DE102021105761A1

DE102021105761A1 - Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien von Elektroden, Verfahren zur Herstellung einer Elektrode sowie Elektrode

Info

Publication number: DE102021105761A1
Application number: DE102021105761.2A
Authority: DE
Inventors: Desiree Griessl; Martin Hiller
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2022-09-15
Also published as: US20240063452A1; WO2022189104A1; EP4305683A1; CN116568459A

Abstract

Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien von Elektroden, umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines Substrats, insbesondere eines Trägermaterials einer Elektrode, auf welchem eine Beschichtung aufgebracht ist;- Zumindest bereichsweise Abtragen der Beschichtung mittels Schneestrahlen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien von Elektroden, ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode sowie eine Elektrode.
Für die Herstellung elektrischer Energiespeicherzellen kommen hochwertige Materialien zum Einsatz. Umso wichtiger ist es, Lösungen zu finden, um diese wiederzuverwenden oder wiederzuverwerten. Bereits im Rahmen der Produktion fällt mit unter Ausschuss an, welcher aus Kosten- und Umweltgesichtspunkten nicht verloren sein darf. Problematisch ist in diesem Zusammenhang allerdings, dass die Wiedergewinnung der einzelnen Materialien/Werkstoffe oftmals schwierig ist, da die unterschiedlichen Werkstoffe fest miteinander verbunden sind. So sind beispielsweise die Trägerfolien von elektrischen Energiespeicherzellen mit einer Beschichtung versehen, welche stark auf diesen haftet und nicht ohne weiteres entfernt werden kann. Für die Trennung von Elektrodensubstratblechen und der Beschichtung schlägt die DE 699 05 134 T2 vor, die Beschichtung durch Biegen des beschichteten Substrats mit einem ausreichend kleinen Biegeradius zu lösen. Außerdem wird dort das Arbeiten mit Lösungsmitteln etc. vorgeschlagen. Ein Biegen führt bei flexiblen Beschichtungen aber nicht zum Erfolg. Der Einsatz von Lösungsmitteln etc. zieht einen hohen Anlagenaufwand nach sich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, insbesondere ein Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien, insbesondere im Bereich der Batterietechnik, anzugeben, welches flexibel anzuwenden und in seiner Umsetzung aufwandsarm ist und damit auch Vorteile für die Elektrodenfertigung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 9 sowie durch eine Elektrode gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der beigefügten Figur.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien von Elektroden die Schritte:

- Bereitstellen eines Substrats, insbesondere eines Trägermaterials einer Elektrode, auf welchem eine Beschichtung, ein- oder beidseitig, aufgebracht ist;
- Zumindest bereichsweise Abtragen der Beschichtung mittels Schneestrahlen.

Das Schneestrahlen ist ein Druckluftstrahlverfahren, bei dem als Strahlmittel Kohlenstoffdioxid eingesetzt wird. Es wird daher auch als CO₂-Schneestrahlen bezeichnet. Es können im Wesentlichen zwei Verfahrensvarianten unterschieden werden. Bei der Zweistoffringdüse wird das flüssige Kohlenstoffdioxid am Düsenaustritt auf Umgebungstemperatur entspannt. Die entstehenden CO₂-Schneepartikel werden durch einen Mantelstrahl aus überschallschneller Druckluft gebündelt und beschleunigt. Durch die geringe kinetische Energie der Partikel ist diese Verfahrensvariante weniger abrasiv. Beim zweiten CO₂-Schneestrahlprinzip wird das flüssige Kohlenstoffdioxid dem Druckluftstrom in einem Entspannungsraum, der sogenannten Agglomerationskammer, zudosiert. Im Vergleich zur Zweistoffringdüse entstehen größere Schneepartikel, die mit der Druckluft in einer nachfolgenden Düse beschleunigt, zu einer (deutlich) höheren Abrasivität führen. Vorliegend können beide Varianten, ggf. auch in Kombination, zum Einsatz kommen. Beim Schneestrahlen handelt es sich um ein äußerst umwelt- und resourcenschonendes Reinigungsverfahren.
Bei dem Substrat handelt es sich insbesondere um ein Trägermaterial einer Elektrode einer elektrischen Energiespeicherzelle, vorliegend insbesondere beispielsweise um eine Aluminium- oder Kupferfolie, wie sie beispielsweise in Lithiumionenbatterien verwendet wird. Das Trägermaterial kann ein- oder beidseitig beschichtet sein. Das Beschichtungsmaterial umfasst beispielswiese jeweils Aktivmaterial, Leitruß, Lösungsmittelbinder und Additive. Zum Einstellen einer Porosität der Beschichtung werden die beschichteten Trägermaterialien, beispielsweise in einem Kalander, verdichtet. Zweckmäßigerweise kann die Schneestrahlreinigung vor und/oder nach der Verdichtung der Beschichtung durchgeführt werden. Zweckmäßigerweise kann die Abtragsleistung individuell angepasst werden. So muss diese beispielsweise höher sein, wenn das Trägermaterial bereits verdichtet wurde, da dann die Haftung der Beschichtung ggf. höher ist. Berücksichtigt werden muss auch, ob die Beschichtung bereits getrocknet ist oder nicht. Auch dann ist ggf. die Haftung größer und die Abtragsleistung beim Schneestrahlen entsprechend anzupassen. Mit Vorteil ist dies allerdings flexibel über die Einstellung der Anlagenparameter möglich.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Entfernen und/oder Sammeln von Materialabtrag mittels Absaugen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kammer oder dergleichen vorgesehen, in welcher Mittel zum Schneestrahlreinigen angeordnet oder vorgesehen sind. Zweckmäßigerweise ist die Kammer nach außen hin luftdicht abgeschlossen oder abschließbar. Mit Vorteil wird die Reinigung innerhalb der Kammer durchgeführt. Zweckmäßigerweise kann der Materialabtrag über eine geeignet ausgebildete Absaugung gesammelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform werden die zu reinigenden Substrate kontinuierlich der Kammer zugeführt. Dort können mehrere Reihen von Strahldüsen vor und/oder hintereinander, ggf. ortsfest, angeordnet sein. Alternativ ist eine oder sind mehrere Strahldüsen auch an einem Roboterarm befestigt, sodass deren Bewegung/Ausrichtung flexibel gesteuert werden kann. Die Substrate oder das Substrat können/kann beim Reinigungsprozess selbst in Bewegung sein oder auch still stehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren im Rahmen der Produktion von elektrischen Energiespeicherzellen eingesetzt, insbesondere beispielsweise bei elektrischen Energiespeicherzellen, insbesondere Lithiumionenzellen, wie sie für Kraftfahrzeuge verwendet werden. Hierbei können insbesondere die Ausschussraten erfolgreich reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Beschichtung vollflächig entfernt. Dies ist insbesondere dann zielführend, wenn die oder eine Elektrode als solches in seine Bestandteile zerlegt werden soll.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt der Materialabtrag partiell. Mit Vorteil kann beispielsweise eine Beschichtung oder ein Bereich einer Beschichtung konturiert bzw. geformt werden. Mit Vorteil kann Beschichtungsmaterial beispielsweise vollflächig auf die Trägerfolie aufgebracht werden. Durch einen mittig eingebrachten Materialabtrag entlang einer Bahnrichtung der Trägerfolie können beispielsweise zwei Beschichtungsstreifen erzeugt werden, alternativ auch mehrere. Der Materialabtrag kann auch quer zur Bahnrichtung erfolgen, um eine intermittierende Beschichtung, umfassend eine Vielzahl von Beschichtungsbereichen oder -Abschnitten, entlang der Bahnrichtung zu erzeugen.
Weiter alternativ kann der Materialabtrag nach einem Verdichten der insbesondere vollflächig beschichteten Trägerfolie erfolgen, um im Anschluss die vorgenannten Streifen oder Bereiche bzw. Abschnitte zu erzeugen. Dies kann den Verdichtungsprozess erleichtern.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:

- Reinigen und Aufbereiten der abgetragenen Beschichtung bzw. des Beschichtungsmaterials;
- Zumindest teilweise Verwenden des gereinigten und/oder aufbereiteten Beschichtungsmaterials zur Beschichtung eines Trägermaterials zur Herstellung, insbesondere einer elektrischen Energiespeicherzelle.

Gemäß einer Ausführungsform wird die abgetragene Beschichtung als Ganzes weiterverwendet. Wie bereits erwähnt, umfasst beispielsweise die Beschichtung die Werkstoffe oder Materialien: Aktivmaterial, Leitruß, Lösungsmittel, Binder und Additive. Gegebenenfalls wird das abgetragene Beschichtungsmaterial, falls nötig, noch einem Reinigungsverfahren unterzogen. Zusätzlich oder alternativ kann der Beschichtungswerkstoff auch aufbereitet werden.
Unter Aufbereitung ist beispielsweise eine Materialtrennung zu verstehen. Damit können einzelne der vorgenannten Materialien, wobei diese Aufzählung nur beispielhaft zu verstehen ist, separiert werden, um diese gesondert und getrennt weiter verwenden zu können.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Aufbereiten ein Zerkleinern, insbesondere ein Pulverisieren, von (Beschichtungs-)Material.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Zuführen von aufbereitetem Material einem neuen Mischprozess zum Erzeugen von Beschichtungsmaterial, insbesondere für eine Elektrode einer Lithiumionenzelle.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die vorgenannten pulverförmigen Bestandteile erneut dem Mischprozess zugeführt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Verwenden des entschichteten Trägermaterials zur Herstellung, insbesondere einer elektrischen Energiespeicherzelle.

Mit Vorteil kann also (auch) das Trägermaterial erneut verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird es zur Herstellung der gleichen Energiespeicherzelle verwendet, also zur Herstellung einer Energiespeicherzelle des gleichen Typs. Alternativ kann das Trägermaterial auch für einen anderen Batterietyp verwendet werden, beispielsweise für einen Batterietyp, an welchen geringere Leistungsanforderungen gestellt sind. Alternativ kann auch die Verwendung für einen Batterietyp unterschiedlicher Größe bevorzugt sein, sodass das Trägermaterial beispielsweise noch zugeschnitten werden kann oder muss, wodurch ggf. beschädigte Bereiche oder Bereiche, welche nicht vollständig von Beschichtungsmaterial befreit werden konnten, entfernt werden können.
Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Energiespeicherzelle, wobei das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung oder Wiedergewinnung von Materialien verwendet wird.
Das Verfahren umfasst mit Vorteil den Schritt:

- Partielles Abtragen der Beschichtung zu dessen Formgebung.

Die Vorteile und Möglichkeiten im Zusammenhang mit dem partiellen Abtragen wurden bereits beschrieben. Alternativ wird das Verfahren im Rahmen der Produktion oder Herstellung einer Elektrode für eine Energiespeicherzelle dazu verwendet, um als Ausschuss deklarierte Elektroden in seine Bestanteile zu zerlegen.
Die Erfindung betrifft auch eine Elektrode, umfassend eine Trägerfolie und/oder Beschichtungsmaterial, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung hergestellt wurde. Das Verfahren kann zweckmäßigerweise sowohl zum klassischen Recycling, beispielsweise von Batteriezellen, verwendet werden, also bei gebrauchten Batteriezellen. Mit Vorteil kann das Verfahren aber auch bereits im Rahmen der Produktion, zur Verringerung der Ausschussraten und/oder zur Optimierung des Produktionsprozesses, zum Einsatz kommen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens mit Bezug auf die beigefügte Figur.
Es zeigt:

1: eine Skizze zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des Verfahrens.

1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Elektrode 10 umfassend ein Substrat 20, insbesondere ein Trägermaterial, wie eine Aluminium- oder eine Kupferfolie, mit einer darauf angeordneten Beschichtung 30. Die Beschichtung 30 wird mittels CO₂-Schneestrahlen von dem Substrat 20 entfernt. Dies ist über die schematische Sprühlanze angedeutet, welche das Bezugszeichen 40 aufweist. Vorliegend ist gezeigt, dass das Trägermaterial 20 entlang einer Förderrichtung F verfahren wird. Die Sprühlanze 40 ist beispielsweise ortsfest angeordnet. Gegebenenfalls kann der Winkel der Sprühlanze 40 relativ zum Trägermaterial 20 eingestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform sind entlang der Förderrichtung F mehrere derartige Sprühlanzen vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ sind mehrere Sprühlanzen 40 nebeneinander vorgesehen. Weiter alternativ kann eine derartige Sprühlanze 40 auch an einem Industrieroboter befestigt sein, sodass deren Ausrichtung und Stellung relativ zum Trägermaterial 20 beliebig angepasst werden kann. Auch in diesem Fall kann das Trägermaterial 20 entlang der Förderrichtung F transportiert werden. Alternativ kann es auch ruhen.
Bezugszeichenliste

10: Elektrode
20: Substrat, Trägermaterial
30: Beschichtung
40: Sprühlanze
F: Förderrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69905134 T2 [0002]

Claims

Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien von Elektroden, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Substrats (20), insbesondere eines Trägermaterials einer Elektrode, auf welchem eine Beschichtung (30) aufgebracht ist; - Zumindest bereichsweise Abtragen der Beschichtung (30) mittels Schneestrahlen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren vor oder nach dem Verdichten der Beschichtung (30) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend den Schritt: - Entfernen und/oder Sammeln von Materialabtrag mittels Absaugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Reinigen und Aufbereiten des abgetragenen Beschichtungsmaterials; - Zumindest teilweise Verwenden des gereinigten und/oder aufbereiteten Beschichtungsmaterials zur Beschichtung eines Trägermaterials (20) zur Herstellung, insbesondere einer elektrischen Energiespeicherzelle.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Aufbereiten eine Materialtrennung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4-5, wobei das Aufbereiten ein Zerkleinern, insbesondere Pulverisieren, von Material umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5-6, umfassend den Schritt: - Zuführen von aufbereitetem Material einem neuen Mischprozess zum Erzeugen von Beschichtungswerkstoff.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Verwenden des entschichteten Trägermaterials (20) zur Herstellung, insbesondere einer elektrischen Energiespeicherzelle.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Energiespeicherzelle, wobei ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend den Schritt: - Partielles Abtragen der Beschichtung zu dessen Formgebung.
Elektrode, umfassend eine Trägerfolie und/oder Beschichtungsmaterial, welches nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10 hergestellt wurde.