DE102020129924A1 - Process for producing an electrode for an aqueous alkaline ion battery or an aqueous hybrid ion battery - Google Patents

Process for producing an electrode for an aqueous alkaline ion battery or an aqueous hybrid ion battery Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine wässrige Alkali-Ionen Batterie oder eine wässrige Hybrid-Ionen Batterie. Die Herstellung einer Elektrode zeichnet sich dadurch aus, dass eine kohlenstoffhaltige Paste (5) auf einer leitfähigen Trägerfolie (4) aufgetragen und dieser Schichtaufbau anschließend durch Erhitzen und Verpressen verbunden wird.The invention relates to a method for producing an electrode for an aqueous alkaline ion battery or an aqueous hybrid ion battery. The production of an electrode is characterized in that a carbon-containing paste (5) is applied to a conductive carrier foil (4) and this layer structure is then connected by heating and pressing.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for producing an electrode according to the preamble of claim 1.

Eine Batterie mit einem wässrigen alkalihaltigen Elektrolyten wird beispielsweise in der EP 2 826 083 B1 beschrieben. Dort werden Elektroden beschrieben, die aus einem Stapel separater, plattenförmiger Teile zusammengelegt werden.A battery with an aqueous alkaline electrolyte is, for example, in EP 2 826 083 B1 described. Electrodes are described there that are assembled from a stack of separate, plate-shaped parts.

Dieser Aufbau ist aufwändig und insbesondere im Hinblick auf den Kontakt zwischen den einzelnen Teilen schwierig in der Herstellung.This structure is complex and difficult to manufacture, particularly with regard to the contact between the individual parts.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine wässrige Alkali-Ionen Batterie oder eine wässrige Hybrid-Ionen Batterie vorzuschlagen, die zu einer Reduzierung des Aufwandes und einem verbesserten Kontakt zwischen den verschiedenen Bauelementen führt.It is therefore the object of the invention to propose a method for producing an electrode for an aqueous alkaline ion battery or an aqueous hybrid ion battery, which leads to a reduction in complexity and improved contact between the various components.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.Starting from a method according to the preamble of claim 1, this object is achieved by its characterizing features.

Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch aus, dass eine kohlenstoffhaltige Paste auf einer leitfähigen Trägerfolie aufgetragen und dieser Schichtaufbau anschließend erhitzt und verpresst wird.Accordingly, a method according to the invention is characterized in that a carbon-containing paste is applied to a conductive carrier film and this layered structure is then heated and pressed.

Zum einen ist durch diese Maßnahme ein Herstellungsprozess eines Schichtaufbaus möglich, der als Einheit in die Batterie montiert wird, wodurch der Aufbau der Batterie und somit deren Herstellung vereinfacht wird.On the one hand, this measure enables a manufacturing process for a layered structure that is mounted as a unit in the battery, which simplifies the structure of the battery and thus its manufacture.

Weiterhin wird eine glatte, flächig durchgehende Verbindung zwischen der Kohlenstoffschicht und der Trägerfolie erzeugt, wodurch sich eine gute elektrische Kontaktierung mit kleinem Innenwiderstand ergibt. Mit dem reduzierten Innenwiderstand wird die Verlustleitung der Batterie verringert und deren Wärmeentwicklung reduziert.Furthermore, a smooth, continuous connection is produced between the carbon layer and the carrier film, resulting in good electrical contact with a low internal resistance. With the reduced internal resistance, the power dissipation of the battery is reduced and its heat generation is reduced.

Als Trägerfolie kann eine Metallfolie wie bei Kollektoren für Batterien nach dem Stand der Technik verwendet werden, wobei diese Folie nunmehr dünner ausgeführt werden kann, da sie nicht mehr als separates Teil gehandhabt werden muss.A metal foil can be used as the carrier foil, as in the case of collectors for batteries according to the prior art, with this foil now being able to be made thinner since it no longer has to be handled as a separate part.

Je nach Auswahl des Materials und der Materialstärke kann das Erhitzen und Verpressen gleichzeitig oder nacheinander vorgenommen werden. Auch ein zeitliches Überlappen, bei dem beide Verfahrensschritte nur zeitweise gleichzeitig vorgenommen werden, ist denkbar.Depending on the choice of material and the thickness of the material, heating and pressing can be carried out simultaneously or one after the other. Temporal overlapping, in which the two method steps are only carried out at the same time from time to time, is also conceivable.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird auf der der Trägerfolie gegenüber liegenden Seite eine poröse Oberfläche und/oder eine poröse Kohlenstoffschicht ausgebildet. Dadurch wird die Kontaktoberfläche der Elektrode, die in der Batterie mit dem wässrigen Elektrolyten getränkt wird, signifikant vergrößert, wodurch die Einlagerung, d.h. die sogenannte Interkalation von Ladungsträgern, wie Alkali- Ionen aus dem Elektrolyten verbessert und die Kapazität der Batterie vergrößert werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, a porous surface and/or a porous carbon layer is formed on the side opposite the carrier film. As a result, the contact surface of the electrode, which is soaked in the battery with the aqueous electrolyte, is significantly enlarged, which improves the storage, i.e. the so-called intercalation of charge carriers, such as alkali ions from the electrolyte, and the capacity of the battery can be increased.

Zur Ausbildung der porösen Oberfläche und/oder der porösen Kohlenstoffschicht kann ein Kohlenstoffpulver aufgetragen und mit der durch die kohlenstoffhaltige Paste erzeugten Schicht verbunden werden. Je nach Menge des Kohlenstoffpulvers wird durch diesen Verfahrensschritt nur die Oberfläche porös ausgebildet oder eine poröse Schicht mit einer gewissen Schichtdicke aufgetragen.To form the porous surface and/or the porous carbon layer, a carbon powder can be applied and connected to the layer produced by the carbon-containing paste. Depending on the amount of carbon powder, only the surface is made porous by this process step or a porous layer is applied with a certain layer thickness.

Die Verbindung des porösen Kohlenstoffpulvers kann beispielsweise durch Aufstreuen des Kohlestoffpulvers auf die durch Erhitzen und Verpressen der kohlenstoffhaltigen Paste gebildete Schicht und erneutes Erhitzen und/oder Verpressen vorgenommen werden.The connection of the porous carbon powder can be carried out, for example, by sprinkling the carbon powder on the layer formed by heating and pressing the carbonaceous paste and heating and/or pressing again.

Hinsichtlich des Fertigungsaufwandes besonders vorteilhaft, ist jedoch, wenn zur Ausbildung der porösen Oberfläche und/oder der porösen Kohlenstoffschicht das Kohlenstoffpulver nach oder mit dem Auftragen der kohlenstoffhaltigen Paste auf die Trägerfolie auf diese Paste aufgebracht und gemeinsam mit dieser erhitzt und verpresst wird.In terms of manufacturing complexity, however, it is particularly advantageous if, to form the porous surface and/or the porous carbon layer, the carbon powder is applied to the carrier film after or when the carbon-containing paste is applied to this paste and is heated and pressed together with it.

Bei dieser Vorgehensweise wird die Verbindung mit der Trägerfolie und die Ausbildung der porösen Oberfläche und/oder der porösen Kohlenstoffschicht Kohlenstoffschicht in einem Arbeitsgang durchgeführt.In this procedure, the connection to the carrier film and the formation of the porous surface and/or the porous carbon layer are carried out in one operation.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass einer oder mehrere der o.a. Verfahrensschritte zum Aufbau einer Elektrode beidseits der Trägerfolie vorgenommen werden. Dadurch kann beim Aufbau einer Batterie durch Kontaktierung der als Kollektor dienenden Trägerfolie auf einfache Weise eine Parallelschaltung zweier gegenüber liegender Batteriezellen hergestellt werden.A further advantageous embodiment of the invention results from the fact that one or more of the above-mentioned method steps for constructing an electrode are carried out on both sides of the carrier film. As a result, when constructing a battery, a parallel connection of two battery cells lying opposite one another can be produced in a simple manner by contacting the carrier film serving as a collector.

Es hat sich erfolgreichen Versuchen bewährt, beim Erhitzen eine Temperatur größer als 50 Grad Celsius und/oder beim Verpressen einen Druck größer 1kg/cm2 zu verwenden.It has proven successful in experiments to use a temperature greater than 50 degrees Celsius when heating and/or a pressure greater than 1 kg/cm 2 when pressing.

Als kohlenstoffhaltige Paste sind insbesondere Pasten aus Ruß oder Graphit oder aktiviertem Kohlenstoff verwendbar. Eine Verbesserung der Verbindung mit der Trägerfolie ist dadurch möglich, dass die Paste ein oder mehrere Lösungsmittel enthält. Die Paste kann somit eine gut zu verarbeitende Viskosität erhalten, wobei das oder die Lösungsmittel dann während des Erhitzens und/oder Verpressens verdampfen.In particular, pastes made of carbon black or graphite or activated carbon can be used as the carbon-containing paste. An improvement of the ver Bonding with the carrier film is possible because the paste contains one or more solvents. The paste can thus be given a viscosity that is easy to process, with the solvent(s) then evaporating during heating and/or pressing.

Eine Verbesserung des Schichtaufbaus und der Verbindung zur Trägerfolie kann dadurch erreicht werden, dass eine kohlenstoffhaltige Paste mit oder ohne Lösungsmittel verwendet wird, die ein oder mehrere Polymere enthält. Das oder die Polymere können mit dem Kohlenstoff einen Verbund bilden und dadurch die Schicht mechanisch stabilisieren. Durch das oder die Polymere kann auch eine verbesserte Haftung an der Trägerfolie erzeugt werden. Der Kontakt kann so mechanisch stabil an einer glatten Kontaktfläche erfolgen. Dadurch wird auch die elektrische Kontaktierung verbessert und der Innenwiderstand somit weiter reduziert. Insbesondere bei Verwendung eines oder mehrerer elektrisch leitfähiger Polymere wird dabei der elektrische Kontakt weiter verbessert.The layer structure and the connection to the carrier film can be improved by using a carbon-containing paste with or without a solvent, which paste contains one or more polymers. The polymer or polymers can form a bond with the carbon and thereby mechanically stabilize the layer. The polymer or polymers can also produce improved adhesion to the carrier film. The contact can thus be mechanically stable on a smooth contact surface. This also improves the electrical contact and thus further reduces the internal resistance. In particular, when using one or more electrically conductive polymers, the electrical contact is further improved.

Zur Vereinfachung der Fertigung kann die erfindungsgemäße Herstellung der Elektroden mit einem kontinuierlich durch die verschiedenen Arbeitsstationen durchlaufenden Trägerfolienband durchgeführt werden, wobei die einzelnen Elektroden anschließend vereinzelt, insbesondere gestanzt oder geschnitten, werden.To simplify production, the production of the electrodes according to the invention can be carried out with a carrier film strip running continuously through the various work stations, with the individual electrodes then being isolated, in particular punched or cut.

In einer weiteren Ausführung kann nach eine gewickelte Elektrode gefertigt werden, indem der anspruchsgemäße Herstellung des Schichtaufbaus aufgewickelt wird. Dieser Aufbau ist beispielsweise bei Verwendung einer becherförmigen, mit Elektrolyt gefüllten Gegenelektrode von Vorteil.In a further embodiment, a wound electrode can be manufactured by winding the layered structure according to the claims. This structure is advantageous, for example, when using a cup-shaped counter electrode filled with electrolyte.

Eine andere aufgewickelte Variante ergibt sich dann, wenn der anspruchsgemäß hergestellte Schichtaufbau durch eine Separatorschicht und/oder eine weitere Elektrodenschicht ergänzt und anschließend aufgewickelt wird. Damit sind vollständige Batteriezellen in gewickelter Form möglich. Auch die Herstellung mehrerer verschalteter Batteriezellen in einem Wickel wäre auf diese Weise möglich.Another wound variant results when the layer structure produced according to the claims is supplemented by a separator layer and/or a further electrode layer and then wound up. This means that complete battery cells in a wound form are possible. It would also be possible to produce several interconnected battery cells in one coil in this way.

Verschiedene Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden anhand der Figuren näher erläutert.Various exemplary embodiments are shown in the drawing and are explained in more detail with reference to the figures.

Im Einzelnen zeigen

  • 1 ein Blockdiagramm für den Verfahrensablauf eines ersten Ausführungsbeispiels,
  • 2 ein Blockdiagramm für den Verfahrensablauf eines zweiten Ausführungsbeispiels und
  • 3 eine schematische Veranschaulichung eines kontinuierlichen Verfahrensablaufes.
show in detail
  • 1 a block diagram for the process flow of a first embodiment,
  • 2 a block diagram for the process flow of a second embodiment and
  • 3 a schematic illustration of a continuous process flow.

Das Verfahren gemäß 1 umfasst drei Schritte, d.h. das Auftragen 1 einer kohlenstoffhaltigen Paste auf eine leitfähige Trägerfolie, insbesondere aus Metall, das Aufstreuen 2 eines Kohlenstoffpulvers auf die durch die kohlenstoffhaltige Paste gebildeten Schicht und im Anschluss daran das Verbinden 3 durch gleichzeitiges Erhitzen und Verpressen.The procedure according to 1 comprises three steps, ie the application 1 of a carbon-containing paste to a conductive carrier foil, in particular made of metal, the sprinkling 2 of a carbon powder onto the layer formed by the carbon-containing paste and then the connection 3 by simultaneous heating and pressing.

Das Verfahren nach 2 unterscheidet sich von dem vorbeschriebenen Verfahren dadurch, dass das Verbinden 3 in zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten, d.h. das Erhitzen 3a und das anschließende Verpressen 3b erfolgt.The procedure after 2 differs from the method described above in that the connection 3 takes place in two successive method steps, ie the heating 3a and the subsequent pressing 3b.

Der schematische Ablauf nach 3 umfasst das Abrollen einer Trägerfolie 4 mit dem anschließenden Auftragen einer kohlenstoffhaltigen Paste 5 aus einer Schlitzdüse 6. Im Anschluss daran wird ein Kohlenstoffpulver 8 über eine ebenfalls schlitzförmige Streudüse 9 aufgestreut. Dieser Schichtaufbau wird in einem Durchlaufofen 9 erhitzt, dann über eine Presswalze 10 verpresst und schließlich einer Stanzform 11 zur Vereinzelung einzelner Elektroden zugeführt.The schematic sequence 3 comprises the unrolling of a carrier film 4 with the subsequent application of a carbon-containing paste 5 from a slot nozzle 6. Subsequently, a carbon powder 8 is scattered via a likewise slot-shaped scattering nozzle 9. This layer structure is heated in a continuous furnace 9, then pressed over a press roller 10 and finally fed to a stamping die 11 for separating individual electrodes.

Abweichend von dieser Anordnung können natürlich in der gleichen Abfolge der Verfahrensschritte Elektroden auch einzeln geschichtet, erhitzt und verpresst werden.Deviating from this arrangement, electrodes can of course also be individually layered, heated and pressed in the same sequence of process steps.

BezugszeichenlisteReference List

11
AuftragenInstruct
22
Aufstreuensprinkling
33
Verbinden Connect
3a3a
ErhitzenHeat
3b3b
Verpressenpressing
44
Trägerfoliecarrier film
55
Pastepaste
66
Schlitzdüseslot nozzle
77
Kohlestoffpulvercarbon powder
88th
Streudüsespreading nozzle
99
Durchlaufofencontinuous furnace
1010
Presswalzepress roller
1111
Stanzformdie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 2826083 B1 [0002]EP 2826083 B1 [0002]

Claims (16)

Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine wässrige Alkali-Ionen Batterie oder eine wässrige Hybrid-Ionen Batterie dadurch gekennzeichnet, dass eine kohlenstoffhaltige Paste (5) auf einer leitfähigen Trägerfolie (4) aufgetragen und dieser Schichtaufbau anschließend durch Erhitzen (3a) und Verpressen (3b) verbunden wird.Method for producing an electrode for an aqueous alkaline ion battery or an aqueous hybrid ion battery , characterized in that a carbon-containing paste (5) is applied to a conductive carrier film (4) and this layer structure is then heated (3a) and pressed (3b ) is connected. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als leitfähige Trägerfolie (4) eine Metallfolie verwendet wird.procedure after claim 1 , characterized in that a metal foil is used as the conductive carrier foil (4). Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden (3) durch Erhitzen und Verpressen gleichzeitig vorgenommen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the connection (3) is carried out simultaneously by heating and pressing. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen (3a) zumindest teilweise zeitlich vor dem Verpressen (3b) vorgenommen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heating (3a) is carried out at least partially before the pressing (3b). Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Trägerfolie (4) gegenüber liegenden Seite eine poröse Oberfläche und/oder eine poröse Kohlenstoffschicht ausgebildet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a porous surface and/or a porous carbon layer is formed on the side opposite the carrier film (4). Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der porösen Oberfläche und/oder der porösen Kohlenstoffschicht ein Kohlenstoffpulver (7) aufgetragen und mit der durch die kohlenstoffhaltige Paste (5) erzeugten Schicht verbunden wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that to form the porous surface and/or the porous carbon layer, a carbon powder (7) is applied and bonded to the layer produced by the carbon-containing paste (5). Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der porösen Oberfläche und/oder der porösen Kohlenstoffschicht das Kohlenstoffpulver (7) nach oder mit dem Auftragen der kohlenstoffhaltigen Paste (5) auf die Trägerfolie (4) auf diese Paste (5) aufgebracht und gemeinsam mit dieser erhitzt und verpresst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that to form the porous surface and/or the porous carbon layer, the carbon powder (7) is applied to the carrier film (4) after or with the application of the carbon-containing paste (5) to this paste (5) is applied and heated and pressed together with this. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anspruchsgemäßen Verfahrensschritte beidseits der Trägerfolie (4) vorgenommen werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method steps according to the claims are carried out on both sides of the carrier film (4). Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erhitzen (3a) eine Temperatur größer als 50 Grad Celsius und/oder beim Verpressen (3b) ein Druck größer 1kg/cm2 verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a temperature greater than 50 degrees Celsius is used during heating (3a) and/or a pressure greater than 1 kg/cm 2 is used during compression (3b). Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kohlenstoffhaltige Paste (5) aus Ruß oder Graphit oder aktiviertem Kohlenstoff verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a carbon-containing paste (5) made of carbon black or graphite or activated carbon is used. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Paste (5) ein oder mehrere Lösungsmittel enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the carbonaceous paste (5) contains one or more solvents. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Paste (5) ein oder mehrere Polymere, insbesondere ein oder mehrere elektrisch leitfähige Polymere enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon-containing paste (5) contains one or more polymers, in particular one or more electrically conductive polymers. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anspruchsgemäßen Verfahrensschritte mit einer kontinuierlich durch die verschiedenen Arbeitsstationen durchlaufenden Trägerfolie (4) durchgeführt und die einzelnen Elektroden anschließend vereinzelt, insbesondere gestanzt oder geschnitten werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the claimed method steps are carried out with a carrier film (4) running continuously through the various work stations and the individual electrodes are then isolated, in particular punched or cut. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der anspruchsgemäß hergestellte Schichtaufbau aufgewickelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the layered structure produced according to the claims is wound up. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der anspruchsgemäß hergestellte Schichtaufbau durch eine Separatorschicht und/oder eine weitere Elektrodenschicht ergänzt und anschließend aufgewickelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the layer structure produced according to the claims is supplemented by a separator layer and/or a further electrode layer and is then wound up. Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere nach einem der vorgenannten Ansprüche gefertigten verwendet werden.Method for producing a battery with electrodes, characterized in that one or more electrodes manufactured according to one of the preceding claims are used.
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