DE102020126758A1

DE102020126758A1 - Elektrode und zusammensetzung mit massgeschneiderter porosität für eine elektrochemische lithium-ionen-zelle

Info

Publication number: DE102020126758A1
Application number: DE102020126758.4A
Authority: DE
Inventors: Niccolo Jimenez; Ion C. Halalay; Michael P. Balogh; Raghunathan K
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2021-05-20
Also published as: CN112820850A; US20210151761A1

Abstract

Eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle mit Lithiumionen enthält einen Stromabnehmer und eine erste Schicht, die aus einer ersten Elektrodenzusammensetzung gebildet wird, die auf dem Stromabnehmer angeordnet ist. Die erste Elektrodenzusammensetzung enthält eine Bindemittelkomponente; eine leitende Füllstoffkomponente, die in der Bindemittelkomponente dispergiert ist; und eine aktive Materialkomponente, die in der Bindemittelkomponente und der leitenden Füllstoffkomponente dispergiert ist. Die erste Elektrodenzusammensetzung hat eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die von der ersten Oberfläche beabstandet und parallel zu ihr ist. Die erste Elektrodenzusammensetzung definiert eine Vielzahl von Poren zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche mit einer maßgeschneiderten Porengrößenverteilung, die mindestens eine erste Porengröße und eine zweite Porengröße, die größer als die erste Porengröße ist, einschließt. Die erste Elektrodenzusammensetzung hat eine erste Porosität von mindestens 60%.

Description

EINLEITUNG
Die Offenbarung bezieht sich auf eine Elektrode für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle und auf ein Verfahren zur Herstellung der Elektrode.
Elektrochemische Zellen oder Batterien sind nützlich, um chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, und können primär oder sekundär sein.
Primärbatterien sind im Allgemeinen nicht wiederaufladbar, wohingegen Sekundärbatterien leicht wiederaufladbar sind und nach Gebrauch wieder voll aufgeladen werden können. Daher können Sekundärbatterien für Anwendungen wie den Betrieb von elektronischen Geräten, Werkzeugen, Maschinen und Fahrzeugen nützlich sein.
Ein Typ von Sekundärbatterie, eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, kann eine negative Elektrode oder Anode, eine positive Elektrode oder Kathode und einen zwischen der positiven und negativen Elektrode angeordneten Separator umfassen. Die negative Elektrode kann aus einem Material gebildet werden, das in der Lage ist, Lithiumionen während des Ladens und Entladens der Lithiumionen-Sekundärbatterie aufzunehmen und abzugeben. Während des Ladens der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie können Lithium-Ionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode wandern und sich z.B. durch Einlagerung, Einfügen, Substitution durch Mischkristallverstärkung oder andere Mittel in das Material einlagern. Umgekehrt können Lithiumionen während der Batterieentladung aus dem Material freigesetzt werden und sich von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode bewegen.
BESCHREIBUNG
Eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle mit Lithiumionen enthält einen Stromabnehmer und eine erste Schicht, die aus einer ersten Elektrodenzusammensetzung gebildet wird, die auf dem Stromabnehmer angeordnet ist. Die erste Elektrodenzusammensetzung enthält eine Bindemittelkomponente; eine leitende Füllstoffkomponente, die in der Bindemittelkomponente dispergiert ist; und eine aktive Materialkomponente, die in der Bindemittelkomponente und der leitenden Füllstoffkomponente dispergiert ist. Die erste Elektrodenzusammensetzung hat eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die von der ersten Oberfläche beabstandet und parallel zu ihr ist. Die erste Elektrodenzusammensetzung definiert eine Vielzahl von Poren zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche mit einer maßgeschneiderten Porengrößenverteilung, die mindestens eine erste Porengröße und eine zweite Porengröße, die größer als die erste Porengröße ist, einschließt. Die erste Elektrodenzusammensetzung hat eine erste Porosität von mindestens 60%.
In einem Aspekt kann die Vielzahl von Poren einen Porositätsgradienten innerhalb der ersten Elektrodenzusammensetzung zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche bilden, der so konfiguriert ist, dass eine Ausdehnung der Elektrode minimiert wird und das Wachstum von Siliziumteilchen während des Zyklus der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle aufnimmt.
In einem anderen Aspekt kann die Vielzahl von Poren zufällig zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet sein.
In einem weiteren Aspekt kann die erste Elektrodenzusammensetzung von der ersten Oberfläche bis zur zweiten Oberfläche eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke aufweisen.
In einem zusätzlichen Aspekt kann die Bindemittelkomponente in der ersten Elektrodenzusammensetzung in einer ersten Menge vorhanden sein; die leitende Füllstoffkomponente kann in der ersten Elektrodenzusammensetzung in einer zweiten Menge vorhanden sein; und die aktive Materialkomponente kann in der ersten Elektrodenzusammensetzung in einer dritten Menge vorhanden sein, die größer als die erste Menge und die zweite Menge ist.
In einem weiteren Aspekt kann die Elektrode ferner eine zweite Schicht enthalten, die aus einer zweiten Elektrodenzusammensetzung gebildet und neben der ersten Schicht angeordnet ist.
In einem Aspekt kann die zweite Elektrodenzusammensetzung eine zweite aktive Materialkomponente enthalten, die in der zweiten Elektrodenzusammensetzung in einer vierten Menge vorhanden ist, die sich von der dritten Menge unterscheidet.
In anderer Hinsicht kann die zweite Elektrodenzusammensetzung eine zweite Porosität aufweisen, die sich von der ersten Porosität unterscheidet.
Ein Verfahren zur Bildung einer Elektrode für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle beinhaltet das Zusammenmischen einer leitfähigen Füllstoffkomponente; einer aktiven Materialkomponente; einer Rheologie-Modifikator-Komponente; und einer Bindemittellösung, die eine Bindemittelkomponente und ein Lösungsmittel enthält, um die leitfähige Füllstoffkomponente, die aktive Materialkomponente und die Rheologie-Modifikator-Komponente in der Bindemittellösung zu dispergieren und eine Aufschlämmung zu bilden. Das Verfahren umfasst auch das Gießen der Aufschlämmung auf einen Stromabnehmer, um ein nasses Werkstück zu bilden, und das Kontaktieren des nassen Werkstücks mit einem Nicht-Lösungsmittel, um dadurch eine Phasenumkehr zu induzieren und eine nasse Elektrodenzusammensetzung zu bilden. Das Verfahren umfasst ferner das Trocknen der nassen Elektrodenzusammensetzung, um eine erste Elektrodenzusammensetzung zu bilden, die auf dem Stromabnehmer angeordnet wird und dadurch die Elektrode bildet. Die erste Elektrodenzusammensetzung hat eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die von der ersten Oberfläche beabstandet und parallel zu ihr ist. Die erste Elektrodenzusammensetzung definiert eine Vielzahl von Poren zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche mit einer maßgeschneiderten Porengrößenverteilung, die mindestens eine erste Porengröße und eine zweite Porengröße umfasst, die größer als die erste Porengröße ist. Die erste Elektrodenzusammensetzung hat eine erste Porosität von mindestens 60%.
In einem Aspekt kann das Kontaktieren und Induzieren der Phasenumkehr die Bildung einer flüssigkeitsähnlichen, polymermageren Phase und einer feststoffähnlichen, polymerreichen Phase in der nassen Elektrodenzusammensetzung umfassen, wenn das Nicht-Lösungsmittel in die Aufschlämmung eintritt.
In einem anderen Aspekt kann das Trocknen das Entfernen der flüssigkeitsähnlichen mageren Polymerphase aus der nassen Elektrodenzusammensetzung umfassen, um dadurch die Vielzahl von Poren zu definieren.
In einem weiteren Aspekt kann die Kontaktierung das Eintauchen der Aufschlämmung in ein Bad einschließlich des Nicht-Lösungsmittels umfassen.
In einem weiteren Aspekt kann die Kontaktaufnahme das Nebeln der Aufschlämmung mit dem Nicht-Lösungsmittel in einer Kammer für eine Verweilzeit beinhalten.
In einem weiteren Aspekt kann das Verfahren ferner beinhalten, dass vor dem Trocknen der nassen Elektrodenzusammensetzung die nasse Elektrodenzusammensetzung einem Vakuum bei einer Temperatur von 20 °C bis 150 °C ausgesetzt wird.
In einem Aspekt kann das Trocknen der nassen Elektrodenzusammensetzung das Pyrolysieren der nassen Elektrodenzusammensetzung bei 350 °C bis 950 °C in einer Stickstoffatmosphäre einschließen.
Unter einem anderen Aspekt kann das Mischen das Zusammenmischen der leitfähigen Füllstoffkomponente, der aktiven Materialkomponente, der Rheologiemodifikator-Komponente und der Bindemittellösung für 3 bis 10 Minuten umfassen.
In einem weiteren Aspekt kann das Verfahren nach dem Trocknen auch das Kalandrieren der ersten Oberfläche umfassen, um die erste Porosität der Elektrode zu modifizieren.
Ein Verfahren zum Bilden einer Elektrode für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle, bei dem eine leitende Füllstoffkomponente, eine aktive Materialkomponente, eine Opferpolymerkomponente und eine Bindemittellösung, die eine Bindemittelkomponente und ein Lösungsmittel enthält, miteinander vermischt werden, um die leitende Füllstoffkomponente, die aktive Materialkomponente und die Opferpolymerkomponente in der Bindemittellösung zu dispergieren und eine Aufschlämmung zu bilden. Das Verfahren umfasst auch das Gießen der Aufschlämmung auf einen Stromabnehmer, um ein nasses Werkstück zu bilden, und das Trocknen des nassen Werkstücks, um dadurch eine erste Elektrodenzusammensetzung zu bilden, die auf dem Stromabnehmer angeordnet wird. Die erste Elektrodenzusammensetzung hat eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die von der ersten Oberfläche beabstandet und parallel zu ihr ist. Die erste Elektrodenzusammensetzung definiert eine Vielzahl von Poren zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche mit einer maßgeschneiderten Porengrößenverteilung, die mindestens eine erste Porengröße und eine zweite Porengröße umfasst, die größer als die erste Porengröße ist. Die erste Elektrodenzusammensetzung hat eine erste Porosität von mindestens 60%. Das Verfahren umfasst auch eine Wärmebehandlung der ersten Elektrodenzusammensetzung, um dadurch die Elektrode zu bilden.
In einem Aspekt kann die Wärmebehandlung die Zyklisierung der Binderkomponente umfassen.
In einem anderen Aspekt kann die Wärmebehandlung die Pyrolyse der ersten Elektrodenzusammensetzung umfassen, um das Opferpolymer aus der ersten Elektrodenzusammensetzung zu entfernen.
Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und besten Modi für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich sein, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Figuren und beigefügten Ansprüchen genommen werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer perspektivischen Explosionsdarstellung einer elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle einschließlich einer Elektrode.
2 ist eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht einer Vorrichtung einschließlich der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle aus 1.
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bildung der Elektrode von 1.
4 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Teils des Verfahrens von 3.
5 ist eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht einer Elektrodenzusammensetzung während der Bildung der Elektrode von 1.
6 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines anderen Teils des Verfahrens von 3
7 ist ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens von 3.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche Elemente beziehen, ist eine Elektrode 10, 110 für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 allgemein in 1 dargestellt, und ein Verfahren 14, 114 zur Bildung der Elektrode 10 ist allgemein in 3 und 7 dargestellt. Die Elektrode 10, 110, die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 und das Verfahren 14, 114 können für Anwendungen nützlich sein, die elektrochemische Lithium-Ionen-Zellen 12 mit ausgezeichneter Elektrodenporosität, Energiedichte, Betriebslebensdauer, Leistung und Ladegeschwindigkeit erfordern. Insbesondere kann die Elektrode 10, 110 eine vergleichsweise hohe Porosität, einen maßgeschneiderten Porositätsgradienten 500 ( 5), eine Schichtzusammensetzung und/oder eine Schichtporosität aufweisen, wie weiter unten ausführlicher dargelegt wird. Darüber hinaus kann das Verfahren 14, 114 im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren vereinfacht und auf Massenproduktionsbetriebe skalierbar sein. Insbesondere kann das Verfahren 14, 114 die Lösungsmittelextraktion mit Wasser und die Ausfällung eines Polymerbindemittels verwenden und/oder Rheologiemodifikatoren oder Opferpolymere einsetzen, um die Elektrode 10, 110 zu bilden. Daher können die Elektrode 10, 110 und die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 in Bezug auf Herstellungszeit und -kosten wirtschaftlich sein.
Als solche können die Elektrode 10, 110, die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 und das Verfahren 14, 114 für Fahrzeuganwendungen nützlich sein, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, Autos, Busse, Gabelstapler, Motorräder, Fahrräder, Züge, Straßenbahnen, Trolleys, Raumfahrzeuge, Flugzeuge, landwirtschaftliche Geräte, Erdbewegungs- oder Baumaschinen, Kräne, Transporter, Boote und dergleichen. Alternativ können die Elektrode 10, 110, die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 und das Verfahren 14, 114 für nicht fahrzeuggebundene Anwendungen wie Haushalts- und Industrie-Elektrowerkzeuge, Haushaltsgeräte, elektronische Geräte, Computer und dergleichen nützlich sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die Elektrode 10, 110, die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 und das Verfahren 14, 114 für Anwendungen im Antriebsstrang für nicht autonome, autonome oder halbautonome Fahrzeuganwendungen nützlich sein.
Unter Bezugnahme auf 1 kann die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 eine sekundäre oder wiederaufladbare Batterie sein, die für die Energieumwandlung und Stromversorgung einer Vorrichtung 16 konfiguriert ist (2). Das heißt, die Vorrichtung 16 kann die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 enthalten. In einem Beispiel kann die Vorrichtung 16 ein sekundäres Akkumodul oder ein Akkupack sein, das für den Betrieb durch Elektronenübertragung konfiguriert ist.
Daher kann die Vorrichtung 16 oder das Sekundärbatteriemodul für automobile Anwendungen, wie z.B. für ein Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV), nützlich sein. Das Sekundärbatteriemodul kann zum Beispiel ein Lithium-Ionen-Sekundärbatteriemodul sein. Des Weiteren, obwohl nicht dargestellt, können mehrere Sekundärbatteriemodule zu einer Sekundärbatterie oder einem Sekundärpack kombiniert werden. Das heißt, das Sekundärbatteriemodul kann mit einem oder mehreren anderen Sekundärbatteriemodulen verbunden werden, um die Sekundärbatterie zu bilden. Beispielsweise kann das Sekundärbatteriemodul ausreichend dimensioniert sein, um eine ausreichende Spannung für den Antrieb eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEV), eines Elektrofahrzeugs (EV), eines Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugs (PHEV) und dergleichen zu liefern, z.B. etwa 300 bis 400 Volt oder mehr, je nach der erforderlichen Anwendung. Alternativ, wenn auch nicht dargestellt, kann die Vorrichtung 16 ein Fahrzeug sein und kann mehrere elektrochemische Lithium-Ionen-Zellen 12 enthalten.
Ferner kann die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12, wie in 1 gezeigt, eine negative Elektrode 10 (oder Anode), eine positive Elektrode 110 (oder Kathode), die von der negativen Elektrode 10 beabstandet ist, und einen mit Elektrolytlösung gefüllten Separator 18 enthalten, der zwischen der positiven Elektrode 110 und der negativen Elektrode 10 angeordnet ist. Das heißt, die Elektrode 10 kann die Anode sein. Alternativ kann die Elektrode 110 die Kathode sein. Darüber hinaus kann die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 eine positive Elektrodenzunge 120 und eine negative Elektrodenzunge 20 haben, und die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 kann stapelbar sein. Das heißt, die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 kann in einer heißsiegelfähigen, flexiblen, metallisierten, mehrschichtigen Polymerfolie oder in einer Metalldose verpackt sein, die so versiegelt ist, dass sie die positive Elektrode 110, die negative Elektrode 10 und den mit Elektrolytlösung gefüllten Separator 18 umschließt.
Daher kann eine Anzahl von elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellen 12 gestapelt oder anderweitig nebeneinander angeordnet werden, um einen Zellenstapel zu bilden, d.h. das Sekundärbatterie-Modul oder -Pack, das allgemein in 2 dargestellt ist. Es ist zu erwarten, dass die tatsächliche Anzahl der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellen 12 mit der erforderlichen Ausgangsspannung jedes Sekundärbatteriemoduls variiert. Ebenso kann die Anzahl der miteinander verbundenen Sekundärbatteriemodule variieren, um die Gesamtausgangsspannung für eine bestimmte Anwendung zu erzeugen.
Unter erneuter Bezugnahme auf kann das Gerät 16 die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 enthalten. Die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 kann Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Vanadiumpentoxid, Lithium-Mangandioxid, ein Lithium-Mangan-Nickel-Mischoxid, ein Lithium-Nickel-Kobaltmischoxid, ein Lithium-Mangan-Nickel-Kobaltmischoxid und Kombinationen davon als Material für die positive Elektrode 110 enthalten (1). Die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 kann z.B. Graphit, amorphen Kohlenstoff, Lithiumtitanat, Silicium, Siliciumoxid, Zinn, Zinnoxid und Kombinationen davon als Material für die negative Elektrode 10 enthalten (1).
Unter Bezugnahme auf 3 beinhaltet das Verfahren 14 zur Bildung der Elektrode 10, 110 das Zusammenmischen von 22 mit einer leitfähigen Füllstoffkomponente 24 ( 4), einer aktiven Materialkomponente 26 (4), einer Rheologiemodifikator-Komponente (nicht dargestellt) und einer Bindemittellösung, die eine Bindemittelkomponente 28 (4) und ein Lösungsmittel enthält, um die leitfähige Füllstoffkomponente 24, die aktive Materialkomponente 26 und die Rheologiemodifikator-Komponente in der Bindemittellösung zu dispergieren und eine Aufschlämmung 30 zu bilden (4). Zum Beispiel kann das Mischen von 22 das Zusammenmischen der leitfähigen Füllstoffkomponente 24, der aktiven Materialkomponente 26, der Rheologiemodifikator-Komponente und der Bindemittellösung für 3 Minuten bis 10 Minuten oder für 4 Minuten bis 7 Minuten oder für 5 Minuten umfassen. Nach Beendigung des Mischens von 22 werden die leitfähige Füllstoffkomponente 24, die aktive Materialkomponente 26 und die Rheologiemodifikator-Komponente in der Bindemittellösung dispergiert, um die Aufschlämmung 30 zu bilden. Dann wird die Aufschlämmung 30 während der unten beschriebenen weiteren Verarbeitung auf einen Stromabnehmer 34 (4) aufgebracht, um schließlich die Elektrode 10, 110 zu bilden.
Wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, kann die leitfähige Füllstoffkomponente 24 einen leitfähigen Kohlenstoff enthalten. Geeigneter leitfähiger Kohlenstoff kann für die elektrische Leitfähigkeit ausgewählt werden und kann unter anderem Ruß, Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphit, Graphen und Kombinationen davon enthalten. Zum Beispiel kann die leitfähige Füllstoffkomponente 24 aus aus der Dampfphase gewachsenen Kohlenstofffasern bestehen, um der Elektrode 10, 110 eine ausgezeichnete Steifigkeit und Elastizität zu verleihen. In einem anderen Beispiel kann die leitfähige Füllstoffkomponente 24 einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren enthalten, um elektrische Kontaktpunkte mit der aktiven Materialkomponente 26 und einen elektronischen Leitungspfad zum Stromabnehmer 34 zu schaffen (4), selbst wenn sich die aktive Materialkomponente 26 während der elektrochemischen Zyklen der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 zersetzt. In einem anderen Beispiel kann die leitende Füllstoffkomponente 24 Graphenplatten enthalten, um der Elektrode 10, 110 eine ausgezeichnete Steifigkeit, Elastizität und elektronische Leiterbahnen zu verleihen. In einem weiteren Beispiel kann die leitfähige Füllstoffkomponente 24 Graphitpartikel enthalten, um die Elektrode 10, 110 mit Schmierung und elektronischen Leiterbahnen zu versehen. Die leitfähige Füllstoffkomponente 24 kann ein elektrisch leitfähiges Netzwerk innerhalb der geformten Elektrode 10, 110 bilden. Insbesondere kann das elektrisch leitende Netzwerk ein zusammenhängendes Netzwerk aus Kohlenstoff sein, das elektrisch mit der aktiven Materialkomponente 26 verbunden ist.
Wie unter fortgesetzter Bezugnahme auf 4 beschrieben, kann die aktive Materialkomponente 26 Silizium, ein Siliziumoxid, eine Siliziumlegierung, Zinn oder eine Zinnlegierung sein. In einer Ausführungsform kann die aktive Materialkomponente 26 Siliziumnanopartikel und/oder Siliziumpartikel in Mikrongröße enthalten. Ferner kann die aktive Materialkomponente 26 eine Vielzahl von aktiven Materialteilchen enthalten, die mit Kohlenstoff und/oder Kupfer beschichtet sind. Das bedeutet, dass das Kupfer oder eine Mischung aus Kupfer und Kohlenstoff eine Schutzschicht auf der Oberfläche jedes der aktiven Materialteilchen bilden kann, um die aktive Materialkomponente 26 zu bilden. Zum Beispiel kann die aktive Materialkomponente 26 nano- oder mikrometergroße Siliziumteilchen oder nanoporöse mikrometergroße Siliziumteilchen enthalten, die mit der Schutzschicht aus Kupfer beschichtet sind. Insbesondere kann die Schutzschicht einen Film auf der Oberfläche der aktiven Materialteilchen bilden, der parasitäre Reaktionen vermindern kann, die während des Betriebs der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 Elektrolyt verbrauchen können.
Die Rheologiemodifikator-Komponente kann ein Schaum- oder Treibmittel, wie z.B. ein Polyurethan-Schaum- oder Treibmittel, ein Verdickungsmittel, ein Tensid, einen Emulgator und Kombinationen davon enthalten. Die Rheologiemodifikator-Komponente kann in der Aufschlämmung 30 vorhanden sein, um eine erste Porosität 100 (5) einer ersten Elektrodenzusammensetzung 132 zu modifizieren, die aus der Aufschlämmung 30 während eines Lösungsmittelextraktions- und Phaseninversionsprozesses des Verfahrens 14 gebildet wurde, wie unten ausführlicher dargelegt wird. Insbesondere kann die erste Porosität 100 mindestens 60% betragen, so dass die Elektrode 10, 110 als eine hochporöse Elektrode 10, 110 charakterisiert werden kann, die eine große irreversible Volumenausdehnung von Silizium während des Betriebs der elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 12 aufnimmt. Als solche können die beanspruchten Ausführungsformen die Verschlechterung der Elektrode 10, 110 aufgrund der Ausdehnung minimieren und die Lebensdauer der Elektrode 10, 110 und der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 verlängern.
Insbesondere die Rheologiemodifikator-Komponente kann zu der ausgezeichneten ersten Porosität 100 der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 und der Elektroden 10, 110 beitragen und die Einheitlichkeit der Porenstruktur optimieren. Die Rheologiemodifikator-Komponente kann in der Aufschlämmung 30 in einer Menge von 0,5 Gewichtsteilen bis 30 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile der Aufschlämmung 30, vorhanden sein. Zum Beispiel kann die Rheologiemodifikator-Komponente in der Aufschlämmung 30 in einer Menge von 5 Gewichtsteilen bis 20 Gewichtsteilen oder von 10 Gewichtsteilen bis 15 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile der Aufschlämmung 30, vorhanden sein. Bei Mengen außerhalb des oben genannten Bereichs kann die erste Elektrodenzusammensetzung 132 möglicherweise nicht die ausgezeichnete erste Porosität 100 der beanspruchten Ausführungsformen aufweisen.
Die Bindemittelkomponente 28 (4) kann z.B. ein Polyimid oder ein Polyacrylnitril oder Polyvinylidenfluorid enthalten. Die Bindemittelkomponente 28 kann im Lösungsmittel, wie z.B., aber nicht ausschließlich, N-Methyl-2-pyrrolidon dispergiert werden, um die Bindemittellösung zu bilden. Obwohl das Lösungsmittel während der nachfolgenden Verarbeitung, wie unten beschrieben, von der Elektrode 10, 110 entfernt wird, kann die Bindemittelkomponente 28 die Elektrode 10, 110 zusammenbinden oder verkleben und den elektrischen Kontaktpunkten zwischen der leitfähigen Füllstoffkomponente 24, z.B. einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren, der aktiven Materialkomponente 26 und der Rheologiemodifikator-Komponente, mechanische Stabilität verleihen. Darüber hinaus kann die Einstellung einer Menge des Lösungsmittels in der Binderlösung die Abstimmung der ersten Porosität 100 der Elektrode 10, 110 ermöglichen. Geeignete Verbindungen, Polymerbindemittel oder Polymervorläufer können unter anderem stickstoffhaltige Verbindungen und Polymere wie Polyimide, Polyamidsäure, Phenolharze, Epoxidharze, Polyethylenimine, Polyacrylnitril, Melamin, Cyanursäure, Polyamide, Polyvinylidenfluorid und Kombinationen davon enthalten. Geeignete Lösungsmittel können unter anderem N-Methyl-2-pyrrolidon, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Methanol, Ethanol, Isopropanol, Aceton, Wasser und Kombinationen davon sein.
In einer spezifischen Ausführungsform kann die Bindemittelkomponente 28 ein Polyimid oder ein Polyacrylnitril oder Polyvinylidenfluorid, die leitfähige Füllstoffkomponente 24 Kohlenstoff und die aktive Materialkomponente 26 Silizium enthalten, z.B. Siliziumnanopartikel und Siliziumpartikel in Mikrongröße.
Wie weiter unten ausführlicher dargelegt wird, enthält die Elektrode 10, 110 einen Stromabnehmer 34 und eine erste Elektrodenzusammensetzung 132, die auf dem Stromabnehmer 34 angeordnet ist. Für die Elektrode 10, 110 kann die Bindemittelkomponente 28 in der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 in einer ersten Menge vorhanden sein; die leitende Füllstoffkomponente 24 kann in der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 in einer zweiten Menge vorhanden sein; und die aktive Materialkomponente 26 kann in der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 in einer dritten Menge vorhanden sein, die größer als die erste Menge und die zweite Menge ist.
Zum Beispiel kann die Bindemittelkomponente 28 in der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 in einer Menge von 3 Gewichtsteilen bis 40 Gewichtsteilen, oder von 10 Gewichtsteilen bis 30 Gewichtsteilen, oder von 20 Gewichtsteilen bis 25 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile der ersten Elektrodenzusammensetzung 132, vorhanden sein. Die leitfähige Füllstoffkomponente 24 kann in der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 in einer Menge von 2 Gewichtsteilen bis 50 Gewichtsteilen oder von 10 Gewichtsteilen bis 40 Gewichtsteilen oder von 30 Gewichtsteilen bis 35 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile der ersten Elektrodenzusammensetzung 132, vorhanden sein. Die aktive Materialkomponente 26 kann in der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 in einer Menge von 30 Gewichtsteilen bis 95 Gewichtsteilen oder von 40 Gewichtsteilen bis 80 Gewichtsteilen oder von 50 Gewichtsteilen bis 60 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile der ersten Elektrodenzusammensetzung 132, vorhanden sein. Bei Mengen außerhalb der vorgenannten Bereiche kann es vorkommen, dass die Elektrode 10, 110 nicht die ausgezeichnete erste Porosität 100, Energiedichte, Betriebsdauer, Leistung und Aufladegeschwindigkeit der beanspruchten Ausführungsformen aufweist.
Um noch einmal auf 3 zurückzukommen, beinhaltet das Verfahren 14 zur Formung der Elektrode 10, 110 auch das Gießen 36 der Aufschlämmung 30 auf den Stromabnehmer 34 (4), um ein nasses Werkstück 38 zu formen (4). Zum Beispiel kann das Gießen 36 das Extrudieren oder Stangenbeschichten oder Rakelbeschichten oder Schlitzdüsenbeschichten der Aufschlämmung 30 auf den Stromabnehmer 34 beinhalten. In einer Ausführungsform kann das Gießen 36 das Auftragen der Aufschlämmung 30 auf den Stromabnehmer 34 mit einer flachen Klinge (nicht abgebildet) umfassen, die in einem kontrollierten Abstand vom Stromabnehmer 34 angeordnet ist, so dass die flache Klinge die Aufschlämmung 30 über den Stromabnehmer 34 verteilt. Ferner kann das Gießen 36 der Aufschlämmung 30 kontinuierlich oder als Batch- oder Semi-Batch-Verfahren erfolgen.
Der Stromabnehmer 34 kann eine geeignete Kupfermatrix sein. Zum Beispiel kann der Stromabnehmer 34 ein massives, aus Kupfer geformtes Blech sein. Alternativ kann der Stromabnehmer 34 eine aus Kupfer geformte Folie sein, die eine Vielzahl von Perforationen oder Schlitzen aufweisen kann. Alternativ kann der Stromabnehmer 34 ein gewebtes Netz aus Kupfer sein. In anderen Ausführungsformen kann der Stromabnehmer 34 ein Kupferschaum sein. In anderen Ausführungsformen kann der Stromabnehmer 34 aus einer Nickel- oder Edelstahl- oder Aluminiumfolie bestehen.
Alternativ dazu kann in einigen Fällen das Verfahren 14 nach dem Mischen von 22 und vor dem Gießen von 36 das erneute Mischen von 122 (3) mit dem Aufschlämmung 30 beinhalten. Das heißt, nach dem Zusammenmischen von 22 mit der aktiven Materialkomponente 26, der leitfähigen Füllstoffkomponente 24, der Rheologiemodifikator-Komponente und der Bindemittellösung, die die Bindemittelkomponente 28 und das Lösungsmittel für etwa 5 Minuten enthält, kann das Verfahren 14 das erneute Mischen von 122 der Komponenten 26, 24, 28 und der Rheologiemodifikator-Komponente in Gegenwart des Lösungsmittels für eine zusätzliche Zeit, z.B. weitere 5 Minuten, umfassen, um eine angemessene Dispersion der aktiven Materialkomponente 26, der leitfähigen Füllstoffkomponente 24 und der Rheologiemodifikator-Komponente in der Bindemittellösung sicherzustellen.
Zusätzlich kann das Verfahren 14 weiterhin beinhalten, dass nach dem Mischen von 22 das nasse Werkstück 38 nach dem Mischen von 22 0,1 Minuten bis 4 Minuten an Luft ruhen gelassen wird. Zum Beispiel kann das Ruhenlassen 40 des nassen Werkstücks 38 an Luft es der Aufschlämmung 30 ermöglichen, sich abzusetzen und sich entlang des Stromabnehmers 34 auszubreiten.
Erneut auf 3 verweisend, beinhaltet das Verfahren 14 auch das Kontaktieren 42 des nassen Werkstücks 38 mit einem Nicht-Lösungsmittel 46, um dadurch eine Phasenumkehrung zu induzieren und eine nasse Elektrodenzusammensetzung 32 zu bilden. Das heißt, das Lösungsmittel und das Nicht-Lösungsmittel 46 können ineinander löslich sein, so dass das Nicht-Lösungsmittel 46 das Lösungsmittel aus der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 entfernen kann, wie weiter unten ausführlicher dargelegt wird. Nach dem Kontaktieren des Nichtlösungsmittels 46 und des Lösungsmittels 42 kann die nasse Elektrodenzusammensetzung 32 die leitfähige Füllstoffkomponente 24, die aktive Materialkomponente 26, die Polymerbindemittelkomponente 28 und eine verhältnismäßig kleine Menge des Nichtlösungsmittels 46 enthalten. Geeignete Nichtlösungsmittel 46 können Wasser und aliphatische, halb-aromatische oder aromatische Alkohole enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Geeignete Beispiele für das Nicht-Lösungsmittel 46 können beispielsweise Wasser, Alkohole wie Isopropylalkohol, Glykol und Methanol, Hexane und Kombinationen davon sein. Insbesondere kann das Kontaktieren von 42 und das Induzieren der Phasenumkehrung die Bildung einer flüssigkeitsähnlichen, polymermageren Phase und einer feststoffähnlichen, polymerreichen Phase in der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 umfassen, wenn das Nichtlösungsmittel 46 in die Aufschlämmung 30 eintritt. Wie weiter unten ausführlicher dargelegt wird, kann der Phasenumkehrprozess besonders nützlich sein, um eine günstige Anordnung der Poren 48 (5), d.h. die erste Porosität 100, innerhalb der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 zu erzeugen, um dadurch einen optimalen Lithiumionentransport während des Betriebs der elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 12, eine ausgezeichnete Beibehaltung der Kapazität von Zyklus zu Zyklus, eine optimale Anpassung an die Siliziumausdehnung während des Zyklus ohne Störung der elektrischen Verbindungen, eine verbesserte Dickengleichmäßigkeit und Oberflächenrauhigkeit der Elektrode 10, 110 und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen das Austrocknen des Elektrolyten zu ermöglichen, da die Poren 48 vergleichsweise mehr Volumen haben. Das heißt, die günstige Anordnung der Poren 48 kann die ausgezeichnete erste Porosität 100 erzeugen, die die Siliziumausdehnung während des Zyklierens der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 aufnimmt, ohne die elektrischen Verbindungen innerhalb der Elektrode 10, 110 zu beschädigen. Darüber hinaus kann die günstige Anordnung der Poren 48 den Lithiumionentransport während des Betriebs fördern, was zu einer schnellen Aufladefähigkeit und einer ausgezeichneten Leistung der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 führt.
In einem Aspekt, der am besten in 4 gezeigt wird, kann das Kontaktieren 42 das Eintauchen des nassen Werkstücks 38 in ein Bad 44, das ein Nichtlösungsmittel 46 enthält, einschließen, um dadurch das Nichtlösungsmittel 46 und das Lösungsmittel zu kontaktieren, die Phasenumkehr zu induzieren und die nasse Elektrodenzusammensetzung 32 zu bilden. Das Eintauchen 142 kann das Induzieren des Phasenumkehrprozesses einschließen, bei dem sich die nasse Elektrodenzusammensetzung 32 beim Kontakt der Aufschlämmung 30 mit dem Nichtlösungsmittel 46 in die flüssigkeitsähnliche polymere magere Phase und die feststoffähnliche polymerreiche Phase umwandelt. In einer Ausführungsform kann das Nichtlösungsmittel 46 Wasser sein, und elektrochemische Lithiumionen-Zellen 12 einschließlich der Elektrode 10, 100 können eine ausgezeichnete Kapazitätsretention während der Zyklen aufweisen, verglichen mit Zellen, die durch Lösungsmittelverdampfung oder andere Methoden gebildete Elektroden enthalten. Insbesondere können die Elektroden 10, 110, die durch Kontakt mit dem Nichtlösungsmittel 46, z.B. Wasser, gebildet werden, eine vergleichsweise geringere Änderung der Gesamtdicke 72, 272 ( ) und eine vergleichsweise geringere Massenänderung pro Zyklus während der elektrochemischen Zyklen aufweisen als Elektroden, die durch Lösungsmittelverdampfung in Luft gebildet werden. Anders ausgedrückt, die Elektroden 10, 110 der beanspruchten Ausführungsformen können vorgedehnt sein und dürfen während des Betriebs der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 keine unerwünschte Ausdehnung erfahren.
In einem anderen Aspekt, der am besten in 6 gezeigt wird, kann das Kontaktieren 42 das Nebeln 242 der Aufschlämmung 30 mit dem Nicht-Lösungsmittel 46 in einer Kammer 70 für eine Verweilzeit beinhalten. Zum Beispiel kann das Nebeln 242 das Hindurchführen des nassen Werkstücks 38 durch die Kammer 70 für eine gewünschte Verweilzeit beinhalten, die vorgewählt oder variiert werden kann, um die erste Porosität 100 der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 anzupassen. Insbesondere kann die Kammer 70 einen geschlossenen Raum definieren, in dem das Nichtlösungsmittel 46 in Nebelform auf das nasse Werkstück 38 gesprüht werden kann, so dass das Nichtlösungsmittel 46 mit der Aufschlämmung 30 in Kontakt kommt und die Phasenumkehr, wie oben beschrieben, induziert.
Erneut auf 5 verweisend, beinhaltet das Verfahren 14 auch das Trocknen 60 der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 zur Bildung der ersten Elektrodenzusammensetzung 132, die auf dem Stromabnehmer 34 angeordnet wird und dadurch die Elektrode 10, 110 bildet. Das Trocknen 60 kann das Entfernen von Restwasser oder Nichtlösungsmittel 46 nach dem Phasenumkehrverfahren umfassen. Zum Beispiel kann das Trocknen 60 der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 das erste Erhitzen der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 von Raumtemperatur oder von etwa 20 °C bis etwa 25 °C auf etwa 150 °C oder von etwa 80 °C bis etwa 120 °C einschließen, um nach dem Phasenumkehrverfahren jegliches Wasser oder Nichtlösungsmittel 46 zu entfernen, und dann Pyrolyse der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 bei 350 °C bis 950 °C oder bei 475 °C bis 925 °C oder bei etwa 800 °C in einer Stickstoffumgebung, um die getrocknete erste Elektrodenzusammensetzung 132 zu bilden, die auf dem Stromabnehmer 34 angeordnet ist, und dadurch die Elektrode 10, 110 zu bilden. Zusätzlich kann, wie in 5 gezeigt, das Verfahren 14 vor dem Trocknen 60 der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 ferner beinhalten, dass der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 einem Vakuum bei einer Temperatur von 20 °C bis 150 °C oder von 75 °C bis 100 °C ausgesetzt 62 wird, um die nasse Elektrodenzusammensetzung 32 für das Trocknen 60 weiter vorzubereiten. Alternativ kann das Verfahren 12 beinhalten, dass nach dem Trocknen 60 der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 die gebildete erste Elektrodenzusammensetzung 132 einem Vakuum bei einer Temperatur, die höher als die Umgebungstemperatur ist, ausgesetzt wird, um die erste Elektrodenzusammensetzung 132 weiter zu trocknen.
Weiterhin kann das Trocknen 60 das Entfernen der flüssigkeitsähnlichen Polymer-Magerphase aus der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 umfassen, um dadurch die Vielzahl von Poren 48 zu definieren. Genauer gesagt kann während des Trocknens 60 das Nichtlösungsmittel 46 aus der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 entfernt werden, um dadurch die Vielzahl von Poren 48 (5) innerhalb der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 zwischen den Oberflächen 50, 52 der Elektrode 10, 110 zu definieren, z.B. zufällig angeordnet oder zwischen den Oberflächen 50, 52 angeordnet, wie weiter unten ausführlicher beschrieben. Mit anderen Worten, wenn die Oberflächen 50, 52 als Ober- bzw. Unterseite der Elektrode 10, 110 angeordnet sind, kann die erste Richtung 51 eine vertikale Richtung sein, so dass die Vielzahl von Poren 48 vertikal zwischen den Oberflächen 50, 52 angeordnet werden kann. Das heißt, das Kontaktieren 42 kann das Induzieren des Phasenumkehrprozesses einschließen, bei dem sich die nasse Elektrodenzusammensetzung 32 in die magere Phase aus flüssigkeitsähnlichem Polymer und die reiche Phase aus feststoffähnlichem Polymer umwandelt, und das Trocknen von 60 kann das Entfernen der mageren Phase aus flüssigkeitsähnlichem Polymer einschließen, um dadurch die Vielzahl von Poren 48 (5) in der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 zu definieren.
Insbesondere kann das Kontaktieren 42 das Einweichen der Aufschlämmung 30 in dem Nichtlösungsmittel 46 und das Trocknen 60 das Entfernen der flüssigkeitsähnlichen mageren Polymerphase umfassen, um dadurch die Vielzahl von Poren 48 zu definieren. Das heißt, sobald die magere Phase des flüssigkeitsähnlichen Polymers und die reiche Phase des feststoffähnlichen Polymers während des Einweichens in das Bad 44 (4) oder während des Nebelns 242 (6) gebildet werden, kann die magere Phase des flüssigkeitsähnlichen Polymers während des Trocknens 60 entfernt werden, um dadurch die Vielzahl von Poren 48 zu definieren. Genauer gesagt, kann die feststoffähnliche polymerreiche Phase eine kontinuierliche Phase sein und die Vielzahl von Poren 48 kann in der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 definiert werden. Wenn die feststoffähnliche polymerreiche Phase jedoch diskontinuierlich ist, können feste Partikel vorhanden sein. Daher kann das Kontaktieren 42 eine kontinuierliche feststoffähnliche polymerreiche Phase in der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 bilden.
Bezieht man sich nun auf 5, so enthält die erste Elektrodenzusammensetzung 132, die nach dem Trocknen von 60 gebildet wird, eine erste Oberfläche 50 und eine zweite Oberfläche 52, die von der ersten Oberfläche 50 beabstandet und parallel zu dieser ist. Weiterhin kann die erste Elektrodenzusammensetzung 132 eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke 72, 272 zwischen der ersten Oberfläche 50 und der zweiten Oberfläche 52 aufweisen und dicker als ein Elektrolyt auf Graphitbasis sein. Daher kann die Elektrode 10, 110 im Vergleich zu einer relativ dünnen Elektrode vergleichsweise mehr Elektrolytlösung aufnehmen und das Austrocknen der Elektrode 10, 110 während des Betriebs der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 minimieren. Das heißt, beim Trocknen 60 der nassen Elektrodenzusammensetzung 32 kann die erste Elektrodenzusammensetzung 132 gebildet werden, wobei die erste Oberfläche 50 und die zweite Oberfläche 52 von der ersten Oberfläche 50 beabstandet und parallel zu dieser ist.
Darüber hinaus, wie am besten in 5 gezeigt, definiert die erste Elektrodenzusammensetzung 132 die Vielzahl von Poren 48 darin zwischen der ersten Oberfläche 50 und der zweiten Oberfläche 52 mit einer maßgeschneiderten Porengrößenverteilung, die mindestens eine erste Porengröße 300 und eine zweite Porengröße 400, die größer als die erste Porengröße 300 ist, umfasst. Zum Beispiel kann die erste Porengröße 300 ein Viertel bis drei Viertel oder ein Viertel bis die Hälfte der zweiten Porengröße 400 betragen. Das heißt, dass die erste Elektrodenzusammensetzung 132 Poren 48 definieren kann, die eine vergleichsweise größere Größe haben als beispielsweise ein Elektrolyt auf Graphitbasis.
Außerdem hat die erste Elektrodenzusammensetzung 132 die erste Porosität 100 von mindestens 60%. Zum Beispiel kann die erste Porosität 100 65 % oder 70 % oder 75 % oder 75 % oder 80 % oder 85 % oder 90 % betragen, je nach einer gewünschten Fähigkeit der Elektrode 10, 110. Im Allgemeinen kann eine vergleichsweise höhere erste Porosität 100 die Siliziumausdehnung während der Zyklen der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 besser aufnehmen. Darüber hinaus kann eine vergleichsweise höhere erste Porosität 100 den optimalen Lithiumionentransport während des Betriebs der elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 12, die ausgezeichnete Beibehaltung der Kapazität von Zyklus zu Zyklus, die verbesserte Dickengleichmäßigkeit und reduzierte Oberflächenrauhigkeit der Elektrode 10, 110 und die ausgezeichnete Beständigkeit gegen das Austrocknen des Elektrolyten 18 erleichtern, da die Poren 48 vergleichsweise mehr Volumen haben. Das heißt, die günstige Anordnung der Poren 48 kann den LithiumIonentransport während des Betriebs fördern, was zu einer schnellen Aufladefähigkeit und einer ausgezeichneten Leistung der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 führt.
Darüber hinaus kann die Vielzahl von Poren 48 die maßgeschneiderte Porengrößenverteilung innerhalb der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 zwischen der ersten Oberfläche 50 und der zweiten Oberfläche 52 fördern, die so konfiguriert ist, dass sie die Siliziumausdehnung während des Betriebs der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 aufnimmt. Eine solche Siliziumausdehnung und maßgeschneiderte Porengrößenverteilung ermöglicht eine schnelle Ladung und eine ausgezeichnete Energie- und Leistungsleistung der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12. In einem Beispiel kann die Vielzahl von Poren 48 einen Porositätsgradienten 500 innerhalb der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 zwischen der ersten Oberfläche 50 und der zweiten Oberfläche 52 bilden, der so konfiguriert ist, dass er eine Ausdehnung der Elektrode 10, 110 minimiert und das Wachstum von Siliziumteilchen während des Betriebs der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 aufnimmt. Das heißt, die Vielzahl von Poren 48 kann zufällig zwischen der ersten Oberfläche 50 und der zweiten Oberfläche 52 so angeordnet sein, dass sich der Porositätsgradient 500 entlang der ersten Richtung 51 ändert, z.B. zunimmt oder abnimmt. Anders ausgedrückt, die erste Porosität 100 kann entlang der ersten Richtung 51 variieren. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann sich der Porositätsgradient 500 entlang der ersten Richtung 51 kontinuierlich verändern. Alternativ kann die erste Porosität 100 als Mittelwert des Porositätsgradienten 500 ausgedrückt werden.
Darüber hinaus kann jede der Vielzahl von Poren 48 neben einem Lithiumtransporttunnel oder -kanal oder einem Durchgang (nicht abgebildet) angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Vielzahl von Poren 48 angrenzend an eine Gesamtheit von und/oder einen Eingang zu oder Ausgang aus einem oder mehreren Kanälen angeordnet sein, die in der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 definiert sind. Somit kann die Vielzahl von Poren 48 zufällig angeordnet sein oder sich zwischen der ersten Oberfläche 50 und der zweiten Oberfläche 52 befinden, um einen ausgezeichneten Lithiumionentransport und eine Siliziumausdehnung während des Zyklus der elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 12 zu fördern.
In einigen Fällen kann das Verfahren 14 auch beinhalten, dass nach dem Trocknen 60 bei Raumtemperatur bis etwa 150 °C die erste Oberfläche 50 und/oder die zweite Oberfläche 52 kalandriert wird, um die erste Porosität 100 der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 und die Elektrode 10, 110 zu modifizieren. Zum Beispiel kann das Kalandrieren 64 das Pressen der Elektrode 10, 110 zwischen zwei Walzen (nicht abgebildet) in einem kontinuierlichen Prozess umfassen, um die erste Oberfläche 50 und/oder die zweite Oberfläche 52 zu glätten und die erste Porosität 100 der Elektrode 10, 110 zu optimieren. In ähnlicher Weise kann das Verfahren 14 das Schleifen oder Polieren der ersten Oberfläche 50 und/oder der zweiten Oberfläche 52 einschließen, um verdichtetes Material zu entfernen, das einzelne Poren aus der Vielzahl von Poren 48 blockieren oder ihre Form verändern kann. Die Walzen können z.B. aus mit Polytetrafluorethylen imprägniertem, hartanodisiertem Aluminium, mit Polytetrafluorethylen beschichtetem Messing, mit Polytetrafluorethylen beschichtetem Kupfer, mit Polytetrafluorethylen beschichtetem Edelstahl, mit Polytetrafluorethylen beschichtetem Nickel, mit Polytetrafluorethylen beschichteten Nickellegierungen und Kombinationen daraus gebildet werden. Die Kalandrierung 64 kann daher die erste Elektrodenzusammensetzung 132 härten, glätten und weiter trocknen.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 14 auch, nach der Kalandrierung 64, die Wärmebehandlung 66 der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 umfassen. Die Wärmebehandlung 66 kann die Zyklisierung der Bindemittelkomponente, z.B. des Polyacrylnitrils, einschließen. Ferner kann die Wärmebehandlung 66 die Pyrolyse der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 umfassen, um die Opferpolymerkomponente aus der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 zu entfernen. Schließlich kann das Verfahren 14 die Herstellung 68 (1) der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 zur Aufnahme der Elektrode 10 umfassen, 110.
Bezugnehmend auf 5 kann die Elektrode 10, 110 in einigen Ausführungsformen zusätzlich eine zweite Schicht 56 enthalten, die aus einer zweiten Elektrodenzusammensetzung 232 gebildet und neben der ersten Schicht 54 angeordnet ist. Das heißt, die Elektrode 10, 110 kann mehrschichtig sein. Ferner kann die zweite Elektrodenzusammensetzung 232 eine zweite aktive Materialkomponente 226 enthalten (4), die in der zweiten Elektrodenzusammensetzung 232 in einer vierten Menge vorhanden ist, die sich von der dritten Menge unterscheidet. Das heißt, die Elektrode 10, 110 kann eine geschichtete Zusammensetzung haben. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Elektrodenzusammensetzung 232 eine zweite Porosität 200 aufweisen, die sich von der ersten Porosität 100 unterscheidet. Das heißt, die Elektrode 10, 110 kann eine Schichtporosität haben, die von Schicht 54 bis Schicht 56 variiert.
Für diese Ausführungsformen kann die zweite Schicht 56 auf der ersten Schicht 54 gebildet werden, indem zusätzliche Aufschlämmung 30 oder Aufschlämmung 30 mit verschiedenen Komponenten 224, 226, 228 auf die erste Schicht 54 gegossen 36 werden, nachdem die erste Elektrodenzusammensetzung 132 durch Trocknen 60 gebildet worden ist. Das heißt, die Elektrode 10, 110 kann additiv hergestellt werden, indem eine oder mehrere zusätzliche Schichten 56 auf die erste Schicht 54 gegossen 36 werden. Anders ausgedrückt, eine Mehrschichtelektrode 10, 110 kann durch aufeinanderfolgendes Gießen 36 hergestellt werden und durch die Kammer 70 oder durch aufeinanderfolgendes Gießen 36 und Eintauchen in das Bad 44 geführt werden.
Bezugnehmend auf 7, in einer anderen Ausführungsform, beinhaltet das Verfahren 114 das Zusammenmischen von 22 der leitfähigen Füllstoffkomponente 24, der aktiven Materialkomponente 26, einer Opferpolymerkomponente und der Bindemittellösung einschließlich der Bindemittelkomponente 28 und des Lösungsmittels, um die leitfähige Füllstoffkomponente 24, die aktive Materialkomponente 26 und die Opferpolymerkomponente in der Bindemittellösung zu dispergieren und die Aufschlämmung 30, wie oben dargelegt, zu bilden. Nach dem Gießen 36 der Aufschlämmung 30 auf den Stromabnehmer 34, um das nasse Werkstück 38 zu bilden, umfasst das Verfahren 114 das Trocknen 60 des nassen Werkstücks 38, um die erste Elektrodenzusammensetzung 132 zu bilden. Für diese Ausführungsform kann die Opferpolymerkomponente z.B. Polystyrolkugeln, Latexkugeln, Polyethylenimin und Kombinationen davon umfassen, die als Porenbildner oder Former wirken können. Die Opferpolymerkomponente kann in der Aufschlämmung 30 in einer Menge von 0,1 Gewichtsteilen bis 30 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile der Aufschlämmung 30, vorhanden sein. Zum Beispiel kann die Opferpolymerkomponente in der Aufschlämmung 30 in einer Menge von 0,5 Gewichtsteilen bis 5 Gewichtsteilen oder von 2 Gewichtsteilen bis 4 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile der Aufschlämmung 30, vorhanden sein. Bei Mengen außerhalb des vorgenannten Bereichs kann die erste Elektrodenzusammensetzung 132 möglicherweise nicht die ausgezeichnete erste Porosität 100 der beanspruchten Ausführungsformen aufweisen. Die Einstellung einer Menge der Opferpolymerkomponente auf 0,1 Gewichtsteile bis 30 Gewichtsteile kann jedoch die Abstimmung der ersten Porosität 100 der Elektrode 10, 110 ermöglichen.
Das Verfahren 114 umfasst nach dem Trocknen 60 auch die Wärmebehandlung 66 der ersten Elektrodenzusammensetzung 132, um dadurch die Elektrode 10, 110 zu bilden. Die Wärmebehandlung 66 kann die Zyklisierung der Bindemittelkomponente, z.B. des Polyacrylnitrils, einschließen. Ferner kann die Wärmebehandlung 66 die Pyrolyse der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 umfassen, um die Opferpolymerkomponente aus der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 zu entfernen.
Nach dem Trocknen 60 kann die Opferpolymerkomponente durch eine anschließende Verarbeitung, wie unten näher beschrieben, entfernt, z.B. abgebrannt werden. Während des Entfernens kann die Opferpolymerkomponente die Definition vergleichsweise großer Poren 48 innerhalb der ersten Elektrodenzusammensetzung 132 ermöglichen. Solche vergleichsweise großen Poren 48 können die Volumenausdehnung der Elektrode 10, 110 aufnehmen, ohne eine Struktur der Elektrode 10, 110 zu stören, was die Verschlechterung der Elektrode 10, 110 während elektrochemischer Zyklen mildern und die Lebensdauer der Batterie der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 und der Vorrichtung 16 verbessern kann. Im Gegensatz dazu können vergleichsweise kleine Poren während der Ausdehnung der Siliziumteilchen Spannung hinzufügen und die elektrischen Verbindungen zwischen der aktiven Materialkomponente 26 und dem Stromabnehmer 34 stören.
In einer anderen Ausführungsform, obwohl nicht gezeigt, beinhaltet ein Verfahren 214 zur Bildung der Elektrode 10, 110 das Zusammenmischen der leitfähigen Füllstoffkomponente 24, der aktiven Materialkomponente 26 und eines wasserlöslichen Polymers zur Bildung der Aufschlämmung 30. Weiterhin, wie oben dargelegt, beinhaltet das Verfahren 214 das Gießen 36 der Aufschlämmung 30 auf den Stromabnehmer 34, um das nasse Werkstück 38 zu bilden. Das Verfahren 214 beinhaltet auch das Kontaktieren 42 des nassen Werkstücks 38 mit dem Nichtlösungsmittel 46, um dadurch die Phasenumkehr zu induzieren und die nasse Elektrodenzusammensetzung 32 zu bilden. Weiterhin beinhaltet das Verfahren 214 das Trocknen 60 der nassen Elektrodenzusammensetzung 32, um die erste Elektrodenzusammensetzung 132 zu bilden, die auf dem Stromabnehmer 34 angeordnet ist, und dadurch die Elektrode 10, 110 zu bilden.
Genauer gesagt kann das wasserlösliche Polymer in der Aufschlämmung 30 als porenbildendes Additiv enthalten sein und sich während der Phaseninversion im Nichtlösungsmittel 46 auflösen und ein Volumen und eine Struktur der Vielzahl von Poren 48, die zwischen der ersten Oberfläche 50 und der zweiten Oberfläche 52 definiert sind, verbessern. Das heißt, das wasserlösliche Polymer kann z.B. Polyvinylpyrrolidon sein und kann das Volumen jeder der Vielzahl von Poren 48 vergrößern, wenn sich das wasserlösliche Polymer in dem Nichtlösungsmittel 46, z.B. Wasser, löst, so dass die Vielzahl von Poren 48 eine fingerartige Struktur hat, die während der Phaseninversion vergrößert wird. Insbesondere in Bezug auf 5, da sich das wasserlösliche Polymer in dem Nichtlösungsmittel 46 löst, können einige oder alle der Vielzahl von Poren 48 sowohl auf der ersten Oberfläche 50 als auch auf der zweiten Oberfläche 52 eine verhältnismäßig große, fingerartige Struktur aufweisen. Das heißt, da das wasserlösliche Polymer im Allgemeinen hydrophil sein kann, kann das wasserlösliche Polymer die Geschwindigkeit der Phasenumkehrung erhöhen, was zur Bildung der vergleichsweise großen, fingerartigen Strukturen führen kann. Daher kann für diese Ausführungsform die erste Elektrodenzusammensetzung 132, die durch das Verfahren 214 gebildet wird, die erste Porosität von mindestens 60 %, z.B. mindestens 65 % oder mindestens 70 % oder mindestens 75 %, aufweisen und ein erhöhtes Porenvolumen und eine verbesserte Porenstruktur aufweisen.
Daher weisen die Elektrode 10, 110 und die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 eine ausgezeichnete Elektrodenporosität, Energiedichte, Betriebslebensdauer, Leistung und Ladegeschwindigkeit auf. Insbesondere die Kontaktierung 42 des nassen Werkstücks 38 mit dem Nichtlösungsmittel 46 und die Induzierung des oben beschriebenen Phasenumkehrprozesses und/oder die Definition der Vielzahl von Poren 48 nach dem Trocknen des nassen Werkstücks 38 verleiht der Elektrode 10, 110 und der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 eine verbesserte Leistung und schnelle Aufladefähigkeit, indem die Ausdehnung des Siliziums ohne Störung der elektrischen Verbindungen der Elektrode 10, 110 während des zyklischen Betriebs der Elektrode 10, 110 und des Betriebs der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle 12 ermöglicht wird. Darüber hinaus ist das Verfahren 14, 114 ein wirtschaftliches und effizientes Verfahren zur Bildung der Elektrode 10, 110. Insbesondere das Verfahren 14, 114 kann kontinuierlich durchgeführt werden. Daher können die Elektrode 10, 110 und die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle 12 in Bezug auf Herstellungszeit und -kosten wirtschaftlich sein und können für die Massenproduktion skalierbar sein.
Während die bevorzugten Ausführungsformen für die Durchführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden diejenigen, die mit dem Fachgebiet vertraut sind, auf die sich diese Offenbarung bezieht, verschiedene alternative Muster und Ausführungsformen für die Ausübung der Offenbarung im Rahmen der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Eine Elektrode für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle, wobei die Elektrode umfasst: einen Stromabnehmer; und eine erste Schicht, die aus einer ersten Elektrodenzusammensetzung gebildet ist, die auf dem Stromabnehmer angeordnet ist; und ferner beinhaltet: eine Bindemittelkomponente; einer leitfähigen Füllstoffkomponente, die in der Bindemittelkomponente dispergiert ist; und eine aktive Materialkomponente, die in der Bindemittelkomponente und der leitfähigen Füllstoffkomponente dispergiert ist; wobei die erste Elektrodenzusammensetzung hat: eine erste Oberfläche; und eine zweite Oberfläche, die von der ersten Oberfläche beabstandet und parallel zu ihr ist; und wobei die erste Elektrodenzusammensetzung eine Vielzahl von Poren zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche mit einer maßgeschneiderten Porengrößenverteilung definiert, die mindestens eine erste Porengröße und eine zweite Porengröße, die größer als die erste Porengröße ist, einschließt; und wobei die erste Elektrodenzusammensetzung eine erste Porosität von mindestens 60% aufweist.
Die Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Poren einen Porositätsgradienten innerhalb der ersten Elektrodenzusammensetzung zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche bildet, der so konfiguriert ist, dass eine Ausdehnung der Elektrode minimiert wird und das Wachstum von Siliciumteilchen während des Zyklus der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle aufgenommen wird.
Die Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Poren zufällig zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet ist.
Die Elektrode nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrodenzusammensetzung eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche aufweist.
Die Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Bindemittelkomponente in der ersten Elektrodenzusammensetzung in einer ersten Menge vorhanden ist; die leitende Füllstoffkomponente in der ersten Elektrodenzusammensetzung in einer zweiten Menge vorhanden ist; und die aktive Materialkomponente in der ersten Elektrodenzusammensetzung in einer dritten Menge vorhanden ist, die größer als die erste Menge und die zweite Menge ist.
Die Elektrode nach Anspruch 5, einschließlich einer zweiten Schicht, die aus einer zweiten Elektrodenzusammensetzung gebildet und neben der ersten Schicht angeordnet ist.
Die Elektrode nach Anspruch 6, wobei die zweite Elektrodenzusammensetzung eine zweite aktive Materialkomponente enthält, die in der zweiten Elektrodenzusammensetzung in einer vierten Menge vorhanden ist, die sich von der dritten Menge unterscheidet.
Die Elektrode nach Anspruch 6, wobei die zweite Elektrodenzusammensetzung eine zweite Porosität aufweist, die sich von der ersten Porosität unterscheidet.
Ein Verfahren zum Bilden einer Elektrode für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle, wobei das Verfahren umfasst: Zusammenmischen einer leitfähigen Füllstoffkomponente, einer aktiven Materialkomponente, einer Rheologiemodifikator-Komponente und einer Bindemittellösung, die eine Bindemittelkomponente und ein Lösungsmittel enthält, um die leitfähige Füllstoffkomponente, die aktive Materialkomponente und die Rheologiemodifikator-Komponente in der Bindemittellösung zu dispergieren und eine Aufschlämmung zu bilden; Gießen der Aufschlämmung auf einen Stromabnehmer, um ein nasses Werkstück zu bilden; Kontaktieren des nassen Werkstücks mit einem Nicht-Lösungsmittel, um dadurch eine Phasenumkehr zu induzieren und eine nasse Elektrodenzusammensetzung zu bilden; und Trocknen der nassen Elektrodenzusammensetzung, um eine erste Elektrodenzusammensetzung zu bilden, die auf dem Stromabnehmer angeordnet wird und dadurch die Elektrode bildet; wobei die erste Elektrodenzusammensetzung hat: eine erste Oberfläche; und eine zweite Oberfläche, die von der ersten Oberfläche beabstandet und parallel zu ihr ist; wobei die erste Elektrodenzusammensetzung eine Vielzahl von Poren zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche mit einer maßgeschneiderten Porengrößenverteilung definiert, die mindestens eine erste Porengröße und eine zweite Porengröße, die größer als die erste Porengröße ist, einschließt; und wobei die erste Elektrodenzusammensetzung eine erste Porosität von mindestens 60% aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Kontaktieren und Induzieren der Phasenumkehr das Bilden einer flüssigkeitsähnlichen, polymermageren Phase und einer feststoffähnlichen, polymerreichen Phase in der nassen Elektrodenzusammensetzung einschließt, wenn das Nicht-Lösungsmittel in die Aufschlämmung eintritt.