DE102022109368A1

DE102022109368A1 - Elektrodenbeschichtung unter verwendung eines porösen stromkollektors

Info

Publication number: DE102022109368A1
Application number: DE102022109368.9A
Authority: DE
Inventors: Shaomao Xu; Ryan Curtis Sekol; Jin Liu; Erik Damon Huemiller; Nicholas P. Irish
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2022-04-15
Publication date: 2023-01-26
Also published as: US20230027323A1; CN115642259A

Abstract

Aspekte der Offenbarung umfassen eine Elektrodenbeschichtung mit einer räumlich variierten Porosität und ein Verfahren zu deren Herstellung unter Verwendung eines porösen Stromkollektors. Ein beispielhaftes Verfahren kann die Bildung eines porösen Stromkollektors mit einem Grundmaterial und einer Vielzahl von Hohlräumen umfassen. Der poröse Stromkollektor kann mit einer Elektrodenbeschichtung mit einem aktiven Elektrodenmaterial beschichtet, infundiert oder anderweitig getränkt sein. Der poröse Stromkollektor und die Elektrodenbeschichtung können in einem Kalandrierprozess verdichtet werden, um den Elektrodenfilm zu bilden. Die Verteilung der Vielzahl von Hohlräumen im porösen Stromkollektor sorgt für Bereiche mit unterschiedlichem Kalandrierdruck während des Kalandrierprozesses. Die Bereiche mit unterschiedlichem Kalandrierdruck führen zu Bereichen mit höherer und niedrigerer Porosität in dem resultierenden Elektrodenfilm. Mit anderen Worten einem Elektrodenfilm mit räumlich variierter Porosität.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Herstellung von Batteriezellen und insbesondere auf eine Elektrodenbeschichtung mit einer räumlich variierten Porosität und ein Verfahren zu deren Herstellung unter Verwendung eines porösen Stromkollektors.
Elektroden werden in einer Reihe von Geräten verwendet, die elektrische Energie speichern, darunter primäre (nicht wiederaufladbare) Batteriezellen, sekundäre (wiederaufladbare) Batteriezellen, Brennstoffzellen und Kondensatoren. Eine ideale Elektrode muss verschiedene Eigenschaften bezüglich des Speicherns elektrischer Energie in sich vereinen, wie z.B. Energiedichte, Leistungsdichte, maximale Laderate, interner Leckstrom, äquivalenter Serienwiderstand (ESR), Dauerhaftigkeit der Lade-/Entladezyklen, hohe elektrische Leitfähigkeit und geringe Tortuosität bzw. Gewundenheit. Die Elektroden enthalten oft Stromkollektoren, um diese Eigenschaften bezüglich des Speicherns elektrischer Energie zu ergänzen oder anderweitig zu verbessern. Stromkollektoren können zum Beispiel hinzugefügt werden, um eine höhere spezifische Leitfähigkeit zu erreichen, und können die verfügbare Kontaktfläche vergrößern, um den Grenzflächenkontaktwiderstand zwischen der Elektrode und deren Anschluss zu minimieren.
Ein Stromkollektor ist in der Regel eine Platte oder Folie aus leitfähigem Material, an der das aktive Elektrodenmaterial befestigt ist. Als Stromkollektor einer Elektrode wird häufig Aluminiumfolie verwendet. Bei einigen Elektrodenherstellungsprozessen wird zum Beispiel ein Film, der Aktivkohlepulver (d.h. das aktive Elektrodenmaterial) enthält, mit einer Klebeschicht auf einer dünnen Aluminiumfolie befestigt. Um die Qualität der Grenzflächenverbindung zwischen dem Film aus aktivem Elektrodenmaterial und dem Stromkollektor zu verbessern, wird die Kombination aus dem Film und dem Stromkollektor in einem Drucklaminator, z.B. einem Kalander, bearbeitet. Dieser Prozess wird allgemein als Kalandrieren bezeichnet. Die Herstellung einer Elektrode umfasst daher in der Regel die Herstellung eines Films aus aktivem Elektrodenmaterial und das Auflaminieren dieses Films auf einen Stromkollektor.
ZUSAMMENFASSUNG
Die hier beschriebenen technischen Verfahren umfassen die Herstellung und Gestaltung einer Elektrodenbeschichtung mit einer räumlich variierten Porosität. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Elektrodenfilm einen porösen Stromkollektor mit einem Grundmaterial und einer Vielzahl von Hohlräumen. Der Elektrodenfilm kann ferner eine Elektrodenbeschichtung mit einem aktiven Elektrodenmaterial enthalten. Der poröse Stromkollektor und die Elektrodenbeschichtung können in einem Kalandrierprozess zusammengedrückt werden, um den Elektrodenfilm zu bilden. In einigen Ausführungsformen weist der Elektrodenfilm eine räumlich variierte Porosität auf (z.B. Bereiche mit geringerer Porosität und Bereiche mit höherer Porosität).
In einigen Ausführungsformen füllt die Elektrodenbeschichtung die Vielzahl der Hohlräume vor dem Kalandrieren. In einer beispielhaften Ausführungsform führt eine Verteilung der Vielzahl von Hohlräumen im porösen Stromkollektor zu Bereichen mit unterschiedlichen Kalandrierdrücken während des Kalandrierprozesses. In einigen Ausführungsformen entsprechen die Bereiche mit höherem Druck während des Kalandrierprozesses den Bereichen mit geringerer Porosität in dem Elektrodenfilm und die Bereiche mit geringerem Druck während des Kalandrierprozesses den Bereichen mit höherer Porosität in dem Elektrodenfilm.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst der poröse Stromkollektor eine Netzstruktur mit gleich großen und verteilten Hohlräumen. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen umfasst der poröse Stromkollektor eine Schaumstoffstruktur mit einem dreidimensionalen Netzwerk aus Verstrebungen bzw. Stegen und Poren. In noch anderen Ausführungsformen umfasst die Vielzahl von Hohlräumen im porösen Stromkollektor außerdem lasergemusterte Ausschnitte. In einigen Ausführungsformen haben die lasergemusterten Ausschnitte die gleiche Form, während in anderen Ausführungsformen ein erster lasergemusterter Ausschnitt eine erste Form und ein zweiter lasergemusterter Ausschnitt eine zweite, von der ersten Form abweichende Form, aufweist.
Aspekte der Offenbarung umfassen ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenbeschichtung mit einer räumlich variierten Porosität. Ein beispielhaftes Verfahren kann die Bildung eines porösen Stromkollektors mit einem Grundmaterial und einer Vielzahl von Hohlräumen umfassen. Der poröse Stromkollektor kann mit einer Elektrodenbeschichtung mit einem aktiven Elektrodenmaterial beschichtet, infundiert oder anderweitig getränkt sein. Der poröse Stromkollektor und die Elektrodenbeschichtung können in einem Kalandrierprozess verdichtet werden, um den Elektrodenfilm zu bilden. Die Verteilung der Vielzahl von Hohlräumen im porösen Stromkollektor sorgt für Bereiche mit unterschiedlichem Kalandrierdruck während des Kalandrierprozesses. Die Bereiche mit unterschiedlichem Kalandrierdruck führen zu Bereichen mit höherer und niedrigerer Porosität in dem resultierenden Elektrodenfilm. Mit anderen Worten einem Elektrodenfilm mit räumlich variierter Porosität.
Die obigen Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres ersichtlich.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Vorteile und Details sind nur beispielhaft in der folgenden ausführlichen Beschreibung aufgeführt, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht.

1A-1D zeigen eine Sequenz zur Herstellung einer Elektrodenbeschichtung oder eines -films mit räumlich variierter Porosität unter Verwendung eines porösen Stromkollektors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
1A zeigt einen porösen Stromkollektor, der in einer Netzstruktur mit einer Vielzahl von Hohlräumen hergestellt wurde.
1B zeigt einen Beschichtungsprozess, bei dem eine Elektrodenbeschichtung auf den porösen Stromkollektor von 1A aufgebracht wird.
1C zeigt einen Kalandrierprozess, bei dem die Elektrodenbeschichtung und der poröse Stromkollektor von 1 B zwischen zwei oder mehreren gegenüberliegenden Walzen zusammengepresst werden.
1 D zeigt eine nach dem Kalandrieren aufgebrachte Elektrodenbeschichtung.
2 zeigt hochauflösende Bilddaten eines Querschnitts einer Elektrodenbeschichtung, die aus einem porösen Stromkollektor gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gebildet wurde.
3A-3C zeigen eine Sequenz zur Herstellung einer Elektrodenbeschichtung oder eines -films mit räumlich variierter Porosität unter Verwendung eines porösen Stromkollektors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
3A zeigt einen porösen Stromkollektor, der in einer 3D-Schaumstruktur hergestellt wurde.
3B zeigt einen Aufschlämmungsprozess, bei dem eine Elektrodenaufschlämmung auf den porösen Stromkollektor von 3A aufgebracht wird.
3C zeigt eine nach dem Kalandrieren aufgebrachte Elektrodenbeschichtung.
4A-4C zeigen eine Sequenz zur Herstellung einer Elektrodenbeschichtung oder eines -films mit räumlich variierter Porosität unter Verwendung eines porösen Stromkollektors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
4A zeigt einen porösen Stromkollektor, der mit Hilfe einer Lasermusterungsvorrichtung hergestellt wurde, um kundenspezifische Ausschnitte zu erzeugen.
4B zeigt einen Aufschlämmungsprozess, bei dem eine Elektrodenaufschlämmung auf den porösen Stromkollektor von 4A aufgebracht wird.
4C zeigt eine nach dem Kalandrieren aufgebrachte Elektrodenbeschichtung.
5 ist ein Flussdiagramm gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich illustrativer Natur und soll die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendung nicht einschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszahlen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Darüber hinaus wird der Ausdruck „beispielhaft“ hier im Sinne von „als Beispiel, Instanz oder Illustration dienend“ verwendet. Jede hier als „beispielhaft“ beschriebene Ausführungsform oder Gestaltung ist nicht unbedingt als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Gestaltungen zu verstehen. Die Ausdrücke „mindestens eine“ und „eine oder mehrere“ sind so zu verstehen, dass sie jede ganze Zahl größer oder gleich eins umfassen, d.h. eins, zwei, drei, vier usw. Der Ausdruck „eine Vielzahl“ ist so zu verstehen, dass er jede ganze Zahl umfasst, die größer oder gleich zwei ist, d.h. zwei, drei, vier, fünf usw. Der Ausdruck „Verbindung“ kann sowohl eine indirekte „Verbindung“ als auch eine direkte „Verbindung“ umfassen.
Wie hier gezeigt und beschrieben, werden verschiedene Merkmale der Offenbarung vorgestellt. Obwohl ähnliche Bezugszahlen in einem generischen Sinn verwendet werden können, werden verschiedene Ausführungsformen beschrieben, und verschiedene Merkmale können Änderungen, Abwandlungen, Modifikationen usw. enthalten, wie es Fachleuten klar ist, unabhängig davon, ob sie ausdrücklich beschrieben werden oder ob sie Fachleuten auf andere Weise bekannt sind.
Elektroden enthalten oft Stromkollektoren, um die Eigenschaften bezüglich des Speicherns elektrischer Energie der letztlich eingebauten Vorrichtung (z.B. einer Batterie) zu ergänzen oder zu verbessern. Ein Stromkollektor enthält in der Regel eine Lage bzw. Folie aus leitfähigem Material (z.B. Aluminiumfolie), an der ein aktives Elektrodenmaterial befestigt ist. Um die Qualität der Grenzflächenverbindung zwischen dem Film des aktiven Elektrodenmaterials und dem Stromkollektor zu verbessern, wird die Kombination aus Film und Stromkollektor in einem Drucklaminator verarbeitet. So umfasst die Herstellung einer Elektrode in der Regel die Herstellung eines Films aus aktivem Elektrodenmaterial und die Laminierung dieses Films auf einen Stromkollektor (das so genannte Kalandrieren).
Kalandrieren kann allgemein definiert werden als das Komprimieren einer getrockneten Elektrode (die typischerweise aus der Beschichtung und Trocknung einer Elektrodenaufschlämmung resultiert), um ihre Porosität zu verringern, die Kontakte der Teilchen zu verbessern und ihre Energie- oder Leistungsdichte zu erhöhen. Herkömmliche Kalandrierprozesse wurden zur Verbesserung verschiedener Aspekte der Batterietechnologie eingesetzt, indem sie beispielsweise eine höhere spezifische Leitfähigkeit, größere Kontaktflächen und einen geringeren Kontaktwiderstand in der Elektrode bieten. Bei der Optimierung des Kalandrierprozesses gibt es jedoch einige Herausforderungen. Eine solche Herausforderung besteht darin, den inhärenten Kompromiss zwischen einer hohen elektrischen Leitfähigkeit (die eine geringe Filmporosität erfordert) und einer geringen Tortuosität (die eine hohe Filmporosität erfordert), die für einen effizienten Ionentransport erforderlich ist, gegeneinander abzuwägen.
Der derzeitige Kalandrierprozess ist nicht gut geeignet, um diesen grundlegenden Kompromiss zu erreichen, da die Porosität des endgültigen Elektrodenfilms bei herkömmlicher Kalandrierung keine räumliche Variation aufweist. Bei dem typischen Prozess wird eine Beschichtung, die eine relativ hohe Porosität aufweist, zu einer Beschichtung mit geringerer Porosität verdichtet. Dies geschieht in der Regel mit Hochdruckwalzen, die den Druck, den Walzenabstand und die Walzentemperatur variieren können. Die resultierende Beschichtung ist dichter, glatter und dünner. Außerdem ist die Porosität nach der Kalandrierung ausgesprochen gleichmäßig. Leider kann diese Art der Elektrodenkompression zwar einige Elektrodeneigenschaften verbessern, wie z.B. die Energie- oder Leistungsdichte, aber der gleiche Prozess wirkt sich nachteilig auf andere kritische Elektrodeneigenschaften aus, wie z.B. die effektive Leitfähigkeit der Elektrolytphase.
Dicke Elektroden ermöglichen Batteriedesigns mit hoher Energiedichte und sind eine Voraussetzung für einige Technologien der nächsten Generation, wie z.B. für Elektrofahrzeuge mit hoher Reichweite. Leider setzt das herkömmliche Kalandrieren der Elektrodenfilmdicke praktische Grenzen. So führen beispielsweise dickere Elektrodenfilme zu einer ineffizienten Nutzung des aktiven Materials, da ein inhärenter Kompromiss zwischen dem Erzielen einer angemessen hohen elektrischen Leitfähigkeit und einer geringen Tortuosität besteht. Auch die Haftfestigkeit stellt einen Engpass bei der Herstellung dicker Elektroden dar. Bei einer hohen Flächenbeladung mit Materialien kann die begrenzte Haftfestigkeit zwischen dem Stromkollektor und einer dicken Elektrodenüberzugsschicht zu einem unzureichenden elektrischen Kontakt oder einer schlechten Elektrodenintegrität führen. Diese führen schließlich zu einer Verschlechterung der Leistung der Elektrode, insbesondere wenn sie eine Veränderung der Mikrostruktur während des Zyklus (Laden/Entladen) erleidet.
Eine oder mehrere Ausführungsformen beheben einen oder mehrere der oben beschriebenen Mängel, indem sie einen porösen Stromkollektor nutzen, um eine Elektrodenbeschichtung oder einen -film mit räumlich variierter Porosität herzustellen. Ein neuartiger Aspekt dieses Ansatzes besteht darin, dass ein poröser Stromkollektor Zonen mit unterschiedlichen Kalandrierdrücken einführt. Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, sind diese Druckunterschiede beim Kalandrieren dafür verantwortlich, dass in der endgültigen kalandrierten Beschichtung Porositätsvariationen entstehen. Elektrodenbeschichtungen, die räumlich variierte Porositäten aufweisen, können den inhärenten Kalandrierungskompromiss zwischen einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und einer geringen Tortuosität in einer Elektrodenschicht direkt angehen, indem sie Schichten bereitstellen, die sowohl Bereiche mit hoher Porosität als auch Bereiche mit geringer Porosität aufweisen. Darüber hinaus können diese Bereiche durch Änderung der Struktur (Hohlräume/Poren) des porösen Stromkollektors, an dem die Schicht erzeugt wird, beliebig in der Schicht angeordnet werden. Mit anderen Worten: In verschiedenen Ausführungsformen können poröse Stromkollektoren mit einer Reihe von Konstruktionen und Geometrien verwendet werden, wie z.B. Gitter, Schaumstoff und lasergemusterte Stromkollektoren, um beliebig räumlich variierte Porositäten in der endgültigen Elektrodenbeschichtung zu erreichen.
Die hier beschriebenen technischen Lösungen ermöglichen eine Reihe von Verbesserungen der Batterietechnologie. Elektrodenbeschichtungen mit ungleichmä-ßiger Porositätsverteilung, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen hergestellt werden, können die Degradation der Batterie verringern, die Lebensdauer der Batterie verlängern und die spezifische Kapazität verbessern. Darüber hinaus sind beliebig dicke Elektroden möglich (die Porosität eines solchen Films kann je nach Bedarf beliebig manipuliert werden). Dies kann zum Beispiel den effizienten Aufbau höherer Ladungen in Lithiumionen-Batterien ermöglichen.
Weitere Vorteile sind möglich. Vom Standpunkt der Herstellung aus betrachtet, können die derzeitigen Kalanderpressen leicht an poröse Stromkollektoren angepasst werden, da keine neuen Walzen erforderlich sind. Stattdessen ist nur eine geringfügige Änderung an der Beschichtungsanlage erforderlich, da der Stromkollektor nun porös ist. Ein weiterer Vorteil ist eine verbesserte Haftfestigkeit zwischen dem Stromkollektor und der Überzugsschicht. Bei den derzeitigen Kalandrierprozessen wird beispielsweise ein Stromkollektor in Form einer Platte oder Folie verwendet, der nur eine eindimensionale (1 D) Verbindung zwischen dem Stromkollektor und der Überzugsschicht bietet. Im Gegensatz dazu bieten eine oder mehrere Ausführungsformen eine dreidimensionale (3D) Beziehung zwischen dem Stromkollektor und der Überzugsschicht, z.B. aufgrund der inneren Poren des Stromkollektors.
Ein weiterer Vorteil ist die Verringerung von Rissen in der Oberfläche und der Delamination der Beschichtung. Bei einem herkömmlichen Kalandrierprozess kann der Wärmestrom nur auf die Unterseite der Überzugsschicht übertragen werden, was zu einer inhomogenen Migration des Bindemittels in diesem Bereich führen kann. Unter Kalanderbeanspruchung kommt es zu einem 2D-Feststoffausbreitungsverhalten des Beschichtungsverbundes, was bei hoher Belastung zu Oberflächenrissen und Delamination der Beschichtung führen kann. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verringern diese Bedenken, da der Wärmestrom effizient durch die poröse Struktur in beliebige Tiefen der Überzugsschicht übertragen werden kann. Unter Kalanderbeanspruchung ergibt sich ein 3D-Vollmaterial-Spreizverhalten des Beschichtungsverbundes, und die Spannungen können primär über die Poren abgebaut werden, was letztlich Risse und Delaminationen verhindert oder mildert. Auch der Zyklusbetrieb wird verbessert, da die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gebildete 3D-Struktur die Kontaktfläche zwischen dem Stromkollektor und dem Beschichtungsverbund erheblich vergrö-ßert, was zu einer besseren Haftfestigkeit führt und eine Delaminierung oder Ablösung während des Zyklusbetriebs verhindert. Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber der 2D-Struktur des herkömmlichen Kalandrierprozesses, bei dem die Gefahr der Degradation der Beschichtung und der Delaminierung oder Ablösung während des Zyklusbetriebs relativ groß ist.
1A-1 D zeigen eine Sequenz 100 zur Herstellung einer Elektrodenbeschichtung oder eines -films mit räumlich variierter Porosität unter Verwendung eines porösen Stromkollektors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Wie in 1A gezeigt, wird ein poröser Stromkollektor 102 in einer Gitterstruktur mit einer Vielzahl von Hohlräumen 104 hergestellt. Die Anzahl und Anordnung der Hohlräume 104 ist nicht besonders beschränkt, auch wenn sie zur besseren Veranschaulichung und Diskussion in einer bestimmten Konfiguration dargestellt ist.
In einigen Ausführungsformen ist der poröse Stromkollektor 102 in einer netzartigen Struktur konfiguriert, in der die Hohlräume 104 gleich groß und gleichmäßig in einer symmetrischen Anordnung verteilt sind (wie in 1A gezeigt; eine sogenannte netzartige Struktur). In anderen Ausführungsformen können die Hohlräume 104 jedoch so beschaffen sein, dass sie einen Größenbereich abdecken, und die Hohlräume können asymmetrisch verteilt sein. In einigen Ausführungsformen können die Hohlräume zufällig verteilt sein. In einigen Ausführungsformen können die Hohlraumgrößen zufällig variiert sein. Außerdem kann die relative Größe zwischen den Hohlräumen 104 und dem Grundmaterial (Rahmen) des porösen Stromkollektors 102 beliebig variiert werden, um jedes beliebige Verhältnis zwischen dem Rahmen und dem negativen Raum des porösen Stromkollektors 102 zu erreichen. Der poröse Stromkollektor 102 kann aus jedem geeigneten leitfähigen Material hergestellt werden, wie z.B. aus strukturiertem bzw. gemusterten Aluminium. Andere Materialien sind möglich, wie z.B. Metalle (z.B. Titan), Halbmetalle (z.B. Zinn, Graphit) und deren Legierungen.
1B zeigt den Beschichtungsprozess, bei dem eine Elektrodenbeschichtung 106 auf den porösen Stromkollektor 102 aufgebracht wird. Vorteilhafterweise ist der poröse Stromkollektor 102 sowohl mit Trocken- als auch mit Nass-Elektrodenbeschichtungsprozessen kompatibel. Bei der Nass-Elektrodenbeschichtung werden beispielsweise aktive Elektrodenmaterialien wie Graphit-, Silicium- und/oder Metalloxidteilchen (z.B. Cobaltoxid) mit einer Trägerflüssigkeit vermischt, um eine Aufschlämmung zu bilden. Diese Aufschlämmung kann dann auf den porösen Stromkollektor 102 aufgetragen werden, z.B. durch direktes Beschichten oder Eintauchen.
Der hier verwendete Ausdruck „aktives Elektrodenmaterial“ bezieht sich auf Materialien, die die Funktion einer Elektrode über die bloße Bereitstellung eines Kontaktpunktes oder einer größeren reaktiven Fläche hinaus verbessern. In einigen Ausführungsformen enthält beispielsweise ein Film aus aktivem Elektrodenmaterial Teilchen mit hoher Porosität, so dass die Oberfläche der Elektrode, die einem Elektrolyten ausgesetzt ist, in den die Elektrode eingetaucht ist, weit über den Bereich der sichtbaren äußeren Oberfläche hinaus vergrößert wird. Die dem Elektrolyten ausgesetzte Oberfläche ist nämlich eine Funktion des Volumens des aus dem aktiven Elektrodenmaterial hergestellten Films. Es ist eine Vielzahl geeigneter aktiver Elektrodenmaterialien bekannt, wie z.B. Aktivkohle, leitfähiger Kohlenstoff und Graphit. Ebenso ist eine Vielzahl geeigneter Trägerflüssigkeiten (Grund-Aufschlämmungsfluid) bekannt, wie z.B. N-Methyl-2-Pyrrolidon.
Die Größe der Teilchen des aktiven Elektrodenmaterials in der Aufschlämmung soll nicht besonders beschränkt sein. In einigen Ausführungsformen liegt die Teilchengröße im Bereich von etwa 0,1 bis 10 Mikrometer, beispielsweise 3 Mikrometer, obwohl auch andere Teilchengrößen im Rahmen der Offenlegung in Betracht kommen. Die Konzentration des aktiven Elektrodenmaterials kann für die jeweilige Anwendung beliebig variiert werden. In einigen Ausführungsformen macht das aktive Elektrodenmaterial 20 bis 80 Gew.-% der Aufschlämmung aus (d.h. 20 - 80 % Feststoffe), obwohl auch andere Feststoffgehalte im Rahmen der Offenbarung in Betracht kommen.
In Ausführungsformen mit Trocken-Elektrodenbeschichtung wird das aktive Elektrodenmaterial beispielsweise in Form von trockenen Teilchen auf den porösen Stromkollektor 102 aufgebracht. In einigen Ausführungsformen werden die trockenen Teilchen auf die blanke Oberfläche des porösen Stromkollektors 102 aufgebracht. In einigen Ausführungsformen wird die Oberfläche des porösen Stromkollektors 102 vor dem Aufbringen der trockenen Teilchen vorbehandelt. Geeignete Aktivkohlematerialien für die Trocken-Elektrodenbeschichtung sind von einer Vielzahl von Quellen erhältlich, die Fachleuten bekannt sind. In einigen Ausführungsformen umfasst das aktive Elektrodenmaterial Aktivkohle, leitfähigen Kohlenstoff oder Graphit.
In einigen Ausführungsformen wird eine Trockenmischung aus Teilchen (z.B. Kohlenstoff) und einem Bindemittel trocken gemischt (fibrilliert; trocken gemischt), um ein trockenes Pulvermaterial zu bilden. Bei einem Trocken-Prozess erfolgt dies in der Regel ohne Zusatz von Flüssigkeiten, Lösungsmitteln, Verarbeitungshilfsmitteln oder ähnlichem zu der Mischung. Das Bindemittel kann z.B. Vinylidenpolyfluorid, Polyvinylalkohol, Polyimid, Polyamidimid, duroplastische oder thermoplastische Teilchen und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) enthalten, obwohl auch andere Bindemittel im Rahmen der Offenbarung in Betracht kommen.
Der eigentliche Mischprozess soll nicht besonders beschränkt sein. Das Trockenmischen kann z.B. 1 bis 10 Minuten lang in einem V-Mischer mit einem Hochleistungsmischstab durchgeführt werden, bis eine gleichmäßige trockene Mischung aus trockenen Teilchen und trockenem Bindemittel entstanden ist. Die Mischzeit kann in Abhängigkeit von der Chargengröße, den Materialien, der Teilchengröße, der Dichte sowie anderen Eigenschaften variieren und bleibt dennoch im Rahmen der vorliegenden Offenbarung.
Nach dem Trockenmischen kann das gemischte trockene Pulvermaterial mit Hilfe von ungeschmierten Hochscherkrafttechniken trocken fibrillisiert (fibrilliert) werden. In einigen Ausführungsformen werden die hohen Scherkräfte durch eine Strahlmühle erzeugt. Das trockene Pulvermaterial wird in die Strahlmühle eingeführt, in der Hochgeschwindigkeitsluftstrahlen auf das trockene Pulvermaterial gerichtet werden, um eine hohe Scherung des fibrillierbaren Bindemittels im trockenen Pulvermaterial zu bewirken. Die Scherkräfte, die bei der Trockenfibrillierung auftreten, dehnen das fibrillierbare Bindemittel physisch aus, wodurch das Bindemittel ein Netz von Fasern bildet, die das Bindemittel mit anderen Teilchen im aktiven Elektrodenmaterial verbinden.
In einigen Ausführungsformen kann das Aufbringen der trockenen fibrillierten Teilchen vor dem Kalandrieren erfolgen oder in den Kalandrierschritt integriert werden. Die trockenen fibrillierten Teilchen können beispielsweise zwischen den Walzen eines Kalanders und der Oberfläche des porösen Stromkollektors 102 aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen wird eine oder werden beide Walzen erhitzt, um die Haftung zu verbessern. Bei Ausführungsformen mit duroplastischen oder thermoplastischen Teilchen kann das Erhitzen einer oder mehrerer Walzen auch dazu dienen, die Teilchen zu erweichen oder zu verflüssigen, so dass sie eine bessere Haftung des aktiven Elektrodenmaterials an dem porösen Stromkollektor 102 bewirken.
1C zeigt den Kalandrierprozess, bei dem die Elektrodenbeschichtung 106 und der poröse Stromkollektor 102 zwischen zwei oder mehreren gegenüberliegenden Walzen (z.B. Kalandern) zusammengedrückt werden. Wie in 1C gezeigt, werden die Elektrodenbeschichtung 106 und der poröse Stromkollektor 102 durch den Kalandrierprozess von einer anfänglichen Höhe H1 auf eine zweite, reduzierte Höhe H2 komprimiert (siehe 1D). Der Grad der Kompression während des Kalandrierschrittes kann durch die Einstellung des Spalts zwischen den Walzen 110A/B gesteuert werden. Der Grad der Komprimierung soll nicht besonders beschränkt sein, aber die reduzierte Höhe H2 kann z.B. 20 bis 70 % der anfänglichen Höhe H1 betragen. Mit anderen Worten kann der Spalt zwischen den Walzen 110A und 110B so eingestellt werden, dass die Elektrodenbeschichtung 106 und der poröse Stromkollektor 102 auf 20 bis 70 % ihrer Dicke vor der Kalandrierung komprimiert werden. In einigen Ausführungsformen wird der Spalt so eingestellt, dass die Elektrodenbeschichtung 106 und der poröse Stromkollektor 102 auf 45 bis 55 % ihrer ursprünglichen Dicke zusammengedrückt werden.
Wie in 1C weiter gezeigt, führen Kompressibilitätsunterschiede zwischen den Materialien der Elektrodenbeschichtung 106 und des porösen Stromkollektors 102 (d.h. die poröse Beschaffenheit des porösen Stromkollektors 102) während des Kalandrierprozesses sowohl zu Bereichen 108A mit höherem Druck (z.B. die Bereiche, die sich über dem Grundmaterial/Rahmen des porösen Stromkollektors 102 befinden) als auch zu Bereichen 108B mit niedrigerem Druck (z.B. die Bereiche, die sich in den Hohlräumen 104 des porösen Stromkollektors 102 befinden). Die Auswirkungen dieser Hoch- und Niederdruckregionen auf die endgültige Struktur werden anhand von 1D erörtert.
1 D zeigt den Nachkalandrierprozess, bei dem die Elektrodenbeschichtung 106 und der poröse Stromkollektor 102 auf eine Höhe H2 komprimiert wurden, die geringer ist als die anfängliche Höhe H1 (d.h. die nachkalandrierte Elektrodenbeschichtung). Nach der Kompression bilden die Elektrodenbeschichtung 106 und der poröse Stromkollektor 102 zusammen einen porösen Elektrodenfilm 112. Wie in 1D gezeigt, enthält der Elektrodenfilm 112 Bereiche mit variierender Porosität. Bereiche 114A mit geringerer Porosität bilden sich als Folge der mit Bezug auf 1C beschriebenen Bereiche 108A mit höherem Druck. Im Gegensatz dazu werden Bereiche 114B mit höherer Porosität als Ergebnis der mit Bezug auf 1C beschriebenen Bereiche 108B mit niedrigerem Druck gebildet. Aus 1C und 1 D ist ersichtlich, dass die räumliche Verteilung der Regionen mit geringerer und höherer Porosität durch Modifizierung der netzartigen Struktur (z.B. Größe, Form, Platzierung der Lücken usw.) in dem porösen Stromkollektor 102 beliebig gesteuert werden kann. Alle derartigen Konfigurationen fallen in den vorgesehenen Schutzbereich der Offenbarung. Der hier verwendete Ausdruck „geringere Porosität“ bezieht sich im Zusammenhang mit dem Ausdruck „höhere Porosität“ auf den relativen Unterschied in der Porosität zwischen den beiden jeweiligen Bereichen.
Mit anderen Worten enthalten die Bereiche mit geringerer Porosität einen höheren Feststoffanteil als die Bereiche mit höherer Porosität. Das Ausmaß, in dem sich diese Porositäten unterscheiden, kann von Anwendung zu Anwendung variieren. In einigen Ausführungsformen enthalten beispielsweise die Bereiche mit geringerer Porosität 60 bis 95 % Feststoffe, während die Bereiche mit höherer Porosität 20 bis 60 % Feststoffe enthalten.
2 zeigt hochauflösende Bilddaten 200 eines Querschnitts einer Elektrodenbeschichtung 106, die aus einem porösen Stromkollektor 102 mit einem oder mehreren Hohlräumen 104 nach dem Kalandrieren gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gebildet wurde. Wie in 2 gezeigt, enthält die Elektrodenbeschichtung 106 sowohl Bereiche mit geringerer Porosität (z.B. Bereich 210 mit geringerer Porosität) als auch Bereiche mit höherer Porosität (z.B. Bereich 220 mit höherer Porosität). Obwohl 2 eine mögliche Verteilung von Bereichen mit niedrigerer und höherer Porosität zeigt, sei nochmals betont, dass jede Anordnung dieser Bereiche in den vorgesehenen Schutzbereich der Offenbarung fällt.
3A-3C zeigen eine Sequenz 300 zur Herstellung einer Elektrodenbeschichtung oder eines -films mit räumlich variierter Porosität unter Verwendung eines porösen Stromkollektors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Wie in 3A gezeigt, kann in einigen Ausführungsformen ein poröser Stromkollektor 302 in einer 3D-Schaumstruktur mit einer Vielzahl von Hohlräumen 304 hergestellt werden. Die 3D-Schaumstruktur kann eine Vielzahl von Elementen umfassen, die an einer Vielzahl von Knotenpunkten netzartig verbunden sind. Der hier verwendete Ausdruck „Schaumstruktur“ bezeichnet jedes netzartige Muster mit einem dreidimensionalen Netz aus Stegen bzw. Verstrebungen und Poren. Die 3D-Schaumstruktur kann mit bekannten Materialien, wie z.B. Kohlenstoffschaum, Graphitschaum, Schäumen auf Metalloxidbasis, und verschiedenen Bindemitteln sowie bekannten Techniken, wie z.B. durch Lithografie oder durch Karbonisierung und/oder Graphitierung verschiedener organischer Materialien, hergestellt werden. Außerdem kann die Schaumstruktur aus natürlich vorkommenden und künstlich hergestellten Materialien hergestellt werden. Die Gesamtstruktur, einschließlich der Anzahl und Anordnung der Hohlräume 304, ist nicht als besonders begrenzt zu verstehen, auch wenn sie zur besseren Veranschaulichung und Diskussion in einer bestimmten Konfiguration dargestellt ist. Außerdem ist der in 3A dargestellte poröse Stromkollektor 302 im Vergleich zu 3B und 3C vergrößert, um die Textur der Struktur (Verstrebungen, Poren usw.) besser zu zeigen.
In einigen Ausführungsformen kann der Schaumstoff etwa 4 bis etwa 100 Poren pro Zentimeter bei einer durchschnittlichen Porengröße von etwa 1 bis 50 µm aufweisen, wobei die jeweilige Porengröße und -verteilung nicht besonders beschränkt sein soll. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise die durchschnittliche Porengröße größer oder kleiner sein. Die durchschnittliche Porengröße und -dichte kann je nach Bedarf für eine bestimmte Anwendung angepasst werden. Eine Verringerung der durchschnittlichen Porengröße vergrößert die effektive Oberfläche des Materials, kann aber das Eindringen des aktiven Elektrodenmaterials behindern oder anderweitig einschränken. Unabhängig von der durchschnittlichen Porengröße kann der Gesamtporositätswert des Schaums mindestens 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 95 % betragen. Mit anderen Worten können mindestens 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 95 % der Schaumstruktur in den Hohlräumen 304 enthalten sein.
3B zeigt einen Aufschlämmungsprozess, bei dem eine Elektrodenaufschlämmung 306 auf den porösen Stromkollektor 302 aufgebracht wird. In einigen Ausführungsformen enthält die Elektrodenaufschlämmung 306 aktive Elektrodenteilchen wie Graphit, Silicium und/oder Metalloxid (z.B. Cobaltoxid), die mit einer Trägerflüssigkeit (z.B. N-Methyl-2-Pyrrolidon) vermischt sind. Die Elektrodenaufschlämmung 306 kann auf den porösen Stromkollektor 302 durch bekannte Direktbeschichtungs-, Eintauch- und/oder Infusionsprozesse aufgebracht werden. Die Größe der aktiven Elektrodenteilchen in der Aufschlämmung soll nicht besonders beschränkt sein. In einigen Ausführungsformen liegt die Teilchengröße im Bereich von etwa 0,1 bis 10 Mikrometer, beispielsweise 3 Mikrometer, obwohl auch andere Teilchengrößen im Rahmen der Offenlegung in Betracht kommen. Die Konzentration des aktiven Elektrodenmaterials kann für die jeweilige Anwendung beliebig variiert werden. In einigen Ausführungsformen macht das aktive Elektrodenmaterial 20 bis 80 Gew.-% der Aufschlämmung aus (d.h. 20 - 80 % Feststoffe), obwohl auch andere Feststoffgehalte im Rahmen der Offenbarung in Betracht kommen.
3C zeigt den Prozess nach dem Kalandrieren, bei dem die Elektrodenaufschlämmung 306 und der poröse Stromkollektor 302 getrocknet und durch Kalandrieren auf eine Höhe H2 komprimiert wurden, die geringer ist als die anfängliche Höhe H1, wodurch ein komprimierter dreidimensionaler Elektrodenfilm 308 entsteht. Wie in 3C weiter gezeigt, enthält der dreidimensionale Elektrodenfilm 308 Bereiche mit variierender Porosität. Die Verteilung von Bereichen mit niedrigerer und höherer Porosität ist das Ergebnis von Bereichen mit höherem bzw. niedrigerem Druck im Gitternetz (Verstrebungen und Hohlräume) des porösen Stromkollektors 302, ähnlich wie zuvor in Bezug auf 1C und 1D beschrieben. Vorteilhafterweise führt die Bildung des dreidimensionalen Elektrodenfilms 308 aus einem schaumartigen porösen Stromkollektor (z.B. dem porösen Stromkollektor 302) zu einem Porositätsgradienten, der in allen drei Dimensionen variiert. Mit anderen Worten zu einer echten 3D-Elektrodenstruktur, die das Potential hat, eine bessere Schnellladeleistung zu ermöglichen.
4A-4C zeigen eine Sequenz 400 zur Herstellung einer Elektrodenbeschichtung oder eines -films mit räumlich variierter Porosität unter Verwendung eines porösen Stromkollektors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Wie in 4A gezeigt, kann in einigen Ausführungsformen ein poröser Stromkollektor 402 mit Hilfe einer Lasermusterungsvorrichtung 404 hergestellt werden, um kundenspezifische Ausschnitte 406 (auch als Hohlräume oder Kavitäten bezeichnet) im porösen Stromkollektor 402 zu erzeugen. Die Gesamtstruktur, einschließlich der Anzahl, Anordnung und/oder Form der Ausschnitte 406, ist nicht als besonders beschränkt zu verstehen, auch wenn sie zur besseren Veranschaulichung und Diskussion in einer bestimmten Konfiguration dargestellt ist.
4B zeigt einen Aufschlämmungsprozess, bei dem eine Elektrodenaufschlämmung 406 auf den porösen Stromkollektor 402 aufgebracht wird. Die Elektrodenaufschlämmung 406 kann aus einem oder mehreren ähnlichen Materialien bestehen und in ähnlicher Weise wie die Elektrodenaufschlämmung 306 aufgebracht werden, wie zuvor in Bezug auf 3B beschrieben wurde. In einigen Ausführungsformen enthält die Elektrodenaufschlämmung 406 aktive Elektrodenteilchen wie Graphit, Silicium und/oder Metalloxid (z.B. Cobaltoxid), die mit einer Trägerflüssigkeit (z.B. N-Methyl-2-Pyrrolidon) vermischt sind. Die Elektrodenaufschlämmung 306 kann auf den porösen Stromkollektor 302 durch bekannte Direktbeschichtungs-, Eintauch- und/oder Infusionsprozesse aufgebracht werden.
4C zeigt den Prozess nach dem Kalandrieren, bei dem die Elektrodenaufschlämmung 406 und der poröse Stromkollektor 402 getrocknet und durch Kalandrieren komprimiert wurden, um einen komprimierten Elektrodenfilm 408 zu bilden. Wie in 4C gezeigt, enthält der resultierende Elektrodenfilm 408 Bereiche mit variierender Porosität. Die Verteilung von Bereichen mit niedrigerer und höherer Porosität ist das Ergebnis von Bereichen mit höherem bzw. niedrigerem Druck des porösen Stromkollektors 402, ähnlich wie zuvor in Bezug auf 1C und 1D beschrieben. Vorteilhafterweise können durch Laserbehandlungen beliebig komplexe Ausschnittformen erzeugt werden, so dass die porösen Stromkollektoren (z.B. der poröse Stromkollektor 402) jede gewünschte Strukturierung aufweisen können, wodurch sichergestellt wird, dass die räumliche Variation der Porosität in der resultierenden Elektrodenschicht 408 für jede Anwendung optimal ist. Mit anderen Worten können die Laserbehandlungen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zur Herstellung von Elektrodenschichten mit beliebig komplizierten und anwendungsspezifischen Porositätsverteilungen verwendet werden.
5 zeigt ein Flussdiagramm 500 gemäß einer Ausführungsform für die wirksame Nutzung poröser Stromkollektoren zur Herstellung von Elektrodenfilmen mit räumlich variierender Porosität. Das Flussdiagramm 500 wird unter Bezugnahme auf die 1A-4C beschrieben und kann zusätzliche, in 5 nicht dargestellte Schritte umfassen. Obwohl in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt, können die in 5 gezeigten Blöcke neu angeordnet, unterteilt und/oder kombiniert werden.
In Block 502 wird ein poröser Stromkollektor gebildet. In einigen Ausführungsformen umfasst der poröse Stromkollektor ein Grundmaterial und eine Vielzahl von Hohlräumen. In einigen Ausführungsformen umfasst der poröse Stromkollektor eine Netzstruktur mit gleich großen und verteilten Hohlräumen (wie in 1A-1D dargestellt). In einigen Ausführungsformen umfasst der poröse Stromkollektor eine Schaumstoff- bzw. Schaumstruktur mit einem dreidimensionalen Netzwerk aus Verstrebungen und Poren (wie in 3A-3C dargestellt). In einigen Ausführungsformen sind die zahlreichen Hohlräume im porösen Stromkollektor lasergemusterte Ausschnitte (wie in 4A-4C gezeigt). In einigen Ausführungsformen haben die lasergemusterten Ausschnitte die gleiche Form. In einigen Ausführungsformen hat ein erster lasergemusterter Ausschnitt eine erste Form und ein zweiter lasergemusterter Ausschnitt eine zweite Form, die sich von der ersten Form unterscheidet.
In Block 504 wird der poröse Stromkollektor mit einer Elektrodenbeschichtung aus einem aktiven Elektrodenmaterial versehen. In einigen Ausführungsformen füllt die Elektrodenbeschichtung die Vielzahl der Hohlräume. In Block 506 werden der poröse Stromkollektor und die Elektrodenbeschichtung in einem Kalandrierprozess verdichtet, um den Elektrodenfilm zu bilden. In einigen Ausführungsformen weist der Elektrodenfilm eine räumlich variierte Porosität auf. In einigen Ausführungsformen umfasst die räumlich variierte Porosität Bereiche mit geringerer Porosität und Bereiche mit höherer Porosität.
In einigen Ausführungsformen führt die Verteilung der Vielzahl von Hohlräumen im porösen Stromkollektor zu Bereichen mit unterschiedlichen Kalandrierdrücken während des Kalandrierprozesses. In einigen Ausführungsformen entsprechen die Bereiche mit höherem Druck während des Kalandrierprozesses den Bereichen mit geringerer Porosität in dem Elektrodenfilm und die Bereiche mit geringerem Druck während des Kalandrierprozesses den Bereichen mit höherer Porosität in dem Elektrodenfilm.
Während die obige Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist Fachleuten klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und deren Elemente durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne vom wesentlichen Umfang der Offenbarung abzuweichen. Daher soll die vorliegende Offenbarung nicht auf die besonderen offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern alle Ausführungsformen umfassen, die in den Anwendungsbereich fallen.

Claims

Elektrodenfilm, umfassend: einen porösen Stromkollektor, der ein Grundmaterial und eine Vielzahl von Hohlräumen umfasst; und eine Elektrodenbeschichtung, die ein aktives Elektrodenmaterial enthält; wobei der poröse Stromkollektor und die Elektrodenbeschichtung durch einen Kalandrierprozess zusammengedrückt sind, um den Elektrodenfilm zu bilden; wobei der Elektrodenfilm eine räumlich variierte Porosität aufweist.
Elektrodenfilm nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenbeschichtung die Vielzahl der Hohlräume ausfüllt.
Elektrodenfilm nach Anspruch 1, wobei die räumlich variierte Porosität Bereiche mit geringerer Porosität und Bereiche mit höherer Porosität umfasst.
Elektrodenfilm nach Anspruch 3, wobei eine Verteilung der Vielzahl von Hohlräumen in dem porösen Stromkollektor zu Bereichen mit unterschiedlichen Kalandrierdrücken während des Kalandrierprozesses führt.
Elektrodenfilm nach Anspruch 4, wobei die Bereiche mit höherem Druck während des Kalandrierprozesses den Bereichen mit geringerer Porosität in dem Elektrodenfilm entsprechen und die Bereiche mit geringerem Druck während des Kalandrierprozesses den Bereichen mit höherer Porosität in dem Elektrodenfilm entsprechen.
Elektrodenfilm nach Anspruch 1, wobei der poröse Stromkollektor ferner eine Netzstruktur mit gleich großen und verteilten Hohlräumen aufweist.
Elektrodenfilm nach Anspruch 1, wobei der poröse Stromkollektor ferner eine Schaumstruktur mit einem dreidimensionalen Netzwerk aus Verstrebungen und Poren aufweist.
Elektrodenfilm nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Hohlräumen in dem porösen Stromkollektor ferner lasergemusterte Ausschnitte umfasst.
Elektrodenfilm nach Anspruch 8, wobei die lasergemusterten Ausschnitte die gleiche Form haben.
Elektrodenfilm nach Anspruch 8, wobei ein erster lasergemusterter Ausschnitt eine erste Form und ein zweiter lasergemusterter Ausschnitt eine zweite Form aufweist, die sich von der ersten Form unterscheidet.