Gew.-%.
  • Das Bindemittel (Elektroden-Binder) dient dazu, das Anodenaktivmaterial und ggf. den Leitfähigkeitsverbesserer zusammenzuhalten. Das Bindemittel kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluoropropylen-Co-Polymer (PVdF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylat, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polyvinylpyrrolidon (PVP), Carboxymethylcellulose (CMC), Mischungen und Copolymeren davon besteht.
  • Der Anodenfilm umfasst insbesondere von 0,1 bis 3 Gew.-% Bindemittel, bevorzugt von 0,1 bis 2 Gew.-%.
  • Die Anode umfasst neben dem Anodenfilm einen Träger, beispielsweise Kupferfolie, auf der der Anodenfilm aufgebracht ist.
  • Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch eine Lithiumionenbatterie, die eine Anode der zuvor beschriebenen Art umfasst.
  • Die erfindungsgemäße Lithiumionenbatterie umfasst zumindest eine Anode der zuvor beschriebenen Art, eine Kathode und einen Separator.
  • Die Kathode weist zumindest ein Kathodenaktivmaterial auf. Grundsätzlich können für das Kathodenaktivmaterial alle aus dem Stand der Technik bekannten Materialien eingesetzt werden. Darunter fallen zum Beispiel LiCoO2, Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Verbindungen (unter der Abkürzung NCM bzw. NMC bekannt), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Lithium-Eisenphosphat, andere Olivinverbindungen sowie Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LMO). Auch sogenannte Over-Lithiated Layered Oxides (OLO) können eingesetzt werden.
  • Das Kathodenaktivmaterial kann auch Mischungen aus zwei oder mehreren der genannten lithiumhaltigen Verbindungen enthalten.
  • Die Kathode kann die gleichen Leitfähigkeitsverbesserer und/oder Bindemittel aufweisen, wie zuvor für die Anode beschrieben.
  • Als Separatoren können Polymere eingesetzt werden, insbesondere ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, Polyacrylnitrilen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinyliden-Hexafluoropropylen, Polyetherimid, Polyimid, Aramid, Polyether, Polyetherketon oder Mischungen davon. Der Separator kann optional zusätzlich mit keramischem Material beschichtet sein, beispielsweise mit Al2O3.
  • Zudem weist die Lithiumionen-Batterie einen Elektrolyten auf, der leitend für Lithiumionen ist und der eine Flüssigkeit sein kann, die ein Lösungsmittel und zumindest ein darin gelöstes Lithium-Leitsalz umfasst.
  • Das Lösungsmittel ist vorzugsweise inert. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise organische Lösungsmittel wie Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat, Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Sulfolane, 2-Methyltetrahydrofuran und 1,3-Dioxolan.
  • Als Lösungsmittel können auch ionische Flüssigkeiten verwendet werden. Solche ionischen Flüssigkeiten enthalten ausschließlich Ionen. Bevorzugte Kationen, die insbesondere alkyliert sein können, sind Imidazolium-, Pyridinium-, Pyrrolidinium-, Guanidinium-, Uronium-, Thiuronium-, Piperidinium-, Morpholinium-, Sulfonium-, Ammonium- und Phosphonium-Kationen. Beispiele für verwendbare Anionen sind Halogenid-, Tetrafluoroborat-, Trifluoracetat-, Triflat-, Hexafluorophosphat-, Phosphinat- und Tosylat-Anionen.
  • Als beispielhafte ionische Flüssigkeiten seien genannt: N-Methyl-N-propyl- piperidinium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid, N-Methyl-N-butyl-pyrrolidinium-bis(trifluormethyl-sulfonyl)imid, N-Butyl-N-trimethyl-ammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid, Triethylsulfonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid und N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)-ammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)-imid.
  • In einer Variante können zwei oder mehrere der oben genannten Flüssigkeiten verwendet werden.
  • Bevorzugte Leitsalze sind Lithiumsalze, welche inerte Anionen aufweisen und welche vorzugsweise nicht toxisch sind. Geeignete Lithiumsalze sind insbesondere Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) und Mischungen dieser Salze.
  • Der Separator kann mit dem Lithiumsalz-Elektrolyt getränkt bzw. benetzt sein, wenn dieser flüssig ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Anode der zuvor beschriebenen Art, umfassend folgende Schritte: zunächst wird zumindest eine erste und eine zweite Anoden-Beschichtungsmasse bereitgestellt, wobei sich die erste und zweite Anoden-Beschichtungsmasse zumindest im Gewichtsanteil an silizium- und/oder titanbasierter Komponente unterscheiden. Anschließend werden die zumindest zwei Anoden-Beschichtungsmassen auf einen Anodenträger unter Bildung eines Anodenfilms aufgebracht, wobei jede der Anoden-Beschichtungsmassen einem Teilbereich des Anodenfilms zugeordnet ist.
  • Als Anodenträger wird insbesondere Kupferfolie genutzt.
  • Bevorzugt erfolgt das Aufbringen der zumindest zwei Anoden-Beschichtungsmassen mittels Formatbeschichtung.
  • Bei der Formatbeschichtung (engl. „pattern coating“) wird das aufzubringende Gemisch, hier die jeweilige Anoden-Beschichtungsmasse, in einem gewünschten Muster auf das jeweilige Substrat aufgebracht, hier auf den Anodenträger.
  • Die Formatbeschichtung kann als Zweidüsen-Schlitzdüsenverfahren (engl. „dual slot coating“), Mehrdüsen-Schlitzdüsenverfahren (engl. „multi slot die coating“) oder als Sprühbeschichtung (engl. „spray coating“) durchgeführt werden.
  • Auch kann ein „extrude-on-demand“-Verfahren (EoD-Verfahren) genutzt werden. Im EoD-Verfahren werden verschiedene Gemische über eine gemeinsame Schlitzdüse mit mehreren voneinander unabhängigen Fluidkanälen auf ein Substrat aufgebracht. Die Fluidkanäle können einzeln über Bolzen blockiert bzw. freigegeben werden, sodass während einer Bewegung der Schlitzdüse oder des Substrats lediglich über diejenigen Fluidkanäle, die nicht blockiert sind, das aufzubringende Gemisch bis auf das Substrat fließen kann. Indem die Position der Bolzen entsprechend eines Zielmusters kontrolliert wird, beispielsweise über Aktuatoren, können auf einfache Weise Substrate mit verschiedenen Beschichtungsmustern versehen werden.
  • Indem die einzelnen Fluidkanäle mit der zumindest ersten und zweiten Anoden-Beschichtungsmasse versorgt werden, können somit die jeweiligen Teilbereiche mit der entsprechenden Anoden-Beschichtungsmasse auf den Anodenträger aufgebracht werden.
  • Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen und den Figuren. In diesen zeigen:
    • - 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anode,
    • - 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anode,
    • - 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anode, und
    • - 4 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anode 10 gezeigt.
  • Die Anode 10 weist einen Anodenfilm 12 mit einer Fläche auf, die eine rechteckige Form und einen Außenrand 14 hat. 1 zeigt eine Frontansicht auf die Fläche des Anodenfilms 12 der Anode 10.
  • Die Fläche des Anodenfilms 12 umfasst einen ersten Teilbereich 16 und einen zweiten Teilbereich 18, wobei der zweite Teilbereich 18 direkt an den Außenrand 14 angrenzt. Der erste Teilbereich 16 ist in Form eines Rechtecks im Inneren der Fläche des Anodenfilms 12 ausgebildet. Mit anderen Worten rahmt der zweite Teilbereich 18 den ersten Teilbereich 16 ein.
  • Im ersten Teilbereich 16 umfasst der Anodenfilm 12 etwa 16 bis 25 Gew.-% einer silizium- und/oder titanbasierten Komponente sowie 74 bis 80 Gew.-% Graphit, 0,1 bis 2 Gew.-% Ruß (Leitfähigkeitsverbesserer) und 0,1 bis 2 Gew.-% Bindemittel.
  • Im zweiten Teilbereich 18 umfasst der Anodenfilm 12 etwa 4 bis 6,25 Gew.-% der silizium- und/oder titanbasierten Komponente, 90 bis 95,8 Gew.-% Graphit, 0,1 bis 2 Gew.-% Ruß (Leitfähigkeitsverbesserer) und 0,1 bis 2 Gew.-% Bindemittel.
  • Entsprechend unterscheidet sich die Zusammensetzung des Anodenfilms 12 in der Menge der verwendeten Aktivmaterialien. Insbesondere weist der zweite Teilbereich 18 einen Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente auf, der etwa um den Faktor 2,5 bis 6,25 niedriger ist als im ersten Teilbereich 16.
  • Die silizium- und/oder titanbasierte Komponente ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Silizium-Suboxid, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Siliziumlegierungen, Titan, Titanoxid, Titan-Kohlenstoff-Komposit und Kombinationen davon.
  • In 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anode 10 gezeigt. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, sodass nachfolgend lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Auf die obigen Ausführungen wird verwiesen.
  • In der in 2 gezeigten Ausführungsform weist die Fläche des Anodenfilms 12 einen ersten Teilbereich 16, einen zweiten Teilbereich 18 und einen dritten Teilbereich 20 auf, wobei der Teilbereich 16 rund um einen geometrischen Schwerpunkt S der Fläche des Anodenfilms 12, der dritte Teilbereich 20 am Außenrand 14 des Anodenfilms 12 und der zweite Teilbereich 18 zwischen erstem Teilbereich 16 und drittem Teilbereich 20 angeordnet ist.
  • Der dritte Teilbereich 20 rahmt entsprechend den zweiten Teilbereich 18 ein, der wiederum den ersten Teilbereich 16 einrahmt.
  • Der erste Teilbereich umfasst 15 Gew.-% der silizium- und/oder titanbasierten Komponente, der zweite Teilbereich umfasst 10 Gew.-% silizium- und/oder titanbasierte Komponente und der dritte Teilbereich umfasst 5 Gew.-% der silizium- und/oder titanbasierte Komponente.
  • Entsprechend nimmt der Anteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente ausgehend vom geometrischen Schwerpunkt S in Richtung des Außenrands 14 ab. Es wird somit ein Gradient im Anteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente erzeugt, der für eine geringere Volumenänderung während Lade- bzw. Entladevorgängen einer Lithiumionenbatterie, welche die Anode 10 enthält, sorgt.
  • In 3 ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anode 10 gezeigt. Die dritte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten und zweiten Ausführungsform, sodass nachfolgend lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Auf die obigen Ausführungen wird verwiesen.
  • In der dritten Ausführungsform weist die Fläche des Anodenfilms 12 insgesamt sechs verschiedene Teilbereiche 16, 18, 20, 22, 24 und 26 auf, wobei der erste Teilbereich 16 um einen geometrischen Schwerpunkt S des Anodenfilms 12 herum und der zweite Teilbereich 18 am Außenrand 14 des Anodenfilms 12 angeordnet ist.
  • Der erste Teilbereich 16 umfasst 15 Gew.-% der silizium- und/oder titanbasierten Komponente und der zweite Teilbereich 18 umfasst 5 Gew.-% silizium- und/oder titanbasierte Komponente.
  • Zwischen erstem und zweiten Teilbereich 16 bzw. 18 sind weitere Teilbereiche 20 bis 26 angeordnet.
  • Die weiteren Teilbereiche 22 und 26 umfassen wie der erste Teilbereich etwa 15 Gew.-% der silizium- und/oder titanbasierten Komponente, während die weiteren Teilbereiche 20 und 24 etwa 25 Gew.-% der silizium- und/oder titanbasierten Komponente umfassen.
  • Entsprechend weisen die Teilbereiche 16 bis 26 ausgehend vom geometrischen Schwerpunkt S hin zu den Außenkanten 14 eine in Bezug auf den Gehalt an silizium- und/oder titanbasierter Komponente alternierende Zusammensetzung auf.
  • Zugleich weist der Randbereich des Anodenfilms 12 in Form des zweiten Teilbereichs 20 den geringsten Anteil an silizium- und/oder titanbasierter Komponente auf, sodass die zu erwartenden Volumenänderungen während Lade- bzw. Entladevorgängen einer Lithiumionenbatterie, welche die Anode 10 enthält, in diesem Bereich am geringsten ausfällt.
  • Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Anode 10 beschrieben, wobei als Beispiel die Anode 12 entsprechend der ersten Ausführungsform herangezogen wird.
  • Zunächst wird eine erste und eine zweite Anoden-Beschichtungsmasse bereitgestellt (Schritt S1 in 4).
  • Die Anoden-Beschichtungsmassen weisen eine Zusammensetzung auf wie in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben, wobei die Zusammensetzungen in einem geeigneten Lösungsmittel dispergiert sind, beispielsweise in N-Methyl-Pyrrolidon (NMP).
  • Anschließend wird die erste und die zweite Anoden-Beschichtungsmasse in einem vorbestimmten Muster auf einen Anodenträger aufgebracht, sodass sich der Anodenfilm 12 ausbildet. Die erste Anoden-Beschichtungsmasse wird dabei so auf den Anodenträger aufgebracht, dass sich aus dieser der erste Teilbereich 16 des Anodenfilms bildet und die zweite Anoden-Beschichtungsmasse wird so auf den Anodenträger aufgebracht, dass sich aus dieser der zweite Teilbereich 16 des Anodenfilms bildet.
  • Das Aufbringen der Anoden-Beschichtungsmassen erfolgt bevorzugt durch Formatbeschichtung im EoD-Verfahren („Extrusion on Demand“).

Claims (10)

  1. Anode für eine Lithiumionenbatterie, die einen Anodenfilm (12) mit einem Anodenaktivmaterial umfasst, wobei das Anodenaktivmaterial eine silizium- und/oder titanbasierte Komponente enthält, und wobei der Anodenfilm (12) eine Fläche mit zumindest einem ersten Teilbereich (16) und einem zweiten Teilbereich (18) umfasst, die in einem vorbestimmten Muster zueinander angeordnet sind, wobei ein Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente im ersten Teilbereich (16) verschieden ist vom Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente im zweiten Teilbereich (18).
  2. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die silizium- und/oder titanbasierte Komponente des Anodenaktivmaterials ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Silizium-Suboxid, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Siliziumlegierungen, Titan, Titanoxid, Titan-Kohlenstoff-Komposit und Kombinationen davon.
  3. Anode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilbereich (18) direkt an eine Außenwand (14) des Anodenfilms (12) angrenzt.
  4. Anode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente im zweiten Teilbereich (18) niedriger ist als im ersten Teilbereich (16).
  5. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gewichtsanteile der silizium- und/oder titanbasierten Komponente des Anodenaktivmaterials zwischen erstem und zweiten Teilbereich (16, 18) um einen Faktor von mindestens 2 unterscheiden, bevorzugt von mindestens 3.
  6. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenfilm (12) mehr als zwei Teilbereiche (16, 18, 20, 22, 24, 26) aufweist, wobei sich der Gewichtsanteil der silizium- und/oder titanbasierten Komponente des Anodenaktivmaterials in jedem Teilbereich (16, 18, 20, 22, 24, 26) vom Gewichtsanteil an silizium- und/oder titanbasierter Komponente des Anodenaktivmaterials in zumindest einem anderen Teilbereich (16, 18, 20, 22, 24, 26) unterscheidet.
  7. Anode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Anodenfilms einen geometrischen Schwerpunkt S aufweist und der Gewichtsanteil an der silizium- und/oder titanbasierten Komponente des Anodenaktivmaterials der Teilbereiche (16, 18, 20, 22, 24, 26) in einer Erstreckungsrichtung vom geometrischen Schwerpunkt S der Fläche des Anodenfilms (12) zum Außenrand (14) des Anodenfilms (12) hin abnimmt, insbesondere stetig abnimmt.
  8. Lithiumionenbatterie, die eine Anode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  9. Verfahren zum Herstellen einer Anode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen von zumindest einer ersten und einer zweiten Anoden-Beschichtungsmasse, wobei sich die erste und die zweite Anoden-Beschichtungsmasse zumindest im Gewichtsanteil einer silizium- und/oder titanbasierten Komponente eines Anodenaktivmaterials unterscheiden, - Aufbringen der zumindest zwei Anoden-Beschichtungsmassen auf einen Anodenträger unter Bildung eines Anodenfilms (12), wobei jede der Anoden-Beschichtungsmassen einem Teilbereich (16, 18, 20, 22, 24, 26) des Anodenfilms (12) zugeordnet ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der zumindest zwei Anoden-Beschichtungsmassen mittels Formatbeschichtung erfolgt.
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US20080145749A1 (en) 2006-12-19 2008-06-19 General Electric Company Energy storage device and cell configuration therefor
DE102015222048A1 (de) 2015-11-10 2017-05-11 Technische Universität Dresden Verfahren zur Herstellung einer Anode für eine Lithium-Sekundärbatterie, hergestellte Anode, Lithium-Sekundärbatterie enthaltend die Anode und Verwendungen hiervon
US20170279114A1 (en) 2014-11-26 2017-09-28 Zeon Corporation Method for manufacturing electrode for lithium ion secondary cell

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