DE102021116502A1 - Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, Elektrode sowie Energiespeicherzelle - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, Elektrode sowie Energiespeicherzelle Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine elektrische Energiespeicherzelle, umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines Trägerelements, insbesondere einer Trägerfolie;- Beschichten des Trägerelements mit Beschichtungsmaterial;- Zumindest bereichsweise Erhitzen des Trägerelements zum Formen einer Grenzschicht im Beschichtungsmaterial, in welcher die elektrische Leitfähigkeit des Beschichtungsmaterials und/oder die Haftung zum Trägerelement hin erhöht sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine elektrische Energiespeicherzelle, wie eine Lithiumionenzelle, eine Elektrode für eine elektrische Energiespeicherzelle sowie eine Energiespeicherzelle.
  • Elektroden für Energiespeicherzellen, wie Lithiumionenzellen, umfassen typischerweise Trägerfolien, welche mit einem Beschichtungsmaterial versehen sind. Die Anode wird oftmals durch eine Kupferfolie gebildet, die Kathode durch eine Aluminiumfolie. Das Beschichtungsmaterial umfasst Aktivmaterial und Passivmaterial. Insbesondere die Aktivmaterialien unterscheiden sich, abhängig davon, ob es sich um eine Anode oder um eine Kathode handelt. Um hohe Leistungen zu erzielen, ist in den Elektroden eine hohe elektronische Leitfähigkeit gefordert. Die EP 2 621 000 B1 beschäftigt sich in diesem Zusammenhang beispielsweise mit der Verwendung von Kohlenstoff-Nanotubes zur Erhöhung der Leitfähigkeit. Dort wird auch die Zugabe anderer Additive erörtert und diskutiert. Grundsätzlich gilt, dass durch die Einbringung weiterer Materialien die Herstellung nicht nur aufwändiger, sondern durch den höheren Materialeinsatz zwangsläufig auch verteuert wird.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, eine Elektrode sowie eine Energiespeicherzelle anzugeben, wobei insbesondere die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden gegenüber dem Stand der Technik optimiert werden soll, ohne die Kosten zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch eine Elektrode gemäß Anspruch 9 sowie durch eine Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
  • Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine elektrische Energiespeicherzelle die Schritte:
    • - Bereitstellen eines Trägerelements, insbesondere einer Trägerfolie;
    • - Beschichten des Trägerelements mit dem Beschichtungsmaterial;
    • - Zumindest bereichsweise Erhitzen des Trägerelements zum Formen einer Grenzschicht im Beschichtungsmaterial, in welcher die elektrische Leitfähigkeit des Beschichtungsmaterials und/oder die Haftung zum Trägerelement hin erhöht sind.
  • Es konnte überraschend festgestellt werden, dass durch eine Temperatureinleitung in das Beschichtungsmaterial (Erhitzen) die elektrische Leitfähigkeit desselben und/oder die Haftung desselben zum Trägerelement hin erhöht werden kann. Insbesondere wurde festgestellt, dass in Abhängigkeit der Erhitzung des Trägermaterials mit Vorteil beide Effekte auftreten, nämlich die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit sowie die Erhöhung der Haftung zum Trägerelement. Die zu Grunde liegenden Effekte basieren darauf, dass durch die Erhitzung bzw. die daraus resultierende Temperaturerhöhung des Beschichtungsmaterials die im Beschichtungsmaterial vorhandene Binderkomponente auf- oder angeschmolzen wird, wodurch eine bessere Verklammerung des Beschichtungsmaterials bzw. des Binderelements mit dem Trägerelement stattfinden kann, wodurch die Haftung des Beschichtungsmaterials mit Vorteil erhöht wird. Die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit bzw. analog die Reduzierung des elektrischen Widerstands wird zweckmäßigerweise durch eine bereichs- und/oder teilweise Karbonisierung des Beschichtungsmaterials bewirkt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Beschichtungsmaterial Aktivmaterial, eine Leiterkomponente und eine Binderkomponente, mit einer Aufteilung von 89 bis 97 Gew.-% Aktivmaterial, 1 bis 7 Gew.-% Leiterkomponente und 1 bis 5 Gew.-% Binderkomponente. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Aufteilung bei 95 bis 97 Gew.-% Aktivmaterial, 1 bis 3 Gew.-% Leiterkomponente und 1 bis 3 Gew.-% Binderkomponente oder insbesondere bei 96 Gew.-% Aktivmaterial, 2 Gew.-% Leiterkomponente und 2 Gew.-% Binderkomponente.
  • Im Falle einer Kathode umfasst das Beschichtungsmaterial gemäß einer Ausführungsform als Aktivmaterial bevorzugt ein Lithium-Metalloxid, eine Leiterkomponente sowie eine Binderkomponente. Im Falle einer Anode umfasst das Beschichtungsmaterial gemäß einer Ausführungsform als Aktivmaterial Graphit, eine Leiterkomponente sowie eine Binderkomponente. Daneben können in beiden Fällen Additive und/oder Lösungsmittel umfasst sein.
  • Als Leiterkomponente kommt in beiden Fällen zweckmäßigerweise Leitruß zum Einsatz. Hierbei handelt es sich beispielsweise um nanomikroskopischen Kohlenstoff.
  • Als Binderkomponente wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Polyvinylfluorid verwendet.
  • Lithium-Metalloxide sind bevorzugt Mischoxide des Lithiums, Nickels, Mangans und des Kobalts. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird NMC811 als Aktivmaterial verwendet.
  • Beim vorgenannten Karbonisieren wird insbesondere die Binderkomponente an- oder aufgeschmolzen bzw. zumindest teilweise im Bereich der Grenzschicht karbonisiert. Unter dem Ausdruck „karbonisieren“ ist vorliegend eine zumindest teilweise Umwandlung in Kohlenstoff oder Ruß zu verstehen, wodurch mit Vorteil die Leitfähigkeit erhöht bzw. der Widerstand reduziert werden kann.
  • Die Grenzschicht ist als der Bereich des Beschichtungsmaterials zu verstehen, welcher am Trägerelement anliegt. Die Grenzschicht bildet beispielsweise eine Art Zwischenschicht. Gemäß einer Ausführungsform weist die Grenzschicht eine Dicke von bis zu 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 oder 80 µm auf.
  • Bei dem Trägerelement handelt es sich bevorzugt um eine Trägerfolie, insbesondere um eine metallische Folie, wie eine Kupferfolie (für die Anode) oder eine Aluminiumfolie (für die Kathode). Je nach Zelldesign schwanken die Dicken der Folien zwischen 4 und 25 µm.
  • Die Beschichtung mit Beschichtungsmaterial kann streifenförmig, intermittierend und/oder auch ein- oder beidseitig erfolgen. Die Beladung mit Beschichtungsmaterial beträgt gemäß bevorzugter Ausführungsformen zwischen 15 und 25 mg/cm2, besonders bevorzugt 20 mg/cm2 bzw. etwa 20 mg/cm2.
  • Mit Vorteil erfolgt das Erhitzen mittelbar über die Trägerfolie. Bevorzugt wird die Temperatur der Trägerfolie entsprechend erhöht. Hierzu können die verschiedensten Mittel und Vorrichtungen eingesetzt werden. Gemäß einer Ausführungsform wird zur Temperaturerhöhung eine elektrische Spannung an das Trägerelement angelegt.
  • Das Verfahren umfasst mit Vorteil den Schritt:
    • - Erhitzen des Trägerelements mittels Induktion.
  • Zweckmäßigerweise erfolgt die Temperatureinleitung mittelbar über das Trägerelement. Das Verwenden einer Induktionsspule hat sich in diesem Zusammenhang als ein effektives Mittel zum Erhitzen erwiesen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Induktionsspule mit einer Eingangsleistung < 5 kW, insbesondere < 2 kW, verwendet. Eine Eingangsleistung von zumindest 0,2 kW bzw. bevorzugt zumindest 0,3 kW bewirkt mit Vorteil, dass sowohl die Haftung als auch die Leitfähigkeit erhöht werden können. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Erhitzen entsprechend mit einer Leistung in einem Bereich von etwa 0,3 kW bis 2 kW.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
    • - Verlagern des Trägerelements beim Erhitzen.
    Abhängig von der Leistung der Vorrichtung, mit welcher die Erhitzung bzw. die Wärmeeinleitung erfolgt, vorliegend beispielsweise die Induktionsspule, sowie der Geschwindigkeit beim Verlagern des Trägerelements, kann die Temperatureinleitung gezielt gesteuert werden. Bei den vorgenannten Leistungswerten liegt eine bevorzugte Geschwindigkeit (für das Verlagern) bei 4 bis 6 m/min, insbesondere bei 5 m/min.
  • Alternativ oder zusätzlich kann auch das Mittel zur Temperatureinleitung, wie die Induktionsspule, verlagert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt in einem Schritt das ein- oder beidseitige Beschichten des Trägerelements, in einem nächsten Schritt die Trocknung der Beschichtung bzw. des Beschichtungsmaterials und im Anschluss das gezielte Erhitzen zur Herstellung der Grenzschicht bzw. der Grenzschichten.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
    • - Erhitzen des Trägerelements auf eine Temperatur von zumindest 250 °C.
    Bevorzugt wird die Temperatur des Trägerelements auf einen Bereich zwischen etwa 250 °C und 600 °C eingestellt. Je nach Elektrodendesign kann es zielführend sein, den vorgenannten Bereich auf Temperaturen zwischen etwa 300 °C und 550 °C einzuschränken. Dies gilt insbesondere bei Aluminium-Trägerfolien. Die Temperatur im Beschichtungsmaterial liegt entsprechend in den vorgenannten Bereichen bzw., abhängig von der Dauer der Temperatureinwirkung, ggf. geringfügig darunter. Wenn nötig, können auch niedrigere und/oder höhere Temperaturen eingestellt werden. Da die Erhöhung der Haftung sowie die Erhöhung der Leitfähigkeit insbesondere davon abhängen, wie die Binderkomponente bei der Temperaturerhöhung reagiert, ist die optimale Temperatur möglichst einzelfallabhängig zu ermitteln.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
    • - Abschnittsweises Erhitzen des Trägerelements zum Formen zumindest einer lokal ausgebildeten Grenzschicht, wie beispielsweise zumindest einer bahn- und/oder streifenförmig ausgebildeten Grenzschicht.
    Zweckmäßigerweise kann durch eine gezielte bereichs- oder abschnittsweise Temperatureinleitung, welche beispielsweise über eine entsprechend dimensionierte Spule realisierbar ist, eine nur lokale Ausbildung einer Grenzschicht realisiert werden. Damit kann das elektrochemische Verhalten der Zelle gezielt gesteuert und beeinflusst werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
    • - Erzeugen unterschiedlich ausgebildeter Grenzschichten durch Anpassung der Temperatureinleitung.
    Zweckmäßigerweise können Grenzschichten über die Temperatureinleitung bzw. den Grad der Erhitzung individuell angepasst werden. Insbesondere können sie beispielsweise jeweils dicker oder dünner aufgebaut werden. Auch die Karbonisierungsgrade können zweckmäßigerweise über die Höhe und/oder Dauer der Temperatureinleitung spezifisch gesteuert und an die Bedarfe angepasst werden.
  • Wie bereits erwähnt, kann die Ausbildung der Grenzschicht über die Dauer und Höhe der Temperatureinleitung gesteuert werden. Insbesondere die Dauer der Temperatureinleitung kann auch über die Bahngeschwindigkeit, mit welcher das Trägerelement, insbesondere die Folie, gefördert wird, reguliert werden.
  • Wie bereits angedeutet, kann das Verfahren gut in bestehende Prozesse integriert werden. So umfasst das Verfahren mit Vorteil den Schritt:
    • - Kalandern des Trägerelements vor und/oder nach dem Erhitzen.
    Über beheizte Kalanderwalzen kann das Trägerelement gezielt vorgeheizt werden. Alternativ kann das Trägerelement über gekühlte Kalanderwalzen gekühlt werden.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Elektrode für eine elektrische Energiespeicherzelle, umfassend ein Trägerelement, welches ein- oder beidseitig Beschichtungsmaterial aufweist, wobei in dem Beschichtungsmaterial zum Trägerelement hin über eine Temperaturerhöhung eine Grenzschicht ausgebildet ist, in welcher die elektrische Leitfähigkeit und/oder die Haftung zum Trägerelement hin erhöht sind. Die vorgenannte Erhöhung bezieht sich insbesondere auf die Leitfähigkeit bzw. Haftung des übrigen Beschichtungsmaterials, welches nicht erhitzt wurde. Zweckmäßigerweise ist die Elektrode nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Im Übrigen gelten für die Elektrode die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile analog und entsprechend, wie auch umgekehrt.
  • Weiter betrifft die Erfindung eine elektrische Energiespeicherzelle, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Elektrode. Wie bereits erwähnt, ist eine Energiespeicherzelle zweckmäßigerweise eine Lithiumionenzelle. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind beispielsweise Lithiumschwefelzellen oder Lithiumeisenphosphatzellen. Daneben können mit Energiespeicherzellen der in Rede stehenden Art auch Supercaps gemeint sein.
  • Das Verfahren wie auch die hierdurch erzeugbaren Elektroden zeichnen sich insbesondere durch ihre gezielt steuerbare Ausbildung der Grenzschicht aus, welche insbesondere den Vorteil mit sich bringt, dass dadurch die Leitfähigkeit des Beschichtungsmaterials bzw. der Elektrode als solche erhöht werden kann. Daneben kann mit Vorteil auch die Haftung des Beschichtungsmaterials erhöht werden. Auf die Zugabe von Additiven, die die vorgenannten Effekte bewirken, oder anderer Maßnahmen kann mit Vorteil verzichtet werden. Insbesondere zeichnet sich das Verfahren auch durch seine hohe Flexibilität aus, da das Beschichtungsmaterial durch die lokale Temperatureinleitung auch nur lokal veränderte Eigenschaften aufweist.
  • Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Elektroden bzw. von Ausführungsformen des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
  • Es zeigen:
    • 1: zwei schematische Ansichten von Elektroden;
    • 2: eine schematische Ansicht einer Elektrode, entlang deren Längsrichtung gesehen, beim Erzeugen einer Grenzschicht;
    • 3: die aus der 2 bekannte Elektrode nach dem Erzeugen der Grenzschicht.
  • 1 zeigt in seiner linken Bildhälfte schematisch eine Draufsicht auf eine Elektrode, umfassend ein zumindest bereichsweise dargestelltes Trägerelement 10, welches sich entlang einer Längsrichtung L erstreckt. Auf dem Trägerelement 10 ist Beschichtungsmaterial 20 angeordnet. Entlang einer Querrichtung Q, welche sich quer zur Längsrichtung L erstreckt, ist das Beschichtungsmaterial 20 nicht vollständig bis zu den Rändern des Trägerelements 10 aufgebracht, sodass links und rechts jeweils zwei unbeschichtete Bereiche zu erkennen sind. In der rechten Bildhälfte ist das Trägerelement 10 im Schnitt dargestellt. Das bahnförmige Trägerelement 10, wobei es sich hierbei insbesondere um eine metallische Trägerfolie handelt, erstreckt sich in die Zeichenebene hinein. Zu erkennen ist das Trägerelement 10 sowie das beidseitig aufgebrachte Beschichtungsmaterial 20.
  • 2 zeigt eine Elektrode, wie sie aus der 1 bekannt ist, umfassend ein Trägerelement 10 sowie beidseitig aufgebrachtes Beschichtungsmaterial 20. Mit dem Bezugszeichen 30 ist eine Spule, insbesondere eine Induktionsspule, skizziert, welche dazu vorgesehen ist, die Temperatur des Trägerelements 10 zu erhöhen. Vorliegend ist zu erkennen, dass die Spule so breit wie das Trägerelement 10 ist. Das Trägerelement 10 wird entsprechend über seine ganze Breite erhitzt. Durch eine andere Anordnung der Spule 30 und/oder durch Verwendung einer kleineren Spule 30 ist es möglich, dass das Trägerelement 10 nur bereichsweise erhitzt wird, beispielsweise nur an den Rändern und/oder in der Mitte etc. Zweckmäßigerweise wird das Trägerelement 10 während der Temperatureinleitung entlang der Längsrichtung L verfahren. Im Zusammenspiel mit der Leistung der Spule 30 sowie der Bahngeschwindigkeit beim Verlagern des Trägerelements 10 bzw. der Elektrode kann die Temperaturerhöhung im Trägerelement 10 bzw. in den Beschichtungsmaterialien 20 gezielt gesteuert werden.
  • 3 zeigt die aus der 2 bekannte Elektrode, wobei skizziert ist, dass sich im Beschichtungsmaterial 20 jeweils zum Trägerelement 10 hin eine Grenzschicht 22 ausgebildet hat. In dieser ist insbesondere die im Beschichtungsmaterial 20 enthaltene Binderkomponente zumindest teilweise an- oder aufgeschmolzen bzw. karbonisiert, insbesondere also in Kohlenstoff bzw. Ruß umgewandelt. Durch diese Effekte können mit Vorteil die Haftung des Beschichtungsmaterials 20 am Trägerelement 10 sowie die Leitfähigkeit des Beschichtungsmaterials 20 erhöht werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Trägerelement
    20
    Beschichtungsmaterial
    22
    Grenzschicht
    30
    Spule
    L
    Längsrichtung
    Q
    Querrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2621000 B1 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine elektrische Energiespeicherzelle, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Trägerelements (10), insbesondere einer Trägerfolie; - Beschichten des Trägerelements (10) mit Beschichtungsmaterial (20); - Zumindest bereichsweise Erhitzen des Trägerelements (10) zum Formen einer Grenzschicht (22) im Beschichtungsmaterial (20), in welcher die elektrische Leitfähigkeit des Beschichtungsmaterials (20) und/oder die Haftung zum Trägerelement (10) hin erhöht sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschichtungsmaterial (20) Aktivmaterial, eine Leiterkomponente und eine Binderkomponente umfasst, und wobei die Binderkomponente beim Erhitzen karbonisiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend den Schritt: - Erhitzen des Trägerelements (10) mittels Induktion.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassen den Schritt: - Verlagern der Trägerelements (10) beim Erhitzen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Erhitzen des Trägerelements (10) auf eine Temperatur von zumindest 250 °C.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Abschnittsweises Erhitzen des Trägerelements (10) zum Formen zumindest einer lokal ausgebildeten Grenzschicht (22).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Erzeugen unterschiedlicher ausgebildeter Grenzschichten (22) durch Anpassung der Temperatureinleitung.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägerelement als Folie ausgebildet ist, umfassend den Schritt: - Kalandern des Trägerelements (10) vor und/oder nach dem Erhitzen.
  9. Elektrode für eine elektrische Energiespeicherzelle, umfassend ein Trägerelement (10), welches ein- oder beidseitig Beschichtungsmaterial (20) aufweist, wobei in dem Beschichtungsmaterial (20) zum Trägerelement (10) über eine Temperaturerhöhung eine Grenzschicht (22) ausgebildet, in welcher die elektrische Leitfähigkeit und/oder die Haftung zum Trägerelement (10) hin erhöht sind.
  10. Energiespeicherzelle, umfassend zumindest eine Elektrode nach einem der Ansprüche 1-8.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102016217394A1 (de) 2016-09-13 2018-03-15 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer Elektrode
EP2621000B1 (de) 2012-01-27 2018-10-17 Future Carbon GmbH Verfahren zur Herstellung einer Suspension sowie Elektrode

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