DE102023111490A1 - Electrode for a battery, battery and method for producing an electrode for a battery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Elektrode (12, 14) für eine Batterie (10), insbesondere eine Lithium-Ionenbatterie, wobei die Elektrode (12, 14) eine erste Schicht (18, 22) aus einer ersten Aktivmaterialzusammensetzung und eine zweite Schicht (20, 24) aus einer zweiten Aktivmaterialzusammensetzung aufweist. Die Schichten (18, 20, 22, 24) sind mit ihren Haupterstreckungsrichtungen rechtwinklig zu der Stromflussrichtung, die sich bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode (12, 14) als Bestandteil einer Batterie (10) ergibt, orientiert flächig aneinander angrenzend angeordnet, wobei die erste Schicht (18, 22) und die zweite Schicht (20, 24) sich in wenigstens einer Eigenschaft unterscheiden. The invention relates to an electrode (12, 14) for a battery (10), in particular a lithium-ion battery, wherein the electrode (12, 14) has a first layer (18, 22) made of a first active material composition and a second layer (20, 24) made of a second active material composition. The layers (18, 20, 22, 24) are arranged adjacent to one another in a planar manner with their main extension directions oriented at right angles to the direction of current flow that results when the electrode (12, 14) is used as intended as part of a battery (10), wherein the first layer (18, 22) and the second layer (20, 24) differ in at least one property.
Description
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Batterie, eine Batterie sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batterie.The invention relates to an electrode for a battery, a battery and a method for producing an electrode for a battery.
Bei Batterien gibt es verschiedene Parameter, an denen die Leistungsfähigkeit einer Batterie gemessen wird. Dabei hängt es vom Einsatzzweck der jeweiligen Batterie ab, welcher Parameter entscheidend für die Eignung einer Batterie für die jeweilige Anwendung ist. Bei diesen Parametern kann es sich beispielsweise um eine Energiedichte handeln, wenn eine möglichst große Energiemenge auf einem möglichst kleinen Raum gespeichert werden soll. Alternativ und/oder ergänzend kann es sich auch um eine spezifische Energie handeln. Diese ist dann interessant, wenn eine möglichst große Energiemenge bei einem möglichst geringen Gewicht der Batterie gespeichert werden soll.There are various parameters used to measure the performance of a battery. The parameter that is decisive for the suitability of a battery for the respective application depends on the intended use of the battery. These parameters can be, for example, an energy density if the greatest possible amount of energy is to be stored in the smallest possible space. Alternatively and/or additionally, it can also be a specific energy. This is interesting if the greatest possible amount of energy is to be stored with the lowest possible weight of the battery.
Bei anderen Anwendungen kann es sein, dass die Menge der gespeicherten Energie weniger wichtig ist, jedoch möglichst hohe Leistungen zur Verfügung gestellt werden müssen. In jenem Fall kann es sich bei dem für die Eignung einer Batterie für eine bestimmte Anwendung entscheidenden Leistungsparameter um die Leistungsdichte der Batterie handeln, wenn eine Batterie mit möglichst kleinem Bauraum eine möglichst hohe Leistung zur Verfügung stellen soll. Alternativ und/oder ergänzend kann es sich um die spezifische Leistung einer Batterie handeln, wenn eine Batterie bezogen auf ihr Gewicht eine möglichst hohe Leistung zur Verfügung stellen soll.In other applications, the amount of stored energy may be less important, but the highest possible performance must be provided. In that case, the performance parameter that determines the suitability of a battery for a specific application may be the power density of the battery, if a battery is to provide the highest possible performance in the smallest possible space. Alternatively and/or additionally, it may be the specific performance of a battery, if a battery is to provide the highest possible performance in relation to its weight.
In der Praxis hat dies dazu geführt, dass Batterien der in Rede stehenden Art für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungszwecke optimiert worden sind. Die resultierenden Batterien weisen ein Eigenschaftsprofil auf, das sich an den bzw. den für die jeweilige Anwendung wesentlichen Parameter(n) orientiert.In practice, this has led to batteries of the type in question being optimized for a wide range of different applications. The resulting batteries have a property profile that is based on the parameter(s) that are essential for the respective application.
Dabei sind der Optimierung einer derartigen Batterie jedoch Grenzen gesetzt. Bei herkömmlichen Batterien ist es daher beispielsweise schwerlich möglich, eine Batterie für Anwendungsfälle zu optimieren, bei der primär die Anforderung besteht, eine möglichst große Energiemenge bei geringem Gewicht und/oder Volumen zu speichern, gleichzeitig aber jedoch die Anforderungen besteht, lediglich einen gewissen Teil der gespeicherten Energie bei einer hohen spezifischen Leistung bzw. Leistungsdichte bereitzustellen.However, there are limits to the optimization of such a battery. With conventional batteries, for example, it is therefore difficult to optimize a battery for applications where the primary requirement is to store as much energy as possible with low weight and/or volume, but at the same time there is the requirement to only provide a certain part of the stored energy at a high specific power or power density.
Der Erfindung liegt daher Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für eine Batterie, eine Batterie und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batterie aufzuzeigen, die es ermöglichen, mittels einer Batterie bei einer hohen Energiedichte und/oder spezifischen Energie der Batterie einen Teil der in der Batterie gespeicherten Energie bei einer vergleichsweise hohen Leistungsdichte und/oder spezifischen Leistung zur Verfügung zu stellen.The invention is therefore based on the object of demonstrating an electrode for a battery, a battery and a method for producing an electrode for a battery, which make it possible to make available, by means of a battery at a high energy density and/or specific energy of the battery, a portion of the energy stored in the battery at a comparatively high power density and/or specific power.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrode, eine Batterie und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.The object is achieved by an electrode, a battery and a method having the features of the independent claims. The features of the dependent claims relate to advantageous embodiments.
Die Elektrode weist eine erste Schicht aus einer ersten Aktivmaterialzusammensetzung und eine zweite Schicht aus einer zweiten Aktivmaterialzusammensetzung auf.The electrode has a first layer of a first active material composition and a second layer of a second active material composition.
Die Schichten sind mit ihren Haupterstreckungsrichtungen rechtwinklig zu der Stromflussrichtung, die sich bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode als Bestandteil einer Batterie ergibt, orientiert flächig aneinander angrenzend angeordnet. Dabei unterscheiden sich die erste und die zweite Schicht in wenigstens einer Eigenschaft. Auf diese Weise ist es möglich, eine Elektrode für eine Batterie zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik neue Optimierungsmöglichkeiten durch die zwei sich in wenigstens einer Eigenschaft unterscheidenden Schichten ermöglicht.The layers are arranged adjacent to one another with their main extension directions oriented at right angles to the direction of current flow that arises when the electrode is used as intended as part of a battery. The first and second layers differ in at least one property. In this way, it is possible to create an electrode for a battery that, compared to the prior art, enables new optimization options through the two layers that differ in at least one property.
Dabei sind die Schichten insbesondere derart aneinander angrenzend angeordnet, dass zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht eine flächige Grenzfläche gebildet ist. Unter einer Grenzfläche ist in diesem Zusammenhang insbesondere eine Fläche zu verstehen, an dem sich wenigstens eine Eigenschaft des Materials der Elektrode sprunghaft ändert.In particular, the layers are arranged adjacent to one another in such a way that a flat interface is formed between the first layer and the second layer. In this context, an interface is understood to mean in particular an area at which at least one property of the material of the electrode changes abruptly.
Die Schichten und/oder die Grenzfläche erstrecken sich insbesondere rechtwinklig zur Stromflussrichtung, die sich bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode als Bestandteil einer Batterie ergibt.The layers and/or the interface extend in particular at right angles to the direction of current flow that results from the intended use of the electrode as a component of a battery.
Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, zwei diskrete Schichten aus Aktivmaterialzusammensetzungen übereinander anzuordnen. Dies ermöglicht es, die Eigenschaften beider Schichten gezielt und unabhängig voneinander einzustellen. Auf diese Weise können die Schichten hinsichtlich ihrer Eigenschaften unabhängig voneinander optimiert werden. Dies ermöglicht es insbesondere, beide Schichten dahingehend zu optimieren, dass mittels der einen Schicht hohe Leistungen zur Verfügung gestellt werden können, mit der anderen Schicht möglichst große Energiemengen gespeichert werden können.It has been shown that it is possible to arrange two discrete layers of active material compositions on top of each other. This makes it possible to adjust the properties of both layers in a targeted manner and independently of each other. In this way, the layers can be optimized independently of each other in terms of their properties. In particular, this makes it possible to optimize both layers so that one layer can provide high performance and the other layer can store the largest possible amount of energy.
In Abhängigkeit von der Anordnung der Elektrode in der Batterie können bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode die Schichten und/oder die Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht eine Gestaltung annehmen, in der sie sich nicht in lediglich einer Ebene erstrecken. Beispielsweise können die Elektroden spiralförmig aufgewickelt sein, um eine im wesentlichen kreiszylinderförmige Batterie zu realisieren. Alternativ und/oder ergänzend können die Elektroden in der Batterie gefaltet sein, sodass sich die Schichten und/oder die Grenzfläche überwiegend in einer Mehrzahl zueinander paralleler Ebenen erstreckt. Daher ist unter der Stromflussrichtung bei der bestimmungsgemäßen Verwendung jeweils die lokale Stromflussrichtung an einem bestimmten Punkt der Grenzfläche zu verstehen. Mit anderen Worten können sich die Stromflussrichtungen an verschiedenen Stellen der Grenzfläche bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode im Hinblick auf ihre absolute räumliche Orientierung signifikant voneinander unterscheiden.Depending on the arrangement of the electrode in the battery, the specific When the electrode is used as intended, the layers and/or the interface between the first and the second layer take on a design in which they do not extend in just one plane. For example, the electrodes can be wound in a spiral shape in order to produce a substantially circular-cylindrical battery. Alternatively and/or additionally, the electrodes in the battery can be folded so that the layers and/or the interface extend predominantly in a plurality of planes parallel to one another. Therefore, the direction of current flow when used as intended is to be understood as the local direction of current flow at a specific point on the interface. In other words, the directions of current flow at different points on the interface when the electrode is used as intended can differ significantly from one another with regard to their absolute spatial orientation.
Die Elektrode kann derart gestaltet sein, dass die erste Schicht bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode als Bestandteil einer Batterie eine höhere Leistungsdichte und/oder eine höhere spezifische Leistung aufweist als die zweite Schicht. Auf diese Weise lässt sich mittels der Elektrode eine Batterie realisieren, bei der durch die unterschiedlich gestalteten Schichten elektrische Energie bei unterschiedlichen Leistungen bereitgestellt werden kann.The electrode can be designed in such a way that the first layer has a higher power density and/or a higher specific power than the second layer when the electrode is used as intended as part of a battery. In this way, a battery can be created using the electrode in which electrical energy can be provided at different power levels through the differently designed layers.
Alternativ und/oder ergänzend kann die Elektrode derart gestaltet sein, dass die erste Schicht bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode als Bestandteil einer Batterie eine niedrigere Energiedichte und/oder eine niedrigere spezifische Energie aufweist als die zweite Schicht. Auf diese Weise lassen sich Batterien mit Elektroden realisieren, deren Schichten jeweils unterschiedliche Mengen an Energie speichern können.Alternatively and/or additionally, the electrode can be designed in such a way that the first layer has a lower energy density and/or a lower specific energy than the second layer when the electrode is used as intended as part of a battery. In this way, batteries can be made with electrodes whose layers can each store different amounts of energy.
Die erste Aktivmaterialzusammensetzung der ersten Schicht und die zweite Aktivmaterialzusammensetzung der zweiten Schicht können sich chemisch voneinander unterscheiden. Durch eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung lässt sich die Aktivmaterialzusammensetzung im Hinblick auf entweder eine möglichst hohe Leistungsabgabe oder eine möglichst hohe Energiespeicherkapazität optimieren.The first active material composition of the first layer and the second active material composition of the second layer can be chemically different from one another. By using different chemical compositions, the active material composition can be optimized with regard to either the highest possible power output or the highest possible energy storage capacity.
Die Aktivmaterialzusammensetzung der jeweiligen Schicht weist vorzugsweise ein Aktivmaterial und weitere Bestandteile auf. Als Aktivmaterial werden die chemisch aktiven Substanzen in einer Elektrode bezeichnet, die für die Energiespeicherung verantwortlich sind, in dem sie unter Abgabe und/oder Aufnahme elektrischer Ladungsträger chemischen Umwandlungen unterliegen, wenn die Batterie geladen und/oder entladen wird. Die weiteren Bestandteile können einen oder mehrere Binder und/oder ein oder mehrere Leitfähigkeitsadditive umfassen.The active material composition of the respective layer preferably comprises an active material and further components. The active material refers to the chemically active substances in an electrode that are responsible for energy storage by undergoing chemical transformations with the release and/or absorption of electrical charge carriers when the battery is charged and/or discharged. The further components can comprise one or more binders and/or one or more conductivity additives.
Beispielsweise kann das Leitfähigkeitsadditiv ausgewählt sein aus Graphit, Ruß, Kohlenstofffasern wie Kohlefasern, Graphitfasern oder sogenannte „Carbon-nano-tubes“, Metallpulver wie Silberpulver, Metallfasern wie Edelstahlfasern und/oder Mischungen davon. Das Leitfähigkeitsadditiv sind von den kathodenaktiven Materialien verschieden. Der Massenanteil des Leitfähigkeitsadditiv an der Aktivmaterialzusammensetzung kann wenigstens 1%, und/oder höchstens 5 % betragen.For example, the conductivity additive can be selected from graphite, carbon black, carbon fibers such as carbon fibers, graphite fibers or so-called "carbon nanotubes", metal powders such as silver powder, metal fibers such as stainless steel fibers and/or mixtures thereof. The conductivity additive is different from the cathode-active materials. The mass fraction of the conductivity additive in the active material composition can be at least 1% and/or at most 5%.
Die erste Schicht kann einen höheren Massenanteil an Leitfähigkeitsadditiv aufweisen als die zweite Schicht. Ein höherer Massenanteil an Leitfähigkeitsadditiv steigert die elektrische Leitfähigkeit und eignet sich damit insbesondere gut zur Realisierung hoher Leistungsdichten bzw. hoher spezifischer Leistungen. Schichten mit geringerem Massenanteil an Leitfähigkeitsadditiv eignen sich hingegen besonders gut zum Speichern vergleichsweise großer Energiemengen, da die Schicht entsprechend mehr Aktivmaterial zur Speicherung der elektrischen Energie enthalten kann.The first layer can have a higher mass fraction of conductivity additive than the second layer. A higher mass fraction of conductivity additive increases the electrical conductivity and is therefore particularly suitable for realizing high power densities or high specific powers. Layers with a lower mass fraction of conductivity additive, on the other hand, are particularly suitable for storing comparatively large amounts of energy, since the layer can contain correspondingly more active material for storing the electrical energy.
Die erste Schicht kann eine feinkörnigere Struktur aufweisen als die zweite Schicht. Eine feinkörnigere Struktur eignet sich besser zur Realisierung hoher Leistungsdichten bzw. hoher spezifischer Leistungen. Schichten mit grobkörnigerer Struktur eignen sich hingegen besser zum Speichern vergleichsweise großer Energiemengen und sind kostengünstiger.The first layer can have a finer-grained structure than the second layer. A finer-grained structure is better suited to achieving high power densities or high specific powers. Layers with a coarser-grained structure, on the other hand, are better suited to storing comparatively large amounts of energy and are more cost-effective.
Beispielsweise kann der Binder ein Polymer, insbesondere Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyacrylat, Ethylen-Dropylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und/oder Mischungen und/oder Copolymere davon enthalten, umfassen. Der Massenanteil des Binders an der Aktivmaterialzusammensetzung kann wenigstens 1%, insbesondere wenigstens 3%, und/oder höchstens 7%, insbesondere höchstens 5%, betragen.For example, the binder can comprise a polymer, in particular polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylate, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) and/or mixtures and/or copolymers thereof. The mass fraction of the binder in the active material composition can be at least 1%, in particular at least 3%, and/or at most 7%, in particular at most 5%.
Der Massenanteil des Aktivmaterials an der Aktivmaterialzusammensetzung beträgt bevorzugt wenigstens 88 % und/oder höchstens 97 %.The mass fraction of the active material in the active material composition is preferably at least 88% and/or at most 97%.
Das Aktivmaterial kann beispielsweise Graphit und verwandte Kohlenstoffe, bei denen eine Interkalation von Lithium stattfindet, sein. Das Aktivmaterial der Anode kann alternativ und/oder ergänzend eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus nanokristallinem, amorphem Silicium als Lithiumlegierung, Lithiumtitanate, Zinndioxid (SnO2) und Kombinationen davon, sein. Bei derartigen Aktivmaterialien eignet sich die Elektrode insbesondere zur bestimmungsgemäßen Verwendung als Anode einer Batterie.The active material can be, for example, graphite and related carbons in which lithium intercalation takes place. The active material of the anode can alternatively and/or additionally be a compound selected from the group consisting of nanocrystalline, amorphous silicon as a lithium alloy, lithium titanates, tin dioxide (SnO2) and combinations thereof. With such active materials, the electrode is particularly suitable for intended use as an anode of a battery.
Insbesondere können sich die Aktivmaterialien der Aktivmaterialzusammensetzung der ersten Schicht und der zweiten Schicht chemisch voneinander unterscheiden.In particular, the active materials of the active material composition of the first layer and the second layer may differ chemically from each other.
Die erste Schicht kann insbesondere ein Lithium-Eisenphosphat (LFP) als Aktivmaterial in der Aktivmaterialzusammensetzung aufweisen. Bei dem Lithium-Eisenphosphat kann es sich insbesondere um ein Lithium-Mangan-Eisenphosphat handeln. Lithium-Eisenphosphate als Aktivmaterial eignen sich besonders gut, um hohe elektrische Leistungen zu realisieren. Bei derartigen Aktivmaterialien eignet sich die Elektrode insbesondere zur bestimmungsgemäßen Verwendung als Kathode einer Batterie.The first layer can in particular have a lithium iron phosphate (LFP) as an active material in the active material composition. The lithium iron phosphate can in particular be a lithium manganese iron phosphate. Lithium iron phosphates as an active material are particularly suitable for achieving high electrical outputs. With such active materials, the electrode is particularly suitable for intended use as a cathode of a battery.
Die zweite Schicht kann insbesondere ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) als Aktivmaterial in der Aktivmaterialzusammensetzung aufweisen. Ein derartiges Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid bietet als Aktivmaterial den Vorteil, dass Batterien mit diesem Aktivmaterial besonders gut geeignet sind, um große Energiemengen zu speichern, d.h. insbesondere hohe Energiedichten und/oder hohe spezifische Energien zu ermöglichen. Bei derartigen Aktivmaterialien eignet sich die Elektrode insbesondere zur bestimmungsgemäßen Verwendung als Kathode einer Batterie.The second layer can in particular comprise a lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) as an active material in the active material composition. Such a lithium nickel manganese cobalt oxide offers the advantage as an active material that batteries with this active material are particularly well suited to storing large amounts of energy, i.e. in particular to enabling high energy densities and/or high specific energies. With such active materials, the electrode is particularly suitable for intended use as a cathode of a battery.
Die Schichtdicken der ersten und der zweiten Schicht können sich voneinander unterscheiden. Mittels unterschiedlicher Schichtdicken ist es möglich, die Batterie noch weiter im Hinblick auf einen bestimmten Einsatzzweck hin zu optimieren, in dem das Verhältnis der Schichten mit den unterschiedlichen Eigenschaften aneinander angepasst wird.The layer thicknesses of the first and second layers can differ from one another. By using different layer thicknesses, it is possible to further optimize the battery for a specific application by adjusting the ratio of the layers with the different properties to one another.
Die erste Schicht und die zweite Schicht können zusammen eine Gesamtdicke von wenigstens 30 µm, vorzugsweise von wenigstens 50 µm, und/oder von höchstens 140 µm, vorzugsweise von höchstens 100 µm, aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass sich mit „Doppelschichten“ in diesem Dickenbereich gute Eigenschaften erzielen lassen, auch im Hinblick auf die Herstellbarkeit der Schichten.The first layer and the second layer together can have a total thickness of at least 30 µm, preferably at least 50 µm, and/or at most 140 µm, preferably at most 100 µm. It has been shown that good properties can be achieved with "double layers" in this thickness range, also with regard to the manufacturability of the layers.
Die erste Schicht kann eine höhere Porosität aufweisen als die zweite Schicht. Eine höhere Porosität ermöglicht einen höheren Elektrolytgehalt der Schicht in der Batterie und damit eine bessere innere Ionenleitfähigkeit. Daher eignet sich eine Schicht mit einer vergleichsweise niedrigen Porosität gut zur Realisierung hoher Leistungsdichten bzw. hoher spezifischer Leistungen. Die zweite Schicht kann insbesondere eine Porosität von weniger als 30 Vol.-% aufweisen. Schichten mit derart niedrigen Porositäten eignen sich hingegen besonders gut zum Speichern vergleichsweise großer Energiemengen.The first layer can have a higher porosity than the second layer. A higher porosity enables a higher electrolyte content of the layer in the battery and thus better internal ion conductivity. Therefore, a layer with a comparatively low porosity is well suited to realizing high power densities or high specific powers. The second layer in particular can have a porosity of less than 30 vol.%. Layers with such low porosities, on the other hand, are particularly well suited to storing comparatively large amounts of energy.
Die zweite Schicht kann zwischen der ersten Schicht und einem Trägermaterial angeordnet sein. Bei dem Trägermaterial kann sich insbesondere um einen Stromkollektor handeln. Derartige Stromkollektoren können beispielsweise aus einer Metallfolie gebildet sein. Als Metall wird vorzugsweise Nickel, Aluminium, Stahl, Kupfer oder eine Legierung auf der Basis eines der vorstehenden Metalle verwendet. Für eine Kathode wird ein Stromkollektor aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bevorzugt. Für eine Anode ist ein Stromkollektor aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bevorzugt.The second layer can be arranged between the first layer and a carrier material. The carrier material can in particular be a current collector. Such current collectors can be formed, for example, from a metal foil. Nickel, aluminum, steel, copper or an alloy based on one of the above metals is preferably used as the metal. For a cathode, a current collector made of aluminum or an aluminum alloy is preferred. For an anode, a current collector made of copper or a copper alloy is preferred.
Die Batterie weist wenigstens eine Elektrode der vorstehend beschriebenen Art auf. Dabei kann die Batterie eine Elektrode der vorstehend beschriebenen Art als Kathode aufweisen. Alternativ und/oder ergänzend kann die Batterie eine Elektrode der vorstehend beschriebenen Art als Anode aufweisen. Bei der Batterie handelt es sich insbesondere um eine Lithium-IonenBatterie.The battery has at least one electrode of the type described above. The battery can have an electrode of the type described above as a cathode. Alternatively and/or additionally, the battery can have an electrode of the type described above as an anode. The battery is in particular a lithium-ion battery.
Die Batterie kann weiterhin einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator umfassen. Der Separator trennt den Anodenraum vom Kathodenraum räumlich und elektrisch. Der Separator kann ein poröses nichtleitendes oder isolierendes Material sein, das den Transport von lonen durch den Separator zwischen dem Anoden- und dem Kathodenraum der Zelle erlaubt. Der Separator kann aus porösem Glas, poröser Keramik und/oder porösem Polymer sein.The battery may further comprise a separator arranged between the electrodes. The separator spatially and electrically separates the anode compartment from the cathode compartment. The separator may be a porous non-conductive or insulating material that allows the transport of ions through the separator between the anode and cathode compartments of the cell. The separator may be made of porous glass, porous ceramic and/or porous polymer.
Weiterhin kann die Batterie ein Lithium-Ionen (Li-Ionen) leitendes flüssiges Elektrolytsystem umfassen. Das flüssige Li-lonen leitende Elektrolytsystem kann beispielsweise ein Lösungsmittel und ein Li-lonen enthaltendes Elektrolytsalz umfassen. Das Lösungsmittel kann beispielsweise Wasser, N-Methylacetamid, Acetonitril, Carbonate, Sulfolane, Sulfone, N-substituierte Pyrrolidone, azyklische und/oder zyklische Ether, Xylol, Polyether, Siloxan oder Mischungen davon umfassen.Furthermore, the battery can comprise a lithium-ion (Li-ion) conductive liquid electrolyte system. The liquid Li-ion conductive electrolyte system can comprise, for example, a solvent and an electrolyte salt containing Li-ions. The solvent can comprise, for example, water, N-methylacetamide, acetonitrile, carbonates, sulfolanes, sulfones, N-substituted pyrrolidones, acyclic and/or cyclic ethers, xylene, polyether, siloxane or mixtures thereof.
Das Verfahren zur Herstellung einer Elektrode der vorstehend beschriebenen Art bzw. einer Batterie der vorstehend beschriebenen Art sieht vor, dass zunächst die erste Schicht und die zweite Schicht getrennt voneinander erzeugt und danach zur Herstellung der Elektrode zusammengeführt werden.The method for producing an electrode of the type described above or a battery of the type described above provides that the first layer and the second layer are first produced separately from one another and then combined to produce the electrode.
Die Erzeugung der Schichten getrennt voneinander ermöglicht es, dass für die beiden Schichten unterschiedliche Eigenschaften eingestellt werden können. Die beiden Schichten können somit getrennt voneinander gezielt im Hinblick auf das resultierende Anforderungsprofil optimiert werden.Creating the layers separately allows different properties to be set for the two layers The two layers can thus be optimized separately with regard to the resulting requirement profile.
Das Erzeugen der Schichten kann insbesondere durch das Extrudieren der jeweiligen Schicht erfolgen. Dabei kann das Extrudieren insbesondere auf ein Trägermaterial erfolgen. Bei dem Trägermaterial kann es sich um ein Trägermaterial handeln, auf das die Schicht lediglich zum Zwecke der Herstellung extrudiert wird und das dann, insbesondere nach dem Zusammenführen der Schichten, entfernt und insbesondere nicht Bestandteil der herzustellenden Batterie wird. Alternativ und/oder ergänzend kann es sich bei dem Trägermaterial aber auch um ein Trägermaterial, das dazu bestimmt ist, Bestandteil der Batterie zu werden, insbesondere um einen Stromkollektor, handeln. In diesem Zusammenhang wird insbesondere die zweite Schicht auf einen Stromkollektor als Trägermaterial extrudiert.The layers can be produced in particular by extruding the respective layer. In this case, the extrusion can in particular take place onto a carrier material. The carrier material can be a carrier material onto which the layer is extruded only for the purpose of production and which is then removed, in particular after the layers have been brought together, and in particular does not become part of the battery to be produced. Alternatively and/or additionally, the carrier material can also be a carrier material that is intended to become part of the battery, in particular a current collector. In this context, in particular the second layer is extruded onto a current collector as a carrier material.
Die erste und/oder die zweite Schicht können nach ihrer jeweiligen Erzeugung und getrennt von der jeweils anderen Schicht verdichtet werden. Hierbei erfolgt das Verdichten insbesondere durch Kalandrieren. Ein derartiges Verdichten der Schichten getrennt voneinander ermöglicht es, die Eigenschaften der jeweiligen Schichten gezielt und unabhängig voneinander zu beeinflussen. Insbesondere können dabei gezielt unterschiedliche Porositäten der jeweiligen Schichten eingestellt werden.The first and/or the second layer can be compacted after their respective production and separately from the other layer. In this case, compaction is carried out in particular by calendering. Compacting the layers separately in this way makes it possible to influence the properties of the respective layers in a targeted and independent manner. In particular, different porosities of the respective layers can be set in a targeted manner.
Alternativ kann eine Schicht, insbesondere die zweite Schicht, nach Ihrer Erzeugung und vor dem Zusammenführen der Schichten verdichtet werden und nach dem Zusammenführen der Schichten ein gemeinsames Verdichten der zusammengeführten Schichten erfolgen. Dabei kann das Verdichten der einen Schicht und/oder das gemeinsame Verdichten der Schichten durch Kalandrieren erfolgen. Insbesondere wenn es sich bei der einen Schicht in diesem Zusammenhang um die zweite Schicht handelt, kann diese beim Verdichten einem höheren Druck ausgesetzt werden als die zusammengeführten Schichten beim gemeinsamen Verdichten. Bei einer derartigen Verfahrensführung ist es insbesondere möglich, bei der Erzeugung der Schichten eine Schicht, insbesondere die erste Schicht, direkt auf der anderen, bereits verdichteten Schicht zu erzeugen, insbesondere auf diese zu extrudieren und anschließen die Schichten gemeinsam zu verdichten. Durch den niedrigeren Druck beim gemeinsamen Verdichten wird die Dichte der bereits verdichteten Schicht nicht mehr oder zumindest nicht mehr wesentlich beeinflusst, so dass sich auf diesem Weg ebenfalls unterschiedliche Dichten der Schichten gezielt einstellen lassen.Alternatively, a layer, in particular the second layer, can be compacted after it has been created and before the layers are combined, and after the layers are combined, the combined layers can be compacted together. The compaction of one layer and/or the compaction of the layers together can be carried out by calendering. In particular, if the one layer in this context is the second layer, it can be exposed to a higher pressure during compaction than the combined layers during compaction together. With such a process, it is particularly possible to create a layer, in particular the first layer, directly on the other, already compacted layer when the layers are created, in particular to extrude it onto it and then to compact the layers together. Due to the lower pressure during compaction together, the density of the already compacted layer is no longer influenced, or at least not significantly, so that different densities of the layers can also be specifically set in this way.
Insbesondere wird durch das Verdichten die Dichte mindestens der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht um mindestens 10 % erhöht, bevorzugt um mindestens 30 %, besonders bevorzugt um mindestens 50 % erhöht.In particular, the compaction increases the density of at least the first layer and/or the second layer by at least 10%, preferably by at least 30%, particularly preferably by at least 50%.
Bei der Verdichtung liegt die Elektrode insbesondere im getrockneten Zustand vor. Die angegebenen prozentualen Werte für die Reduktion der Dicke bzw. Erhöhung der Dichte beziehen sich auf die Elektrode im getrockneten Zustand. Ein Material im ist im Sinne dieser Erfindung im getrockneten Zustand, wenn gegebenenfalls verwendetes Lösungsmittel und/oder flüchtige Hilfsmittel, die nicht dazu bestimmt sind, Bestandteil der Batterie zu werden, zumindest im Wesentlichen, aus dem Material entfernt worden sind.During compaction, the electrode is in particular in the dried state. The percentage values given for the reduction in thickness or increase in density refer to the electrode in the dried state. For the purposes of this invention, a material is in the dried state when any solvents and/or volatile auxiliaries that are not intended to become part of the battery have been at least substantially removed from the material.
Entsprechend kann das Verfahren vorsehen, dass die Aktivmaterialzusammensetzung während des Erzeugens der jeweiligen Schicht ein Lösungsmittel enthält. Bei dem Lösungsmittel kann es sich insbesondere um Ethylencarbonat handeln. Das Lösungsmittel verbessert die Verarbeitbarkeit der jeweiligen Aktivmaterialzusammensetzung während des Erzeugens der Schicht. In diesem Zusammenhang hat sich insbesondere die Verwendung von Ethylencarbonat als vorteilhaft erwiesen.Accordingly, the method can provide that the active material composition contains a solvent during the production of the respective layer. The solvent can in particular be ethylene carbonate. The solvent improves the processability of the respective active material composition during the production of the layer. In this context, the use of ethylene carbonate in particular has proven to be advantageous.
Das Verfahren sieht in diesem Zusammenhang insbesondere vor, dass der Anteil des Lösungsmittels in der Aktivmaterialzusammensetzung während des Erzeugens der Schicht wenigstens 10 Gew%, insbesondere wenigstens 15 Gew%, und/oder höchstens 30 Gew%, insbesondere höchstens 25 Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialzusammensetzung, beträgt.In this context, the method provides in particular that the proportion of solvent in the active material composition during the production of the layer is at least 10% by weight, in particular at least 15% by weight, and/or at most 30% by weight, in particular at most 25% by weight, based on the total weight of the active material composition.
Insbesondere durch die Kombination dieser vergleichsweise niedrigen Lösungsmittelgehalte mit dem Ethylencarbonat als Lösungsmittel kann eine vergleichsweise umweltschonende Produktion der Elektroden ermöglicht werden.In particular, the combination of these comparatively low solvent contents with ethylene carbonate as a solvent enables a comparatively environmentally friendly production of the electrodes.
Das Erzeugen der Schicht, insbesondere das Extrudieren, kann bei einer Temperatur von wenigstens 120°C und/oder einer Temperatur von höchstens 160°C erfolgen. Es hat sich gezeigt, dass Aktivmaterialzusammensetzungen bei diesen Temperaturen besonders gut verarbeitet werden können. Insbesondere erlauben es entsprechende Verfahren, bei denen die für die Erzeugung der Schicht notwendige Fließfähigkeit erst in einem derartigen Temperaturbereich einsetzt, „freistehende“ Schichten zu erzeugen, d. h. Schichten, die eine gewisse Formstabilität aufweisen. Diese eignen sich insbesondere, um die erfindungsgemäßen „Doppelschichten“ zu realisieren.The production of the layer, in particular the extrusion, can take place at a temperature of at least 120°C and/or a temperature of at most 160°C. It has been shown that active material compositions can be processed particularly well at these temperatures. In particular, corresponding processes in which the flowability required for the production of the layer only sets in at such a temperature range allow "free-standing" layers to be produced, i.e. layers that have a certain dimensional stability. These are particularly suitable for realizing the "double layers" according to the invention.
Das Entfernen des Lösungsmittels, das insbesondere nach dem Erzeugen und/oder vor dem Verdichten der jeweiligen Schicht erfolgt, erfolgt insbesondere durch Erhitzen der jeweiligen Schicht. Die jeweilige Schicht wird insbesondere auf eine Temperatur von wenigstens 140°C und/oder höchstens 200 °C erhitzt.The removal of the solvent, which takes place in particular after the production and/or before the compaction of the respective layer, takes place in in particular by heating the respective layer. The respective layer is in particular heated to a temperature of at least 140°C and/or at most 200°C.
Das Zusammenführen der Schichten erfolgt insbesondere durch Laminieren. Weiterhin kann das Zusammenführen der Schichten mit einem Stromkollektor ebenfalls durch Laminieren erfolgen. Das Zusammenführen der ersten und der zweiten Schicht bzw. einer Schicht und einem Stromkollektor erfolgt insbesondere bei einer Temperatur von wenigstens 80° und/oder höchstens 90 °C.The layers are joined together in particular by lamination. Furthermore, the layers can also be joined together with a current collector by lamination. The first and second layers or a layer and a current collector are joined together in particular at a temperature of at least 80° and/or at most 90°C.
Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
-
1 eine Schnittdarstellung durch eine beispielhafte Batterie
-
1 a cross-section of an example battery
Die in
Wie im gezeigten Beispiel kann die Anode 12 eine erste Schicht 18 und eine zweite Schicht 20 aufweisen. Die erste Schicht 18 und die zweite Schicht 20 unterscheiden sich dabei in wenigstens einer Eigenschaft.As in the example shown, the
Wie im gezeigten Beispiel kann die Kathode 14 ebenfalls eine erste Schicht 22 und eine zweite Schicht 24 aufweisen. Auch die erste Schicht 22 und die zweite Schicht 24 unterscheiden sich hierbei in wenigstens einer Eigenschaft.As in the example shown, the
Die Anode 12 und die Kathode 14 Können jeweils wie im gezeigten Beispiel einen Stromkollektor 26 bzw. 28 aufweisen. Dabei ist insbesondere die zweite Schicht 20 der Anode 12 zwischen der ersten Schicht 18 und dem Stromkollektor 26 der Anode 12 angeordnet. Weiter ist insbesondere die zweite Schicht 24 der Kathode 14 zwischen der ersten Schicht 22 und dem Stromkollektor 28 der Kathode 14 angeordnet.The
In der
Im Fall der Anode 12 können die erste Schicht 18 und die zweite Schicht 20 aus Aktivmaterialzusammensetzungen bestehen, die jeweils Grafit als Aktivmaterial aufweisen. Bei der Eigenschaft, in der sich die erste Schicht 18 der Anode 12 und die zweite Schicht 20 der Anode 12 unterscheiden, kann es sich beispielsweise um die Porosität handeln. So kann die erste Schicht 18 beispielsweise eine höhere Porosität aufweisen als die zweite Schicht 20. Durch die höhere Porosität weist die erste Schicht 18 dadurch eine höhere Ionen-Leitfähigkeit auf, was die Eignung der ersten Schicht 18 für die Bereitstellung hoher Leistungen verbessert. Durch die niedrigere Porosität der zweiten Schicht 20 lässt sich mittels dieser Schicht jedoch eine höhere Energiedichte erreichen. Im Fall der Kathode 14 kann die erste Schicht 22 ebenfalls in vorteilhafter Weise eine höhere Porosität aufweisen als die zweite Schicht 24.In the case of the
Weiterhin kann das Aktivmaterial der ersten Schicht 22 beispielsweise ein LFP sein, während das Aktivmaterial der zweiten Schicht ein NMC sein kann. Eine derartige Kombination hat den weiteren Vorteil, dass aufgrund der unterschiedlichen Spannungen, die sich aus den unterschiedlichen Aktivmaterialien ergeben, die Charakteristik, dass das LFP als Aktivmaterial tendenziell besser dazu geeignet ist, hohe Leistungen zu liefern, während das NMC tendenziell höhere Energiedichten ermöglicht, noch verstärkt.Furthermore, the active material of the
Da das NMC typischerweise höhere Zellspannungen ermöglicht, wird in einem Betriebszustand, in dem nur geringe Leistungen abgerufen werden, dass NMC die elektrische Energie liefern. Erst wenn aufgrund einer hohen von der Batterie abgegebenen Leistung die Zellspannung absinkt, wird auch das LFP elektrische Energie abgeben und somit die Abgabe hoher Leistungen durch die Batterie ermöglichen. Sinkt die von der Batterie abgegebene Leistung wieder, so steigt die Zellspannung wieder an. Die elektrische Energie wird nun wieder von dem NMC abgegeben.Since the NMC typically enables higher cell voltages, the NMC will supply the electrical energy in an operating state in which only low power is required. Only when the cell voltage drops due to high power output from the battery will the LFP also release electrical energy and thus enable the battery to deliver high power. If the power output from the battery drops again, the cell voltage rises again. The electrical energy is now again released by the NMC.
Aufgrund der hohen Zellspannung, die das NMC ermöglicht, können hierbei zusätzlich auch Ladungen auf das LFP übertragen werden, mit anderen Worten, die erste Schicht 22 mit dem LFP als Aktivmaterial wird in Phasen, in denen lediglich sehr niedrige Leistungen abgegeben werden, wieder von der zweiten Schicht 24 mit dem NMC als Aktivmaterial geladen.Due to the high cell voltage made possible by the NMC, charges can also be transferred to the LFP. In other words, the
Auf diese Weise kann bereits eine vergleichsweise dünne Schicht 22, deren Aktivmaterialzusammensetzung LFP als Aktivmaterial aufweist, die Fähigkeit der Batterie 10 zur Abgabe vergleichsweise großer elektrischer Leistungen über kurze, zeitlich voneinander beanstandete Zeiträume erheblich steigern, während gleichzeitig durch das NMC eine insgesamt hohe Energiedichte der Batterie 10 ermöglicht wird.In this way, even a comparatively
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.The features of the invention disclosed in the present description, in the drawings and in the claims can be essential for the realization of the invention in its various embodiments both individually and in any combination. The invention is not limited to the embodiments described. It can be varied within the scope of the claims and taking into account the knowledge of the competent person skilled in the art.
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 1010
- Batteriebattery
- 1212
- Anodeanode
- 1414
- Kathodecathode
- 1616
- Separatorseparator
- 1818
- erste Schicht, Anodefirst layer, anode
- 2020
- zweite Schicht, Anodesecond layer, anode
- 2222
- erste Schicht, Kathodefirst layer, cathode
- 2424
- zweite Schicht, Kathodesecond layer, cathode
- 2626
- Stromkollektorcurrent collector
- 2828
- Stromkollektorcurrent collector
Claims (18)
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2023
- 2023-05-03 DE DE102023111490.5A patent/DE102023111490A1/en active Pending
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