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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Anodenmaterial für eine Lithium-lonen-Zelle. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein solches Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-lonen-Zelle.
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STAND DER TECHNIK
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Beispielsweise aus „Produktionsprozess einer Lithium-lonen-Batteriezelle“, PEM und VDMA Eigendruck, 2. Auflage 2015, ist bekannt, dass sich während der als Formation bezeichneten ersten Lade- und Entladevorgänge einer Lithium-Ionen-Zelle Lithiumionen in Graphitstrukturen der Anode einlagern und dadurch sogenannte SEI (Solid Electrolyte Interface)-Schichten als Grenzschichten zum Elektrolyt gebildet werden, die die spätere Zellperformance beeinflussen. Die Durchführung der Formation wird als Kern-Know-How eines Zellherstellers bezeichnet. Um die Prozesstemperatur der Formation zu beherrschen, erfolgen die ersten Lade- und Entladevorgänge mit nur geringem Ladestrom. Entsprechend dauert die Formation bis zu 24 Stunden.
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Aus der
US 2020/0365936 A1 ist eine Vorfertigung von Elektroden für Lithium-lonen-Zellen bekannt. Ein aktives Anodenmaterial wird in eine Form geladen. Das aktive Anodenmaterial wird verpresst; und zu dem verpressten aktiven Anodenmaterial werden ein Elektrolyt und ein Elektrolytadditiv hinzugegeben, um eine halbfeste Anode auszubilden. Für eine Vor-Formation wird aus der in frischen Elektrolyt ohne Elektrolytadditiv eingetauchten halbfesten Anode und einer Lithiummetallreferenzelektrode eine Zelle gebildet. Die Zelle wird geladen und entladen, um eine SEI-Schicht auf der halbfesten Anode auszubilden. Die Zusammensetzung der SEI-Schicht ist von dem Elektrolytadditiv in der halbfesten Anode abhängig. Unter Verwendung eines anderen Elektrolyts und/oder eines anderen Elektrolytadditivs wird eine halbfeste Kathode ausgebildet und bei einer Vor-Formation mit einer anderen SEI-Schicht versehen. Dann werden die Lithium-Ionen-Zellen aus der halbfesten Anode und der halbfesten Kathode unter Zwischenordnung eines Separators und Zugabe von Elektrolyt gebildet. Auf diese Weise sollen besonders dicke aktive Elektroden mit einem hohen Anteil an aktivem Material und Batterien mit entsprechend hoher Kapazität und hoher Energiedichte erhalten werden.
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Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ist in der
DE 10 2015 202 611 A1 als dortiger Stand der Technik beschrieben. Eine elektrochemische Herstellung von Li-Interkalationsverbindungen vollzieht sich automatisch beim Laden konventioneller Lithium-Ionen-Batterien. Das solcherart hergestellte teilweise oder vollständig lithiierte Material wird einer geladenen Lithium-lonen-Zelle unter Schutzgasatmosphäre entnommen und nach entsprechender Konditionierung, d. h. mit geeigneten Lösungsmitteln waschen und trocknen, für neue Batteriezellen verwendet. Wegen des hohen damit verbundenen Aufwands wird dieses Vorgehen nur für analytische Untersuchungszwecke gewählt. Das Verfahren besitzt aus wirtschaftlichen Gründen keine praktische Relevanz.
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Ihrerseits betrifft die
DE 10 2015 202 611 A1 ein Verfahren zur Herstellung von teillithiiertem Synthesegraphit, bei dem eine stromlose Teillithiierung von pulverförmigem synthetischem Graphit mit Lithiummetallpulver durch Rühren, Vermahlen und/oder Verpressen bei Umgebungsdrücken von maximal 10 bar unter Bildung von Li-Graphit-Interkalaten herbeigeführt wird.
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Aus der
DE 10 2018 214 216 A1 ist ein Herstellungsverfahren für eine Batterieelektrode bekannt, bei dem ein Batterieelektrodenrohling hergestellt wird und der Batterieelektrodenrohling mittels einer ionischen Flüssigkeit behandelt wird. Bei der Batterieelektrode handelt es sich um eine Graphitanode, auf der eine Solid-Elektrolyte-Interphase ausgebildet wird. Bei der Behandlung des Batterieelektrodenrohlings werden Lithium-Ionen in den Batterieelektrodenrohling eingelagert. Unter Verwendung des behandelten Batterieelektrodenrohlings wird dann eine Batteriezelle hergestellt.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Anodenmaterial für eine Lithium-Ionen-Zelle, ein Anodenmaterial für eine Lithium-Ionen-Zelle und Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle aufzuzeigen, mit denen Lithium-Ionen-Zellen hoher Qualität prozesssicher erhalten werden.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle mit den Merkmalen der des Patentanspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Verfahren und des Anodenmaterials sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Anodenmaterial für eine Lithium-Ionen-Zelle werden in einem flüssigen Elektrolyt eingebettete feste kohlenstoffhaltige Teilchen zwischen einer Anode und einem für Lithiumionen durchlässigen Separator angeordnet. Dabei wird auf der den Teilchen gegenüberliegenden Seite des Separators eine lithiumhaltige Kathode angeordnet. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird ein elektrischer Strom zwischen der Kathode und der Anode hervorgerufen, der zur Ausbildung von SEI-Schichten auf den Teilchen führt. Dann werden die Teilchen mit den SEI-Schichten von der Anode und dem Separator entfernt und von dem Elektrolyt getrennt. Das derart hergestellte Anodenmaterial besteht im Wesentlichen aus den kohlenstoffhaltigen Teilchen mit den SEI (Solid Electrolyte Interface)-Schichten und weist zumindest im Wesentlichen keinen flüssigen Elektrolyt auf. In einer Lithium-lonen-Zelle kann dieses Anodenmaterial in Kombination mit einem beliebigen flüssigen Elektrolyt und beliebigen anderen Bestandteilen in Lithium-Ionen Zellen beliebiger Formen und Abmessungen kombiniert werden. Bei einer mit dem erfindungsgemäß hergestellten Anodenmaterial ausgebildeten Lithium-Ionen-Zelle entfallen durch die bereits auf den kohlenstoffhaltigen Teilchen ausgebildeten SEI-Schichten die Notwendigkeit einer Formation und aller damit verbundener Aufwand ganz, oder sind sie zumindest deutlich reduziert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird keine halbfeste Anode erhalten, die mit einer halbfesten Kathode und einem Separator zu einer Lithium-Ionen-Zelle zusammengefügt werden könnte. Vielmehr resultiert ein Schüttgut aus den kohlenstoffhaltigen Teilen, das bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen wie ein sonstiges Schüttgut aus kohlenstoffhaltigen Teilchen verwendet werden kann, außer dass bereits SEI-Schichten auf den Teilchen ausgebildet sind. An vorhandenen Vorrichtungen und bereits praktizierten Schritten zur Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen müssen bei Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten Anodenmaterials keinerlei Änderungen vorgenommen werden, außer dass zumindest ein Teil der Formation der Lithium-lonen-Zellen eingespart werden kann.
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Bei der Zusammensetzung des flüssigen Elektrolyten einer unter Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten Anodenmaterials gefertigten Lithium-Ionen-Zelle muss keine besondere Rücksicht auf eine Eignung des Elektrolyts zur Ausbildung günstiger SEI-Schichten auf den kohlenstoffhaltigen Teilchen keine Rücksicht genommen werden. Vielmehr kann der flüssige Elektrolyt in Bezug auf andere Funktionalitäten optimiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Anodenmaterial kommt zwischen der lithiumhaltigen Kathode und der Anode mit den darauf angeordneten und in flüssigem Elektrolyt eingebetteten kohlenstoffhaltigen Teilchen wie bei einer Lithium-Ionen-Zelle ein Separator zum Einsatz. Die SEI-Schichten auf den kohlenstoffhaltigen Teilchen werden also unter grundsätzlich denselben Bedingungen ausgebildet wie bei der Formation einer Lithium-Ionen-Zelle. Die Ausbildung der SEI-Schichten erfolgt jedoch außerhalb der später unter Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten Anodenmaterials gefertigten Lithium-Ionen-Zelle und unter Bedingungen, die vollständig für die Ausbildung der SEI-Schichten optimiert sein können und beispielsweise keine Rücksicht auf die spätere dauerhafte Verwendung derselben Materialien in der Lithium-Ionen-Zelle nehmen müssen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die lithiumhaltige Kathode eine zumindest überwiegend aus Lithium bestehende Metallfolie sein. Diese Metallfolie kann direkt auf dem Separator angeordnet werden. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die aneinander angrenzenden Oberflächen der Metallfolie und des Separators mit flüssigem Elektrolyt benetzt werden. Dabei kann derselbe oder ein anderer flüssiger Elektrolyt verwendet werden als der, in den die kohlenstoffhaltigen Teilchen eingebettet sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die von der Anode und dem Separator entfernten Teilchen vollständig vereinzelt, d. h. voneinander gelöst.
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Bei den festen kohlenstoffhaltigen Teilchen, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen, handelt es sich in der Regel um Graphitteilchen. Bei dem Graphit kann es sich um synthetisches Graphit, Naturgraphit und/oder Graphit mit einem Siliziumanteil von bis zu 50 Gew.-% handelt. Auch amorpher Kohlenstoff, Kohlenstoffnanoröhrchen und verschiedene kohlenstoffhaltige Nanokompositionen sind einsetzbar. Die festen kohlenstoffhaltigen Teilchen können vor dem Anordnen zwischen der Anode und dem Separator mit Leitruß versetzt werden, wie dies auch zum Ausbilden einer Anode einer Lithium-Ionen-Zelle üblich ist.
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Konkret wird aus den Teilchen, dem Leitruß und einer Flüssigkeit ein Slurry, d. h. eine Dispersion mit hohem Feststoffanteil, ausgebildet und auf die Anode aufgetragen. Die Flüssigkeit wird dann entfernt, bevor die Teilchen in dem flüssigen Elektrolyt eingebettet werden. Das Entfernen der Flüssigkeit erfolgt durch Verdampfen. Wenn die Flüssigkeit wasserbasiert ist, kann das Verdampfen bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 180 °C und einem Absolutdruck zwischen 0,1 kPa und 0,2 MPa erfolgen. Dabei können die Temperatur und der Absolutdruck konstant gehalten werden. Es kann aber auch eine Temperaturkurve oder eine Druckkurve gezielt abgefahren werden.
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Von dem Slurry kann so viel auf die Anode aufgetragen werden, dass eine Dicke der mit dem Leitruß versetzten Teilchen auf der Anode nach dem Verdampfen der Flüssigkeit zwischen 0,01 mm und 50 mm oder zwischen 0,1 mm und 5 mm beträgt. Die Dicke der mit dem Leitruß versetzten Teilchen auf der Anode kann also erheblich größer sein als die Dicke einer typischen Elektrode einer Lithium-Ionen-Zelle. Es ist aber zu berücksichtigen, dass die Lithiumionen von der lithiumionenhaltigen Kathode durch den Elektrolyt bis zu allen auf der Anode angeordneten Teilchen wandern müssen, um die gewünschten SEI-Schichten darauf auszubilden. Um die SEI-Schichten in gleichmäßiger Stärke auf den Teilchen auszubilden, kann es daher vorteilhaft sein, die Dicke der mit dem Leitruß versetzten Teilchen auf der Anode nach dem Verdampfen der Flüssigkeit nicht größer als 1 mm oder nicht größer als 0,5 mm einzustellen.
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Die mit dem Leitruß versetzten Teilchen können nach dem Verdampfen der Flüssigkeit, und zwar bevor und/oder nachdem die Teilchen in dem flüssigen Elektrolyt eingebettet werden, auf der Anode unter Anwendung eines Drucks im Bereich von 0,05 MPa bis 10 MPa komprimiert werden. Auf diese Weise kann die elektrische Kontaktierung mit der Anode verbessert und Luft entfernt werden. Es versteht sich, dass eine Komprimierung mit einem Druck bis in die Nähe von 0,1 MPa auch durch Evakuieren des Bereichs der mit Leitruß versetzten Teilchen in einer volumenvariablen Kavität erreicht werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Anodenmaterial weist der Slurry kein Bindemittel auf.
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Das Einbetten der kohlenstoffhaltigen Teilchen in den flüssigen Elektrolyt kann grundsätzlich schon erfolgen, bevor die kohlenstoffhaltigen Teilchen zwischen der Anode und dem Separator angeordnet werden. Vielfach wird der flüssige Elektrolyt aber erst auf die schon auf der Anode angeordneten Teilchen aufgebracht werden. Dies kann in grundsätzlich bekannter Weise durch Evakuieren eines die Teilchen umfassenden Volumens und anschließendes Infiltrieren dieses Volumens mit dem flüssigen Elektrolyt erfolgen.
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Der zwischen der Kathode und der Anode durch das Anlegen der elektrischen Spannung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hervorgerufene elektrische Strom ist in aller Regel größer als 0,01 C und kleiner als 1 C, wobei C der maximale Ladestrom einer zwischen der Kathode und der Anode gebildeten elektrischen Zelle ist. Vielfach ist der hervorgerufene Strom größer als 0,05 C und kleiner als 0,2 C. Der Strom bewegt sich dabei in der Größenordnung des Stroms, wie er auch bei der Formation von Lithium-Ionen-Zellen durch Anlegen einer Spannung typischerweise hervorgerufen wird.
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Zur Ausbildung der SEI-Schichten kann die zwischen der Kathode und der Anode gebildete elektrische Zelle nach dem Aufladen wieder entladen und auch mehrfach aufgeladen und entladen werden. Das Aufladen bzw. Entladen kann nach einem CC-, einem CV-, einem CC-CV- oder einem Puls-Ladeverfahren erfolgen. Bei einem CC-Ladeverfahren fließt ein konstanter Lade- bzw. Entladestrom. Bei einem CV-Ladeverfahren wird eine konstante Spannung an die Zelle angelegt. Bei einem CC-CV-Ladeverfahren wird zunächst ein konstanter Strom und beim Erreichen einer bestimmten Zellenspannung eine konstante Spannung an die Zelle angelegt. Bei einem Pulsladeverfahren fließt der Strom in Pulsen oder wird die Spannung in Pulsen angelegt. Ein solches Pulsladeverfahren kann sich an ein CC- oder CV-Ladeverfahren anschließen.
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Beim Aufladen und Entladen wird die Temperatur der elektrischen Zelle sinnvollerweise überwacht. In jedem Fall ist zu verhindern, dass die zwischen der Anode und der Kathode gebildete elektrische Zelle überhitzt. Günstige Temperaturen beim Aufladen und Entladen der Zelle liegen zwischen 10 °C und 50 °C. Vorzugsweise liegen die Temperaturen zwischen 20 °C und 30 °C, d. h. bei Raumtemperatur und nicht weit darüber. Grundsätzlich kann die Temperatur der elektrischen Zelle beim Aufladen und Entladen dadurch begrenzt werden, dass der Lade- bzw. Entladestrom begrenzt wird. Es ist aber auch eine aktive Kühlung möglich. Diese aktive Kühlung ist viel einfacher zu realisieren als bei der Formation einer Lithium-Ionen-Zelle, weil beispielsweise direkt angrenzend an die Anode Kühleinrichtungen vorgesehen werden können, die kein Bestandteil einer Lithium-Ionen-Zelle werden.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Anodenmaterial wird die zwischen der Kathode und der Anode gebildete elektrische Zelle nach dem Aufladen nicht wieder entladen. Selbst beim einmaligen Aufladen können bereits nutzbare SEI-Schichten auf den kohlenstoffhaltigen Teilchen ausgebildet werden. Aber auch ein wiederholtes Aufladen und Entladen der elektrischen Zelle kann mit einem Aufladen der elektrischen Zelle enden. Typischerweise wird die elektrische Zelle bei jedem abschließenden Aufladen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht vollständig aufgeladen, sondern nur teilweise, d. h. auf eine Zellenspannung, die zwischen dem 0,1-fachen und dem 0,8-fachen der maximalen Zellenspannung liegt. Vorzugsweise erfolgt das abschließende Aufladen auf das 0,2- bis 0,5-fache der maximalen Zellenspannung. Konkret kann das abschließende Aufladen dann beendet werden, wenn das 0,25-fache einer maximalen Halbzellenspannung auf der Anodenseite der zwischen der Kathode und der Anode gebildeten elektrischen Zelle erreicht ist.
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Ein erfindungsgemäß hergestelltes Anodenmaterial für eine Lithium-Ionen-Zelle aus festen, kohlenstoffhaltigen Teilchen mit lithiumhaltigen SEI-Schichten auf den Teilchen zeichnet sich dadurch aus, dass die Teilchen mit den SEI-Schichten als Schüttgut vorliegen, in dem die kohlenstoffhaltigen Teilchen mit den SEI-Schichten vereinzelt sind. Dabei kann es sich um eine monodisperses Schüttgut, d. h. ein Schüttgut mit Teilchen einer einzigen Größenklasse handeln. Das Schüttgut ist sowohl elektrolyt- als auch bindemittelfrei.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle wird ein Anodenmaterial nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Anodenmaterial hergestellt und werden die von der Anode und dem Separator entfernten Teilchen als aktives kohlenstoffhaltiges Anodenmaterial in einen flüssigen Arbeitselektrolyten eingebettet und auf einer Anodenseite eines Arbeitsseparators angeordnet. Die hier verwendeten Begriffe „Arbeitselektrolyt“ und „Arbeitsseparator“ dienen zur Unterscheidung von dem Elektrolyt und dem Separator, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Anodenmaterial zum Einsatz kommen. Demgegenüber sind der Arbeitselektrolyt und der Arbeitsseparator der Elektrolyt und der Separator der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle hergestellten Lithium-Ionen-Zelle. Dabei können sich der Elektrolyt und der Arbeitselektrolyt sowie der Separator und der Arbeitsseparator hinsichtlich ihrer Zusammensetzung bzw. ihrer Struktur unterscheiden, um sie an ihre jeweilige Einsatzumgebung optimal anzupassen.
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Konkret kann der Arbeitselektrolyt in einem Umfang von mindestens 5 Gew.-%, oftmals von mindestens 10 Gew.-%, Bestandteile aufweisen, die in dem Elektrolyt nicht enthalten sind. Dabei kann es sich um Elektrolytadditive handeln, wie sie für die dauerhafte Funktion der Lithium-Ionen-Zelle vorteilhaft sind. Grundsätzlich kann aber auch der Elektrolyt Elektrolytadditive umfassen, die für die Herstellung des Anodenmaterials vorteilhaft sind, nicht aber für den dauerhaften Betrieb der Lithium-Ionen-Zelle. Es ist auch nicht ausgeschlossen, dass der Elektrolyt und der Arbeitselektrolyt grundsätzlich unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle kann es so sein, dass vor der Inbetriebnahme der Lithium-Ionen-Zelle keine Formation des in den Arbeitselektrolyten eingebetteten Anodenmaterials mehr erfolgt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.
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Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einer Lithium-Ionen-Zelle die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau eine Lithium-Ionen-Zelle, zwei Lithium-Ionen-Zellen oder mehr Lithium-lonen-Zellen vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren oder Erzeugnis aufweist.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 ist eine Übersicht über die Bestandteile einer bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Anodenmaterial ausgebildeten elektrischen Zelle, zum Teil als Explosionszeichnung.
- 2 ist ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahren bis zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle.
- 3 illustriert einen Schritt des Verdampfens bei dem Verfahren gemäß 2.
- 4 illustriert einen in 2 nicht angeführten zusätzlichen Schritt des Anpressens.
- 5 illustriert einen Schritt des Aufladens der elektrischen Zelle gemäß 1 bei dem Verfahren gemäß 2; und
- 6 illustriert einen Schritt des Trennens von erfindungsgemäß hergestelltem Anodenmaterial bei dem Verfahren gemäß 2.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt eine elektrische Zelle 1, die beim erfindungsgemäßen Herstellen von Anodenmaterial zum Einsatz kommt. Auf einer Anode 2 am Grund einer unteren Formhälfte 3 sind feste kohlenstoffhaltige Teilchen 4 angeordnet. Die kohlenstoffhaltigen Teilchen 4 sind mit partikelförmigem Leitruß 5 versetzt, um ihre elektrische Ankopplung an die Anode 2 zu verbessern. Die Teilchen 4 auf der Anode 2 werden in flüssigem Elektrolyt 6 eingebettet. Darauf wird ein Separator 7 angeordnet, der selektiv für Lithiumionen durchlässig ist. Auf dem Separator 7 ist eine lithiumhaltige Kathode 9 ausgebildet, indem eine zumindest überwiegend aus Lithium bestehende Metallfolie 9 zwischen einer Kontaktelektrode 10 und dem Separator 7 angeordnet ist. Die Kontaktelektrode 10 ist an einer oberen Formhälfte 13 abgestützt, die zusammen mit der unteren Formhälfte 3 eine Form 14 ausbildet, in der die Teilchen 4 auf der Anode 2 zusammen mit dem Leitruß 5 und dem Elektrolyt 6 an die eine Seite des Separators 7 angedrückt werden und die Metallfolie 9 auf der Kontaktelektrode 10 der Kathode 8 an die andere Seite des Separators 7 angedrückt wird. Eine Stromquelle 11 ist an die Anode 2 und die Kontaktelektrode 10 angeschlossen, um durch Anlegen einer Spannung 12 einen Strom von der Kathode 8 zu der Anode 2 fließen zu lassen. Dieser Strom lädt die elektrische Zelle 1 auf. Dabei kommt es zur Bildung von SEI (Solid Electrolyte Interface)-Schichten auf den Teilchen 4.
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Das Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß 2 beginnt mit einem Ausbilden 15 von Slurry aus den Teilchen 4 und dem Leitruß 5 gemäß 1 und einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser. Beim darauf folgenden Auftragen 16 wird der Slurry auf die Anode 2 gemäß 1 aufgetragen. Beim anschließenden Verdampfen 17 wird, wie in 3 illustriert ist, die Flüssigkeit 18 des Slurry durch Zuführen von Wärme 19 verdampft, wobei die kohlenstoffhaltigen Teilchen 4 und der Leitruß 5 auf der Anode 2 zurückbleiben. Dann werden die Teilchen 4 mit dem Leitruß 5 wie in 4 illustriert ist, mit einem Pressstempel 20 an die Anode 2 angepresst, um den elektrischen Kontakt zu der Anode 2 zu verbessern. Vor oder nach dem Schritt des Anpressens gemäß 4 erfolgt ein Einbetten 21 gemäß 2, indem die kohlenstoffhaltigen Teilchen 4 zusammen mit dem Leitruß 5 in den flüssigen Elektrolyt 6 eingebettet werden. Hieran schließt sich gemäß 2 ein Auflegen 22 des Separators 7 und der Lithiumkathode 8 auf die in den Elektrolyt 6 eingebetteten Teilchen 4 an. Darauf folgt ein Aufladen 23 der Zelle 1 mit der Stromquelle 11 gemäß 1. Wie 5 illustriert, erfolgt das Aufladen 23 der Zelle 1 zum Ausbilden der SEI-Schichten 24 auf den Teilchen 4. In einem Entfernen und Trennen 25 gemäß 2 werden die Teilchen 4 mit den SEI-Schichten 24 von der Anode 2 und dem Separator 7 entfernt sowie von dem Elektrolyt 6 und auch voneinander getrennt, um ein Schüttgut 26 zu erhalten, wie in 6 illustriert ist. Das Schüttgut 26 umfasst die vereinzelten Teilchen 4 mit den SEI-Schichten 24 und den Leitruß 5 aber keinen Elektrolyt 6 und auch kein Bindemittel, über das die Teilchen 24 aneinanderhaften. Das Schüttgut 26 ist ein Anodenmaterial 27, das beim Herstellen 28 einer Lithium-Ionen-Zelle gemäß 2 in einen Arbeitselektrolyt eingebettet und auf einer Anodenseite eines Arbeitsseparators angeordnet wird.
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Als Elektrolyt 6 kann in der Zelle 1 ein verglichen mit dem Arbeitselektrolyt der Lithium-Ionen-Zelle rudimentärer Elektrolyt zum Einsatz kommen, der beispielsweise nur Propylencarbonat (PC) und/oder Ethylencarbonat (EC) als Lösungsmittel, Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) als Lithiumsalz und Vinylethylencarbonat (VEC) und/oder Vinylencarbonat (VC) als die Ausbildung der SEI-Schichten förderndes Additiv enthält. Es besteht insbesondere keine Notwendigkeit für andere Additive wie beispielsweise für den Überladeschutz, für die Löslichkeitsverbesserung und für den Brandschutz, wie sie bei dem Arbeitselektrolyt einer Lithium-Ionen-Zelle sinnvoll und üblich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zelle
- 2
- Anode
- 3
- Formhälfte
- 4
- Kohlenstoffhaltiges Teilchen
- 5
- Leitruß
- 6
- Elektrolyt
- 7
- Separator
- 8
- lithiumhaltige Kathode
- 9
- Metallfolie
- 10
- Kontaktelektrode
- 11
- Stromquelle
- 12
- Spannung
- 13
- Formhälfte
- 14
- Form
- 15
- Ausbilden
- 16
- Auftragen
- 17
- Verdampfen
- 18
- Flüssigkeit
- 19
- Wärme
- 20
- Pressstempel
- 21
- Einbetten
- 22
- Auflegen
- 23
- Aufladen
- 24
- SEI-Schicht
- 25
- Entfernen und Trennen
- 26
- Schüttgut
- 27
- Anodenmaterial
- 28
- Herstellen einer Lithium-lonen-Zelle
