DE102022004498A1

DE102022004498A1 - Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers, Elektrode sowie Erzeugungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102022004498A1
Application number: DE102022004498.6A
Authority: DE
Inventors: Malte Henrik Klein; Hendrik Dubbe
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-12-01
Filing date: 2022-12-01
Publication date: 2024-06-06
Also published as: WO2024115071A1; CN118679591A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode (12) für eine Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers mittels einer Erzeugungsvorrichtung (10), mit den Schritten:- Aufsprühen eines Elektrodenpulvers (18) auf eine metallische Substratbahn (20) mittels einer Sprüheinrichtung (14) der Erzeugungsvorrichtung (10); und- Verpressen des Elektrodenpulvers (18) auf der Substratbahn (20) mittels einer Stempeleinrichtung (16) der Erzeugungsvorrichtung (10).Ferner betrifft die Erfindung eine Elektrode (12) sowie eine Erzeugungsvorrichtung (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers mittels einer Erzeugungsvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung eine Elektrode für eine Batteriezelle sowie eine Erzeugungsvorrichtung zum Herstellen einer Elektrode für eine Batteriezelle.
Aus dem Stand der Technik sind schon Beschichtungsprozesse für Batteriezellenelektroden bekannt. Hierbei erfolgt ein Anmischen einer so genannten Slurry, was insbesondere einem Aktivmaterial, Binder, Additive sowie Lösungsmittel entspricht. Es erfolgt dann das Auftragen der Slurry auf ein metallisches Substrat sowie die Trocknung des nassen Films innerhalb einer Trocknungsstrecke, welche insbesondere als Durchlaufofen ausgebildet ist. Im Trocknungsprozess wird das Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, vollständig verdampft. Dieser Prozess ist dabei sehr energieaufwendig.
Die US 10547044 B2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Trockenelektroden für kostengünstige Batterien durch ein trockenes Misch- und Formgebungsverfahren. Eine thermische Aktivierung macht die trocken hergestellte Elektrode vergleichbar mit herkömmlichen, aus Schlamm/Slurry gegossenen Elektroden. Die trockene Elektrodenmischung ergibt sich aus einer Kombination mehrerer Arten von Bestandteilpartikeln, einschließlich mindestens eines aktiven Ladungsmaterials und eines Bindemittels, und typischerweise eines leitfähigen Materials wie Kohlenstoff. Das Verfahren erhitzt das abgeschiedene Gemisch auf eine moderate Temperatur, um das Bindemittel zu aktivieren, damit das Gemisch am Substrat haftet, und komprimiert das abgeschiedene Gemisch auf eine Dicke, um eine ausreichende elektrische Leistung des komprimierten, abgeschiedenen Gemisches als Ladungsmaterial in einer Batterie zu erreichen.
Die EP 3 213 361 bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung eines Partikelfilms auf einem Substrat. Vorzugsweise wird eine Reihe von Corona-Kanonen, die zur Optimierung der Gleichmäßigkeit der Schichtdicke versetzt angeordnet sind, auf beiden Seiten eines sich langsam bewegenden geerdeten Substrats ausgerichtet. Das Substrat wird vorzugsweise leicht erwärmt, um das Fließen des Bindemittels anzuregen, und durch eine Reihe heißer Walzen geführt, die das Schmelzen weiter anregen und die Gleichmäßigkeit des Films verbessern. Die Folie wird auf einer Rolle gesammelt oder kann in-situ kombiniert und zu einer einzelligen Batterie gerollt werden. Die Erfindung bezieht sich auch auf Produkte, die durch die erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, insbesondere auf Batterien.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, eine Elektrode sowie eine Erzeugungsvorrichtung zu schaffen, mittels welchen verbessert eine Elektrode hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, eine Elektrode sowie eine Erzeugungsvorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen werden in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers mittels einer Erzeugungsvorrichtung. Es erfolgt das Aufsprühen eines Elektrodenpulvers auf eine metallische Substratbahn mittels einer Sprüheinrichtung der Erzeugungsvorrichtung und das Verpressen des Elektrodenpulvers auf der Substratbahn mittels einer Stempeleinrichtung der Erzeugungsvorrichtung.
Insbesondere kann dadurch eine drastische Reduktion des Materialeinsatzes im Vergleich zur Nassbeschichtung und auch im Vergleich zur kontinuierlichen Bahnbeschichtung realisiert werden, da insbesondere nicht genutztes Aktivmaterial direkt in den Prozess zurückgeführt werden kann. Des Weiteren kann eine deutliche Reduktion des Energieeinsatzes realisiert werden, da insbesondere keine Verdampfung eines Lösungsmittels notwendig ist.
Insbesondere zielt somit das vorgeschlagene Verfahren darauf ab, die Beschichtung in trockenem Zustand durchzuführen. Hierzu wird zunächst das Elektrodenpulver, welches auch als Aktivmaterial bezeichnet werden kann, für Kathode und Anode mit Binder und Additiven im trockenen Zustand angemischt. Anschließend durchläuft das Pulver einen Rolle-zu-Rolle-Prozess, wobei ein- oder beidseitig das angemischte Pulver aufgesprüht wird, das heißt, es wird in einem Gasstrom zunächst fluidisiert und tritt beispielsweise über eine Düse in der Nähe der Substratfolie aus. Das Pulver selbst wird dabei entweder mittels Corona- oder tribologischer Aufladung, insbesondere so genannter Reibungsaufladung, elektrisch geladen. Das metallische Substrat wird währenddessen geerdet. Dadurch wird sich das Pulver zunächst ungeordnet und ohne die benötigten scharfen Konturkanten auf dem Material anlagern. In direktem Anschluss wird dann mittels ein- oder beidseitiger Stempel das Pulvermaterial mit der Substratfolie verpresst. Je nach Pulver-System, insbesondere je nach Binder-Sorte kann der Verpress-Vorgang mittels eines beheizten Stempels erfolgen, um Vernetzungsprozesse zu aktivieren. An den unverpressten Stellen ist das Pulver dagegen nur durch elektrostatische Kräfte an die Folie gebunden. Am Ende des Prozesses wird das nicht verpresste Pulver dann beispielsweise mittels Druckluft entfernt und kann in den Prozess zurückgeführt werden. Auf diese Weise kann das rückgewonnene Pulver wiederverwendet werden, was neben der Energieeinsparung, insbesondere dem Fall des Trocknungsprozesses, zur Reduktion von Abfall beziehungsweise Verschnitt führt, da nur das verpresste Aktivmaterial auf der Substratfolie verbleibt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird beidseitig das Elektrodenpulver auf die metallische Substratbahn aufgesprüht. Insbesondere kann die metallische Substratbahn auf entsprechenden Walzen laufen, und es kann sowohl von oben als auch von unten das Elektrodenpulver auf die metallische Substratbahn aufgesprüht werden. Das Elektrodenpulver kann insbesondere aufgrund von entsprechenden elektrostatischen Kräften auch auf der Unterseite der Substratbahn zuverlässig gehalten werden. Somit ist es ermöglicht, dass auf einfache Art und Weise die Elektrode hergestellt werden kann.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn das nicht-verpresste Elektrodenpulver nach der Verpressung mittels eines Luftstrahls von der metallischen Substratbahn entfernt wird. Insbesondere kann das nicht-verpresste Elektrodenpulver nach dem Entfernen erneut verwendet werden, insbesondere für einen weiteren Aufsprühvorgang. Somit ist es ermöglicht, dass das Elektrodenpulver wiederverwendet werden kann, was zu einer Materialeinsparung für den Herstellungsprozess von einer Vielzahl von Elektroden genutzt werden kann.
Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn ein Kathodenmaterial oder ein Anodenmaterial mit einem Binder und zumindest einem Additiv trocken zu dem Elektrodenpulver gemischt werden.
Insbesondere geschieht dies vor dem Aufsprühprozess. Somit kann trocken und lösungsmittelfrei das Elektrodenpulver hergestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass das Elektrodenpulver vor dem Aufsprühen mittels Corona- oder tribologischer Aufladung elektrisch geladen wird. Insbesondere kann somit das Elektrodenpulver auf die Substratbahn aufgetragen werden und kann aufgrund von elektrostatischen Kräften auf der Substratbahn gehalten werden, bis es zum eigentlichen Verpressvorgang kommt. Die elektrostatischen Kräfte sind jedoch wiederum so gering, dass beispielsweise nach dem Pressvorgang mittels eines Luftstrahls die nicht verpressten Elektrodenpartikel wiederum entfernt werden können.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die metallische Substratbahn geerdet wird. Insbesondere kann somit zwischen dem Elektrodenpulver und der metallischen Substratbahn eine entsprechende Adhäsionskraft erzeugt werden, wodurch das Elektrodenpulver auf der metallischen Substratbahn gehalten wird, ohne einen direkten Verpressvorgang durchführen zu können.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, dass das Elektrodenpulver vor dem Aufsprühvorgang fluidisiert wird. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass das Elektrodenpulver ein Rolle-zu-Rolle-Prozess durchläuft, wobei ein- beziehungsweise beidseitig das angemischte Pulver aufgesprüht wird, das heißt, es wird in einem Gasstrom zunächst fluidisiert und tritt beispielsweise dann über eine entsprechende Düse in der Nähe der Substratfolie aus. Das Pulver kann dann wiederum mittels der Corona- oder tribologischer Aufladung elektrisch geladen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Batteriezelle, wobei die Elektrode mit dem Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt hergestellt ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Erzeugungsvorrichtung zum Herstellen einer Elektrode für eine Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers, mit zumindest einer Sprüheinrichtung und einer Stempeleinrichtung, wobei die Erzeugungsvorrichtung zum Herstellen einer Elektrode nach dem vorhergehenden Aspekt mit einem Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird die Elektrode mit der Erzeugungsvorrichtung hergestellt.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Elektrode sowie der Erzeugungsvorrichtung anzusehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Erzeugungsvorrichtung.
In der Figur sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Erzeugungsvorrichtung 10. Die Erzeugungsvorrichtung 10 ist zum Herstellen einer Elektrode 12 für eine nicht dargestellte Batteriezelle eines nicht dargestellten elektrischen Energiespeichers ausgebildet. Die Erzeugungsvorrichtung 10 weist zumindest eine Sprüheinrichtung 14 sowie eine Stempeleinrichtung 16 auf.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen der Elektrode 12 ist vorgesehen, dass ein Elektrodenpulver 18 auf eine metallische Substratbahn 20 mittels der Sprüheinrichtung 14 aufgesprüht wird. Es erfolgt dann das Verpressen des Elektrodenpulvers 18 auf der Substratbahn 20 mittels der Stempeleinrichtung 16.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere gezeigt, dass die Substratbahn 20 auf zwei Rollen 22, 24 abgerollt beziehungsweise aufgerollt wird. Insbesondere wird auf der ersten Rolle 22 die Substratbahn 20 abgerollt und auf der zweiten Rolle 24 die Substratbahn mit der Elektrode 12 beziehungsweise den Elektroden 12 aufgerollt. Ferner ist gezeigt, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die zweite Rolle 24 über eine Erdung 26 geerdet ist.
Die Fig. zeigt ferner, dass insbesondere beidseitig das Elektrodenpulver 18 auf die metallische Substratbahn 20 aufgesprüht wird. Ferner kann insbesondere vorgesehen sein, dass nicht-verpresstes Elektrodenpulver nach der Verpressung mittels eines Luftstrahls 28 von der metallischen Substratbahn 20 entfernt wird. Insbesondere kann dabei das nicht-verpresste Elektrodenpulver 18 wiederverwendet werden für einen weiteren Aufsprühvorgang. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Reservoir 30 vorgesehen ist, in welchem das Elektrodenpulver 18 eingebracht beziehungsweise zurückgeführt wird, um dann wiederum für den Aufsprühvorgang genutzt zu werden.
Das Elektrodenpulver 18 ist dabei insbesondere aus einem Kathodenmaterial oder einem Anodenmaterial mit Binder und einem Additiv trocken gemischt. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Elektrodenpulver 18 vor dem Aufsprühen mittels Corona- oder tribologischer Aufladung 32 elektrisch geladen wird. Ferner ist das Elektrodenpulver 18 vor dem Aufsprühvorgang fluidisiert.
Insbesondere sieht somit die Erfindung vor, dass nach dem trockenen Zusammenmischen des Elektrodenpulvers 18 dieses wiederum einen Rolle-zu-Rolle-Prozess durchfährt, wobei ein- oder beidseitig das angemischte Elektrodenpulver 18 aufgesprüht wird, das heißt, es wird über einen Gasstrom zunächst fluidisiert und tritt beispielsweise über eine Düse in der Nähe der metallischen Substratbahn 20 aus. Das Elektrodenpulver 18 selbst wird dabei entweder mittels Corona- oder tribologischer Aufladung elektrisch geladen. Die metallische Substratfolie wird während dessen geerdet. Dadurch wird sich das Elektrodenpulver 18 zunächst ungeordnet und ohne die benötigten scharfen Konturkanten auf dem Material anlagern. In direktem Anschluss wird dann mittels ein- oder beidseitiger Stempel das Elektrodenpulver 18 mit der Substratfolie verpresst. An den unverpressten Stellen ist das Elektrodenpulver 18 dagegen nur durch elektrostatische Kräfte an die Substratfolie gebunden. Am Ende des Prozesses wird das nicht verpresste Elektrodenpulver 18 dann beispielsweise mittels Druckluft entfernt und kann in den Prozess zurückgeführt werden. Auf diese Weise kann das zurückgewonnene Elektrodenpulver 18 wiederverwendet werden, was neben der Energieeinsparung zur Reduktion von Abfall beziehungsweise Verschnitt führt, da nur das verpresste Aktivmaterial auf der Substratfolie verbleibt.
Bezugszeichenliste

10: Erzeugungsvorrichtung
12: Elektrode
14: Sprüheinrichtung
16: Stempeleinrichtung
18: Elektrodenpulver
20: Substratbahn
22: erste Rolle
24: zweite Rolle
26: Erdung
28: Luftstrahl
30: Reservoir
32: Aufladung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 10547044 B2 [0003]
EP 3213361 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Elektrode (12) für eine Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers mittels einer Erzeugungsvorrichtung (10), mit den Schritten: - Aufsprühen eines Elektrodenpulvers (18) auf eine metallische Substratbahn (20) mittels einer Sprüheinrichtung (14) der Erzeugungsvorrichtung (10); und - Verpressen des Elektrodenpulvers (18) auf der Substratbahn (20) mittels einer Stempeleinrichtung (16) der Erzeugungsvorrichtung (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig das Elektrodenpulver (18) auf die metallische Substratbahn (20) aufgesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nicht-verpresstes Elektrodenpulver (18) nach der Verpressung mittels eines Luftstrahls (28) von der metallischen Substratbahn (20) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-verpresste Elektrodenpulver (18) nach dem Entfernen wieder verwendet wird für einen weiteren Aufsprühvorgang.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kathodenmaterial oder ein Anodenmaterial mit einem Binder und zumindest einem Additiv trocken zu dem Elektrodenpulver (18) gemischt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenpulver (18) vor dem Aufsprühen mittels Corona- oder Tribologischer Aufladung (32) elektrisch geladen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Substratbahn (20) geerdet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenpulver (18) vor dem Aufsprühvorgang fluidisiert wird.
Elektrode (12) für eine Batteriezelle, welche mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
Erzeugungsvorrichtung (10) zum Herstellen einer Elektrode (12) für eine Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers, mit zumindest einer Sprüheinrichtung (14) und einer Stempeleinrichtung (16), wobei die Erzeugungsvorrichtung (10) zum Herstellen einer Elektrode (12) nach Anspruch 9 mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.