DE102022209366A1

DE102022209366A1 - Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode, negative Elektrode, galvanische Zelle und Verwendungen der galvanischen Zelle

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Publication number: DE102022209366A1
Application number: DE102022209366.6A
Authority: DE
Inventors: Kathrin Schad; Kai Peter Birke; Max Weeber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2024-03-14
Also published as: WO2024052070A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode, eine negative Elektrode, eine galvanische Zelle und Verwendungen der galvanischen Zelle vorgestellt. In dem Verfahren wird auf eine Oberseite einer flächigen Metallstruktur, die nicht aus Lithium besteht, eine Beschichtung aufgebracht, die ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht, und auf eine Unterseite der flächigen Metallstruktur ein metallischer Ableiter aufgebracht, der in Richtung der Metallstruktur eine Vielzahl von Öffnungen aufweist. Anschließend wird der metallische Ableiter durch Ausübung eines mechanischen Drucks in die Metallstruktur eingedückt, wodurch sich die Öffnungen des metallischen Ableiters zumindest bereichsweise mit Metall der Metallstruktur füllen. Das Verfahren ist einfach und kostengünstig durchführbar und ermöglicht die Herstellung einer negativen Elektrode, die eine hohe Energiedichte auf Zellebene sowie eine hohe chemische, elektrochemische und mechanische Stabilität aufweist und auf diese Weise eine hohe Zykelstabilität aufweist und hohe Betriebsströme ermöglicht.

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode, eine negative Elektrode, eine galvanische Zelle und Verwendungen der galvanischen Zelle vorgestellt. In dem Verfahren wird auf eine Oberseite einer flächigen Metallstruktur, die nicht aus Lithium besteht, eine Beschichtung aufgebracht, die ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht, und auf eine Unterseite der flächigen Metallstruktur ein metallischer Ableiter aufgebracht, der in Richtung der Metallstruktur eine Vielzahl von Öffnungen aufweist. Anschließend wird der metallische Ableiter durch Ausübung eines mechanischen Drucks in die Metallstruktur eingedückt, wodurch sich die Öffnungen des metallischen Ableiters zumindest bereichsweise mit Metall der Metallstruktur füllen. Das Verfahren ist einfach und kostengünstig durchführbar und ermöglicht die Herstellung einer negativen Elektrode, die eine hohe Energiedichte auf Zellebene sowie eine hohe chemische, elektrochemische und mechanische Stabilität aufweist und auf diese Weise eine hohe Zykelstabilität aufweist und hohe Betriebsströme ermöglicht.
Kommerziell Alkali-Batterien (z.B. Lithium-Ionen-Batterien mit einer Graphitanode) sind materialbedingt an einem Limit bezüglich der möglichen Energiedichte angelangt. Zusätzlich zu den steigenden Leistungsanforderungen sorgen hohe prozess- und lieferbedingte Materialkosten für die Notwendigkeit alternativer Anodenansätze.
Zur Verbesserung der Energiedichte von Alkali-Batterien wurde in der Literatur vorgeschlagen, anstelle einer Graphit-basierten negativen Elektrode (Anode) metallisches Lithium, Li-Metalllegierungen oder Na-Metalllegierungen zu verwenden (z.B. eine LiAI-Legierung oder eine NaAI-Legierung). Die Verwendung von reinem Lithium bzw. von Metalllegierungen führt jedoch zu einer unzureichenden Zykelfestigkeit und ist mit hohen Herstellungskosten und Materialkosten verbunden.
Die CN 109244374 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer (negativen) Elektrode für eine Alkali-Batterie. In dem Verfahren wird ein mit Stickstoff dotiertes Edelstahlgewebe und eine Metallfolie, die aus Lithium besteht, in einer Tablettenpresse mechanisch zusammengepresst, um ein Elektrode herzustellen, die ein dreidimensionales, poröses Lithiummetall-Verbundmaterial aufweist. Problematisch an der Verwendung der Metallfolie, die aus Lithium besteht ist, dass die Herstellung der Elektrode, durch herausfordernde Handhabung von Lithiummetall und die hohen Materialkosten, kostenintensiv ist. Ferner ist die Zykelfestigkeit dieser Elektrode verbesserungswürdig.
Die JP S62 139276 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Alkali-Batterie, bei dem in der negativen Elektrode eine Lithium-Aluminium-Legierung eingesetzt wird, wobei der Lithiumgehalt in der Lithium-Aluminium-Legierung auf 35-45 Mol-% eingestellt wird. In dem Verfahren kommt es zu einer direkten Verarbeitung von Lithiummetall, d.h. es kommt schon bei einem Heißpressvorgang zu einer Legierungsbildung von Lithiummetall mit Aluminium. Eine direkte Verarbeitung von Lithiummetall ist herausfordern und kostenintensiv. Ferner ist die Zykelfestigkeit der negativen Elektrode der hergestellten Alkali-Batterie verbesserungswürdig.
Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine galvanische Zelle, eine negative Elektrode für eine galvanische Zelle und eine galvanische Zelle bereitzustellen, welche die Nachteile aus dem Stand der Technik nicht aufweisen. Insbesondere sollte das Verfahren einfach sein und auf kostengünstige Art und Weise eine negative Elektrode bereitstellen, die bei ihrer Verwendung in einer galvanischen Zelle eine hohe Energiedichte auf Zellebene, eine hohe chemische, elektrochemische und mechanische Stabilität aufweist und auf diese Weise eine hohe Zykelstabilität aufweist und hohe Betriebsströme ermöglicht. Ferner sollten Verwendungen der galvanischen Zelle vorgeschlagen werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, die negative Elektrode mit den Merkmalen von Anspruch 8, die galvanische Zelle mit den Merkmalen von Anspruch 15 und die Verwendung mit den Merkmalen von Anspruch 16. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine galvanische Zelle bereitgestellt, umfassend

a) Bereitstellen einer flächigen Metallstruktur, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallfolie, Streckmetall, Lochblech, Metallnetz und Kombinationen hiervon, wobei die flächige Metallstruktur eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, wobei die Metallstruktur nicht aus Lithiummetall besteht;
b) Aufbringen einer Beschichtung auf die Oberseite der Metallstruktur, wobei die Beschichtung ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht;
c) Aufbringen einer flächigen Oberseite eines flächigen metallischen Ableiters auf die Unterseite der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, die maximal so groß ist wie die Höhe der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite eine Vielzahl von Öffnungen aufweist; und
d) Eindrücken des metallische Ableiters über eine bestimmte Strecke, die zumindest teilweise der Höhe des metallischen Ableiters entspricht, in die Metallstruktur durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters, wodurch sich die Öffnungen des metallischen Ableiters zumindest entlang der bestimmten Strecke mit Metall der Metallstruktur füllen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf einfache und kostengünstige Art und Weise durchführbar. Mit dem Verfahren kann eine negative Elektrode hergestellt werden, die eine hohe Energiedichte auf Zellebene, eine hohe chemische, elektrochemische und mechanische Stabilität aufweist und auf diese Weise eine hohe Zykelstabilität aufweist und hohe Betriebsströme ermöglicht.
Diese Vorteile ergeben sich aus dem Eindrücken des metallischen Ableiters über eine bestimmte Strecke, die zumindest teilweise der Höhe des metallischen Ableiters entspricht, in die Metallstruktur unter Füllung der Öffnungen des metallischen Ableiters mit Metall der Metallstruktur, da hierbei ein sehr inniger mechanischer Kontakt und elektrisch leitender Kontakt zwischen der Metallstruktur und dem metallischen Ableiter an deren Unterseite entsteht. Weist der elektrisch leitende Kontakt und/oder die Metallstruktur vor dem Eindrücken eine Metalloxid-Schicht auf der Oberfläche auf (z.B. Aluminiumoxid bei Aluminium), so kommt es aufgrund des Eindrückens zu einem mechanischen Aufreißen der Metalloxid-Schicht, was den elektrischen Kontakt zwischen der Metallstruktur und dem metallischen Ableiter verbessert. Zusätzlich entfällt auf diese Weise der Spannungsverlust bedingt durch das Durchbrechen der Oxidschicht beim ersten Laden. Die Vielzahl von Öffnungen, die der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite aufweist, bewirken zudem, dass Material der Metallstruktur in diese Öffnungen eingedrückt wird und eine homogenere Verteilung der Stromdichte bei einem Betrieb der Elektrode erfolgen kann.
Bei dem in dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Eindrücken entsteht zwangsweise auch eine Kraft auf die Beschichtung auf der Oberseite der Metallstruktur, welche die Beschichtung, die auf der Oberfläche der Oberseite der Metallstruktur aufgebracht wurde, auf die Oberfläche der Metallstruktur aufdrückt bzw. sogar zumindest teilweise in diese hineindrückt. Folglich entsteht auch ein inniger mechanischer Kontakt zwischen der Metallstruktur und der Beschichtung auf der Oberseite der Metallstruktur, was die mechanische Belastbarkeit erhöht und durch den sich einstellenden Konzentrationsgradienten die Elektrolytverteilung an der Grenzfläche begünstigt. Die homogene Elektrolytverteilung hat den Vorteil einer homogenen Legierungsbildung, was zu erhöhter Zykelstabilität und einer optimierten Kapazitätsausnutzung führt. Im Zellbetrieb bildet sich in den Poren der Beschichtung ein stabiler, immobilisierter, ionenleitender und elektrisch isolierender Passivierungsfilm aus Zersetzungsprodukten des Flüssigelektrolyts (Solid electrolyte interface, SEI). Die Beschichtung nimmt hierbei dir Rolle eines „SEI-Precursors“ ein. Die durch die Beschichtung stabilisierte SEI dient hierbei als zusätzliche Schutzschicht der Metallstruktur. Die Beschichtung kann jedoch bereits Material enthalten, welches die Beschichtung zu einem Festelektrolyten macht. In diesem Fall liegt Festelektrolyt an der Oberfläche der Metallstruktur in konzentrierter Form vor, d.h. die ionische Leitfähigkeit an dieser Grenzfläche ist hoch. Auf diese Weise werden die Polarisationseffekte minimiert. Die Energiedichte der über das Verfahren hergestellten Elektrode ist aufgrund der Realisierbarkeit von hochkapazitiven Anodenmaterialien wie bspw. der Lithium-Aluminium-Legierung sehr hoch.
Die Zykelfestigkeit der über das Verfahren hergestellten Elektrode ist hoch, da die Struktur der hergestellten Elektrode ein Dendritenwachstum unterdrückt. Dadurch erhöht sich auch die Sicherheit beim Betrieb der hergestellten Elektrode, da ein Dendriten-bedingter Kurzschluss vermieden werden kann.
Die Produktion der Elektrode über das erfindungsgemäße Verfahren gestaltet sich zudem einfach und kostengünstig, da keine Metallstruktur aus Lithiummetall verwendet wird.
Die Vielzahl von Öffnungen, die der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite aufweist, können durchgängige Öffnungen sein. Folglich kann der metallische Ableiter auch an seiner Unterseite eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen. Der Vorteil hierbei ist, dass die Homogenität der Stromdichte während einem Betrieb der Elektrode durch die Dreidimensionalität der Ableiterstruktur noch weiter gesteigert ist. Auf diese Weise kommt es zur gleichmäßigen Materialbelastung und daher zu einer gesteigerten Zykelstabilität.
Die in dem Verfahren verwendete Metallstruktur kann Aluminium enthalten oder daraus bestehen, wobei das Aluminium optional mit einem von Aluminium verschiedenen Metall legiert ist, bevorzugt in einem Anteil von 0,1 bis 20,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 5,0 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht der Metallstruktur. Eine solche Metallstruktur hat den Vorteil, dass ihr spezifisches Gewicht sehr gering ist (z.B. ist die spezifische Dichte nur ca. 30% der von Kupfer) und ihre spezifische elektrische Leitfähigkeit verhältnismäßig hoch ist (z.B. ist die elektrische Leitfähigkeit ca. 65% der von Kupfer). Folglich weist Aluminium beispielsweise gegenüber Kupfer ein besseres Verhältnis aus elektrischer Leitfähigkeit zu spezifischem Gewicht auf, was es gerade für mobile Anwendungen leistungsfähiger und attraktiver als eine Metallstruktur aus Kupfer macht. Ein weiterer Vorteil von Aluminium ist, dass es eine Legierung mit Lithium ausbildet, die zu einer potenzialbedingten Herabsetzung der Dendritengefahr im Vergleich zu Lithiummetall führt. Ferner kann Aluminium ein niedriges Anodenpotenzial (U_anode) bereitstellen (U von LiAI-Legierung ist ca. 0,3V vs Li/Li⁺, was nur geringfügig über dem Anodenpotenzial von kommerziell verwendetem Graphit liegt). Darüber hinaus kann Aluminium eine hohe spezifische Kapazität bereitstellen (z.B. als LiAl 993 Ah/kg, was der dreifachen Kapazität von Graphit entspricht). Durch die hohe sich ergebende Gesamtkapazität C und der hohen sich ergebenden Zellspannung U (U = U_kathode - U_anode) ermöglicht Aluminium eine hohe Energiedichte E = C * U auf Zellebene und ist kostengünstiger als andere passende Legierungsbildner wie Indium oder Silizium.
Ferner kann die in dem Verfahren verwendete Metallstruktur mindestens ein Element ausgewählt aus der II. Hauptgruppe des Periodensystems, der III. Hauptgruppe des Periodensystems, der IV. Hauptgruppe des Periodensystems, einer Nebengruppe des Periodensystems und Kombinationen hiervon enthalten, wobei das mindestens eine Element bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Indium, Zink, Zinn, Silizium, Mangan und Kombinationen hiervon.
Darüber hinaus kann die in dem Verfahren verwendete Metallstruktur eine Höhe, in einer Richtung senkrecht auf eine Fläche der Metallstruktur, im Bereich von 1 bis 100 µm, bevorzugt 5 bis 50 µm, besonders bevorzugt 10 bis 40 µm, aufweisen.
Abgesehen davon kann die in dem Verfahren verwendete Metallstruktur eine Oberseite und/oder Unterseite aufweisen, die eine Oberflächenstrukturierung aufweist. Die Oberflächenstrukturierung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus gebürstete Oberflächenstrukturierung, geriffelte Oberflächenstrukturierung, geprägte Oberflächenstrukturierung und Kombinationen hiervon.
Die in dem Verfahren verwendeten keramischen Partikel der Beschichtung können ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus keramisches Oxid, keramisches Sulfid, keramisches Sulfat, keramisches Phosphid, keramisches Phosphat, keramisches Silikat, keramisches Nitrid, keramisches Nitrat und Kombinationen hiervon. Das in dem Verfahren verwendete Material ist besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphorsulfid (Li₃PS₄), Lithium-Germanium-Phosphorsulfid (Li₁₀GeP₂S₁₂), Lithium-Silizium-Phosphorsulfid (Li₁₁Si₂PS₁₂), Li₆PS₅Cl, Li₆PS₅Br, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat und Kombinationen hiervon, wobei das Material insbesondere Aluminiumoxid (Al₂O₃) ist. Al₂O₃ hat den Vorteil, dass es kostengünstig im Vergleich zu Festelektrolytsalzen wie Lithiumphosphorsulfid ist. Ferner bildet Al₂O₃ eine inerte Schutzschicht aus, sodass keine unerwünschten Nebenreaktionen auftreten. Darüber hinaus sorgt eine Verarbeitung von Al₂O₃-Partikeln in der Beschichtung für poröse Strukturen, was eine optimierte Elektrolytverteilung, d.h. einen SEI-Precursor-Effekt, bewirkt.
Ferner kann das in dem Verfahren verwendete Material einen mittleren Partikeldurchmesser d₅₀ im Bereich von 0,05 bis 30 µm, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1 µm, aufweisen, wobei sich der mittlere Partikeldurchmesser auf einen mit dynamischer Lichtstreuung bestimmten Partikeldurchmesser bezieht.
Das in dem Verfahren verwendete Polymer der Beschichtung kann einen Kunststoff enthalten oder daraus bestehen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Polyisobutylen und Kombinationen hiervon. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Kunststoff um Polyisobutylen. Polyisobutylen hat den Vorteil, dass es eine gute Adhäsion bewirkt, d.h. eine gute Haftung der Beschichtung hervorruft. Ferner ist die Nachhaltigkeit und Umweltverträglich von Polyisobutylen im Vergleich zu fluorierten Verbindungen höher.
Ferner kann das in dem Verfahren verwendete Polymer einen fluorierten Kunststoff enthalten oder daraus bestehen, wobei der fluorierte Kunststoff insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PVDF, PVDF-HFP und Kombinationen hiervon.
In dem Verfahren kann die Beschichtung mechanisch aufgewalzt werden.
Ferner kann die Beschichtung in dem Verfahren über Nassbeschichtung und/oder Trockenbeschichtung aufgebracht werden.
Darüber hinaus kann die Beschichtung in dem Verfahren durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Beschichtung in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm², bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm², auf, und bevorzugt in, die Metallstruktur gedrückt werden. Besonders bevorzugt wird der mechanische Druck über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert.
Zudem kann die in dem Verfahren aufgebrachte Beschichtung in einer Richtung senkrecht auf die Oberseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 0,05 bis 200 µm, bevorzugt 0,1 bis 100 µm, aufweisen.
Ferner kann die in dem Verfahren aufgebrachte Beschichtung eine poröse Beschichtung sein.
Darüber hinaus kann die in dem Verfahren aufgebrachte Beschichtung mit einem Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt für eine galvanische Zelle kontaktiert werden.
Der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt kann eine Flüssigkeit enthalten, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus EC, PC, DMC, EMC, DEC, VEC, VC, FEC, TBAC (Acetyltributylcitrat), GTB (Glycerintributyrat), GTA (Glycerintriacetat), y-Buthyrolacton, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon, besonders bevorzugt eine Flüssigkeit enthalten, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon. PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA und ionische Flüssigkeiten haben den Vorteil, dass sie hochsiedende Flüssigkeiten sind, die eine hohe Temperaturstabilität aufweisen, was die Brandgefahr herabsetzt und die Betriebssicherheit erhöht.
Ferner kann der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt ein Lithium-Leitsalz und/oder ein Natrium-Leitsalz enthalten, wobei das Lithium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiPF₆, LiClO₄, LiNO₃, C₆H₁₈LiNSi₂, F₂LiNO₄S₂, C₂F₆LiNO₄S₂, LiB[C₂O₄]₂, LiBF₄ und Kombinationen hiervon und/oder das Natrium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus NaPF₆, NaBF₄, NaTF, NaTFSI, NaClO₄ und Kombinationen hiervon.
Zudem kann die in dem Verfahren aufgebrachte Beschichtung durch eine Kontaktierung mit einem Flüssigelektrolyten einen quasifesten Zustand oder einen gelförmigen Zustand einnehmen.
Der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine höhere Vickershärte aufweist als das Metall der Metallstruktur.
Ferner kann der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Kupfer, Nickel und Kombinationen und Legierungen hiervon, wobei das Metall bevorzugt Edelstahl, insbesondere Edelstahl 1.4301, ist. Edelstahl hat den Vorteil, dass es eine hohe Vickershärte aufweist und keine Legierung mit Lithium ausbildet. Ferner ist es als kostengünstiges, kommerzielles Material in allen Formen und Strukturen erhältlich.
Zudem kann der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm², bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm², in die Metallstruktur eingedrückt werden, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wird.
Abgesehen davon kann der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter von der Oberseite zur Unterseite eine Vielzahl von durchgängigen Öffnungen aufweisen.
Darüber hinaus kann der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle zur mechanischen Beständigkeit gegenüber volumetrischer Ausdehnungen beim Zyklisieren beitragen, insbesondere beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle gegenüber einer volumetrischen Ausdehnung während einem Zyklisieren mechanisch beständig sein.
Ferner kann der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter in einer Richtung senkrecht auf die Unterseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 1 bis 100 µm, bevorzugt 5 bis 50 µm, besonders bevorzugt 10 bis 40 µm, optional 10 bis 20 µm, aufweisen.
Der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter kann als löchrige Folie, löchriges Streckmetall oder Drahtnetz ausgestaltet sein. Bevorzugt ist der metallische Ableiter als Drahtnetz ausgestaltet. Der Vorteil eines Drahtnetzes ist, dass feinverteilte Heterogenitäten durch ein feinmaschiges Netz eingebracht werden können, was eine homogene, dreidimensionale Stromdichteverteilung über die gesamte negative Elektrode (Anode) bewirkt. Das Drahtnetz weist besonders bevorzugt eine Maschenweite im Bereich von 0,01 bis 0,1 mm, insbesondere im Bereich von 0,04 bis 0,063 µm, auf. Ferner ist besonders bevorzugt, dass das Drahtnetz Drähte enthält oder daraus besteht, die einen Durchmesser im Bereich von 0,020 bis 0,050 mm, bevorzugt im Bereich von 0,028 bis 0,040 mm, aufweisen.
Erfindungsgemäß wird ferner eine negative Elektrode für eine galvanische Zelle bereitgestellt, enthaltend oder bestehend aus

i) eine flächige Metallstruktur, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallfolie, Streckmetall, Lochblech, Metallnetz und Kombinationen hiervon, wobei die Metallstruktur eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, wobei die Metallstruktur nicht aus Lithiummetall besteht;
ii) eine Beschichtung, die auf der Oberseite der Metallstruktur aufgebracht ist, wobei die Beschichtung ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht; und
iii) einen flächigen metallischen Ableiter, wobei der metallische Ableiter eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, die maximal so groß ist wie die Höhe der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite eine Vielzahl von Öffnungen aufweist;

Die erfindungsgemäße negative Elektrode ist einfach und kostengünstig bereitstellbar. Sie weist eine hohe Energiedichte auf Zellebene sowie eine hohe chemische, elektrochemische und mechanische Stabilität auf und weist auf diese Weise eine hohe Zykelstabilität auf. Sie ermöglicht zudem hohe Betriebsströme.
Die Metallstruktur der Elektrode kann Aluminium enthalten oder daraus bestehen, wobei das Aluminium optional mit einem von Aluminium verschiedenen Metall legiert ist, bevorzugt in einem Anteil von 0,1 bis 20,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 5,0 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht der Metallstruktur. Eine solche Metallstruktur hat den Vorteil, dass ihr spezifisches Gewicht sehr gering ist (z.B. ist die spezifische Dichte nur ca. 30% der von Kupfer) und ihre spezifische elektrische Leitfähigkeit verhältnismäßig hoch ist (z.B. ist die elektrische Leitfähigkeit ca. 65% der von Kupfer). Folglich weist Aluminium beispielsweise gegenüber Kupfer ein besseres Verhältnis aus elektrischer Leitfähigkeit zu spezifischem Gewicht auf, was es gerade für mobile Anwendungen leistungsfähiger und attraktiver als eine Metallstruktur aus Kupfer macht. Ein weiterer Vorteil von Aluminium ist, dass es Legierung mit Lithium ausbildet, die zu einer potenzialbedingten Herabsetzung der Dendritengefahr im Vergleich zu Lithiummetall beitragen. Ferner kann Aluminium ein niedriges Anodenpotenzial U bereitstellen (U von LiAI-Legierung ist ca. 0,3V vs Li/Li⁺, was vergleichbar mit Graphit ist). Darüber hinaus kann Aluminium eine hohe spezifische Kapazität bereitstellen (z.B. als LiAl 993 Ah/kg, was der dreifachen Kapazität von Graphit entspricht). Zudem ermöglicht Aluminium eine hohe Energiedichte E = C * U und ist kostengünstiger als andere passende Legierungsbildner wie Indium oder Silizium.
Ferner kann die Metallstruktur der Elektrode mindestens ein Element ausgewählt aus der II. Hauptgruppe des Periodensystems, der III. Hauptgruppe des Periodensystems, der IV. Hauptgruppe des Periodensystems, einer Nebengruppe des Periodensystems und Kombinationen hiervon, enthalten, wobei das mindestens eine Element bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Indium, Zink, Zinn, Silizium, Mangan und Kombinationen hiervon.
Abgesehen davon kann die Metallstruktur der Elektrode eine Höhe, in einer Richtung senkrecht auf die Oberseite der Metallstruktur, im Bereich von 1 bis 100 µm, bevorzugt 5 bis 50 µm, besonders bevorzugt 10 bis 40 µm, aufweisen.
Darüber hinaus kann die Metallstruktur der Elektrode eine Oberseite und/oder Unterseite aufweisen, die eine Oberflächenstrukturierung aufweist. Die Oberflächenstrukturierung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus gebürstete Oberflächenstrukturierung, geriffelte Oberflächenstrukturierung, geprägte Oberflächenstrukturierung und Kombinationen hiervon.
Die keramischen Partikel der Beschichtung können ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus keramisches Oxid, keramisches Sulfid, keramisches Sulfat, keramisches Phosphid, keramisches Phosphat, keramisches Silikat, keramisches Nitrid, keramisches Nitrat und Kombinationen hiervon. Besonders bevorzugt ist das Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphorsulfid (Li₃PS₄), Lithium-Germanium-Phosphorsulfid (Li₁₀GeP₂S₁₂), Lithium-Silizium-Phosphorsulfid (Li₁₁Si₂PS₁₂), Li₆PS_sCl, Li₆PS₅Br, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat und Kombinationen hiervon, wobei das Material insbesondere Aluminiumoxid (Al₂O₃) ist. Al₂O₃ hat den Vorteil, dass es kostengünstig im Vergleich zu Festelektrolytsalzen wie Lithiumphosphorsulfid ist. Ferner bildet Al₂O₃ eine inerte Schutzschicht aus, sodass keine unerwünschten Nebenreaktionen auftreten. Darüber hinaus sorgt eine Verarbeitung von Al₂O₃-Partikeln in Beschichtung für poröse Struktur, was eine optimierte Elektrolytverteilung, d.h. einen SEI-Precursor-Effekt, bewirkt.
Ferner können die keramischen Partikel der Beschichtung einen mittleren Partikeldurchmesser d₅₀ im Bereich von 0,05 bis 30 µm, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1 µm, aufweisen, wobei sich der mittlere Partikeldurchmesser auf einen mit dynamischer Lichtstreuung bestimmten Partikeldurchmesser bezieht.
Das Polymer der Beschichtung kann einen Kunststoff enthalten oder daraus bestehen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Polyisobutylen und Kombinationen hiervon. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Kunststoff um Polyisobutylen. Polyisobutylen hat den Vorteil, dass es eine gute Adhäsion bewirkt, d.h. eine gute Haftung der Beschichtung hervorruft. Ferner ist die Nachhaltigkeit und Umweltverträglich von Polyisobutylen im Vergleich zu fluorierten Verbindungen höher.
Ferner kann das Polymer der Beschichtung einen fluorierten Kunststoff enthalten oder daraus bestehen, wobei der fluorierte Kunststoff insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PVDF, PVDF-HFP und Kombinationen hiervon.
Die Beschichtung kann mechanisch aufgewalzt sein.
Ferner kann die Beschichtung über Nassbeschichtung und/oder Trockenbeschichtung aufgebracht sein.
Darüber hinaus kann die Beschichtung durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf Beschichtung in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm², bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm², auf, und bevorzugt in, die Metallstruktur gedrückt worden sein, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wurde.
Abgesehen davon kann die Beschichtung in einer Richtung senkrecht Oberseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 0,05 bis 2 µm, bevorzugt 0,1 bis 1 µm, aufweisen.
Die Beschichtung kann eine poröse Beschichtung sein.
Ferner kann die Beschichtung einen Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt für eine galvanische Zelle aufweisen.
Der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt kann eine Flüssigkeit enthalten, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus EC, PC, DMC, EMC, DEC, VEC, VC, FEC, TBAC (Acetyltributylcitrat), GTB (Glycerintributyrat), GTA (Glycerintriacetat), y-Buthyrolacton, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon. Besonders bevorzugt enthält der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt eine Flüssigkeit, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon. PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA und ionische Flüssigkeiten haben den Vorteil, dass sie hochsiedende Flüssigkeiten sind, die eine hohe Temperaturstabilität aufweisen, was die Brandgefahr herabsetzt und die Betriebssicherheit erhöht.
Ferner kann der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt ein Lithium-Leitsalz und/oder ein Natrium-Leitsalz enthalten, wobei das Lithium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiPF₆, LiClO₄, LiNO₃, C₆H₁₈LiNSi₂, F₂LiNO₄S₂, C₂F₆LiNO₄S₂, LiB[C₂O₄]₂, LiBF₄ und Kombinationen hiervon und/oder das Natrium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus NaPF₆, NaBF₄, NaTF, NaTFSI, NaClO₄ und Kombinationen hiervon.
Darüber hinaus kann der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt (durch Aufweisen eines Flüssigelektrolyten) in einem quasifesten Zustand oder einem gelförmigen Zustand vorliegen.
Der metallische Ableiter kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine höhere Vickershärte aufweist als das Metall der Metallstruktur.
Ferner kann der metallische Ableiter ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Kupfer, Nickel und Kombinationen und Legierungen hiervon, wobei das Metall bevorzugt Edelstahl, insbesondere Edelstahl 1.4301, ist. Edelstahl hat den Vorteil, dass es eine hohe Vickershärte aufweist und keine Legierung mit Lithium ausbildet. Ferner ist es als kostengünstiges, kommerzielles Material in alle Formen und Strukturen erhältlich.
Darüber hinaus kann der metallische Ableiter durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm², bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm², in die Metallstruktur eingedrückt worden sein, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wurde.
Abgesehen davon kann der metallische Ableiter von der Oberseite zur Unterseite eine Vielzahl von durchgängigen Öffnungen aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass der metallische Ableiter beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle zur mechanischen Beständigkeit gegenüber volumetrischer Ausdehnungen beim Zyklisieren beitragen, insbesondere beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle gegenüber einer volumetrischen Ausdehnung während einem Zyklisieren mechanisch beständig sein.
Der metallische Ableiter kann, in einer Richtung senkrecht auf die Unterseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 1 bis 100 µm, bevorzugt 5 bis 50 µm, besonders bevorzugt 10 bis 40 µm, optional 10 bis 20 µm, aufweisen.
Der metallische Ableiter kann als löchrige Folie, löchriges Streckmetall oder Drahtnetz ausgestaltet sein. Der metallische Ableiter ist bevorzugt als Drahtnetz ausgestaltet. Der Vorteil eines Drahtnetzes ist, dass feinverteilte Heterogenitäten durch ein feinmaschiges Netz eingebracht werden können, was eine homogene, dreidimensionale Stromdichteverteilung über die gesamte negative Elektrode (Anode) bewirkt. Das Drahtnetz weist besonders bevorzugt eine Maschenweite im Bereich von 0,01 bis 0,1 mm, insbesondere im Bereich von 0,04 bis 0,063 µm, auf. Ferner enthält oder besteht das Drahtnetz besonders bevorzugt aus Drähten, die einen Durchmesser im Bereich von 0,020 bis 0,050 mm, bevorzugt im Bereich von 0,028 bis 0,040 mm, aufweisen.
Erfindungsgemäß wird ferner eine galvanische Zelle bereitgestellt die eine erfindungsgemäße negative Elektrode (Anode), eine Kathode und einen Elektrolyten enthält. Der Elektrolyt ist bevorzugt ein Flüssigelektrolyt, der aufgrund einer Diffusion in die Beschichtung in einem Gel vorliegen kann, das durch die Beschichtung und den Flüssigelektrolyten gebildet wird.
Es wird ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle zur Energieversorgung i) einer mobilen Vorrichtung, bevorzugt eines Mobiltelefons, eines Fahrzeugs, eines Flugzeugs und/oder eines Schiffs; und/oder ii) einer stationären Vorrichtung, bevorzugt eines Gebäudes, vorgeschlagen.
Anhand der nachfolgenden Figur und des nachfolgenden Beispiels soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten, spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Die Figur zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren und eine erfindungsgemäße Elektrode. Auf eine Metallstruktur 3 (z.B. eine Aluminiumfolie) wird an deren Oberseite eine Beschichtung 2 (z.B. Aluminiumsilikat-Beschichtung) aufgebracht und an deren Unterseite ein metallischer Ableiter 4 (z.B. ein Edelstahldrahtnetz) aufgebracht. Diese Metallstruktur wird zwischen einen oberen Pressstempel 1 einer Kalthebelpresse und einen unteren Pressstempel 5 einer Kalthebelpresse angeordnet und durch die Kalthebelpresse eine Presskraft auf die Beschichtung 2 der Metallstruktur 3 in Richtung Metallstruktur 3 einerseits und auf den metallischen Ableiter 4 der Metallstruktur 3 in Richtung Metallstruktur 3 andererseits ausgeübt. Dadurch wird die Beschichtung 2 an oder in die Oberseite der Metallstruktur 3 gepresst, sodass ein oberer Abschnitt 6 der Metallstruktur 3 entsteht, an oder in den die Beschichtung 2 gepresst ist. Ferner wird der metallische Ableiter 4 in die Unterseite der Metallstruktur 3 gepresst, sodass ein unterer Abschnitt 7 der Metallstruktur 3 entsteht, in den der metallische Ableiter 4 gepresst ist.
Beispiel - Herstellung einer negativen Elektrode für eine galvanische Zelle
Auf eine Aluminiumfolie als Metallstruktur (Folienstärke: 10 µm) wird zunächst auf der ersten Seite (Oberseite) durch mechanisches Aufwalzen eine Beschichtung aus Aluminiumsilikat aufgebracht, sodass auf der Oberseite der Aluminiumfolie eine Beschichtung aus Aluminiumoxid mit einer Nassfilmdicke von 300 µm entsteht.
Auf einer zweiten Seite der beschichteten Aluminiumfolie (Unterseite) wird als metallischer Ableiter ein Edelstahldrahtnetz (aus Edelstahl 1.4301 mit einer Maschenweite von 0,04 mm, einem Drahtdurchmesser von 0,028 mm und einer Dicke von 10 µm) aufgebracht.
Anschließend wird mithilfe einer Kalthebelpresse bei einem Pressdruck von 6000 kg/cm² bei Raumtemperatur (25 °C) für eine Dauer von 15 Sekunden die Beschichtung aus Aluminiumoxid an bzw. in die Oberseite der Aluminiumfolie gepresst und das Edelstahldrahtnetz in die Unterseite der Aluminiumfolie gepresst. Dabei entsteht eine Aluminiumfolie, an bzw. in deren Oberseite die Beschichtung aus Aluminiumoxid gepresst ist und in deren Unterseite das Edelstahldrahtnetz gepresst ist, wobei das Edelstahldrahtnetz in diesem Fall über seine gesamte Höhe in die Unterseite der Aluminiumfolie eingepresst ist.
Bezugszeichenliste

1: oberer Pressstempel einer Kalthebelpresse;
2: Beschichtung auf der Oberseite der der Metallstruktur (z.B. Aluminiumoxid-Beschichtung);
3: Metallstruktur (z.B. Aluminiumfolie);
4: metallischer Ableiter (z.B. Edelstahldrahtnetz);
5: unterer Pressstempel einer Kalthebelpresse;
6: Oberer Abschnitt der Metallstruktur, an oder in den die Beschichtung gepresst ist; und
7: Unterer Abschnitt der Metallstruktur, in den der metallische Ableitergepresst ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 109244374 A [0004]
JP S62139276 A [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine galvanische Zelle, umfassend a) Bereitstellen einer flächigen Metallstruktur, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallfolie, Streckmetall, Lochblech, Metallnetz und Kombinationen hiervon, wobei die flächige Metallstruktur eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, wobei die Metallstruktur nicht aus Lithiummetall besteht; b) Aufbringen einer Beschichtung auf die Oberseite der Metallstruktur, wobei die Beschichtung ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht; c) Aufbringen einer flächigen Oberseite eines flächigen metallischen Ableiters auf die Unterseite der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, die maximal so groß ist wie die Höhe der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite eine Vielzahl von Öffnungen aufweist; d) Eindrücken des metallische Ableiters über eine bestimmte Strecke, die zumindest teilweise der Höhe des metallischen Ableiters entspricht, in die Metallstruktur durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters, wodurch sich die Öffnungen des metallischen Ableiters zumindest entlang der bestimmten Strecke mit Metall der Metallstruktur füllen.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstruktur i) Aluminium enthält oder daraus besteht, wobei das Aluminium optional mit einem von Aluminium verschiedenen Metall legiert ist, bevorzugt in einem Anteil von 0,1 bis 20,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 5,0 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht der Metallstruktur; und/oder ii) mindestens ein Element ausgewählt aus der II. Hauptgruppe des Periodensystems, der III. Hauptgruppe des Periodensystems, der IV. Hauptgruppe des Periodensystems, einer Nebengruppe des Periodensystems und Kombinationen hiervon enthält, wobei das mindestens eine Element bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Indium, Zink, Zinn, Silizium, Mangan und Kombinationen hiervon; und/oder iii) eine Höhe, in einer Richtung senkrecht auf eine Fläche der Metallstruktur, im Bereich von 1 bis 100 µm, bevorzugt 5 bis 50 µm, besonders bevorzugt 10 bis 40 µm, aufweist; und/oder iv) eine Oberseite und/oder Unterseite aufweist, die eine Oberflächenstrukturierung aufweist, die bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus gebürstete Oberflächenstrukturierung, geriffelte Oberflächenstrukturierung, geprägte Oberflächenstrukturierung und Kombinationen hiervon.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel der Beschichtung i) ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus keramisches Oxid, keramisches Sulfid, keramisches Sulfat, keramisches Phosphid, keramisches Phosphat, keramisches Silikat, keramisches Nitrid, keramisches Nitrat und Kombinationen hiervon, wobei das Material besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphorsulfid, Lithium-Germanium-Phosphorsulfid, Lithium-Silizium-Phosphorsulfid, Li₆PS₅Cl, Li₆PS₅Br, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat und Kombinationen hiervon, wobei das Material insbesondere Aluminiumoxid ist; und/oder ii) einen mittleren Partikeldurchmesser d₅₀ im Bereich von 0,05 bis 30 µm, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1 µm, aufweisen, wobei sich der mittlere Partikeldurchmesser auf einen mit dynamischer Lichtstreuung bestimmten Partikeldurchmesser bezieht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer der Beschichtung i) einen Kunststoff enthält oder daraus besteht, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Polyisobutylen und Kombinationen hiervon, wobei der Kunststoff insbesondere Polyisobutylen ist; und/oder ii) einen fluorierten Kunststoff enthält oder daraus besteht, wobei der fluorierte Kunststoff insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PVDF, PVDF-HFP und Kombinationen hiervon.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung i) mechanisch aufgewalzt wird; und/oder ii) über Nassbeschichtung und/oder Trockenbeschichtung aufgebracht wird; und/oder iii) durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Beschichtung in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm², bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm², auf, und bevorzugt in, die Metallstruktur gedrückt wird, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wird; und/oder iv) in einer Richtung senkrecht auf die Oberseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 0,05 bis 200 µm, bevorzugt 0,1 bis 100 µm, aufweist; und/oder v) eine poröse Beschichtung ist; und/oder vi) mit einem Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt für eine galvanische Zelle kontaktiert wird, der eine Flüssigkeit enthält, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus EC, PC, DMC, EMC, DEC, VEC, VC, FEC, TBAC (Acetyltributylcitrat), GTB (Glycerintributyrat), GTA (Glycerintriacetat), y-Buthyrolacton, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon, besonders bevorzugt eine Flüssigkeit, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon, und/oder ein Lithium-Leitsalz und/oder ein Natrium-Leitsalz enthält, wobei das Lithium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiPF₆, LiClO₄, LiNO₃, C₆H₁₈LiNSi₂, F₂LiNO₄S₂, C₂F₆LiNO₄S₂, LiB[C₂O₄]₂, LiBF₄ und Kombinationen hiervon und/oder das Natrium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus NaPF₆, NaBF₄, NaTF, NaTFSI, NaClO₄ und Kombinationen hiervon; und/oder vii) durch eine Kontaktierung mit einem Flüssigelektrolyten einen quasifesten Zustand oder einen gelförmigen Zustand einnimmt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Ableiter i) ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine höhere Vickershärte aufweist als das Metall der Metallstruktur; und/oder ii) ein Metall enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Kupfer, Nickel und Kombinationen und Legierungen hiervon, wobei das Metall bevorzugt Edelstahl, insbesondere Edelstahl 1.4301, ist; und/oder iii) durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm², bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm², in die Metallstruktur eingedrückt wird, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wird; und/oder iv) von der Oberseite zur Unterseite eine Vielzahl von durchgängigen Öffnungen aufweist; und/oder v) beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle zur mechanischen Beständigkeit gegenüber volumetrischer Ausdehnungen beim Zyklisieren beiträgt, insbesondere beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle gegenüber einer volumetrischen Ausdehnung während einem Zyklisieren mechanisch beständig ist; und/oder vi) in einer Richtung senkrecht auf die Unterseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 1 bis 100 µm, bevorzugt 5 bis 50 µm, besonders bevorzugt 10 bis 40 µm, optional 10 bis 20 µm, aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Ableiter als löchrige Folie, löchriges Streckmetall oder Drahtnetz ausgestaltet ist, wobei der metallische Ableiter bevorzugt als Drahtnetz ausgestaltet ist, wobei das Drahtnetz besonders bevorzugt i) eine Maschenweite im Bereich von 0,01 bis 0,1 mm, insbesondere im Bereich von 0,04 bis 0,063 µm, aufweist; und/oder ii) Drähte enthält oder daraus besteht, die einen Durchmesser im Bereich von 0,020 bis 0,050 mm, bevorzugt im Bereich von 0,028 bis 0,040 mm, aufweisen.
Negative Elektrode für eine galvanische Zelle, enthaltend oder bestehend aus i) eine flächige Metallstruktur, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallfolie, Streckmetall, Lochblech, Metallnetz und Kombinationen hiervon, wobei die Metallstruktur eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, wobei die Metallstruktur nicht aus Lithiummetall besteht; ii) eine Beschichtung, die auf der Oberseite der Metallstruktur aufgebracht ist, wobei die Beschichtung ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht; und iii) einen flächigen metallischen Ableiter, wobei der metallische Ableiter eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, die maximal so groß ist wie die Höhe der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite eine Vielzahl von Öffnungen aufweist; wobei der metallische Ableiter über eine bestimmte Strecke von der Unterseite der Metallstruktur in Richtung Oberseite der Metallstruktur in die Metallstruktur eingebettet ist, wobei die bestimmte Strecke zumindest teilweise der Höhe des metallischen Ableiters entspricht und wobei Öffnungen des metallischen Ableiters zumindest entlang der bestimmten Strecke mit Metall der Metallstruktur gefüllt sind.
Elektrode gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstruktur i) Aluminium enthält oder daraus besteht, wobei das Aluminium optional mit einem von Aluminium verschiedenen Metall legiert ist, bevorzugt in einem Anteil von 0,1 bis 20,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 5,0 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht der Metallstruktur; und/oder ii) mindestens ein Element ausgewählt aus der II. Hauptgruppe des Periodensystems, der III. Hauptgruppe des Periodensystems, der IV. Hauptgruppe des Periodensystems, einer Nebengruppe des Periodensystems und Kombinationen hiervon enthält, wobei das mindestens eine Element bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Indium, Zink, Zinn, Silizium, Mangan und Kombinationen hiervon; und/oder iii) eine Höhe, in einer Richtung senkrecht auf die Oberseite der Metallstruktur, im Bereich von 1 bis 100 µm, bevorzugt 5 bis 50 µm, besonders bevorzugt 10 bis 40 µm, aufweist; und/oder v) Metallstruktureine Oberseite und/oder Unterseite aufweist, die eine Oberflächenstrukturierung aufweist, die bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus gebürstete Oberflächenstrukturierung, geriffelte Oberflächenstrukturierung, geprägte Oberflächenstrukturierung und Kombinationen hiervon.
Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dass die keramischen Partikel der Beschichtung i) ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus keramisches Oxid, keramisches Sulfid, keramisches Sulfat, keramisches Phosphid, keramisches Phosphat, keramisches Silikat, keramisches Nitrid, keramisches Nitrat und Kombinationen hiervon, wobei das Material besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphorsulfid, Lithium-Germanium-Phosphorsulfid, Lithium-Silizium-Phosphorsulfid, Li₆PS₅Cl, Li₆PS₅Br, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat und Kombinationen hiervon, wobei das Material insbesondere Aluminiumoxid ist; und/oder ii) einen mittleren Partikeldurchmesser d₅₀ im Bereich von 0,05 bis 30 µm, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1 µm, aufweisen, wobei sich der mittlere Partikeldurchmesser auf einen mit dynamischer Lichtstreuung bestimmten Partikeldurchmesser bezieht.
Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer der Beschichtung i) einen Kunststoff enthält oder daraus besteht, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Polyisobutylen und Kombinationen hiervon, wobei der Kunststoff insbesondere Polyisobutylen ist; und/oder ii) einen fluorierten Kunststoff enthält oder daraus besteht, wobei der fluorierte Kunststoff insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PVDF, PVDF-HFP und Kombinationen hiervon.
Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung i) mechanisch aufgewalzt ist; und/oder ii) über Nassbeschichtung und/oder Trockenbeschichtung aufgebracht ist; und/oder iii) durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf Beschichtung in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm², bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm², auf, und bevorzugt in, die Metallstruktur gedrückt wurde, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wurde; und/oder iv) in einer Richtung senkrecht Oberseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 0,05 bis 2 µm, bevorzugt 0,1 bis 1 µm, aufweist; und/oder v) eine poröse Beschichtung ist; und/oder vi) einen Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt für eine galvanische Zelle aufweist, der eine Flüssigkeit enthält, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus EC, PC, DMC, EMC, DEC, VEC, VC, FEC, TBAC (Acetyltributylcitrat), GTB (Glycerintributyrat), GTA (Glycerintriacetat), y-Buthyrolacton, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon, besonders bevorzugt eine Flüssigkeit, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon, und/oder ein Lithium-Leitsalz und/oder ein Natrium-Leitsalz enthält, wobei das Lithium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiPF₆, LiClO₄, LiNO₃, C₆H₁₈LiNSi₂, F₂LiNO₄S₂, C₂F₆LiNO₄S₂, LiB[C₂O₄]₂, LiBF₄ und Kombinationen hiervon und/oder das Natrium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus NaPF₆, NaBF₄, NaTF, NaTFSI, NaClO₄ und Kombinationen hiervon; und/oder vii) durch Aufweisen eines Flüssigelektrolyten in einem quasifesten Zustand oder einem gelförmigen Zustand vorliegt.
Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Ableiter i) ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine höhere Vickershärte aufweist als das Metall der Metallstruktur; und/oder ii) ein Metall enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Kupfer, Nickel und Kombinationen und Legierungen hiervon, wobei das Metall bevorzugt Edelstahl, insbesondere Edelstahl 1.4301, ist; und/oder iii) durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm², bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm², in die Metallstruktur eingedrückt wurde, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wurde; und/oder iv) von der Oberseite zur Unterseite eine Vielzahl von durchgängigen Öffnungen aufweist; und/oder v) beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle zur mechanischen Beständigkeit gegenüber volumetrischer Ausdehnungen beim Zyklisieren beiträgt, insbesondere beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle gegenüber einer volumetrischen Ausdehnung während einem Zyklisieren mechanisch beständig ist; und/oder vi) in einer Richtung senkrecht auf die Unterseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 1 bis 100 µm, bevorzugt 5 bis 50 µm, besonders bevorzugt 10 bis 40 µm, optional 10 bis 20 µm, aufweist.
Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Ableiter als löchrige Folie, löchriges Streckmetall oder Drahtnetz ausgestaltet ist, wobei der metallische Ableiter bevorzugt als Drahtnetz ausgestaltet ist, wobei das Drahtnetz besonders bevorzugt i) eine Maschenweite im Bereich von 0,01 bis 0,1 mm, insbesondere im Bereich von 0,04 bis 0,063 µm, aufweist; und/oder ii) Drähte enthält oder daraus besteht, die einen Durchmesser im Bereich von 0,020 bis 0,050 mm, bevorzugt im Bereich von 0,028 bis 0,040 mm, aufweisen.
Galvanische Zelle, enthaltend eine negative Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14, eine Kathode und einen Elektrolyten.
Verwendung der galvanischen Zelle gemäß Anspruch 15 zur Energieversorgung i) einer mobilen Vorrichtung, bevorzugt eines Mobiltelefons, eines Fahrzeugs, eines Flugzeugs und/oder eines Schiffs; und/oder ii) einer stationären Vorrichtung, bevorzugt eines Gebäudes.