DE102021103510A1 - Verfahren zum Herstellen einer Kathode für eine Lithiumionenbatterie sowie Lithiumionenbatterie - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Herstellen einer Kathode (10) für eine Lithiumionenbatterie umfasst folgende Schritte: Es wird eine Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12) bereitgestellt und auf wenigstens eine Hauptfläche (14, 16) der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12) eine Beschichtungsmasse aufgebracht, die ein partikelförmiges Hilfsmaterial (22) enthält. Anschließend wird die Beschichtungsmasse unter Bildung eines Kathodenfilms auf der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12) verdichtet, wobei die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12) beim Verdichten der Beschichtungsmasse perforiert wird.Ferner wird eine Lithiumionenbatterie angegeben.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kathode für eine Lithiumionenbatterie sowie eine Lithiumionenbatterie.
- 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, Lithiumionen-Batterie-Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zu den Begriffen „Lithiumionen-Batterie“ und „Lithiumionen-Zelle“ genutzt.
- Eine Lithiumionenbatterie hat mindestens zwei verschiedene Elektroden, eine positive (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und elektrischen Leitfähigkeitszusätzen.
- Während der Herstellung einer Lithiumionenbatterie ist eine ausreichende Benetzung der eingesetzten Elektroden mit Elektrolyt von entscheidender Bedeutung für die erreichbaren Leistungsmerkmale der Lithiumionenbatterie, beispielsweise für die Strombelastbarkeit, die maximalen Lade- und Entladeströme, die Zyklenstabilität und/oder die Lebensdauer.
- Die Aktivmaterialien sowie vorhandene Passivmaterialien der Elektroden sind jeweils auf einer Trägerfolie aufgebracht, die üblicherweise aus einem Metall gebildet ist und zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Elektrode genutzt wird. Derartige Folien sind für den Elektrolyten nicht durchlässig, wodurch eine vollständige Benetzung der Elektrode durch den Elektrolyten erschwert, reduziert und/oder verlangsamt werden kann.
- Um das Benetzungsverhalten zu verbessern, sind im Stand der Technik Trägerfolien mit vorgefertigten Öffnungen bekannt, die es dem Elektrolyten erlauben, die Trägerfolie zu durchdringen und auf diese Weise das Benetzungsverhalten zu verbessern.
- Derartige Trägerfolien weisen jedoch den Nachteil auf, dass ihre mechanische Stabilität und Belastbarkeit aufgrund der vorhandenen Öffnungen reduziert ist, wodurch es zu Beschädigungen und/oder Verformungen während der Herstellung und/oder Handhabung der Elektrode kommen kann. Auch können aufwendige Herstellungsprozesse der Elektroden notwendig werden, um auf die Trägerfolie aufgebrachte Beschichtungsmassen daran zu hindern, durch die vorhandenen Öffnungen zu tropfen und die Anlagerung von Schmutz in den Öffnungen zu vermeiden. Ferner sind Trägerfolien mit vorgefertigten Öffnungen beziehungsweise Porosität, wie zum Beispiel Metall-Schäume, Lochfolien oder Streckmetalle, teurer als einfache Trägerfolien ohne derartige Öffnungen.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zum Herstellen von Kathoden mit gutem Benetzungsverhalten bereitzustellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lithiumionenbatterie mit guten Leistungsmerkmalen bereitzustellen.
- Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Kathode für eine Lithiumionenbatterie umfassend folgende Schritte: Es wird eine Kathoden-Kollektor-Trägerfolie bereitgestellt und auf wenigstens eine Seite der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie eine Beschichtungsmasse aufgebracht, die ein partikelförmiges Hilfsmaterial enthält. Anschließend wird die Beschichtungsmasse unter Bildung eines Kathodenfilms auf der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie verdichtet, wobei die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie beim Verdichten der Beschichtungsmasse durch das partikelförmige Hilfsmaterial perforiert wird.
- Erfindungsgemäß wird die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie während der Herstellung der Kathode in situ mit wenigstens einer Öffnung versehen, wobei die wenigstens eine Öffnung eine hervorragende Benetzbarkeit der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Kathode mit einem Elektrolyten ermöglicht. Auf diese Weise kann eine schnelle, gleichförmige und vollständige Benetzung der Kathode mit Elektrolyt erzielt werden, sobald die Kathode in einer Lithiumionenbatterie verbaut wird.
- Zugleich können handelsübliche Kathoden-Kollektor-Trägerfolien ohne vorgefertigte Öffnungen wie sie im Stand der Technik bekannt sind, beispielsweise gewalzte Aluminiumfolien, eingesetzt werden, die weltweit beliebig und kostengünstig verfügbar sind.
- Zudem ergibt sich der Vorteil, dass die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie während der Herstellung der Kathode mechanisch belastbar bleibt, sodass keine aufwändigen Anpassungen an Fertigungslinien zur Herstellung der Kathode sowie nachgelagerten Fertigungsschritten zur Assemblierung von Lithiumionenbatterien mit einer solchen Kathode notwendig werden.
- Die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie ist insbesondere eine Aluminiumfolie und dient als Stromableiter der Kathode.
- Das partikelförmige Hilfsmaterial muss erfindungsgemäß härter sein als die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie, um diese perforieren zu können.
- Unter dem Begriff „Perforieren“ wird hier und im Folgenden das Erzeugen wenigstens einer Öffnung verstanden, wobei sich die Öffnung über die gesamte Dicke der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie erstreckt.
- Das Verdichten der Beschichtungsmasse kann über alle im Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen. Insbesondere wird die Beschichtungsmasse mittels Kalandern verdichtet.
- Im Querschnitt, das heißt parallel zu einer Hauptfläche der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie, auf welche die Beschichtungsmasse aufgetragen wurde, können die Öffnungen jede beliebige Form aufweisen, beispielsweise kreisförmig, bogenförmig und/oder polygonförmig. Die Form des Querschnitts hängt im Wesentlichen von der Morphologie des partikelförmigen Hilfsmaterials sowie dem angewandten Verfahren zum Verdichten der Beschichtungsmasse ab.
- Um das Perforieren der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie zu vereinfachen, wird die Beschichtungsmasse insbesondere so auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie aufgebracht, dass das partikelförmige Hilfsmaterial vor dem Verdichten direkt an die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie angrenzt.
- Selbstverständlich kann die Beschichtungsmasse lediglich einseitig oder beidseitig auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie aufgebracht werden.
- Das partikelförmige Hilfsmaterial kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Lithiumionenleitern, SiO2, Al2O3, TiO2, B2O3, Böhmit, künstlichem Diamantstaub und Kombinationen davon.
- Unter einem „Lithiumionenleiter“ wird hier eine Verbindung verstanden, welche Lithiumionen leiten kann, jedoch kein Kathoden-Aktivmaterial einer Lithiumionenbatterie darstellt.
- Der Lithiumionenleiter kann ein Material mit Perowskitstruktur, ein Material mit Granatstrukur, ein Material mit einer von LISICON abgeleiteten Struktur, ein Sulfid, ein Oxid und/oder ein Polymer aufweisen.
- Ein geeignetes Material mit Granatstuktur ist beispielsweise Li7La3Zr2O12.
- Als Material, dessen Struktur abgeleitet ist von LISICON (Lithium Super lonic Conductor), kommt neben LISICON selbst beispielsweise Thio-LISICON Li4-xM1-yM'yS4 mit M = Si, Ge, P, und M' = P, AI, Zn, Ga, Sb, und/oder NASICON (Sodium (Na) Super lonic Conductor) der allgemeinen Formel AMM'P3P3O12 mit A = Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, H+, H3O+, NH4 +, Cu+, Ag+, Pb2+, Cd2+, Mn2+, Co2+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Al3+, Ln3+, Ge4+, Zr4+, Hf4+ oder unbesetzt, M und M' = di-, tri-, tetra- oder pentavalente Übergangsmetallionen ausgewählt aus der Gruppe Zn2+, Cd2+, Ni2+, Mn2+, Co2+, Fe3+, Sc3+, Ti3+, V3+, Al3+, In3+, Ga3+, Y3+, Lu3+, Ti4+, Zr4+, Hf4+, Sn4+, Si4+, Ge4+, V5+, Nb5+, Ta5+, Sb5+, As5+, wobei Phosphor auch teilweise durch Si oder As substituiert sein kann, in Betracht.
- Um die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie zuverlässig perforieren zu können, weist das partikelförmige Hilfsmaterial insbesondere eine Härte nach Mohs im Bereich von 2 bis 10 auf, bevorzugt eine Härte nach Mohs von größer 2,75 bis 10, beispielsweise 3 bis 10.
- Die Härte des partikelförmigen Hilfsmaterials kann nach DIN EN ISO 14577 bestimmt werden, gemäß der Methode der Nanoindentierung. Die Nanoindentierung, auch als instrumentierter Eindringversuch beschrieben, ist eine Messmethode der Werkstoffprüfung zur Bestimmung der Härte von Materialien auf kleinen Längenskalen mit einer Größenordnung im Nanometerbereich.
- Das partikelförmige Hilfsmaterial weist bevorzugt eine Morphologie auf, welche das Perforieren der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie beim Verdichten der Beschichtungsmasse begünstigt. Beispielsweise weist das partikelförmige Hilfsmaterial wenigstens eine Kante, eine Ecke, eine Spitze, einen Dorn und/oder einen Vorsprung auf.
- Liegt das partikelförmige Hilfsmaterial in Form eines Agglomerats aus mehreren Agglomeratpartikeln vor, kann eines der Agglomeratpartikel die Funktion der Spitze, des Dorns und/oder des Vorsprungs übernehmen.
- Die mittlere Partikelgröße D50 des partikelförmigen Hilfsmaterials beträgt insbesondere wenigstens das 0,5-fache der Dicke der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie, bevorzugt wenigstens das 0,8-fache der Dicke der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie.
- Beispielsweise liegt bei einer Dicke der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie von 15 µm die mittlere Partikelgröße D50 des partikelförmigen Hilfsmaterials im Bereich von 7,5 bis 20 µm, bevorzugt von 12 bis 18 µm. Die Parameter der Partikelgrößenverteilung können allgemein durch Siebanalyse ermittelt werden.
- Die Beschichtungsmasse kann einen Zusatz enthalten, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Kohlenstoffnanoröhren, Ruß, zum Beispiel Leitruß, Kohlenstofffasern, Softcarbon, Hardcarbon und Kombinationen davon. Der Zusatz kann die Leitfähigkeit der Beschichtungsmasse erhöhen und somit zu verbesserten Leistungseigenschaften der hergestellten Kathode führen. Zudem kann der Zusatz die Verarbeitbarkeit und/oder die Auftragbarkeit der Beschichtungsmasse verbessern.
- Weist der Zusatz selbst eine höhere Härte als die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie auf, kann der Zusatz zusätzlich zum partikelförmigen Hilfsmaterial die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie perforieren.
- Um die Handhabung der Beschichtungsmasse zu verbessern und/oder die Kompatibilität der Beschichtungsmasse mit weiteren Bestandteilen der Kathode zu erhöhen, kann die Beschichtungsmasse ein Bindemittel umfassen, wobei das Bindemittel insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyethylenoxid (PEO), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyamid (PA), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenfluorid-hexafluoropropylen (PVdF-HFP), Polyacrylat, Carboxymethylcellulose (CMC), Polyimid (PI), PTFE und Kombinationen davon.
- Das Bindemittel ist insbesondere auf das in der Kathode vorgesehene Aktivmaterial sowie auf weitere Komponenten der Elektrode abgestimmt, insbesondere hinsichtlich der Haftung zur Kathoden-Kollektor-Trägerfolie. Beispielsweise sollte das Bindemittel hydrophil sein, falls eine wasserbasierte Beschichtungsmasse bzw. Aktivmaterial-Beschichtungsmasse zum Aufbringen des Aktivmaterials der Kathode zum Einsatz kommen soll.
- Über die Auswahl des Bindemittels und den Gehalt des Bindemittels in der Beschichtungsmasse kann die Viskosität der Beschichtungsmasse gezielt eingestellt werden. Auf diese Weise kann das Verhalten der Beschichtungsmasse in den jeweils verwendeten Beschichtungsverfahren gezielt beeinflusst werden.
- Die Beschichtungsmasse kann mittels Nassbeschichten, Trockenbeschichten, Aufpressen, Laminieren, Kaschieren, Extrudieren und/oder Aufsprühen auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie aufgebracht werden.
- Die Beschichtungsmasse kann ein Kathoden-Aktivmaterial umfassen und/oder es kann zusätzlich eine Aktivmaterial-Beschichtungsmasse auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie aufgebracht werden.
- Die Aktivmaterial-Beschichtungsmasse umfasst ein Kathoden-Aktivmaterial und optional ein Aktivmaterial-Bindemittel, ein Träger-Lösungsmittel und/oder Zusätze, insbesondere Leitfähigkeitszusätze und/oder Dispergier-Hilfsstoffe.
- Das Kathoden-Aktivmaterial kann grundlegend jedes im Stand der Technik bekannte Kathoden-Aktivmaterial sein. Darunter fallen zum Beispiel Lithiumübergangsmetalloxide wie LiCoO2, Lithium-Nickel-Kobalt-ManganVerbindungen (unter der Abkürzung NCM bzw. NMC bekannt) und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Lithiumolivine wie Lithium-Eisenphosphat (LFP) sowie Lithiumspinelle wie Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LMO). Auch sogenannte Over-Lithiated Layered Oxides (OLO) können eingesetzt werden. Das Kathoden-Aktivmaterial kann auch Mischungen aus zwei oder mehreren der genannten lithiumhaltigen Verbindungen enthalten.
- Das Kathoden-Aktivmaterial kann wenigstens teilweise die Funktion des partikelförmigen Hilfsstoffs übernehmen, wenn das Kathoden-Aktivmaterial eine höhere Härte als die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie aufweist und partikelförmig ist, beispielsweise wenn das Kathoden-Aktivmaterial partikelförmiges NMC, NCA, LiCoO2 und/oder LMO umfasst.
- Die Zusammensetzungen der Beschichtungsmasse zur in situ Behandlung der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie beim Verdichten sowie der Aktivmaterial-Beschichtungsmasse sind erfindungsgemäß aufeinander abgestimmt, um eine möglichst leistungsfähige Kathode zu erhalten.
- In einer Variante wird die Beschichtungsmasse zeitlich vor der Aktivmaterial-Beschichtungsmasse auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie aufgebracht.
- Beispielsweise wird zunächst die Beschichtungsmasse in einer ersten Schicht auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie und anschließend die Aktivmaterial-Beschichtungsmasse in einer zweiten Schicht über der ersten Schicht aufgebracht. Das Verhältnis der Dicke von erster Schicht zu zweiter Schicht liegt insbesondere im Bereich von 1:2 bis 1:100, bevorzugt von 1:3 bis 1:40.
- In einer Variante wird die Beschichtungsmasse bereits vor dem Auftragen der Aktivmaterial-Beschichtungsmasse verdichtet und auf diese Weise die wenigstens eine Öffnung durch das Hilfsmaterial in der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie erzeugt. Die nach dem Verdichten der Beschichtungsmasse aufgebrachte Aktivmaterial-Beschichtungsmasse wird in dieser Variante bevorzugt in einem anschließenden zweiten Verdichtungsschritt verdichtet, wobei das Hilfsmaterial die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie zusätzlich im zweiten Verdichtungsschritt perforieren und/oder aufschneiden kann.
- Werden die Beschichtungsmasse und die Aktivmaterial-Beschichtungsmasse mittels einer Beschichtungsvorrichtung mit wenigstens zwei Düsen aufgetragen, wobei die Beschichtungsmasse und die Aktivmaterial-Beschichtungsmasse über unterschiedliche Düsen dosiert werden, können die erste und die zweite Schicht mittels der gleichen Beschichtungsvorrichtung aufgetragen werden, bevorzugt mit einem Zeitversatz von höchstens einigen Sekunden.
- Alternativ kann die Beschichtungsmasse auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie über eine Sprühdüse aufgesprüht werden bevor, insbesondere unmittelbar bevor, die Aktivmaterial-Beschichtungsmasse aufgetragen wird.
- In einer weiteren Variante werden die Beschichtungsmasse und die Aktivmaterial-Beschichtungsmasse in einem einzigen Verfahrensschritt auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie aufgebracht.
- Beispielsweise wird die Beschichtungsmasse mit der Aktivmaterial-Beschichtungsmasse vor dem Aufbringen zu einer Gesamtmasse vermischt und die Gesamtmasse auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie aufgebracht, beispielsweise mittels einer Düse.
- Das in der Beschichtungsmasse enthaltene partikelförmige Hilfsmaterial kann sich nach dem Aufbringen der Gesamtmasse mittels der Schwerkraft absetzen, sodass auch bei Verwendung einer Gesamtmasse ein direkter Kontakt zwischen Kathoden-Kollektor-Trägerfolie und partikelförmigen Hilfsmaterial vor dem Verdichten gewährleistet werden kann.
- Um die Absetzrate des partikelförmigen Hilfsmaterials in der Gesamtmasse einzustellen, das heißt die Geschwindigkeit des schwerkraftbedingten Absetzens des Hilfsmaterials in der Gesamtmasse, kann die Viskosität der Gesamtmasse, der Beschichtungsmasse und/oder der Aktivmaterial-Beschichtungsmasse angepasst werden. Dies kann durch Auswahl des Bindemittels und/oder durch Hinzufügen eines geeigneten Lösungsmittels erfolgen.
- Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine Lithiumionenbatterie umfassend wenigstens eine Kathode, die nach einem Verfahren wie zuvor beschrieben erhältlich ist.
- Durch die im Herstellungsverfahren der Kathode erzeugten Öffnungen in der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie weist die erfindungsgemäße Lithiumionenbatterie eine gleichmäßige und vollständige Benetzung der wenigstens einen Kathode mit Elektrolyt auf, wodurch die erfindungsgemäße Lithiumionenbatterie eine hohe Strombelastbarkeit, hohe maximale Lade- und Entladerate, eine gute Zyklenstabilität sowie eine lange Lebensdauer aufweisen kann.
- Der Elektrolyt umfasst insbesondere ein Lösungsmittel und zumindest ein darin gelöstes Lithium-Leitsalz.
- Das Lösungsmittel ist vorzugsweise inert. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise organische Lösungsmittel wie Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat, Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC) 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-propylpiperidinium-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 Lithium-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.
- Die Lithiumionenbatterie kann eine Traktionsbatterie in einem Fahrzeug sein. Ebenso kann die Lithiumionenbatterie in einem Wearable, einem E-Bike, einem Smartphone, einem Powertool, einem Laptop, einem eBook-Reader, einer mobilen Powerbank oder einem stationären Energiespeicher verwendet werden.
- Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll, sowie aus den Zeichnungen. In diesen zeigen:
- -
1 schematisch eine Schnittansicht einer Kathode wie sie im Stand der Technik bekannt ist, - -
2 schematisch eine Schnittansicht einer Kathode, wie sie mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann, - -
3 ein Blockschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Kathode aus2 , und - -
4 schematisch eine Schnittansicht einer Zwischenstufe in der Herstellung der Kathode aus2 . -
1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer nicht erfindungsgemäßen Kathode 10 einer Lithiumionenbatterie, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. - Die Kathode 10 umfasst eine Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12, welche zugleich als Stromableiter der Kathode 10 dient.
- Die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 ist insbesondere eine Aluminiumfolie.
- Auf einer ersten Hauptfläche 14 sowie auf einer der ersten Hauptfläche 14 entgegengesetzten zweiten Hauptfläche 16 der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 ist ein Kathoden-Aktivmaterial 18 in Form eines Kathodenfilms 19 aufgebracht.
- Das Kathoden-Aktivmaterial 18 kann jedes im Stand der Technik gebräuchliche Material sein, das in der Lage ist, Lithiumionen reversibel aufzunehmen beziehungsweise abzugeben.
- Wie in
1 zu erkennen ist, weist die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 keinerlei Öffnungen auf. Entsprechend ist die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 für einen Elektrolyten undurchlässig, wodurch die Benetzung der Kathode 10 mit dem Elektrolyten in einer Lithiumionenbatterie nur langsam und/oder unvollständig verläuft. - In
2 ist eine Kathode 10 dargestellt, wie sie durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Kathode erhältlich ist. - Für Bauteile, welche im Wesentlichen analog zum Stand der Technik sind, werden gleiche Bezugszeichen verwendet und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen, sodass im Folgenden nur abweichende Merkmale und Bauteile näher erläutert werden.
- Die in
2 dargestellte Kathode 10 weist eine Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 mit mehreren Öffnungen 20 auf, die sich jeweils über die gesamte Dicke der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 hindurch erstrecken, das heißt von der ersten Hauptfläche 14 bis zur zweiten Hauptfläche 16. - Selbstredend kann auch eine Anzahl von Öffnungen 20 vorhanden sein, die von der in
2 gezeigten Ausführungsform abweichen, solange wenigstens eine Öffnung 20 für den Durchtritt von Elektrolyt durch die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 vorhanden ist. - Ferner weist die Kathode 10 ein partikelförmiges Hilfsmaterial 22 auf, welches wenigstens teilweise in den Öffnungen 20 angeordnet ist.
- Das partikelförmige Hilfsmaterial 22 ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumionenleitern, SiO2, Al2O3, TiO2, B2O3, Böhmit, künstlichem Diamantstaub und Kombinationen davon und weist eine mittlere Partikelgröße D50 in der Größenordnung der Dicke der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 auf sowie eine Härte nach Mohs im Bereich von 2 bis 10, insbesondere eine Härte nach Mohs im Bereich von größer 2,75 bis 10, beispielsweise 3 bis 10.
- Die Öffnungen 20 ermöglichen einen Durchtritt von Elektrolyt von der ersten Hauptfläche 14 in Richtung der zweiten Hauptfläche 16 sowie von der zweiten Hauptfläche 16 in Richtung der ersten Hauptfläche 14, sodass die Kathode wie in
2 dargestellt schneller und gleichmäßiger mit Elektrolyt benetzt werden kann als es bei der aus dem Stand der Technik bekannten Kathode 10 wie in1 dargestellt der Fall ist. - Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen der Kathode 10, wie sie in
2 gezeigt ist, näher erläutert. - Zunächst wird die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 bereitgestellt (vgl. Schritt S1 in
3 ), wobei die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 derjenigen aus1 entspricht, das heißt noch keine der Öffnungen 20 (vgl.2 ) aufweist. - Anschließend wird eine Beschichtungsmasse auf die erste Hauptfläche 14 der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 aufgebracht (vgl. Schritt S2 in
3 sowie4 ). - Wie in
4 näher gezeigt, erfolgt das Auftragen der Beschichtungsmasse in der dargestellten Ausführungsform über das Auftragen einer Gesamtmasse 24 auf die erste Hauptfläche 14, wobei die Gesamtmasse 24 die Beschichtungsmasse sowie eine Aktivmaterial-Beschichtungsmasse umfasst. - Die Beschichtungsmasse umfasst das partikelförmige Hilfsmaterial 22 sowie ein nicht näher dargestelltes Bindemittel. Das Bindemittel ist ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyethylenoxid (PEO), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyamid (PA), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenfluorid-hexafluoropropylen (PVdF-HFP), Polyacrylat, Carboxymethylcellulose (CMC), Polyimid (PI), PTFE und Kombinationen davon.
- Ferner kann die Beschichtungsmasse einen Zusatz enthalten, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Kohlenstoffnanoröhren, Ruß, zum Beispiel Leitruß, Kohlenstofffasern, Softcarbon, Hardcarbon und Kombinationen davon. Der Zusatz kann die Leitfähigkeit der Beschichtungsmasse erhöhen sowie deren Verarbeitbarkeit und/oder Auftragbarkeit verbessern.
- Die Aktivmaterial-Beschichtungsmasse umfasst das Kathoden-Aktivmaterial 18 sowie ein nicht näher dargestelltes Aktivmaterial-Bindemittel bzw. Elektroden-Bindemittel.
- Nach Auftragen der Gesamtmasse 24 setzt sich das partikelförmige Hilfsmaterial 22 bedingt durch die Schwerkraft ab, sodass dieses direkt an die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 angrenzt, wie in
4 dargestellt. - Grundsätzlich können die Beschichtungsmasse mit dem partikelförmigen Hilfsmaterial 22 und die Aktivmaterial-Beschichtungsmasse auch einzeln nacheinander auf der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 aufgebracht werden.
- Das Aufbringen der Beschichtungsmasse, der Aktivmaterial-Beschichtungsmasse und/oder der Gesamtmasse 24 kann mittels Nassbeschichten, Trockenbeschichten, Aufpressen, Laminieren, Kaschieren, Extrudieren und/oder Aufsprühen auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 erfolgen.
- Auf der zweiten Hauptfläche 16 ist, wie in
4 gezeigt, lediglich eine Aktivmaterial-Beschichtungsmasse aufgebracht. Grundsätzlich könnte natürlich auch auf der zweiten Hauptfläche 16 eine Gesamtmasse 24 oder eine Beschichtungsmasse eingesetzt werden. - Ausgehend von der in
4 gezeigten Zwischenstufe wird die Beschichtungsmasse, genauer die Gesamtmasse 24 in der gezeigten Ausführungsform, unter Bildung des Kathodenfilms 19 (vgl.2 ) verdichtet, beispielsweise mittels Kalandern (vgl. Schritt S3 in3 ). - Dabei wird eine Kraft F auf die Gesamtmasse 24 ausgeübt, wie in
4 mittels eines Pfeils angedeutet, wodurch das partikelförmige Hilfsmaterial 22 in die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 gepresst wird und diese aufgrund der höheren Härte des partikelförmigen Hilfsmaterials 22 im Vergleich zur Kathoden-Kollektor-Trägerfolie 12 perforiert, um die Öffnungen 20 herzustellen. - Somit ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, die Öffnungen 20, die zur Verbesserung der Benetzung eingesetzt werden können, in situ während der Herstellung der Kathode 10 zu erzeugen.
Claims (10)
- Verfahren zum Herstellen einer Kathode (10) für eine Lithiumionenbatterie, umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen einer Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12), - Aufbringen einer Beschichtungsmasse, die ein partikelförmiges Hilfsmaterial (22) enthält, auf wenigstens eine Hauptfläche (14, 16) der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12), - Verdichten der Beschichtungsmasse unter Bildung eines Kathodenfilms auf der Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12), wobei die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12) beim Verdichten der Beschichtungsmasse durch das partikelförmige Hilfsmaterial (22) perforiert wird.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das partikelförmige Hilfsmaterial (22) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumionenleitern, SiO2, Al2O3, TiO2, B2O3, Böhmit, künstlichem Diamantenstaub und Kombinationen davon. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass das partikelförmige Hilfsmaterial (22) eine Härte nach Mohs im Bereich von 2 bis 10 aufweist, bevorzugt eine Härte nach Mohs von größer 2,75 bis 10. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsmasse einen Zusatz enthält, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Kohlenstoffnanoröhren, Ruß, Kohlenstofffasern, Softcarbon, Hardcarbon und Kombinationen davon.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsmasse ein Bindemittel umfasst, wobei das Bindemittel insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyethylenoxid (PEO), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyamid (PA), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenfluorid-hexafluoropropylen (PVdF-HFP), Polyacrylat, Carboxymethylcellulose (CMC), Polyimid (PI), PTFE und Kombinationen davon.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsmasse mittels Nassbeschichten, Trockenbeschichten, Aufpressen, Laminieren, Kaschieren, Extrudieren und/oder Aufsprühen auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12) aufgebracht wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsmasse ein Kathoden-Aktivmaterial (18) umfasst und/oder eine Aktivmaterial-Beschichtungsmasse auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12) aufgebracht wird.
- Verfahren nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsmasse zeitlich vor der Aktivmaterial-Beschichtungsmasse auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12) aufgebracht wird. - Verfahren nach
Anspruch 7 oder8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsmasse und die Kathoden-Beschichtungsmasse in einem einzigen Verfahrensschritt auf die Kathoden-Kollektor-Trägerfolie (12) aufgebracht werden. - Lithiumionenbatterie, umfassend wenigstens eine Kathode (10), die nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche erhältlich ist.
Priority Applications (5)
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|---|---|---|---|
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