DE102021107103A1 - Elektrode für eine Batteriezelle und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Elektrode (100) für eine Batteriezelle beschrieben, umfassend eine auf eine Stromkollektorfolie (10) aufgebrachte Kompositmaterialschicht (20), die ein Elektrodenaktivmaterial und einen Elektrodenbinder (21) aufweist, wobei der Elektrodenbinder (21) in der Kompositmaterialschicht (20) parallel zur Oberfläche der Stromkollektorfolie (10) einen Konzentrationsgradienten aufweist und eine Konzentration des Elektrodenbinders (21) an zumindest einem Rand (50) der Kompositmaterialschicht (21) größer ist als im Zentrum der Kompositmaterialschicht (20). Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode (100) angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Batteriezelle, insbesondere für eine Lithiumionen-Batteriezelle, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode.
  • Die hierin beschriebene Elektrode ist insbesondere für eine Batteriezelle einer Sekundärbatterie geeignet, die beispielsweise zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebsmotors eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs verwendet werden kann. In derartigen Batteriezellen sind ein Elektrolyt sowie eine Elektrodenanordnung angeordnet. Die Elektrodenanordnung umfasst insbesondere mindestens einen Elektrodenstapel, welcher mindestens eine positive Elektrode (Kathode) und mindestens eine negative Elektrode (Anode) aufweist. Die mindestens eine positive Elektrode und die mindestens eine negative Elektrode sind durch einen Separator voneinander getrennt.
  • Die Elektroden einer solchen Batteriezelle können insbesondere eine Kompositmaterialschicht aufweisen, die ein Elektrodenaktivmaterial, einen Elektrodenbinder und gegebenenfalls einen oder mehrere weitere Zusätze, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit erhöhende Zusätze, aufweisen. Diese Kompositmaterialschicht wird bei der Herstellung der Elektrode auf eine Stromkollektorfolie aufgebracht, zum Beispiel auf eine Aluminiumfolie im Fall der Kathode und auf eine Kupferfolie im Fall der Anode, und anschließend getrocknet und verdichtet (kalandriert). Diese Schritte erfolgen in der Regel in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Die Stromkollektorfolie wird nachfolgend in der Breite und/oder Länge für die verwendete Batteriezelle zugeschnitten. Dies kann beispielsweise mechanisch oder mittels eines Lasers erfolgen.
  • Am Rand einer mit einem Kompositmaterial beschichteten Folie können sich Partikel aufgrund der dort verminderten Adhäsion der Partikel untereinander Partikel ablösen. Insbesondere beim Zuschneiden der mit dem Kompositmaterial beschichteten Stromkollektorfolie können sich am Rand der Kompositmaterialschicht Partikel der Kompositmaterialschicht ablösen. Diese Partikel können bei der Weiterverarbeitung der zugeschnittenen beschichteten Stromkollektorfolie unerwünschte Verunreinigungen darstellen oder aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit lokale parasitäre Strompfade ausbilden. Beim Zuschneiden werden solche unerwünschten Partikel deshalb durch Saugen oder Blasen so weit wie möglich beseitigt. Es besteht aber das Risiko, dass die Partikel trotz dieser Maßnahmen nicht restlos beseitigt werden.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Elektrode für eine Batteriezelle anzugeben, bei der das Risiko vermindert ist, das sich am Rand einer mit einem Kompositmaterial beschichteten Stromkollektorfolie Partikel des Kompositmaterials ablösen. Weiterhin soll ein Verfahren zu deren Herstellung einer solchen Elektrode angegeben werden.
  • Gelöst werden diese Aufgabe durch eine Elektrode und ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Elektrode für eine Batteriezelle eine auf eine Stromkollektorfolie aufgebrachte Kompositmaterialschicht. Die Stromkollektorfolie kann beispielsweise Aluminium aufweisen oder daraus bestehen, insbesondere wenn die Kompositmaterialschicht ein Kathodenaktivmaterial aufweist. Alternativ kann die Stromkollektorfolie Kupfer aufweisen oder daraus bestehen, insbesondere wenn die Kompositmaterialschicht ein Anodenaktivmaterial aufweist.
  • Die Kompositmaterialschicht weist mindestens ein Elektrodenaktivmaterial und einen Elektrodenbinder auf. Weiterhin kann die Kompositmaterialschicht ein zusätzliches Material oder mehrere zusätzliche Materialien aufweisen, beispielsweise einen Leitruß zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit.
  • Bei einer Ausgestaltung ist das Elektrodenaktivmaterial ein Kathodenaktivmaterial. In diesem Fall ist die Elektrode zur Ausbildung einer Kathode (positive Elektrode) einer Batteriezelle vorgesehen. Das Kathodenaktivmaterial kann eine Vielzahl von Partikeln aufweisen, die in den Elektrodenbinder eingebunden sind. Das Kathodenaktivmaterial kann ein Schichtoxid wie beispielsweise ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), ein Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Oxid (LNCO) aufweisen. Das Schichtoxid kann insbesondere ein überlithiiertes Schichtoxid (OLO, overlithiated layered oxide) sein. Andere geeignete Kathodenaktivmaterialien sind Verbindungen mit Spinellstruktur wie z.B. Lithium-Mangan-Oxid (LMO) oder Lithium-Mangan-Nickel-Oxid (LMNO), oder Verbindungen mit Olivinstruktur wie z.B. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP, LiFePO4) oder Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LMFP).
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung ist das Elektrodenaktivmaterial ein Anodenaktivmaterial. In diesem Fall ist die Elektrode zur Ausbildung einer Anode (negative Elektrode) einer Batteriezelle vorgesehen. Das Anodenaktivmaterial kann eine Vielzahl von Partikeln aufweisen, die in den Elektrodenbinder eingebunden sind. Das Anodenaktivmaterial ist beispielsweise ein Material aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffhaltigen Materialien, Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Aluminiumlegierungen, Indium, Indiumlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon. Bevorzugt ist das Anodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Silizium, oberflächenbeschichteten Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Lithium, Aluminiumlegierungen, Indium, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon.
  • Der Elektrodenbinder in der Kompositmaterialschicht weist parallel zur Oberfläche der Stromkollektorfolie einen Konzentrationsgradienten auf. Mit anderen Worten variiert die Konzentration des Elektrodenbinders in der Hauptebene der Kompositmaterialschicht. Der Konzentrationsgradient verläuft derart, dass die Konzentration des Elektrodenbinders an zumindest einem Rand der Kompositmaterialschicht größer ist als im Zentrum der Kompositmaterialschicht.
  • Die Erfindung beruht insbesondere auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: Das Ablösen von Partikeln des Kompositmaterials am Rand der Elektrode kann insbesondere bei Bearbeitungsschritten wie dem Zuschneiden der beschichteten Stromkollektorfolie auftreten, beispielsweise beim mechanischen Zuschneiden oder beim Zuschneiden mit einem Laserschneideverfahren. Durch den vorgeschlagenen Konzentrationsgradienten des Elektrodenbinders in dem Kompositmaterial wird die Adhäsion des Kompositmaterials in den Bereichen erhöht, in denen die Konzentration des Elektrodenbinders erhöht ist. Der Konzentrationsgradient des Elektrodenbinders wird derart eingestellt, dass die Konzentration des Elektrodenbinders am Rand der Kompositmaterialschicht höher ist als im Zentrum der Kompositmaterialschicht. Auf diese Weise wird die Adhäsion der Kompositmaterialschicht am Rand erhöht. Bei dem Rand der Kompositmaterialschicht kann es sich insbesondere um einen als Schnittkante vorgesehenen Rand handeln. Es hat sich herausgestellt, dass beim Zuschneiden der vorgeschlagenen Elektrode, die den Konzentratrionsgradienten des Elektrodenbinders aufweist, weniger Partikel des Kompositmaterials entstehen als bei einer herkömmlichen Elektrode, bei der die Konzentration des Elektrodenbinders über die Fläche der Kompositmaterialschicht konstant ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft das Risiko vermindert, dass Partikel des Kompositmaterials bei der weiteren Verarbeitung der Elektrode Verunreinigungen ausbilden und/oder lokal parasitäre Strompfade ausbilden.
  • Gemäß einer Ausführungsform nimmt die Konzentration des Elektrodenbinders vom Zentrum der Kompositmaterialschicht stufenweise oder kontinuierlich zum Rand hin zu. Die Konzentration des Elektrodenbinders ist vorzugsweise im Zentrum der Kompositmaterialschicht minimal und am Rand der Kompositmaterialschicht maximal. Die Konzentration des Elektrodenbinders kann insbesondere in der Richtung vom Zentrum zum Rand eine monoton steigende oder streng monoton steigende Funktion sein.
  • Bei einer Ausgestaltung ist die Konzentration des Elektrodenbinders am Rand der Kompositmaterialschicht mindestens 1,1-mal größer, vorzugsweise mindestens 1,5-mal größer und besonders bevorzugt mindestens 2-mal größer als im Zentrum. Auf diese Weise wird eine besonders gute Haftung der Kompositmaterialschicht auf der Stromkollektorfolie erzielt, die Haftung der Partikel der Kompositmaterialschicht untereinander verbessert und so die Ablösung von Partikeln am Rand der Kompositmaterialschicht vermindert.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Elektrodenaktivmaterial ein Anodenaktivmaterial, das ein Siliziumoxid oder ein Siliziumcarbid aufweist. Bei diesen Anodenaktivmaterialien ist es besonders vorteilhaft, die Adhäsion der Kompositmaterialschicht am Rand der Stromkollektorfolie zu erhöhen, da es sich herausgestellt hat, dass die Adhäsion bei diesen Anodenaktivmaterialien im Vergleich zu anderen Anodenaktivmaterialien geringer ist.
  • Es wird weiterhin eine Batteriezelle angegeben, die mindestens eine zuvor beschriebene Elektrode enthält. Bei der Batteriezelle kann es sich insbesondere um eine Lithiumionen-Batteriezelle handeln.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung der Elektrode für eine Batteriezelle wird eine Kompositmaterialschicht, die ein mindestens ein Elektrodenaktivmaterial und mindestens einen Elektrodenbinder aufweist, nasschemisch auf eine Stromkollektorfolie aufgebracht. Zum Aufbringen der Kompositmaterialschicht können an sich bekannte Beschichtungsverfahren eingesetzt werden. Insbesondere wird die Kompositmaterialschicht mit einem nasschemischen Verfahren aus einer Elektrodenpaste (Slurry), die das Elektrodenaktivmaterial, den Elektrodenbinder, ein Lösemittel und ggf. weitere Zusätze wie zum Beispiel Leitruß enthält, auf die Stromkollektorfolie aufgebracht. Dies kann beispielsweise in einem Rolle-zu-Rolle Verfahren mittels eines Auftragwerkzeugs, z.B. einer Schlitzdüse oder einer Rakel, erfolgen.
  • Nach dem Aufbringen wird die Kompositmaterialschicht durch eine Temperaturbehandlung getrocknet, wobei die Temperatur beim Trocknen an zumindest einem Rand der KompositMaterialschicht kleiner ist als im Zentrum der Kompositmaterialschicht. Die auf die Stromkollektorfolie aufgebrachte Kompositmaterialschicht kann in einer Heizvorrichtung wie beispielsweise einem Trocknungsofen getrocknet werden. In diesem Fall wird in der Heizvorrichtung ein derartiger Temperaturgradient eingestellt. dass die Temperatur am Rand kleiner ist als im Zentrum. Es hat sich herausgestellt. dass durch einen Temperaturgradienten beim Trocknen der Kompositmaterialschicht ein Konzentrationsgradient des Elektrodenbinders in der Kompositmaterialschicht erzeugt werden kann. Insbesondere stellt sich in einem Bereich der Kompositmaterialschicht, der mit einer niedrigeren Temperatur getrocknet wird, eine höhere Konzentration des Elektrodenbinders ein als in einem Bereich, der mit einer höheren Temperatur getrocknet wird. Dadurch, dass die die Temperatur beim Trocknen am Rand der Kompositmaterialschicht kleiner ist als im Zentrum der Kompositmaterialschicht, wird erreicht, dass die Kompositmaterialschicht nach dem Trocknen parallel zur Oberfläche der Stromkollektorfolie einen Konzentrationsgradienten aufweist, wobei eine Konzentration des Elektrodenbinders an einem Rand der Kompositmaterialschicht größer ist als im Zentrum der Kompositmaterialschicht.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Temperatur am Rand der Kompositmaterialschicht mindestens 20 °C. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Temperatur am Rand der Kompositmaterialschicht nicht mehr als 150 °C beträgt.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Temperatur Im Zentrum der Kompositmaterialschicht mindestens 45 °C. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Temperatur im Zentrum der Kompositmaterialschicht nicht mehr als 200 °C beträgt.
  • Die Elektrode, die die mit dem Kompositmaterial beschichtete Stromkollektorfolie umfasst, wird vorzugsweise nach dem Trocknen zugeschnitten. Das Zuschneiden kann beispielsweise mechanisch oder mittels eines Lasers erfolgen. Durch die höhere Konzentration des Elektrodenbinders am Rand der Kompositmaterialschicht wird die Adhäsion dort vergrößert und auf diese Weise das Herauslösen von Partikeln vermindert.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung der Elektrode und umgekehrt, insbesondere sind die Merkmale der beschrieben Elektrode und des Verfahrens miteinander kombinierbar.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
    • 1A eine Draufsicht auf eine Stromkollektorfolie mit einer darauf aufgebrachten Kompositmaterialschicht vor dem Zuschneiden,
    • 1 Beine Draufsicht auf eine Stromkollektorfolie mit einer darauf aufgebrachten Kompositmaterialschicht nach dem Zuschneiden,
    • 2A bis 2C jeweils einen Querschnitt durch eine Stromkollektorfolie mit einer darauf aufgebrachten Kompositmaterialschicht bei Zwischenschritten des Verfahrens zur Herstellung einer Elektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 3 eine Draufsicht auf eine Stromkollektorfolie mit einer darauf aufgebrachten Kompositmaterialschicht bei einem Ausführungsbeispiel der Elektrode, und
    • 4 eine Draufsicht auf eine Stromkollektorfolie mit einer darauf aufgebrachten Kompositmaterialschicht bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Elektrode.
  • Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
  • In der 1A ist eine Draufsicht auf eine mit einem Kompositmaterial beschichtete Stromkollektorfolie 10 dargestellt. Die Kompositmaterialschicht 20 kann mit an sich bekannten Herstellungsverfahren, insbesondere durch nasschemisches Aufbringen einer Elektrodenpaste (Slurry), auf die Stromkollektorfolie 10 aufgebracht werden. Es ist möglich, dass ein oder mehrere Randbereiche der Stromkollektorfolie 10 unbeschichtet bleiben, um beispielsweise eine Kontaktfahne (Tab) zur elektrischen Kontaktierung der Stromkollektorfolie 10 auszubilden. Die Kompositmaterialschicht 20 kann nach dem Aufbringen getrocknet und durch mechanische Bearbeitung verdichtet (kalandriert) werden.
  • Die Verfahrensschritte der Beschichtung, des Trocknens und des Verdichtens können in einem Rolle-zu-Rolle Verfahren erfolgen.
  • In einem nachfolgenden Schritt, der in 1B dargestellt ist, wird die mit der Kompositmaterialschicht 20 beschichtete Stromkollektorfolie 10 zugeschnitten, beispielsweise für ein vorgegebenes Format einer Batteriezelle. Hierbei können ein oder mehrere Kontaktfahnen 11 aus dem unbeschichteten Bereich der Stromkollektorfolie 10 erzeugt werden. Die mit der Kompositmaterialschicht 20 beschichtete Stromkollektorfolie 10 bildet eine Elektrode 100 für eine Batteriezelle, insbesondere für eine Lithiumionen-Batteriezelle, aus. Es hat sich herausgestellt, dass beim Zuschneiden der mit der Kompositmaterialschicht 20 beschichteten Stromkollektorfolie 10 Partikel 30 entstehen können. Beim Zuschneiden werden diese Partikel 30 vorzugsweise abgesaugt und/oder abgeblasen, sodass sie nicht als Verunreinigungen bei der weiteren Verarbeitung der Elektrode 100 in der Batteriezelle verbleiben.
  • Wie nachfolgend beschrieben wird, wird bei der erfindungsgemäßen Elektrode 100 und einem Verfahren zu deren Herstellung die Entstehung solcher Partikel 30 vorteilhaft vermindert oder sogar ganz verhindert.
  • Die 2A zeigt die Kompositmaterialschicht 20 bei einem Zwischenschritt des Verfahrens zur Herstellung der Elektrode unmittelbar nach dem Aufbringen auf die Stromkollektorfolie 10 in einem Querschnitt. Die Stromkollektorfolie 10 ist beispielsweise eine Aluminiumfolie oder eine Kupferfolie. Die Kompositmaterialschicht 20 enthält ein Elektrodenaktivmaterial, einen Elektrodenbinder 21 und gegebenenfalls weitere Zusätze, insbesondere Zusätze zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit wie beispielsweise auf Kohlenstoff basierende elektrisch leitfähige Materialien. Das Elektrodenaktivmaterial kann ein Anodenaktivmaterial oder ein Kathodenaktivmaterial sein. Geeignete Elektrodenaktivmaterialien, Elektrodenbinder und Leitfähigkeitszusätze sind dem Fachmann an sich bekannt. Beim nasschemischen Aufbringen der Kompositmaterialschicht 20 enthält diese außerdem ein Lösemittel.
  • In 2A ist schematisch die Verteilung des Elektrodenbinders 21 in der Kompositmaterialschicht 20 dargestellt. Die anderen Komponenten der Kompositmaterialschicht 20 sind hier zur Vereinfachung nicht gezeigt. Unmittelbar nach der Beschichtung ist der Elektrodenbinder 21 im Wesentlichen gleichmäßig in der Kompositmaterialschicht 20 verteilt.
  • In der 2B ist ein weiterer Zwischenschritt des Verfahrens dargestellt, bei dem die Kompositmaterialschicht 20 nach dem nasschemischen Aufbringen getrocknet wird. Das Trocknen erfolgt durch eine Temperaturbehandlung mit einer Heizvorrichtung 30. Die Heizvorrichtung 30 ist dazu eingerichtet, verschiedene Bereiche der Kompositmaterialschicht 20 mit verschiedenen Temperaturen zu trocknen. Die Heizvorrichtung 30 kann beispielsweise eine Vielzahl von Düsen aufweisen, durch die jeweils ein Gasstrom, beispielsweise heiße Luft oder ein anderes heißes Gas, auf die Kompositmaterialschicht 20 gerichtet wird. Durch die Heizvorrichtung 30 wird eine derartige Temperaturverteilung erzeugt, dass die Temperatur T1 beim Trocknen am Rand 50 der Kompositmaterialschicht 20 kleiner ist als die Temperatur T2 im Zentrum der Kompositmaterialschicht 20. Das Trocknen erfolgt also mit einem Temperaturgradienten, der parallel zur Oberfläche der Kompositmaterialschicht 20 verläuft. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass aus Düsen der Heizvorrichtung 30, die auf den Rand 50 der Kompositmaterialschicht 20 gerichtet sind, ein Gas ausströmt, dass eine geringere Temperatur aufweist als ein Gas, das aus Düsen ausströmt, die auf das Zentrum der Kompositmaterialschicht 20 gerichtet sind.
  • Beim Trocknen beträgt die Temperatur T1 am Rand 50 der Kompositmaterialschicht 20 vorzugsweise zwischen einschließlich 20 °C und einschließlich 150 °C. Die Temperatur im Zentrum der Kompositmaterialschicht 20 beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 45 °C und 200 °C. Hierbei ist die Temperatur T1 am Rand 50 der Kompositmaterialschicht 20 kleiner als im Zentrum der Kompositmaterialschicht 20, vorzugsweise um mindestens 50 °C kleiner als im Zentrum. Beim Trocknen der Kompositmaterialschicht 20 kann ein Lösemittel aus der Kompositmaterialschicht 20 entweichen. Es hat sich herausgestellt, dass sich beim Trocknen Partikel des Elektrodenbinders 21 in der Kompositmaterialschicht 20 bewegen. Insbesondere diffundieren die Partikel des Elektrodenbinders 21, wie in 2B durch Pfeile angedeutet, in Richtung zur Oberfläche der Kompositmaterialschicht 20. Dieser Effekt ist umso stärker, je größer die Temperatur beim Trocknen ist. Am Rand 50 der Kompositmaterialschicht 20, wo die Temperatur T1 beim Trocknen geringer ist, ist die Diffusion der Partikel des Elektrodenbinders 21 zur Oberfläche im Vergleich zum Bereich mit der höheren Temperatur T2 im Zentrum vermindert. Aufgrund der Temperaturverteilung diffundieren mehr Partikel des Elektrodenbinders 21 aus dem Zentrum in den Randbereich als aus dem Randbereich in das Zentrum. Auf diese Weise stellt sich in der Kompositmaterialschicht 20 ein Konzentrationsgradient des Elektrodenbinders 21 ein, wobei die Konzentration des Elektrodenbinders 21 am Rand 50 der Kompositmaterialschicht 20 größer ist als im Zentrum der Kompositmaterialschicht 20.
  • Die Verteilung des Elektrodenbinders 21 in einer Elektrode 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist schematisch in 2C dargestellt. Durch das beschriebene Trocknungsverfahren wird insbesondere erreicht, dass die Konzentration des Elektrodenbinders 21 vom Zentrum zum Rand 50 der Kompositmaterialschicht 20 hin stufenweise oder kontinuierlich abnimmt. Insbesondere weist die Konzentration des Elektrodenbinders 21 im Zentrum der Kompositmaterialschicht 20 ein Minimum und am Rand 50 der Kompositmaterialschicht 20 ein Maximum auf. Es ist vorteilhaft, wenn die Konzentration des Elektrodenbinders am Rand der Kompositmaterialschicht 20 mindestens 1,1-mal so groß ist wie im Zentrum, bevorzugt mindestens 1,5-mal so groß oder sogar 2-mal so groß wie im Zentrum.
  • Die höhere Konzentration des Elektrodenbinders 21 am Rand 50 der Kompositmaterialschicht 20 hat den Vorteil, dass die Adhäsion der Kompositmaterialschicht 20 an der Stromkollektorfolie 10 dort erhöht ist. Dadurch wird das Risiko vermindert, dass beim Zuschneiden der Stromkollektorfolie 10 Partikel entstehen, die bei der weiteren Verarbeitung der Elektrode 100 in einer Batteriezelle verbleiben und dort unerwünschte Verunreinigungen und/oder lokale parasitäre Strompfade ausbilden.
  • Die 3 zeigt in einer Draufsicht ein Ausführungsbeispiel einer Elektrode 100 mit dem Konzentrationsgradienten des Elektrodenbinders 21. Die Elektrode 100 weist eine Kompositmaterialschicht 20 auf, die auf eine Stromkollektorfolie 10 aufgebracht ist. Die Kompositmaterialschicht 20 kann beispielsweise in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf die Stromkollektorfolie 10 aufgebracht sein, wobei die Transportrichtung 40 in 3 durch einen Pfeil symbolisiert ist. Ein Bereich der Stromkollektorfolie 10 ist unbeschichtet und kann zur Ausbildung einer Anschlussfahne vorgesehen sein. Die Elektrode 100 kann zu einem Elektrodenwickel verarbeitet werden, insbesondere für die Verwendung in einer als Rundzelle ausgebildeten Batteriezelle. In der Kompositmaterialschicht 20 nimmt die Konzentration des Elektrodenbinders 21 zu einem Rand 50, der an den unbeschichteten Bereich der Stromkollektorfolie angrenzt, hin zu. Dadurch wird die Adhäsion der Kompositmaterialschicht 20 an dem Rand 50 verbessert und das Ablösen von Partikeln vermindert. Der Konzentrationsgradient des Elektrodenbinders 21 kann wie zuvor beschrieben beim Trocknen der Kompositmaterialschicht 20 dadurch erzeugt werden, dass die Temperatur beim Trocknen an dem Rand 50 geringer ist als im Zentrum der Kompositmaterialschicht 20.
  • Die 4 zeigt in einer Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrode 100 mit dem Konzentrationsgradienten des Elektrodenbinders 21. Die Elektrode 100 weist eine Kompositmaterialschicht 20 auf, die auf eine Stromkollektorfolie 10 aufgebracht ist. Die Kompositmaterialschicht 20 kann beispielsweise in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf die Stromkollektorfolie 10 aufgebracht sein, wobei die Transportrichtung 40 in 4 durch einen Pfeil symbolisiert ist. Bei diesem Beispiel sind mehrere Bereiche der Stromkollektorfolie 10 unbeschichtet und können zur Ausbildung von Anschlussfahnen vorgesehen sein. Die mehreren mit der Kompositmaterialschicht 20 beschichteten Bereiche der Elektrode 100 können durch Zuschneiden und Stapeln und/oder durch Falten zu einem Elektrodenstapel verarbeitet werden. In der Kompositmaterialschicht 20 nimmt die Konzentration des Elektrodenbinders 21 jeweils zu einem Rand 50, der an einen unbeschichteten Bereich der Stromkollektorfolie 10 angrenzt, hin zu. Dadurch wird die Adhäsion der Kompositmaterialschicht 20 an den Rändern 50 verbessert und das Ablösen von Partikeln vermindert. Der Konzentrationsgradient des Elektrodenbinders 21 kann wie zuvor beschrieben beim Trocknen der Kompositmaterialschicht 20 dadurch erzeugt werden, dass die Temperatur beim Trocknen an den Rändern 50 geringer ist als im Zentrum der Kompositmaterialschicht 20.
  • Das hier vorgeschlagene Prinzip kann sowohl auf Kompositmaterialschichten 20 mit einem Anodenaktivmaterial als auch auf Kompositmaterialschichten 20 mit einem Kathodenaktivmaterial angewendet werden. Besonders vorteilhaft ist das hierin vorgeschlagene Prinzip für eine Kompositmaterialschicht 20, bei der das Elektrodenaktivmaterial ein Anodenaktivmaterial ist, das ein Siliziumoxid oder ein Siliziumcarbid aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass bei diesen Anodenaktivmaterialien die Adhäsion der Kompositmaterialschicht 20 an der Stromkollektorfolie 10 im Vergleich zu anderen bekannten Anodenaktivmaterialien vermindert ist. Durch das hierin vorgeschlagene Prinzip wird die Adhäsion der Kompositmaterialschicht 10 am Rand erhöht, sodass das Risiko des Entstehens von Partikeln und oder eines teilweisen Delaminierens der Kompositmaterialschicht 20 am Rand der Stromkollektorfolie 10 vermindert ist.
  • Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Stromkollektorfolie
    11
    Kontaktfahne
    20
    Kompositmaterialschicht
    21
    Elektrodenbinder
    30
    Heizvorrichtung
    40
    Transportrichtung
    50
    Rand
    100
    Elektrode

Claims (11)

  1. Elektrode (100) für eine Batteriezelle, umfassend eine auf eine Stromkollektorfolie (10) aufgebrachte Kompositmaterialschicht (20), die ein Elektrodenaktivmaterial und einen Elektrodenbinder (21) aufweist, wobei - der Elektrodenbinder (21) in der Kompositmaterialschicht (20) parallel zur Oberfläche der Stromkollektorfolie (10) einen Konzentrationsgradienten aufweist und - eine Konzentration des Elektrodenbinders (21) an zumindest einem Rand (50) der Kompositmaterialschicht (21) größer ist als im Zentrum der Kompositmaterialschicht (20).
  2. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Konzentration des Elektrodenbinders (21) vom Zentrum der Kompositmaterialschicht (20) stufenweise oder kontinuierlich zum Rand (50) hin zunimmt.
  3. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration des Elektrodenbinders (21) im Zentrum der Kompositmaterialschicht (20) minimal ist und am Rand (50) der Kompositmaterialschicht (20) maximal ist.
  4. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration des Elektrodenbinders (21) am Rand (50) der Kompositmaterialschicht (20) mindestens 1,1-mal größer ist als im Zentrum.
  5. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration des Elektrodenbinders (21) am Rand (50) der Kompositmaterialschicht (20) mindestens 1,5-mal größer ist als im Zentrum.
  6. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Elektrodenaktivmaterial ein Anodenaktivmaterial ist, das ein Siliziumoxid oder ein Siliziumcarbid aufweist.
  7. Batteriezelle, umfassend mindestens eine Elektrode (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (100) für eine Batteriezelle, umfassend die Schritte: - nasschemisches Aufbringen einer Kompositmaterialschicht (20), die ein Elektrodenaktivmaterial und einen Elektrodenbinder aufweist auf, eine Stromkollektorfolie (10), - Trocknen der Kompositmaterialschicht (20) durch eine Temperaturbehandlung, wobei die Temperatur (T1) beim Trocknen an zumindest einem Rand (50) der Kompositmaterialschicht (20) kleiner ist als die Temperatur (T2) im Zentrum der Kompositmaterialschicht (20).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Temperatur (T1) beim Trocknen am Rand (50) um mindestens 50 °C kleiner ist als die Temperatur (T2) im Zentrum.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Temperatur (T1) beim Trocknen am Rand (50) mindestens 20 °C und nicht mehr als 150 °C beträgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Temperatur (T2) beim Trocknen im Zentrum mindestens 45 °C und nicht mehr als 200 °C beträgt.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE112011101607T5 (de) 2010-05-12 2013-04-11 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Elektrode für Lithiumionen-Sekundärbatterie und Herstellungsverfahren dafür
JP2013225440A (ja) 2012-04-23 2013-10-31 Toyota Motor Corp リチウムイオン二次電池及びリチウムイオン二次電池の製造方法

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