DE102022204036B4

DE102022204036B4 - Electrode for an electrical energy storage, electrical energy storage, method for producing an electrode for an electrical energy storage

Info

Publication number: DE102022204036B4
Application number: DE102022204036.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Leonhard Koch; Miriam Kunze
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-04-26
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2023-11-23
Anticipated expiration: 2042-04-27
Also published as: DE102022204036A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode (3,7) für einen elektrischen Energiespeicher (1), mit einer Elektrodenaktivmaterialschicht (5,9), die zumindest ein Elektrodenaktivmaterial (6,10) und ein polymeres Bindemittel (18,14) aufweist. Es ist vorgesehen, dass das polymere Bindemittel (18,14) derart elektrochemisch aktiv ausgebildet ist, dass es zu einer Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht (5,9) beiträgt.The invention relates to an electrode (3,7) for an electrical energy storage device (1), having an electrode active material layer (5,9) which has at least one electrode active material (6,10) and a polymeric binder (18,14). It is envisaged that the polymeric binder (18, 14) is designed to be electrochemically active in such a way that it contributes to the capacity of the electrode active material layer (5, 9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für einen elektrischen Energiespeicher, mit einer Elektrodenaktivmaterialschicht, die zumindest ein Elektrodenaktivmaterial und ein polymeres Bindemittel aufweist., wobei das polymere Bindemittel derart elektrochemisch aktiv ausgebildet ist, dass es zu einer Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht beiträgt.The invention relates to an electrode for an electrical energy storage device, with an electrode active material layer which has at least one electrode active material and a polymeric binder, wherein the polymeric binder is designed to be electrochemically active in such a way that it contributes to a capacity of the electrode active material layer.

Außerdem betrifft die Erfindung einen elektrischen Energiespeicher.The invention also relates to an electrical energy storage device.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für einen elektrischen Energiespeicher.The invention further relates to a method for producing an electrode for an electrical energy storage device.

Elektrische Energiespeicher gelten heutzutage insbesondere in der Elektromobilität als Schlüsseltechnologie. Ziel aktueller Entwicklungen ist es, elektrische Energiespeicher beispielsweise hinsichtlich der Herstellungskosten, des Gewichts, der Energiedichte, der Lebensdauer und der Ladegeschwindigkeit zu optimieren.Electrical energy storage is now considered a key technology, particularly in electromobility. The aim of current developments is to optimize electrical energy storage systems, for example in terms of manufacturing costs, weight, energy density, service life and charging speed.

Ein elektrischer Energiespeicher weist als Elektroden zumindest eine positive Elektrode beziehungsweise Kathode und zumindest eine negative Elektrode beziehungsweise Anode auf. Die Elektroden weisen typischerweise eine Elektrodenaktivmaterialschicht mit zumindest einem Elektrodenaktivmaterial auf, wobei die Kathode ein Kathodenaktivmaterial aufweist und die Anode ein Anodenaktivmaterial. Wird der Energiespeicher geladen, so gibt das Kathodenaktivmaterial Elektronen ab und das Anodenaktivmaterial nimmt Elektronen auf. Wird der Energiespeicher entladen, so nimmt das Anodenaktivmaterial Elektronen auf und das Kathodenaktivmaterial gibt Elektronen ab. Eine Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschichten korrespondiert dabei mit der Menge an Elektronen, welche das Elektrodenaktivmaterial abgeben beziehungsweise aufnehmen kann. Oftmals ist zusätzlich zu dem Elektrodenaktivmaterial auch ein polymeres Bindemittel in der Elektrodenaktivmaterialschicht vorhanden. Durch das polymere Bindemittel wird ein innerer Zusammenhalt der Elektrodenaktivmaterialschicht gesteigert. Ist die Elektrodenaktivmaterialschicht auf einem Stromsammler angeordnet, so kann durch das polymere Bindemittel auch die Anhaftung der Elektrodenaktivmaterialschicht an dem Stromsammler verstärkt werden.An electrical energy storage device has at least one positive electrode or cathode and at least one negative electrode or anode as electrodes. The electrodes typically have an electrode active material layer with at least one electrode active material, the cathode having a cathode active material and the anode having an anode active material. When the energy storage device is charged, the cathode active material releases electrons and the anode active material absorbs electrons. If the energy storage device is discharged, the anode active material absorbs electrons and the cathode active material releases electrons. A capacity of the electrode active material layers corresponds to the amount of electrons that the electrode active material can release or absorb. In addition to the electrode active material, a polymeric binder is often also present in the electrode active material layer. The polymeric binder increases the internal cohesion of the electrode active material layer. If the electrode active material layer is arranged on a current collector, the adhesion of the electrode active material layer to the current collector can also be strengthened by the polymeric binder.

Dabei ist es bekannt, ein polymeres Bindemittel einzusetzen, das zusätzlich zu seiner Funktion als Bindemittel auch zumindest eine weitere Funktion erfüllt. Beispielsweise offenbart die Offenlegungsschrift DE 10 2015 206 146 A1 den Einsatz eines intrinsisch elektrisch leitfähigen Polymers als Bindemittel.It is known to use a polymeric binder which, in addition to its function as a binder, also fulfills at least one further function. For example, the disclosure document discloses DE 10 2015 206 146 A1 the use of an intrinsically electrically conductive polymer as a binder.

Aus der Druckschrift JP 2014 - 71 965 A ist eine Elektrode für eine Batterie mit hoher Kapazität bekannt, in der eine Lithiumkomplexverbindung auf Nichtoxidbasis mit geringer Leitfähigkeit als positives Elektrodenmaterial verwendet wird. Dabei werden eine Lithiumkomplexverbindung auf Phosphat- oder Silikatbasis und ein Anionen adsorbierendes Material in einer positiven Elektrode als positives Elektrodenmaterial verwendet. Als das Anionen adsorbierende Material wird zumindest ein Halbleiterpolymer vom p-Typ, eine organische Verbindung eines Elektronenakzeptors oder Aktivkohle verwendet.
Eine weitere Elektrode ist aus der Druckschrift DE 10 2019 206 131 A1 bekannt.From the publication JP 2014 - 71 965 A There is known an electrode for a high-capacity battery in which a non-oxide-based lithium complex compound with low conductivity is used as a positive electrode material. A lithium complex compound based on phosphate or silicate and an anion-adsorbing material are used in a positive electrode as a positive electrode material. As the anion adsorbing material, at least one of a p-type semiconductor polymer, an organic compound of an electron acceptor, or activated carbon is used.
Another electrode is from the publication DE 10 2019 206 131 A1 known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die gravimetrische Energiedichte der Elektrodenaktivmaterialschicht gesteigert und zudem eine Schutzfunktion für das Elektrodenaktivmaterial realisiert wird.The invention is based on the object of improving an electrode of the type mentioned in such a way that the gravimetric energy density of the electrode active material layer is increased and a protective function for the electrode active material is also realized.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Elektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass das Elektrodenaktivmaterial ein unteres Schlusspotential und ein oberes Schlusspotential aufweist, wobei ein Redoxpotential des polymeren Bindemittels höchstens 50 mV kleiner ist als das obere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials oder höchstens 50 mV größer ist als das untere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials.The object on which the invention is based is achieved by an electrode with the features of claim 1. According to the invention, it is provided for this that the electrode active material has a lower final potential and an upper final potential, with a redox potential of the polymeric binder being at most 50 mV smaller than the upper final potential of the electrode active material or at most 50 mV greater than the lower final potential of the electrode active material.

Das polymere Bindemittel sorgt zusätzlich zu seiner Funktion als Bindemittel auch dafür, dass die Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht gesteigert wird, insbesondere unabhängig von dem Elektrodenaktivmaterial. Ist die Elektrode eine Kathode, so gibt das polymere Bindemittel aufgrund seiner elektrochemischen Aktivität beim Laden des Energiespeichers Elektronen ab und nimmt beim Entladen des Energiespeichers Elektronen auf. Ist die Elektrode jedoch eine Anode, so nimmt das polymere Bindemittel aufgrund seiner elektrochemischen Aktivität beim Laden des Energiespeichers Elektronen auf und gibt beim Entladen des Energiespeichers Elektronen ab. Hierdurch kommt der Beitrag des polymeren Bindemittels zu der Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht zustande. Vorzugsweise weist das polymere Bindemittel hierzu ein Strukturelement auf, das elektrochemisch aktiv ausgebildet ist. Das polymere Bindemittel trägt also aufgrund des Strukturelementes zu der Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht bei. Vorzugsweise ist die Elektrode eine Elektrode für eine Lithiumionenzelle. Die Elektrode kann jedoch auch in anderen Arten von galvanischen Zellen verwendet werden. Insbesondere ist die Elektrode eine Kathode. Das Elektrodenaktivmaterial ist dann vorzugsweise ein anorganisches Kathodenaktivmaterial aus der Gruppe umfassend Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (LNMC), Lithium-Nickel-Mangan-Oxid (LNMO), LiCoPO₄, Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) sowie deren Mischungen. Alternativ dazu ist die Elektrode eine Anode. Das Elektrodenaktivmaterial ist dann vorzugsweise ein Anodenaktivmaterial aus der Gruppe umfassend Graphit, Silizium, Lithiumtitanat sowie deren Mischungen. Ist die Elektrode eine Elektrode für eine Lithiumionenzelle, so ist das polymere Bindemittel vorzugsweise dazu ausgebildet, Lithiumionen zu speichern, beispielsweise durch Einlagerung von Lithiumionen zwischen benachbarte Polymere beziehungsweise Makromoleküle des polymeren Bindemittels. Vorzugsweise ist die Elektrodenaktivmaterialschicht auf einen Stromsammler aufgebraucht, wobei der Stromsammler besonders bevorzugt eine Aluminiumfolie oder eine Kupferfolie ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Elektrode vorzugsweise eine freistehende Elektrodenaktivmaterialschicht auf, sodass die Elektrode dann stromsammlerfrei ist.In addition to its function as a binder, the polymeric binder also ensures that the capacity of the electrode active material layer is increased, in particular independently of the electrode active material. If the electrode is a cathode, the polymeric binder releases electrons when charging the energy storage device due to its electrochemical activity and absorbs electrons when discharging the energy storage device. However, if the electrode is an anode, the polymeric binder, due to its electrochemical activity, absorbs electrons when charging the energy storage device and releases electrons when discharging the energy storage device. This results in the contribution of the polymeric binder to the capacity of the electrode active material layer. For this purpose, the polymeric binder preferably has a structural element which is designed to be electrochemically active. The polymeric binder therefore contributes to the capacity of the electrode active material layer due to the structural element. Preferably the electrode is an electrode for a lithium ion cell. However, the electrode can also be used in others Types of galvanic cells are used. In particular, the electrode is a cathode. The electrode active material is then preferably an inorganic cathode active material from the group comprising lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (LNMC), lithium-nickel-manganese oxide (LNMO), LiCoPO ₄ , lithium-cobalt oxide (LCO) and mixtures thereof . Alternatively, the electrode is an anode. The electrode active material is then preferably an anode active material from the group comprising graphite, silicon, lithium titanate and mixtures thereof. If the electrode is an electrode for a lithium ion cell, the polymeric binder is preferably designed to store lithium ions, for example by incorporating lithium ions between adjacent polymers or macromolecules of the polymeric binder. Preferably, the electrode active material layer is applied to a current collector, the current collector particularly preferably being an aluminum foil or a copper foil. According to a further embodiment, the electrode preferably has a free-standing electrode active material layer, so that the electrode is then free of current collectors.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Elektrodenaktivmaterial ein unteres Schlusspotential und ein oberes Schlusspotential aufweist, und dass ein Redoxpotential des polymeren Bindemittels größer als das untere Schlusspotential und kleiner als das obere Schlusspotential ist. Die Schlusspotentiale definieren einen Potentialbereich des Elektrodenaktivmaterials, in dem eine Beschädigung des Elektrodenaktivmaterials nicht zu erwarten ist. Insofern definieren die Schlusspotentiale einen sicheren Potential-Betriebsbereich. Wird das untere Schlusspotential unterschritten oder das obere Schlusspotential überschritten, so ist jedoch eine Beschädigung des Elektrodenaktivmaterials möglich. Weil das Redoxpotential des polymeren Bindemittels in dem Potential-Betriebsbereich liegt, wird das polymere Bindemittel bei elektrischen Potentialen oxidiert beziehungsweise reduziert, bei denen mit einer Beschädigung des Elektrodenaktivmaterials nicht zu rechnen ist.According to the invention it is provided that the electrode active material has a lower final potential and an upper final potential, and that a redox potential of the polymeric binder is greater than the lower final potential and smaller than the upper final potential. The final potentials define a potential range of the electrode active material in which damage to the electrode active material is not to be expected. In this respect, the final potentials define a safe potential operating range. However, if the lower final potential is not reached or the upper final potential is exceeded, damage to the electrode active material is possible. Because the redox potential of the polymeric binder lies in the potential operating range, the polymeric binder is oxidized or reduced at electrical potentials at which damage to the electrode active material is not to be expected.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Redoxpotential des polymeren Bindemittels höchstens 50 mV, besonders bevorzugt höchstens 30 mV, kleiner ist als das obere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials. Durch ein derartiges Redoxpotential wird durch das Bindemittel eine Schutzfunktion für das Elektrodenaktivmaterial realisiert. Ist das Elektrodenaktivmaterial ein Kathodenaktivmaterial, so wird das Kathodenaktivmaterial durch ein Redoxpotential, das höchstens 50 mV kleiner ist als das obere Schlusspotential, beim Laden vor einer Überladung geschützt. Beispielsweise ist das Kathodenaktivmaterial ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (LNMC). Dieses Kathodenaktivmaterial weist ein oberes Schlusspotential von etwa 4,3 V auf. Das Redoxpotential des polymeren Bindemittels beträgt dann zumindest 4,25 V, besonders bevorzugt zumindest 4,27 V. Ist das Elektrodenaktivmaterial ein Anodenaktivmaterial, so wird das Anodenaktivmaterial durch ein Redoxpotential, das höchstens 50 mV kleiner ist als das obere Schlusspotential, im Betrieb beziehungsweise beim Entladen vor einer unerwünschten Tiefenentladung geschützt. Beispielsweise ist das Anodenaktivmaterial Silizium. Dieses Anodenaktivmaterial weist ein oberes Schlusspotential von etwa 1 V auf. Das Redoxpotential des polymeren Bindemittels beträgt dann zumindest 0,95 V, besonders bevorzugt zumindest 0,97 V. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Redoxpotential des polymeren Bindemittels höchstens 50 mV, besonders bevorzugt höchstens 30 mV, größer ist als das untere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials. Auch durch ein derartiges Redoxpotential kann durch das Bindemittel eine Schutzfunktion für das Elektrodenaktivmaterial realisiert werden. Ist das Elektrodenaktivmaterial ein Kathodenaktivmaterial, so wird das Kathodenaktivmaterial durch ein Redoxpotential, das höchstens 50 mV größer ist als das untere Schlusspotential, im Betrieb vor einer unerwünschten Tiefenentladung geschützt. Beispielsweise ist das Kathodenaktivmaterial ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (LNMC). Dieses Kathodenaktivmaterial weist ein unteres Schlusspotential von etwa 3,6 V auf. Das Redoxpotential des polymeren Bindemittels beträgt dann höchstens 3,65 V, besonders bevorzugt höchstens 3,63 V. Ist das Elektrodenaktivmaterial ein Anodenaktivmaterial, so wird das Anodenaktivmaterial durch ein Redoxpotential, das höchstens 50 mV größer ist als das untere Schlusspotential, beim Laden vor einer Überladung geschützt. Beispielsweise ist das Anodenaktivmaterial Silizium. Dieses Anodenaktivmaterial weist ein unteres Schlusspotential von etwa 0,05 V auf. Das Redoxpotential des polymeren Bindemittels beträgt dann höchstens 0,10 V, besonders bevorzugt höchstens 0,08 V.According to a first embodiment of the invention, it is provided that the redox potential of the polymeric binder is at most 50 mV, particularly preferably at most 30 mV, smaller than the upper final potential of the electrode active material. Through such a redox potential, the binder realizes a protective function for the electrode active material. If the electrode active material is a cathode active material, the cathode active material is protected from overcharging during charging by a redox potential that is at most 50 mV smaller than the upper final potential. For example, the cathode active material is a lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (LNMC). This cathode active material has an upper closing potential of approximately 4.3 V. The redox potential of the polymeric binder is then at least 4.25 V, particularly preferably at least 4.27 V. If the electrode active material is an anode active material, the anode active material has a redox potential that is at most 50 mV smaller than the upper final potential, during operation or during Discharging protected from undesirable deep discharge. For example, the anode active material is silicon. This anode active material has an upper final potential of approximately 1 V. The redox potential of the polymeric binder is then at least 0.95 V, particularly preferably at least 0.97 V. According to a second embodiment of the invention it is provided that the redox potential of the polymeric binder is at most 50 mV, particularly preferably at most 30 mV, greater than that lower final potential of the electrode active material. Such a redox potential can also be used to realize a protective function for the electrode active material through the binder. If the electrode active material is a cathode active material, the cathode active material is protected from undesirable deep discharge during operation by a redox potential that is at most 50 mV greater than the lower final potential. For example, the cathode active material is a lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (LNMC). This cathode active material has a lower closing potential of approximately 3.6 V. The redox potential of the polymeric binder is then at most 3.65 V, particularly preferably at most 3.63 V. If the electrode active material is an anode active material, the anode active material is subjected to a redox potential that is at most 50 mV greater than the lower final potential when charging Overcharge protected. For example, the anode active material is silicon. This anode active material has a lower closing potential of approximately 0.05 V. The redox potential of the polymeric binder is then at most 0.10 V, particularly preferably at most 0.08 V.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das polymere Bindemittel eine spezifische Kapazität von zumindest 5 mAh/g aufweist. Durch eine derartige spezifische Kapazität wird durch das polymere Bindemittel eine substantielle Steigerung der Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht erreicht. Besonders bevorzugt weist das polymere Bindemittel eine spezifische Kapazität von zumindest 10 mAh/g auf.According to a preferred embodiment, it is provided that the polymeric binder has a specific capacity of at least 5 mAh/g. As a result of such a specific capacity, the polymeric binder achieves a substantial increase in the capacity of the electrode active material layer. The polymeric binder particularly preferably has a specific capacity of at least 10 mAh/g.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das polymere Bindemittel zumindest eine Monomerart mit dem elektrochemisch aktiv ausgebildeten Strukturelement aufweist. Das polymere Bindemittel weist Polymere beziehungsweise Makromoleküle auf. Ein Polymer besteht aus einer Vielzahl von polymerisierten Monomeren. Bei den Monomeren kann es sich dabei um Monomere nur einer Monomerart oder um Monomere mehrerer verschiedener Monomerarten handeln. Ist das elektrochemisch aktive Strukturelement Teil der Monomere zumindest einer Monomerart des Bindemittels, so kann eine große Anzahl an elektrochemisch aktiven Strukturelementen einfach in das polymere Bindemittel eingebracht werden. Hierdurch kann entsprechend auch eine große Steigerung der Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht durch das polymere Bindemittel erreicht werden.According to a preferred embodiment, it is provided that the polymeric binder has at least one type of monomer with the electrochemically active structural element. The polymeric binder has polymers or macromolecules. A polymer consists of a variety of polymerized monomers. The monomers can be monomers of just one type of monomer or monomers of several different types of monomer. If the electrochemically active structural element is part of the monomers of at least one type of monomer of the binder, a large number of electrochemically active structural elements can easily be introduced into the polymeric binder. In this way, a large increase in the capacity of the electrode active material layer can be achieved through the polymeric binder.

Vorzugsweise weist das Strukturelement ein delokalisiertes π-Elektronen-System auf. Strukturelemente mit delokalisiertem π-Elektronen-System sind oftmals zur Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Elektronen besonders geeignet, weil die π-Elektronen-Systeme die Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Elektronen resonanzstabilisieren können.The structural element preferably has a delocalized π-electron system. Structural elements with delocalized π-electron systems are often particularly suitable for accepting or releasing electrons because the π-electron systems can resonance-stabilize the acceptance or release of electrons.

Vorzugsweise weist das delokalisierte π-Elektronen-System zumindest ein Stickstoffatom auf. Es hat sich herausgestellt, dass π-Elektronen-Systeme mit einem Stickstoffatom zur Aufnahme und Abgabe von Elektronen im Betrieb eines Energiespeichers besonders geeignet sind. Beispielsweise gibt das π-Elektronen-Systeme beim Laden des Energiespeichers zumindest ein Elektron unter Ausbildung eines Radialkations ab. Beim Entladen nimmt das Radikalkation dann entsprechend zumindest ein Elektron auf. Vorzugsweise ist das π-Elektronen-System ein Heteroaromat oder weist zumindest einen Heteroaromat auf.The delocalized π-electron system preferably has at least one nitrogen atom. It has been found that π-electron systems with a nitrogen atom are particularly suitable for accepting and releasing electrons in the operation of an energy storage device. For example, when charging the energy storage device, the π-electron system releases at least one electron to form a radial cation. When discharging, the radical cation then picks up at least one electron. Preferably the π-electron system is a heteroaromatic or has at least one heteroaromatic.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Strukturelement ein Triphenylamin-Derivat, ein Porphyrin-Derivat oder ein Naphthalin-Derivat ist. Diese Strukturelemente sind insbesondere aufgrund ihres Redoxpotentials zur Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Elektronen besonders geeignet.According to a preferred embodiment, it is provided that the structural element is a triphenylamine derivative, a porphyrin derivative or a naphthalene derivative. These structural elements are particularly suitable for accepting or releasing electrons due to their redox potential.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Kristallinitätsgrad des polymeren Bindemittels zwischen 30% und 70% liegt. Die Polymere beziehungsweise Makromoleküle des polymeren Bindemittels weisen also eine partielle kristallartige Ordnung auf. Der Kristallinitätsgrad bezeichnet dabei den kristallartig geordneten Anteil des polymeren Bindemittels. Bereiche des polymeren Bindemittels mit einer kristallartigen Ordnung sind zur Speicherung von Lithiumionen besonders geeignet, beispielsweise werden Lithiumionen in Kristalldefekten dieser Bereiche gespeichert. Insofern ist ein derart hoher Kristallinitätsgrad vorteilhaft. Amorphe Bereiche des polymeren Bindemittels verbessern hingegen den Transport von Lithiumionen innerhalb der Elektrodenaktivmaterialschicht. Besonders bevorzugt liegt der Kristallinitätsgrad zwischen 40% und 70%. Der Kristallinitätsgrad kann durch verschiedene Verfahren ermittelt beziehungsweise überprüft werden, beispielsweise durch Ermitteln der Schmelzenthalpie des polymeren Bindemittels, durch Ermitteln der Dichte des polymeren Bindemittels oder durch Röntgenbeugungsanalysen. Der Kristallinitätsgrad von zumindest 30% kann dabei auf verschiedene Arten erreicht werden. Beispielsweise weisen die Polymere beziehungsweise Makromoleküle des polymeren Bindemittels zur Steigerung des Kristallinitätsgrads eine geringe Anzahl an Seitenketten auf.According to a preferred embodiment, it is provided that a degree of crystallinity of the polymeric binder is between 30% and 70%. The polymers or macromolecules of the polymeric binder therefore have a partial crystal-like order. The degree of crystallinity refers to the proportion of the polymeric binder that is arranged in a crystal-like manner. Areas of the polymeric binder with a crystal-like order are particularly suitable for storing lithium ions; for example, lithium ions are stored in crystal defects in these areas. In this respect, such a high degree of crystallinity is advantageous. Amorphous areas of the polymeric binder, on the other hand, improve the transport of lithium ions within the electrode active material layer. The degree of crystallinity is particularly preferably between 40% and 70%. The degree of crystallinity can be determined or checked by various methods, for example by determining the enthalpy of fusion of the polymeric binder, by determining the density of the polymeric binder or by X-ray diffraction analyses. The degree of crystallinity of at least 30% can be achieved in various ways. For example, the polymers or macromolecules of the polymeric binder have a small number of side chains to increase the degree of crystallinity.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Massenanteil des polymeren Bindemittels bezogen auf die Gesamtmasse der Elektrodenaktivmaterialschicht 0,5% bis 10% beträgt, besonders bevorzugt 1% bis 4%. Bei einem derartigen Massenanteil wird eine Elektrodenaktivmaterialschicht mit einer ausreichenden Festigkeit erhalten.According to a preferred embodiment, it is provided that the mass fraction of the polymeric binder based on the total mass of the electrode active material layer is 0.5% to 10%, particularly preferably 1% to 4%. With such a mass fraction, an electrode active material layer with sufficient strength is obtained.

Der erfindungsgemäße Energiespeicher zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 10 durch zumindest eine erfindungsgemäße Elektrode aus. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie den Ansprüchen. Vorzugsweise ist der Energiespeicher als Lithiumionenzelle ausgebildet. Ist nur eine erfindungsgemäße Elektrode vorhanden, so kann die Elektrode sowohl eine Anode als auch eine Kathode des Energiespeichers sein. Insbesondere weist der Energiespeicher zumindest zwei erfindungsgemäße Elektroden auf, wobei eine der Elektroden eine Kathode ist und die andere eine Anode.The energy storage device according to the invention is characterized by at least one electrode according to the invention with the features of claim 10. This also results in the advantages already mentioned. Further preferred features and combinations of features result from what has been described above and from the claims. The energy storage is preferably designed as a lithium ion cell. If there is only one electrode according to the invention, the electrode can be both an anode and a cathode of the energy storage device. In particular, the energy storage device has at least two electrodes according to the invention, one of the electrodes being a cathode and the other being an anode.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 11 dadurch aus, dass zur Herstellung der Elektrode eine Elektrodenaktivmaterialschicht gefertigt wird, die zumindest ein Elektrodenaktivmaterial und ein polymeres Bindemittel aufweist, das derart elektrochemisch aktiv ausgebildet ist, dass es zu der Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht beiträgt. Weiterhin ist vorgesehen, dass das Elektrodenaktivmaterial ein unteres Schlusspotential und ein oberes Schlusspotential aufweist, wobei ein Redoxpotential des polymeren Bindemittels höchstens 50 mV kleiner ist als das obere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials oder höchstens 50 mV größer ist als das untere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Vorzugsweise wird als Elektrode eine Kathode gefertigt, wobei dann ein Kathodenaktivmaterial eingesetzt wird. Alternativ dazu wird als Elektrode vorzugsweise eine Anode gefertigt, wobei dann ein Anodenaktivmaterial eingesetzt wird.The method according to the invention is characterized by the features of claim 11 in that, to produce the electrode, an electrode active material layer is produced which has at least one electrode active material and a polymeric binder which is designed to be electrochemically active in such a way that it contributes to the capacity of the electrode active material layer. Furthermore, it is provided that the electrode active material has a lower final potential and an upper final potential, with a redox potential of the polymeric binder being at most 50 mV smaller than the upper final potential of the electrode active material or at most 50 mV greater than the lower final potential of the electrode active material. This also results in the advantages already mentioned. Further preferred features and combinations of features result from what has been described above and from the claims. Preferential As an electrode, a cathode is manufactured, in which case a cathode active material is then used. Alternatively, an anode is preferably manufactured as the electrode, in which case an anode active material is then used.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Elektrodenschlicker bereitgestellt wird, der das Elektrodenaktivmaterial und das polymere Bindemittel aufweist, und dass die Elektrodenaktivmaterialschicht aus dem Elektrodenschlicker gefertigt wird. Das polymere Bindemittel ist also bereits in Form von Polymeren beziehungsweise Makromolekülen in dem Elektrodenschlicker vorhanden. Entsprechend können die Polymere unabhängig von dem Elektrodenaktivmaterial vorgefertigt werden, wodurch eine besonders präzise Steuerung der Ausbildung der Polymere möglich ist. Vorzugsweise wird das polymere Bindemittel in einem Lösemittel oder einem Lösemittelgemisch des Elektrodenschlickers gelöst oder suspendiert. Wird das polymere Bindemittel suspendiert, so bleibt die Nahordnung des polymeren Bindemittels in dem Elektrodenschlicker erhalten. Wird das polymere Bindemittel gelöst, so ergibt sich der Vorteil, dass eine besonders gleichmäßige Verteilung des polymeren Bindemittels in der Elektrodenaktivmaterialschicht erhalten werden kann. Das Elektrodenaktivmaterial wird vorzugsweise in dem Lösemittel beziehungsweise dem Lösemittelgemisch suspendiert.According to a preferred embodiment, it is provided that an electrode slip is provided which has the electrode active material and the polymeric binder, and that the electrode active material layer is made from the electrode slip. The polymeric binder is therefore already present in the electrode slip in the form of polymers or macromolecules. Accordingly, the polymers can be prefabricated independently of the electrode active material, which enables particularly precise control of the formation of the polymers. Preferably, the polymeric binder is dissolved or suspended in a solvent or a solvent mixture of the electrode slip. If the polymeric binder is suspended, the short-range order of the polymeric binder in the electrode slip is retained. If the polymeric binder is dissolved, the advantage is that a particularly uniform distribution of the polymeric binder in the electrode active material layer can be obtained. The electrode active material is preferably suspended in the solvent or the solvent mixture.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein Elektrodenschlicker bereitgestellt wird, der das Elektrodenaktivmaterial und polymerisierbare Monomere zumindest einer Monomerenart aufweist, dass der Elektrodenschlicker als Elektrodenaktivmaterialschicht auf einen Stromsammler aufgebracht wird, und dass die Monomere derart polymerisiert werden, dass das polymere Bindemittel erhalten wird. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Menge an Lösungsmittel in dem Elektrodenschlicker zumindest verringert werden kann. Der Elektrodenschlicker weist polymerisierbare Monomere zumindest einer Monomerart auf, also Monomere nur einer Monomerart oder ein Monomergemisch mit Monomeren mehrerer verschiedener Monomerarten. Vorzugsweise sind die verwendeten Monomere der nur einen Monomerart oder das verwendete Monomergemisch flüssig. Bei Verwendung von flüssigen Monomeren beziehungsweise eines flüssigen Monomergemischs kann auf den Einsatz eines Lösemittels insgesamt verzichtet werden. Insbesondere weist der Elektrodenschlicker abgesehen von den flüssigen Monomeren der nur einen Monomerart beziehungsweise dem flüssigen Monomergemisch keine flüssigen Bestandteile auf. Ist ein Monomergemisch vorhanden, so polymerisieren die verschiedenen Monomere des Monomergemischs vorzugsweise unter Ausbildung eines Copolymers. Vorzugsweise wird die Polymerisation der Monomere erst nach Auftragen des Elektrodenschlickers auf den Stromsammler initiiert. Alternativ dazu wird die Polymerisation der Monomere beispielsweise bereits während des Auftragens auf den Stromsammler initiiert.According to an alternative embodiment, it is preferably provided that an electrode slip is provided which has the electrode active material and polymerizable monomers of at least one type of monomer, that the electrode slip is applied as an electrode active material layer to a current collector, and that the monomers are polymerized in such a way that the polymeric binder is obtained . This procedure has the advantage that the amount of solvent in the electrode slip can at least be reduced. The electrode slip has polymerizable monomers of at least one type of monomer, i.e. monomers of only one type of monomer or a monomer mixture with monomers of several different types of monomer. The monomers used are preferably of only one type of monomer or the monomer mixture used is liquid. When using liquid monomers or a liquid monomer mixture, the use of a solvent can be dispensed with altogether. In particular, the electrode slip has no liquid components apart from the liquid monomers of only one type of monomer or the liquid monomer mixture. If a monomer mixture is present, the various monomers of the monomer mixture preferably polymerize to form a copolymer. The polymerization of the monomers is preferably only initiated after the electrode slip has been applied to the current collector. Alternatively, the polymerization of the monomers is initiated, for example, during application to the current collector.

Vorzugsweise wird die Polymerisation der Monomere durch UV-Strahlung initiiert. Die Monomere werden zur Polymerisation also mit UV-Strahlung beaufschlagt. Die Polymerisation mittels UV-Strahlung bietet den Vorteil, dass keine sonstigen Substanzen wie beispielsweise ein Radikalstarter in die Elektrodenaktivmaterialschicht eingebracht werden müssen.The polymerization of the monomers is preferably initiated by UV radiation. The monomers are exposed to UV radiation for polymerization. Polymerization using UV radiation offers the advantage that no other substances such as a radical initiator need to be introduced into the electrode active material layer.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen

1 einen elektrischen Energiespeicher,
2 ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode des Energiespeichers und
3 ein weiteres Verfahren zum Herstellen der Elektrode.

The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show this

1 an electrical energy storage,
2 a method for producing an electrode of the energy storage and
3 another method for producing the electrode.

1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1 in einer vereinfachten Darstellung. Vorliegend ist der Energiespeicher 1 als Lithiumionenzelle 1 ausgebildet. Der Energiespeicher 1 weist ein Gehäuse 2 auf. Vorliegend ist das Gehäuse 2 beutelförmig beziehungsweise als flexibler Gehäusebeutel 2 ausgebildet. Der Energiespeicher 1 ist entsprechend als Pouch-Bag-Zelle 1 ausgebildet. Der Energiespeicher 1 kann jedoch auch eine andere Art von Gehäuse 2 aufweisen. 1 shows an electrical energy storage device 1 in a simplified representation. In the present case, the energy storage 1 is designed as a lithium ion cell 1. The energy storage 1 has a housing 2. In the present case, the housing 2 is bag-shaped or designed as a flexible housing bag 2. The energy storage 1 is designed accordingly as a pouch bag cell 1. However, the energy storage 1 can also have a different type of housing 2.

Der Energiespeicher 1 weist eine negative Elektrode 3 beziehungsweise Anode 3 auf. Die Anode 3 weist einen Stromsammler 4 auf, bei dem es sich vorliegend um eine Kupferfolie 4 handelt. Auf dem Stromsammler 4 ist eine Anodenaktivmaterialschicht 5 ausgebildet. Die Anodenaktivmaterialschicht 5 weist zumindest ein Anodenaktivmaterial 6 auf. Vorliegend weist die Anodenaktivmaterialschicht 5 als Anodenaktivmaterial 6 Silizium auf. Der Energiespeicher 1 weist außerdem eine positive Elektrode 7 beziehungsweise Kathode 7 auf. Die Kathode 7 weist einen Stromsammler 8 auf, bei dem es sich vorliegend um eine Aluminiumfolie 8 handelt. Auf dem Stromsammler 8 ist eine Kathodenaktivmaterialschicht 9 ausgebildet. Die Kathodenaktivmaterialschicht 9 weist zumindest ein Kathodenaktivmaterial 10 auf. Vorzugsweise ist das Kathodenaktivmaterial 10 ein anorganisches Kathodenaktivmaterial 10 aus der Gruppe umfassend Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (LNMC), Lithium-Nickel-Mangan-Oxid (LNMO), LiCoPO₄, Lithium-Cobalt-Oxid (LCO), Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) sowie deren Mischungen. Vorliegend ist das Kathodenaktivmaterial 10 ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid. Die Stromsammler 4 und 8 ragen zur elektrischen Kontaktierung der Anode 3 sowie der Kathode 7 aus dem Gehäuse 2 heraus. Der Energiespeicher 1 weist außerdem einen Separator 11 auf, der zwischen der Anode 3 und der Kathode 7 wirkt. Der Separator 11 ist derart in dem Gehäuse 2 angeordnet, dass er die Anode 3 und die Kathode 7 räumlich und elektrisch voneinander trennt. Der Energiespeicher 1 weist außerdem einen vorliegend flüssigen Elektrolyt 12 auf, der in das Gehäuse 2 eingefüllt ist. Der Elektrolyt 12 weist Lithiumionen 13 auf, die in 1 stark vergrößert dargestellt sind. Wird der Energiespeicher 1 entladen, so gibt das Anodenaktivmaterial 6 Elektronen ab. Das Kathodenaktivmaterial 10 nimmt die Elektronen auf und es lagern sich Lithiumionen 13 in das Kathodenaktivmaterial 10 ein. Wird der Energiespeicher 1 geladen, so gibt das Kathodenaktivmaterial 10 Elektronen und Lithiumionen 13 ab. Das Anodenaktivmaterial 6 nimmt Elektronen auf. Die Menge an Elektronen, die das Kathodenaktivmaterial 10 und das Anodenaktivmaterial 6 abgeben beziehungsweise aufnehmen können, korrespondiert mit dem Beitrag des Kathodenaktivmaterials 10 zur Kapazität der Kathodenaktivmaterialschicht 9 beziehungsweise dem Beitrag des Anodenaktivmaterials 6 zur Kapazität der Anodenaktivmaterialschicht 6.The energy storage 1 has a negative electrode 3 or anode 3. The anode 3 has a current collector 4, which in the present case is a copper foil 4. An anode active material layer 5 is formed on the current collector 4. The anode active material layer 5 has at least one anode active material 6. In the present case, the anode active material layer 5 has silicon as the anode active material 6. The energy storage 1 also has a positive electrode 7 or cathode 7. The cathode 7 has a current collector 8, which in the present case is an aluminum foil 8. A cathode active material layer 9 is formed on the current collector 8. The cathode active material layer 9 has at least one cathode active material 10. Preferably, the cathode active material 10 is an inorganic cathode active material 10 from the group comprising lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (LNMC), lithium-nickel-manganese oxide (LNMO), LiCoPO ₄ , lithium-cobalt oxide (LCO), lithium -Iron phosphate (LFP) and mixtures thereof. In the present case, the cathode active material 10 is a lithium-nickel-man gan cobalt oxide. The current collectors 4 and 8 protrude from the housing 2 for electrical contacting of the anode 3 and the cathode 7. The energy storage 1 also has a separator 11 which acts between the anode 3 and the cathode 7. The separator 11 is arranged in the housing 2 in such a way that it spatially and electrically separates the anode 3 and the cathode 7 from one another. The energy storage device 1 also has a liquid electrolyte 12 which is filled into the housing 2. The electrolyte 12 has lithium ions 13, which are in 1 are shown greatly enlarged. If the energy storage device 1 is discharged, the anode active material releases 6 electrons. The cathode active material 10 absorbs the electrons and lithium ions 13 are stored in the cathode active material 10. If the energy storage device 1 is charged, the cathode active material 10 releases electrons and lithium ions 13. The anode active material 6 absorbs electrons. The amount of electrons that the cathode active material 10 and the anode active material 6 can release or absorb corresponds to the contribution of the cathode active material 10 to the capacity of the cathode active material layer 9 or the contribution of the anode active material 6 to the capacity of the anode active material layer 6.

Die Kathodenaktivmaterialschicht 9 weist außerdem ein polymeres Bindemittel 14 auf, das in der Kathodenaktivmaterialschicht 9 zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist. Der Massenanteil des polymeren Bindemittels 14 beträgt bezogen auf die Gesamtmasse der Kathodenaktivmaterialschicht 10 zwischen 0,5% und 10%, vorzugsweise zwischen 1% und 4%. Das polymere Bindemittel 14 ist aus Polymeren beziehungsweise Makromolekülen aufgebaut und steigert als Bindemittel zum einen den inneren Zusammenhalt der Kathodenaktivmaterialschicht 9 und zum anderen die Anhaftung der Kathodenaktivmaterialschicht 9 an dem Stromsammler 8. Das polymere Bindemittel 14 der Kathodenaktivmaterialschicht 9 ist derart elektrochemisch aktiv ausgebildet, dass es zu der Kapazität der Kathodenaktivmaterialschicht 9 beiträgt. Das Bindemittel 14 wirkt also als eine Art polymeres oder organisches Kathodenaktivmaterial. Die Kapazität der Kathodenaktivmaterialschicht 9 wird also nicht nur durch die Art und Menge des Kathodenaktivmaterials 10 definiert, sondern auch durch die Art und Menge des polymeren Bindemittels 14. Insofern ist das polymere Bindemittel 14 dazu ausgebildet, beim Entladen des Energiespeichers 1 Elektronen aufzunehmen und beim Laden des Energiespeichers 1 aufgenommene Elektronen abzugeben. Hierzu weist das polymere Bindemittel 14 ein Strukturelement mit einem Redoxpotential auf, das zwischen einem unteren Schlusspotential des Kathodenaktivmaterials 10 und einem oberen Schlusspotential des Kathodenaktivmaterials 10 liegt. Vorliegend ist das Kathodenaktivmaterial 10 wie zuvor erwähnt wurde ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid und weist insofern ein unteres Schlusspotential von 3,6 V und ein oberes Schlusspotential von 4,3 V auf. Entsprechend liegt das Redoxpotential des polymeren Bindemittels 14 zwischen 3,6 V und 4,3 V. Vorzugsweise ist das Redoxpotential höchstens 50 mV kleiner als das obere Schlusspotential, besonders bevorzugt höchstens 30 mV. Bei einem derartigen Redoxpotential wird das Kathodenaktivmaterial 10 beim Laden durch das polymere Bindemittel 14 vor einer Überladung geschützt. Alternativ dazu ist das Redoxpotential vorzugsweise höchstens 50 mV größer als das untere Schlusspotential, besonders bevorzugt höchstens 30 mV. Bei einem derartigen Redoxpotential wird das Kathodenaktivmaterial 10 im Betrieb durch das polymere Bindemittel 14 vor einer Tiefenentladung geschützt. Geeignete elektrochemisch aktive Strukturelemente sind beispielsweise solche, die ein delokalisiertes π-Elektronen-System aufweisen. Derartige Strukturelemente können die Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Elektronen resonanzstabilisieren. Vorzugsweise weist das π-Elektronen-System zumindest ein Stickstoffatom auf. Derartige π-Elektronen-Systeme sind besonders geeignet, ein Elektron unter Ausbildung eines Radikalkations abzugeben. Besonders bevorzugt ist das Strukturelement ein Triphenylamin-Derivat, ein Porphyrin-Derivat oder ein N aphthal i n- Derivat.The cathode active material layer 9 also has a polymeric binder 14, which is at least substantially uniformly distributed in the cathode active material layer 9. The mass fraction of the polymeric binder 14, based on the total mass of the cathode active material layer 10, is between 0.5% and 10%, preferably between 1% and 4%. The polymeric binder 14 is made up of polymers or macromolecules and, as a binder, increases, on the one hand, the internal cohesion of the cathode active material layer 9 and, on the other hand, the adhesion of the cathode active material layer 9 to the current collector 8. The polymeric binder 14 of the cathode active material layer 9 is designed to be electrochemically active in such a way that it contributes to the capacity of the cathode active material layer 9. The binder 14 therefore acts as a type of polymeric or organic cathode active material. The capacity of the cathode active material layer 9 is therefore not only defined by the type and amount of the cathode active material 10, but also by the type and amount of the polymeric binder 14. In this respect, the polymeric binder 14 is designed to accept electrons when discharging the energy storage device 1 and when charging to release electrons absorbed by the energy storage device 1. For this purpose, the polymeric binder 14 has a structural element with a redox potential that lies between a lower final potential of the cathode active material 10 and an upper final potential of the cathode active material 10. In the present case, the cathode active material 10 is, as mentioned above, a lithium-nickel-manganese-cobalt oxide and therefore has a lower final potential of 3.6 V and an upper final potential of 4.3 V. Accordingly, the redox potential of the polymeric binder 14 is between 3.6 V and 4.3 V. Preferably, the redox potential is at most 50 mV smaller than the upper final potential, particularly preferably at most 30 mV. With such a redox potential, the cathode active material 10 is protected from overcharging by the polymeric binder 14 when charging. Alternatively, the redox potential is preferably at most 50 mV greater than the lower final potential, particularly preferably at most 30 mV. With such a redox potential, the cathode active material 10 is protected from deep discharge by the polymeric binder 14 during operation. Suitable electrochemically active structural elements are, for example, those that have a delocalized π-electron system. Such structural elements can resonance-stabilize the absorption or release of electrons. The π-electron system preferably has at least one nitrogen atom. Such π-electron systems are particularly suitable for releasing an electron to form a radical cation. The structural element is particularly preferably a triphenylamine derivative, a porphyrin derivative or a naphthalene derivative.

Wie zuvor erwähnt wurde, ist das polymere Bindemittel 14 aus Polymeren aufgebaut. Ein Polymer wiederum ist aus einer Vielzahl von Monomeren aufgebaut. Dabei können sowohl Monomere nur einer Monomerart als auch Monomere mehrerer verschiedener Monomerarten vorhanden sein. Vorzugsweise weisen die Monomere zumindest einer Monomerart des Polymers das zuvor erwähnte elektrochemisch aktiv ausgebildete Strukturelement auf. Dies ermöglicht es, eine große Anzahl an elektrochemisch aktiv ausgebildeten Strukturelementen in das polymere Bindemittel 14 einzubringen. Hierdurch wird eine effektive Steigerung der Kapazität der Kathodenaktivmaterialschicht 9 erreicht. Vorzugsweise weist das polymere Bindemittel 14 eine spezifische Kapazität von zumindest 5 mAh/g auf, besonders bevorzugt eine spezifische Kapazität von zumindest 10 mAh/g. Vorzugsweise weist das polymere Bindemittel 14 einen Kristallinitätsgrad von 30% bis 70% auf. Bei einem derartigen Kristallinitätsgrad kann eine große Menge an Lithiumionen in dem polymeren Bindemittel 14 gespeichert werden.As previously mentioned, the polymeric binder 14 is constructed of polymers. A polymer, in turn, is made up of a large number of monomers. Monomers of just one type of monomer as well as monomers of several different types of monomer can be present. The monomers of at least one type of monomer of the polymer preferably have the aforementioned electrochemically active structural element. This makes it possible to introduce a large number of electrochemically active structural elements into the polymeric binder 14. This results in an effective increase in the capacity of the cathode active material layer 9. Preferably, the polymeric binder 14 has a specific capacity of at least 5 mAh/g, particularly preferably a specific capacity of at least 10 mAh/g. Preferably, the polymeric binder 14 has a degree of crystallinity of 30% to 70%. With such a degree of crystallinity, a large amount of lithium ions can be stored in the polymeric binder 14.

Die Anodenaktivmaterialschicht 5 weist ein polymeres Bindemittel 18 auf. Der Massenanteil des polymeren Bindemittels 18 beträgt bezogen auf die Gesamtmasse der Anodenaktivmaterialschicht 6 zwischen 0,5% und 10%, vorzugsweise zwischen 1% und 4%. Auch das polymere Bindemittel 18 der Anodenaktivmaterialschicht 5 ist derart elektrochemisch aktiv ausgebildet, dass es zu der Kapazität der Anodenaktivmaterialschicht 5 beiträgt. Das polymere Bindemittel 18 ist also dazu ausgebildet, beim Entladen des Energiespeichers 1 Elektronen abzugeben und beim Laden des Energiespeichers 1 Elektronen aufzunehmen. Das polymere Bindemittel 18 weist hierzu ein Strukturelement mit einem Redoxpotential auf, das zwischen einem unteren Schlusspotential und einem oberen Schlusspotential des Anodenaktivmaterials 6 liegt. Vorliegend ist das Anodenaktivmaterial 6 wie zuvor erwähnt wurde Silizium und weist insofern ein unteres Schlusspotential von 0,05 V und ein oberes Schlusspotential von 1 V auf. Entsprechend liegt das Redoxpotential des polymeren Bindemittels 18 zwischen 0,05 V und 1 V. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Redoxpotential höchstens 50 mV kleiner als das obere Schlusspotential, besonders bevorzugt höchstens 30 mV. Bei einem derartigen Redoxpotential wird das Anodenaktivmaterial 6 im Betrieb beziehungsweise beim Entladen durch das polymere Bindemittel 18 vor einer Tiefenentladung geschützt. Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist das Redoxpotential vorzugsweise höchstens 50 mV größer als das untere Schlusspotential, besonders bevorzugt höchstens 30 mV. Bei einem derartigen Redoxpotential wird das Anodenaktivmaterial 6 beim Laden durch das polymere Bindemittel 18 vor einer Überladung geschützt. Geeignete elektrochemisch aktive Strukturelemente sind wie zuvor erwähnt wurde beispielsweise solche, die ein delokalisiertes π-Elektronen-System aufweisen. Vorzugsweise weist das π-Elektronen-System zumindest ein Stickstoffatom auf. Besonders bevorzugt ist das Strukturelement ein Triphenylamin-Derivat, ein Porphyrin-Derivat oder ein Naphthalin-Derivat. Vorzugsweise weist das polymere Bindemittel 18 eine spezifische Kapazität von zumindest 5 mAh/g auf, besonders bevorzugt eine spezifische Kapazität von zumindest 10 mAh/g.The anode active material layer 5 has a polymeric binder 18. The mass fraction of the polymeric binder 18, based on the total mass of the anode active material layer 6, is between 0.5% and 10%, preferably between 1% and 4%. Also the polymeric binder 18 of the Anode active material layer 5 is designed to be electrochemically active in such a way that it contributes to the capacity of the anode active material layer 5. The polymeric binder 18 is therefore designed to release electrons when discharging the energy storage device 1 and to accept electrons when charging the energy storage device 1. For this purpose, the polymeric binder 18 has a structural element with a redox potential that lies between a lower final potential and an upper final potential of the anode active material 6. In the present case, the anode active material 6 is silicon, as mentioned above, and therefore has a lower final potential of 0.05 V and an upper final potential of 1 V. Accordingly, the redox potential of the polymeric binder 18 is between 0.05 V and 1 V. According to a first embodiment, the redox potential is at most 50 mV smaller than the upper final potential, particularly preferably at most 30 mV. With such a redox potential, the anode active material 6 is protected from deep discharge by the polymeric binder 18 during operation or during discharging. According to a second embodiment, the redox potential is preferably at most 50 mV greater than the lower final potential, particularly preferably at most 30 mV. With such a redox potential, the anode active material 6 is protected from overcharging by the polymeric binder 18 when charging. As mentioned above, suitable electrochemically active structural elements are, for example, those which have a delocalized π-electron system. The π-electron system preferably has at least one nitrogen atom. The structural element is particularly preferably a triphenylamine derivative, a porphyrin derivative or a naphthalene derivative. Preferably, the polymeric binder 18 has a specific capacity of at least 5 mAh/g, particularly preferably a specific capacity of at least 10 mAh/g.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist nur das polymere Bindemittel 14 der Kathodenaktivmaterialschicht 9 oder nur das polymere Bindemittel 18 der Anodenaktivmaterialschicht 6 elektrochemisch aktiv ausgebildet. Im Folgenden wird mit Bezug auf 2 ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen der Kathode 7 näher erläutert. 2 zeigt das Verfahren anhand eines Flussdiagramms.According to a further embodiment, only the polymeric binder 14 of the cathode active material layer 9 or only the polymeric binder 18 of the anode active material layer 6 is designed to be electrochemically active. The following is with reference to 2 an advantageous method for producing the cathode 7 is explained in more detail. 2 shows the process using a flowchart.

In einem ersten Schritt S1 wird ein Elektrodenschlicker 15 bereitgestellt. Vorliegend wird der Elektrodenschlicker 15 dadurch bereitgestellt, dass das Kathodenaktivmaterial 10 in einem Lösemittel 16 suspendiert wird, und dass das elektrochemisch aktiv ausgebildete polymere Bindemittel 14 in dem Lösemittel 16 gelöst wird. Alternativ dazu wird auch das polymere Bindemittel 14 in dem Lösemittel 16 suspendiert.In a first step S1, an electrode slip 15 is provided. In the present case, the electrode slip 15 is provided by suspending the cathode active material 10 in a solvent 16 and by dissolving the electrochemically active polymeric binder 14 in the solvent 16. Alternatively, the polymeric binder 14 is also suspended in the solvent 16.

In einem zweiten Schritt S2 wird der Stromsammler 8 bereitgestellt.In a second step S2, the current collector 8 is provided.

In einem dritten Schritt S3 wird der Elektrodenschlicker 15 als Kathodenaktivmaterialschicht 9 auf den Stromsammler 8 aufgebracht, beispielsweise mittels einer Schlitzdüse. An den dritten Schritt S3 kann sich zumindest ein optionaler weiterer Verfahrensschritt anschließen. Beispielsweise wird die Kathodenaktivmaterialschicht 9 im Anschluss an den dritten Schritt S3 getrocknet und/oder kalandriert.In a third step S3, the electrode slip 15 is applied as a cathode active material layer 9 to the current collector 8, for example by means of a slot nozzle. The third step S3 can be followed by at least one optional further method step. For example, the cathode active material layer 9 is dried and/or calendered following the third step S3.

Im Folgenden wird mit Bezug auf 3 ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen der Kathode 7 näher erläutert. 3 zeigt das Verfahren anhand eines Flussdiagramms.The following is with reference to 3 Another advantageous method for producing the cathode 7 is explained in more detail. 3 shows the process using a flowchart.

In einem ersten Schritt V1 wird ein Elektrodenschlicker 15 bereitgestellt, der das Kathodenaktivmaterial 10 und polymerisierbare Monomere 17 zumindest einer Monomerart aufweist, Insbesondere weist der Elektrodenschlicker 15 polymerisierbare Monomere nur einer Monomerart auf. Alternativ dazu weist der Elektrodenschlicker 15 ein Monomergemisch mit Monomeren mehrerer verschiedener Monomerarten auf. Zumindest die Monomere einer der Monomerarten weisen das elektrochemisch aktiv ausgebildete Strukturelement auf. Vorzugsweise sind die Monomere 17 beziehungsweise das Monomergemisch flüssig. Dies hat den Vorteil, dass auf sonstige Flüssigkeiten beziehungsweise Lösemittel in dem Elektrodenschlicker 15 verzichtet werden kann. Vorliegend ist der Elektrodenschlicker 15 lösemittelfrei. Das Kathodenaktivmaterial 10 ist in den flüssigen Monomeren 17 suspendiert.In a first step V1, an electrode slip 15 is provided which has the cathode active material 10 and polymerizable monomers 17 of at least one type of monomer. In particular, the electrode slip 15 has polymerizable monomers of only one type of monomer. Alternatively, the electrode slip 15 has a monomer mixture with monomers of several different types of monomers. At least the monomers of one of the monomer types have the electrochemically active structural element. The monomers 17 or the monomer mixture are preferably liquid. This has the advantage that other liquids or solvents in the electrode slip 15 can be dispensed with. In the present case, the electrode slip 15 is solvent-free. The cathode active material 10 is suspended in the liquid monomers 17.

In einem zweiten Schritt V2 wird der Stromsammler 8 bereitgestellt.In a second step V2, the current collector 8 is provided.

In einem dritten Schritt V3 wird der Elektrodenschlicker 15 als Kathodenaktivmaterialschicht 9 auf den Stromsammler 8 aufgebracht, beispielsweise mittels einer Schlitzdüse.In a third step V3, the electrode slip 15 is applied as a cathode active material layer 9 to the current collector 8, for example by means of a slot nozzle.

In einem vierten Schritt V4 werden die Monomere 17 derart polymerisiert, dass das polymere Bindemittel 14 erhalten wird. Beispielsweise wird die Polymerisierung der Monomere 17 in dem vierten Schritt V4 durch Beaufschlagen der Monomere 17 mit UV-Strahlung initiiert. Vorzugsweise wird hierzu eine benachbart zu der zuvor erwähnten Schlitzdüse angeordnete UV-Strahlungsquelle verwendet. An den vierten Schritt V4 kann sich zumindest ein optionaler weiterer Verfahrensschritt anschließen. Beispielsweise wird die positive Elektrodenaktivmaterialschicht 5 im Anschluss an den vierten Schritt V4 getrocknet und/oder kalandriert.In a fourth step V4, the monomers 17 are polymerized in such a way that the polymeric binder 14 is obtained. For example, the polymerization of the monomers 17 is initiated in the fourth step V4 by exposing the monomers 17 to UV radiation. For this purpose, a UV radiation source arranged adjacent to the previously mentioned slot nozzle is preferably used. The fourth step V4 can be followed by at least one optional further method step. For example, the positive electrode active material layer 5 is dried and/or calendered following the fourth step V4.

Vorstehend wurden mit Bezug auf die 2 und 3 Verfahren zum Herstellen der Kathode 7 näher erläutert. Soll stattdessen die Anode 3 hergestellt werden, so kann entsprechend vorgegangen werden. Anstelle des Kathodenaktivmaterials 10 wird dann das Anodenaktivmaterial 6 eingesetzt. Bei dem in 2 dargestellten Verfahren wird zudem anstelle des polymeren Bindemittels 14 das polymere Bindemittel 18 eingesetzt. Bei dem in 3 dargestellten Verfahren werden Monomere 17 für das polymere Bindemittel 18 eingesetzt.The above was made with reference to the 2 and 3 Method for producing the cathode 7 explained in more detail. If the anode 3 is to be produced instead, you can proceed accordingly. Instead of the cathode active material 10, the anode active material 6 is then used. At the in 2 In the method shown, the polymeric binder 18 is also used instead of the polymeric binder 14. At the in 3 In the method shown, monomers 17 are used for the polymeric binder 18.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: EnergiespeicherEnergy storage
22: GehäuseHousing
33: Anodeanode
44: StromsammlerCurrent collector
55: AnodenaktivmaterialschichtAnode active material layer
66: AnodenaktivmaterialAnode active material
77: Kathodecathode
88th: StromsammlerCurrent collector
99: KathodenaktivmaterialschichtCathode active material layer
1010: KathodenaktivmaterialCathode active material
1111: Separatorseparator
1212: Elektrolytelectrolyte
1313: LithiumionenLithium ions
1414: Polymeres BindemittelPolymeric binder
1515: ElektrodenschlickerElectrode slip
1616: LösemittelSolvent
1717: MonomerMonomer
1818: Polymeres BindemittelPolymeric binder

Claims

Electrode for an electrical energy storage device, with an electrode active material layer (5,9) which has at least one electrode active material (6,10) and a polymeric binder (18,14), the polymeric binder (18,14) being designed to be electrochemically active, that it contributes to a capacity of the electrode active material layer (5,9), characterized in that the electrode active material (6,10) has a lower closing potential and an upper closing potential, with a redox potential of the polymeric binder (18,14) being at most 50 mV smaller than the upper final potential of the electrode active material (6,10) or at most 50 mV greater than the lower final potential of the electrode active material (6,10).

Electrode after Claim 1 , characterized in that the redox potential of the polymeric binder (18,14) is at most 30 mV smaller than the upper final potential of the electrode active material (6,10) or that the redox potential of the polymeric binder (18,14) is at most 30 mV greater than that lower final potential of the electrode active material (6,10).

Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the polymeric binder (18,14) has a specific capacity of at least 5 mAh/g, particularly preferably a specific capacity of at least 10 mAh/g.

Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the polymeric binder (18,14) has at least one type of monomer with an electrochemically active structural element.

Electrode after Claim 4 , characterized in that the structural element has a delocalized π-electron system.

Electrode after Claim 5 , characterized in that the delocalized π-electron system has at least one nitrogen atom.

Electrode according to one of the Claims 4 until 6 , characterized in that the structural element is a triphenylamine derivative, a porphyrin derivative or a naphthalene derivative.

Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that a degree of crystallinity of the polymeric binder (18,14) is between 30% and 70%, particularly preferably between 40% and 70%.

Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the mass fraction of the polymeric binder (18,14) based on the total mass of the electrode active material layer (5,9) is 0.5% to 10%, particularly preferably 1% to 4%.

Electrical energy storage, characterized by at least one electrode (3,7) according to one of the preceding claims.

Method for producing an electrode for an electrical energy storage device, wherein to produce the electrode (3,7) an electrode active material layer (5,9) is produced which has at least one electrode active material (6,10) and a polymeric binder (18,14), which is designed to be electrochemically active in such a way that it leads to a capa ity of the electrode active material layer (5,9), characterized in that the electrode active material (6,10) has a lower final potential and an upper final potential, a redox potential of the polymeric binder (18,14) being at most 50 mV smaller than the upper final potential of the electrode active material (6,10) or at most 50 mV greater than the lower final potential of the electrode active material (6,10).

Procedure according to Claim 11 , characterized in that an electrode slip (15) is provided which has the electrode active material (6,10) and the polymeric binder (18,14), and that the electrode active material layer (5,9) is made from the electrode slip (15).

Procedure according to Claim 11 , characterized in that an electrode slip (15) is provided which has the electrode active material (6,10) and polymerizable monomers (17) of at least one type of monomer, that the electrode slip (15) is applied as an electrode active material layer (5,9) to a current collector (4 , 8) is applied, and that the monomers (17) are polymerized in such a way that the polymeric binder (18, 14) is obtained.

Procedure according to Claim 13 , characterized in that the polymerization of the monomers (17) is initiated by UV radiation.