DE102023204783A1

DE102023204783A1 - Trockene elektrodenzusammensetzung für sekundärbatterie, verfahren zur herstellung einer trockenen elektrodenplatte, trockene elektrodenplatte, elektrode und sekundärbatterie

Info

Publication number: DE102023204783A1
Application number: DE102023204783.7A
Authority: DE
Inventors: Young Jun Kim; Yong Hee Kang; Dong Hoon Lee
Original assignee: SK On Co Ltd
Current assignee: SK On Co Ltd
Priority date: 2022-05-23
Filing date: 2023-05-23
Publication date: 2023-11-23
Also published as: CN117117184A; KR20230163119A; US20230378469A1

Abstract

Trockene Elektrodenzusammensetzung, umfassend: ein aktives Elektrodenmaterial; ein teilchenförmiges Bindemittel, in dem sich Fasern zu Bündeln zusammenlagern; und es sind vorgesehen: ein Weichmacher, wobei das Bindemittel durch Wärme und Druck faserbar ist, ein Verfahren zur Herstellung einer trockenen Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie unter Verwendung der trockenen Elektrodenzusammensetzung, und eine Elektrode und eine Sekundärbatterie, die die trockene Elektrodenplatte enthalten.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG(EN)
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2022-0062785 , die am 23. Mai 2022 beim koreanischen Amt für geistiges Eigentum eingereicht wurde und deren Offenbarung durch Bezugnahme in vollem Umfang in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.
HINTERGRUND
1. GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine trockene Elektrodenzusammensetzung für eine Sekundärbatterie, ein Verfahren zur Herstellung einer trockenen Elektrodenplatte und einer trockenen Elektrodenplatte unter Verwendung der Zusammensetzung sowie eine Elektrode und eine Sekundärbatterie mit der trockenen Elektrodenplatte.
2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Eine Lithium-Sekundärbatterie ist eine Energiequelle für ein mobiles Gerät, und in den letzten Jahren ist auch die Verwendung als Energiequelle für Elektrofahrzeuge (EV) und Hybridelektrofahrzeuge (HEV) Realität geworden, und die Nachfrage danach steigt ebenfalls kontinuierlich.
Im Allgemeinen wird eine Elektrode für eine Lithium-Sekundärbatterie hergestellt, indem eine Elektrodenmischung, die ein aktives Elektrodenmaterial und ein Bindemittel enthält, in einem Lösungsmittel wie Wasser oder NMP dispergiert wird, um eine Aufschlämmung des aktiven Elektrodenmaterials herzustellen, die Aufschlämmung auf einen Stromabnehmer aufgebracht wird und die Aufschlämmung getrocknet wird.
Beim Trocknungsprozess wird das in der Aufschlämmung der Elektrodenmischung enthaltene Lösungsmittel verdampft, und beim Trocknungsprozess, bei dem das Lösungsmittel verdampft, können Defekte wie Nadellöcher oder Risse in der zuvor gebildeten Elektrodenmischungsschicht auftreten.
Da die Innenseite und die Außenseite der Elektrodenmischungsschicht nicht gleichmäßig getrocknet werden, tritt außerdem ein Migrationsphänomen auf, bei dem Teilchen durch einen Unterschied in der Verdampfungsrate des Lösungsmittels zusammenschwimmen, d. h. Teilchen wie z. B. ein Bindemittel wandern mit dem verdampften Lösungsmittel aus einem Bereich, der zuerst trocknet, und schwimmen an die Oberfläche, und bilden eine Lücke zwischen dem Bereich, der zuerst trocknet, und einem Bereich, der relativ später trocknet, wodurch sich die Elektrodenqualität verschlechtert.
Um dieses Problem zu lösen, wird eine Technologie zur gleichmäßigen Trocknung der Innen- und Außenseite der Elektrodenmischungsschicht entwickelt, wobei die Verdampfungsrate des Lösungsmittels angepasst wird. Da die bei dieser Technologie eingesetzten Trocknungsvorrichtungen jedoch sehr teuer sind und ihr Betrieb erhebliche Kosten und Zeit erfordert, ist die Technologie im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit in der Fertigung nachteilig.
In der Zwischenzeit wurde vor kurzem eine Methode zur Herstellung von trockenen Elektroden vorgeschlagen, um die Probleme mit der Verschlechterung der Elektrodenqualität und der Verarbeitbarkeit zu verbessern. Da bei dem Herstellungsverfahren für trockene Elektroden ein aktives Elektrodenmaterial, ein Bindemittel und dergleichen nicht in einem Lösungsmittel gelöst werden, kann ein Trocknungsprozess entfallen, aber eine durch das Verfahren hergestellte trockene Elektrode weist eine unzureichende Zugfestigkeit auf, so dass die Elektrode keine Plattenform beibehält und beispielsweise Risse in einer hergestellten Elektrodenplatte auftreten.
Daher besteht bei der Herstellung einer Elektrode ein hoher Bedarf an einer Technologie, die keine Migration eines Bindemittels verursacht, um die Elektrodenqualität zu verbessern und die Zugfestigkeit einer Elektrode zu sichern und gleichzeitig die Verarbeitbarkeit zu verbessern.
Da sich in den letzten Jahren der Preiswettbewerb bei Sekundärbatterien verschärft hat, besteht außerdem ein dringender Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, das die Kosten bei der Elektrodenherstellung senken kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine trockene Elektrodenzusammensetzung bereitstellen, die die Herstellung einer Elektrode mit einem Trockenverfahren ermöglicht, auch wenn kein Lösungsmittel enthalten ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte mit einem Trockenverfahren unter Verwendung der trockenen Elektrodenzusammensetzung sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine Elektrode und eine Sekundärbatterie bereitstellen, die die mit der trockenen Elektrodenzusammensetzung hergestellte trockene Elektrodenplatte enthält.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine trockene Elektrodenzusammensetzung ein partikelförmiges Bindemittel, in dem sich Fasern zu Bündeln zusammenlagern, und einen Weichmacher enthalten, wobei das Bindemittel durch Wärme oder Druck faserbar ist.
Das Bindemittel kann mindestens eines aus der Gruppe sein, die aus Polytetrafluorethylen, Polyethylenoxid, Polyacrylnitril, Polyvinylidenfluorid, Cellulosederivaten und Propionat besteht.
Das Bindemittel kann in einem Anteil von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Feststoffgehalts der Elektrodenzusammensetzung, enthalten sein.
Der Weichmacher kann ein flüssiges Paraffin enthalten.
Der Weichmacher kann in einer Menge von 5 bis 40 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile des Bindemittels, enthalten sein.
Die Zusammensetzung kann außerdem mindestens einen Bestandteil enthalten, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem leitfähigen Mittel und einem teilchenförmigen Bindemittel besteht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte das Kalandrieren einer der trockenen Elektrodenzusammensetzungen umfassen, während der Zusammensetzung Wärme zugeführt wird, wodurch eine Elektrodenplatte hergestellt wird.
Das Kalandrieren kann bei einer Temperatur von 50 bis 200 °C erfolgen.
Ein Vorgang, bei dem die trockene Elektrodenzusammensetzung unter Erhitzung geknetet wird, um das Bindemittel zu zerfasern, kann ebenfalls vorgesehen werden.
Das Kneten kann durch Erhitzen auf eine Temperatur von 30 bis 200 °C erfolgen.
Das Kneten kann durch Anwendung von Scherdruck erfolgen.
Das Kneten kann mit einer Drehgeschwindigkeit von 20 bis 50 U/min erfolgen.
Das Kneten kann 1 bis 10 Minuten lang erfolgen.
Nach dem Kalandrieren kann ein Trocknungsprozess zur Entfernung eines Weichmachers vorgesehen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine trockene Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie bereitgestellt werden, die nach einem der Herstellungsverfahren hergestellt wird.
Das Bindemittel kann in einer faserigen Form vorliegen.
Die Elektrodenplatte kann eine Zugfestigkeit von 0,40 N/mm² oder mehr aufweisen.
Die Elektrodenplatte kann eine Elektrodendichte von 2,0 g/cm³ oder mehr aufweisen.
Die Elektrodenplatte kann eine Dicke von 100 bis 500 um haben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine Elektrode für eine Sekundärbatterie einen Stromabnehmer und eine der trocken Elektrodenplatten für eine Sekundärbatterie auf mindestens einer Oberfläche des Stromabnehmers umfassen.
Die Elektrodenplatte kann eine Zugfestigkeit von 0,40 N/mm² oder mehr aufweisen.
Bei der Elektrode kann es sich um mindestens eine negative und eine positive Elektrode handeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine Sekundärbatterie eine Elektrodenbaugruppe mit einer Anode, einen Separator und einer Kathode sowie eine Elektrolytlösung umfassen, wobei die Elektrodenbaugruppe und die Elektrolytlösung in einem Batteriegehäuse untergebracht und versiegelt sind, wobei mindestens eine der positiven Elektrode und der negativen Elektrode eine der oben beschriebenen Elektroden ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Aspekte, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verstanden werden, wobei:

1 ein Foto einer positiven trockenen Elektrodenzusammensetzung, die in Beispiel 1 gemischt wurde, ist;
2 eine mikroskopische Aufnahme einer positiven trockenen Elektrodenzusammensetzung, die in Beispiel 1 gemischt wurde, ist;
3 eine Zeichnung ist, die schematisch ein Konzept zur Herstellung einer trockenen Elektrodenplatte unter Verwendung einer Kalandrierwalzenanlage gemäß Beispiel 1 zeigt;
4 eine Fotografie einer positiven trockenen Elektrodenplatte, die in Beispiel 1 hergestellt wurde, ist; und
5 eine mikroskopische Aufnahme eines Querschnitts der in Beispiel 1 hergestellten positiven trockenen Elektrodenplatte ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Die beispielhaften Ausführungsformen in der vorliegenden Offenbarung können jedoch in vielen verschiedenen Formen modifiziert werden, und der Umfang der Offenbarung sollte nicht auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt werden.
Im Allgemeinen werden bei der Herstellung einer Elektrode ein aktives Elektrodenmaterial, ein Bindemittel und ähnliches in einer großen Menge eines Lösungsmittels, wie z. B. einem organischen Lösungsmittel wie NMP oder einem Lösungsmittel auf Wasserbasis wie Wasser, dispergiert, um eine Aufschlämmung herzustellen, ein Elektrodenstromabnehmer wird mit der Aufschlämmung beschichtet, und dann wird die Aufschlämmung getrocknet, um das Lösungsmittel zu entfernen. Daher ist ein separates Verfahren zur Entfernung der großen Menge an Lösungsmittel erforderlich, was die Herstellungskosten der Elektroden erhöht. Außerdem wandert das Bindemittel mit dem Lösungsmittel, das sich bei der Entfernung des Lösungsmittels verflüchtigt, auf die Oberfläche der Elektrode, wodurch sich eine große Menge des Bindemittels auf der Oberfläche der Elektrode konzentriert und Probleme verursacht, wie z. B. die Verringerung der Bindungskraft zwischen den aktiven Elektrodenmaterialien und das Ablösen der Elektrodenmischungsschicht vom Elektrodenstromabnehmer.
Daher zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, eine Elektrode durch ein Trockenverfahren ohne Einbeziehung eines herkömmlichen Lösungsmittels herzustellen, und gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung soll eine trockene Elektrodenzusammensetzung bereitgestellt werden, die keine herkömmliche große Menge an Lösungsmittel enthält.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält eine trockene Elektrodenzusammensetzung ein aktives Elektrodenmaterial und ein Bindemittel.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die trockene Elektrodenzusammensetzung eine Zusammensetzung für eine positive Elektrode oder eine Zusammensetzung für eine negative Elektrode sein. Daher kann das im aktiven Elektrodenmaterial enthaltene aktive Elektrodenmaterial ein aktives Elektrodenmaterial für eine positive oder negative Elektrode sein.
Als aktives Material für die positive Elektrode kann eine Verbindung verwendet werden, die Lithium reversibel einlagern und desorbieren kann (lithiumhaltige Einlagerungsverbindung). Insbesondere können ein oder mehrere Verbundoxide eines Metalls, ausgewählt aus Kobalt, Mangan, Nickel und einer Kombination davon, mit Lithium verwendet werden.
Als spezifischeres Beispiel kann eine Lithium-Übergangsmetallverbindung (Oxid) mit einer Schichtstruktur verwendet werden, die durch die allgemeine Formel LiMO₂ dargestellt wird, wobei M mindestens eines der Übergangsmetallelemente, wie Ni, Co und Mn, einschließt und darüber hinaus andere Metallelemente oder Nichtmetallelemente enthalten kann. Das Verbundoxid kann zum Beispiel ein unäres Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxid mit einem der Übergangsmetallelemente, ein sogenanntes binäres Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxid mit zwei der Übergangsmetallelemente und ein ternäres Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxid mit Ni, Co und Mn als Bestandteil enthalten. Im Einzelnen kann es sich um Li_xMn_i-yM_yA₂, Li_xMn_1-yM_yO_2-zX_z, Li_xMn₂O_4-zX_z, Li_xMn_2-yM_yM'_zA₄, Li_xCo_1-yM_yA₂, Li_xCo_1-yM_yO_2-zX_z, Li_xNi_1-yM_yA₂, Li_xNi_1-yM_yO_2-zX_z, Li_xNi_1-yCo_yO_2-zX_z, Li_xNi_1-y-zCO_yM_zA_α, Li_xNi_1-y-zCO_yM_zO_2-αX_α, Li_xNi_1-y-zMn_yM_zA_α oder Li_xNi_1-y-zMn_yM_zO_2-αX handeln (wobei 0,9≤x≤1, 0≤y≤0,5, 0≤z≤0.5, und 0≤α≤2, M und M' gleich oder verschieden voneinander und ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, As, Zr, Mn, Cr, Fe, Sr, V, und Seltenerdelementen sind, A aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus O, F, S und P besteht, und X aus F, S und P ausgewählt ist), und zum Beispiel ein ternäres Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxid wie Li (Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3) O₂ ist.
Darüber hinaus kann eine Lithium-Übergangsmetallverbindung (Oxid) verwendet werden, die durch die allgemeine Formel Li₂MO₃ dargestellt wird, in der M mindestens eines der Übergangsmetallelemente, wie Mn, Fe und Co, einschließt und darüber hinaus andere Metallelemente oder Nichtmetallelemente einschließen kann, und die beispielsweise Li2MnO₃ , Li₂PtO₃ und dergleichen einschließen kann.
Darüber hinaus kann das aktive Material der positiven Elektrode eine feste Lösung aus LiMO₂ und Li₂MO₃ sein, beispielsweise eine feste Lösung aus 0,5LiNiMnCoO₂ -0,5Li₂MnO₃.
Außerdem kann das aktive Material der positiven Elektrode mit einer Überzugsschicht auf der Oberfläche verwendet werden, oder es kann eine Mischung aus der Verbindung und der Verbindung mit einer Überzugsschicht verwendet werden. Die Überzugsschicht kann mindestens eine Überzugselementverbindung enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Oxiden, Hydroxiden, Oxyhydroxiden, Oxycarbonaten und Hydrocarbonaten des Überzugselements besteht. Die Verbindung, die die Beschichtungsschicht bildet, kann amorph oder kristallin sein. Als Beschichtungselement in der Überzugsschicht können Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr oder eine Mischung davon verwendet werden.
In der positiven Elektrode kann das aktive Material der positiven Elektrode zu 90 bis 98 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der trockenen positiven Elektrodenzusammensetzung, enthalten sein.
Das aktive Material der negativen Elektrode kann zum Beispiel ein aktives Material der negativen Elektrode auf Kohlenstoffbasis sein. Das aktive Material für die negative Elektrode auf Kohlenstoffbasis wird in der vorliegenden Offenbarung in geeigneter Weise verwendet und ist nicht besonders beschränkt, solange es üblicherweise bei der Herstellung der negativen Elektrode einer Sekundärbatterie verwendet wird, kann aber künstliches Graphit, natürlicher Graphis oder eine Mischung aus künstlichem Graphit und natürlichem Graphit sein. Das künstliche Graphit kann die Dispergierbarkeit einer Aufschlämmung weiter verbessern und die Lebensdauer und die Lagerungseigenschaften bei hohen Temperaturen erhöhen.
Die Form des künstlichen Graphits oder des natürlichen Graphits kann amorph, plattig, flockig, kugelförmig, faserig oder eine Kombination davon sein. Wenn das künstliche Graphit und das natürliche Graphit als Gemisch verwendet werden, kann das Mischungsverhältnis 70:30 bis 95:5 (Gewichtsverhältnis) betragen.
Das aktive Material der negativen Elektrode kann ohne besondere Einschränkung verwendet werden, solange es die Funktion des Einschlusses und der Desorption eines Lithium-Ions hat, und kann ein Seitenverhältnis von 20 oder mehr haben, um die Funktion des aktiven Materials der negativen Elektrode für eine Lithium-Sekundärbatterie zu verbessern.
Darüber hinaus kann das aktive Material für die negative Elektrode zusammen mit dem aktiven Material für die negative Elektrode auf Kohlenstoffbasis mindestens eines der folgenden Materialien enthalten: ein aktives Material für die negative Elektrode auf Siliziumbasis (Si), ein aktives Material für die negative Elektrode auf Zinnbasis (Sn) oder ein aktives Material für die negative Elektrode auf Lithiumvanadiumoxidbasis. Wenn das aktive Material der negativen Elektrode diese Materialien weiterhin enthält, kann es sie in einem Bereich von 1 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des aktiven Materials der negativen Elektrode, enthalten.
Das aktive Material der negativen Elektrode auf Si-Basis kann Si, ein Si-C-Verbundstoff, SiO_x (0<x<2) oder eine Si-Q-Legierung sein. In der Si-Q-Legierung kann Q ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Elementen der Gruppe 13, anderen Elementen der Gruppe 14 als Si, Elementen der Gruppe 15, Elementen der Gruppe 16, Übergangsmetallelementen, Seltenerdelementen und einer Kombination davon besteht, und kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, und eine Kombination davon.
Im Allgemeinen ist bekannt, dass ein negatives Elektroden-Aktivmaterial auf Si-Basis als negatives Elektroden-Aktivmaterial die Eigenschaft einer großen Volumenänderung aufweist. Daher kann ein aktives Material für eine negative Elektrode auf Siliziumbasis in der Regel mit einem aktiven Material für eine negative Elektrode auf Kohlenstoffbasis, wie z. B. Graphit, kombiniert werden, wobei ein Kohlenstoffnanoröhrchen als leitendes Mittel enthalten sein kann, um ein Aufquellen aufgrund der Volumenausdehnung des aktiven Materials für die negative Elektrode auf Siliziumbasis zu verhindern.
Das aktive Material der negativen Elektrode auf Sn-Basis kann Sn, SnO₂ oder eine Sn-R-Legierung sein. In der Sn-R-Legierung kann R ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Elementen der Gruppe 13, anderen Elementen der Gruppe 14 als Sn und Si, Elementen der Gruppe 15, Elementen der Gruppe 16, Übergangsmetallelementen, Seltenerdelementen und einer Kombination davon besteht, und kann insbesondere ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, und eine Kombination davon. Darüber hinaus können mindestens eines von ihnen und SiO₂ gemischt und verwendet werden.
Der Anteil des aktiven Materials der negativen Elektrode in einer negativen Elektrodenmischungsschicht kann 94 bis 98 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen negativen Elektrodenzusammensetzung, betragen.
Die trockene Elektrodenzusammensetzung enthält ein Bindemittel. Das Bindemittel kann ein Bindemittel sein, das durch Hitze und Druck faserbar ist. Das oben beschriebene faserbare Bindemittel ist ein Bindemittel mit einer Teilchenform, in der sich Fasern zu Bündeln zusammenlagern, und wird durch Anwendung von vorbestimmter Hitze und Druck erweicht, und auch die Faserbündel werden zu Fasern entwirrt. Die Fasern als solche werden auf der Oberfläche von Partikeln, wie z. B. einem aktiven Elektrodenmaterial, verteilt, um die Partikel fest zu binden und dadurch einer Elektrodenplatte Zugfestigkeit zu verleihen und die Plattenform beizubehalten. Wenn die Elektrodenplatte auf die Oberfläche eines Elektrodenplattenstromabnehmers beschichtet wird, um eine Elektrode herzustellen, kann die Elektrodenplatte außerdem fest mit der Oberfläche des Elektrodenstromabnehmers verbunden werden.
Das faserbare Bindemittel kann beispielsweise Polytetrafluorethylen, Polyethylenoxid, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylalkohol und Zellulosederivate umfassen. Das Bindemittel als solches sind Teilchen, in denen sich feine Fasern zu Bündeln zusammenlagern, und die Fasern, die die Bündel bilden, werden durch Anwendung von vorbestimmter Hitze und Druck freigesetzt, um eine feinfaserige Form zu bilden. Das faserbare Bindemittel als solches kann z. B. PTFE Feines Pulver der Sorte F-104, erhältlich von Daikin, Japan, die TF2021Z PTFE Feines Pulver- Sorte, erhältlich von 3M, U.S.A., PTFE Feines Pulver der Sorte DF-201, erhältlich von Dongyue, China, oder Ähnliches umfassen.
Das faserbare Bindemittel kann eine Zugfestigkeit von 20 bis 50 N/mm² aufweisen, beispielsweise 20 bis 45 N/mm² oder 24 bis 45 N/mm² nach der Faserung.
Ohne besonders darauf eingeschränkt zu sein, kann das Bindemittel eine Dehnung von 350 bis 550 %, z. B. 380 bis 520 %, aufweisen.
Darüber hinaus kann das Bindemittel ein spezifisches Gewicht von 2,0 bis 2,5 g/cm³, beispielsweise 2,15 bis 2,2 g/cm³, aufweisen, ohne darauf beschränkt zu sein.
Das Bindemittel kann in einem Anteil von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt der trockenen Elektrodenzusammensetzung, enthalten sein. Zum Beispiel kann das Bindemittel mit einem Gehalt von 1 Gew.-% oder mehr, 1,5 Gew.-% oder mehr oder 2 Gew.-% oder mehr und 5 Gew.-% oder weniger, 4,5 Gew.-% oder weniger oder 4 Gew.-% oder weniger enthalten sein. Wenn der Gehalt des Bindemittels weniger als 1 Gew.-% beträgt, ist die Bindungskraft der partikelförmigen Bestandteile wie des aktiven Elektrodenmaterials, das in der trockenen Elektrodenzusammensetzung enthalten ist, gering, so dass es schwierig sein kann, eine Plattenform beizubehalten, und wenn der Gehalt mehr als 5 Gew.-% beträgt, ist der Elektrodenwiderstand übermäßig erhöht.
Die trockene Elektrodenzusammensetzung kann einen Weichmacher enthalten. Der Weichmacher kann als Verarbeitungshilfsmittel für das oben beschriebene Bindemittel, d. h. das faserbare Bindemittel, dienen, die Dispergierbarkeit des Bindemittels verbessern, die Faserung des Bindemittels fördern und darüber hinaus die Zugfestigkeit einer durch das Trockenverfahren hergestellten Elektrodenplatte weiter verbessern.
Der Weichmacher kann ein flüssiges Paraffin enthalten, wobei das flüssige Paraffin ein Alkan-Kohlenwasserstoff mit der chemischen Formel C_nH_2n+2 ist, in der n 19 oder mehr ist, insbesondere 20 bis 40.
Der Weichmacher kann z. B. ein flüssiges Paraffin der Sorten ISOPAR-E und ISOPAR-M sein, das von Exxon Mobile erhältlich ist.
Der Weichmacher kann einen Siedepunkt von 110 bis 230°C haben, beispielsweise 115 bis 225°C.
Darüber hinaus kann der Weichmacher eine Verdunstungsrate von 0,1 bis 200, z. B. 0,3 bis 170, bezogen auf die Verdunstungsrate von n-Butylacetat (n-BuAc) von 100, aufweisen.
Der Weichmacher kann eine Dichte von 0,715 bis 0,790 g/cm³ haben, z. B. 0,723 bis 0,785 g/cm³, gemessen bei 15,6 °C, ist aber nicht darauf beschränkt.
Darüber hinaus kann der Weichmacher eine Viskosität von 0,70 bis 4,0 mm²/s und beispielsweise 0,80 bis 3,85 mm²/s, gemessen bei 25°C, aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Der Weichmacher kann in einer Menge von 5 bis 40 Gewichtsanteilen, z. B. 7 Gewichtsanteilen oder mehr oder 10 Gewichtsteilen oder mehr und 35 Gewichtsanteilen oder weniger oder 30 Gewichtsanteilen oder weniger, bezogen auf 100 Gewichtansteile des Bindemittels, enthalten sein.
Die trockene Elektrodenzusammensetzung kann außerdem eine Komponente enthalten, die üblicherweise für die Herstellung einer Elektrode verwendet wird, wie z. B. ein leitfähiges Mittel oder ein partikelförmiges Bindemittel nach Bedarf.
Die trockene Elektrodenzusammensetzung kann ferner ein leitfähiges Mittel zur Verbesserung der Leitfähigkeit enthalten. Das leitfähige Mittel kann ohne Einschränkung verwendet werden, solange es üblicherweise in einer Sekundärbatterie verwendet wird, und kann zum Beispiel eines oder mehrere sein, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Graphit, wie natürlichem Graphit oder künstlichem Graphit, Materialien auf Kohlenstoffbasis, wie Ruß, Acetylenschwarz, Ketjenschwarz, Kohlenstofffasern und Kohlenstoffnanoröhren, Materialien auf Metallbasis, wie Metallpulver oder Metallfasern aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Silber und dergleichen, und leitfähigen Polymeren, wie einem leitfähigen Oxid oder Polyphenylenderivat, besteht.
Das leitfähige Mittel kann in einem Anteil von z. B. 0,1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Elektrodenzusammensetzung, enthalten sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die trockene Elektrodenzusammensetzung kann außerdem ein partikelförmiges Bindemittel enthalten. Bei dem partikelförmigen Bindemittel kann es sich um solche handeln, die üblicherweise bei der Elektrodenherstellung verwendet werden, und obwohl es nicht besonders begrenzt ist, kann es sich beispielsweise um eines oder mehrere handeln, die aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen, Polyvinylidenfluorid-Trichlorethylen, Polymethylmethacrylat, Polyacrylnitril, Polyvinylacetat, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, Cyanoethyl-Pullulan und Pullulan ausgewählt sind.
Das partikelförmige Bindemittel ist nicht besonders begrenzt, kann aber zum Beispiel in einem Bereich von 0,5 bis 3 Gew.-% enthalten sein.
Die vorliegende Offenbarung stellt beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte durch ein Trockenverfahren unter Verwendung der oben beschriebenen Elektrodenzusammensetzung bereit. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann die oben beschriebene trockene Elektrodenzusammensetzung, die ein aktives Elektrodenmaterial, ein Bindemittel und einen Weichmacher enthält, geknetet und dann kalandriert werden, um eine trockene Elektrodenplatte herzustellen.
Falls erforderlich, kann die trockene Elektrodenzusammensetzung gemischt werden. Durch das Mischen können das aktive Elektrodenmaterial, das Bindemittel und der Weichmacher gleichmäßig verteilt werden, nachdem sie jeweils hinzugefügt wurden. Das Mischverfahren ist nicht besonders begrenzt, und zum Beispiel kann ein Verfahren zum Mischen von festem Pulver üblicherweise angewendet werden, und zum Beispiel kann ein Mixer, ein Mischer und dergleichen verwendet werden. Beim Mischvorgang sind die Mischbedingungen nicht besonders eingeschränkt, solange die trockene Elektrodenzusammensetzung gemischt werden kann.
Ein Verfahren zum Kneten der trockenen Elektrodenzusammensetzung, die das aktive Elektrodenmaterial, das faserbare Bindemittel und den Weichmacher enthält, kann vorgesehen werden. In einer Ausführungsform besteht das Verfahren zur Herstellung einer Elektrode in der Herstellung einer Elektrodenplatte durch ein Trockenverfahren unter Verwendung einer pulverförmigen, trockenen Elektrodenzusammensetzung ohne ein Lösungsmittel, wobei das Kneten das in der trockenen Elektrodenzusammensetzung enthaltene Bindemittel gleichmäßig dispergiert und auch das Bindemittel faserförmig macht, wodurch ein aktives Elektrodenmaterial und, falls erforderlich, ein hinzugefügtes leitfähiges Mittel und dergleichen gebunden werden. In diesem Fall kann die Dispergierbarkeit des Bindemittels verbessert und die Zerfaserung des Bindemittels durch die Aufnahme des Weichmachers gefördert werden.
Bei der Zerfaserung des faserbaren Bindemittels wird das Bindemittel mit Scherdruck beaufschlagt, während gleichzeitig Wärme auf das Bindemittel einwirkt, wodurch das faserbare Bindemittel, in dem sich feine Fasern zu Bündeln zusammenlagern, zu einer feinen Faserform aufgerollt wird und so an ein aktives Elektrodenmaterial gebunden werden kann. Darüber hinaus kann bei der Herstellung einer Elektrodenplatte die Zugfestigkeit verbessert werden, und die Form der Platte kann ohne Stromabnehmer beibehalten werden.
Das Kneten kann durch Anwendung von Wärme bei 30°C oder höher, z.B. 35°C oder höher, 40°C oder höher, 50°C oder höher, oder 60°C oder höher, erfolgen. Bei einer Temperatur von weniger als 30°C kann die Faserung des Bindemittels unzureichend sein, so dass die Bindekraft des aktiven Elektrodenmaterials unzureichend und die Zugfestigkeit gering ist, so dass die durch Kalandrieren hergestellte Elektrodenplatte möglicherweise keine Plattenform beibehält.
Obwohl das Kneten nicht begrenzt ist, ist die Obergrenze der Knettemperatur nicht besonders eingeschränkt, solange Wärme unterhalb einer Temperatur angewendet wird, bei der die thermische Zersetzung des faserbaren Bindemittels stattfindet. Darüber hinaus kann das Kneten durch Anwendung von Wärme bei oder unterhalb des Siedepunkts des in der trockenen Elektrodenzusammensetzung enthaltenen Weichmachers erfolgen. Zum Beispiel kann die angewandte Wärme bei einer Temperatur von 225°C oder weniger, insbesondere 220°C oder weniger, 215°C oder weniger, 210°C oder weniger, 200°C oder weniger, 180°C oder weniger, 150°C oder weniger, 120°C oder weniger, 115°C oder weniger oder 110°C oder weniger liegen.
Durch das Kneten kann der trockenen Elektrodenzusammensetzung Wärme zugeführt werden, und zwar unter Verwendung von Geräten, die einen Scherdruck erzeugen können, z. B. einem Schneckenkneter.
Beim Kneten sind die Prozessbedingungen für das Kneten nicht besonders eingeschränkt, solange das faserbare Bindemittel dadurch faserig gemacht werden kann. Wenn zum Beispiel ein Schneckenkneter verwendet wird, kann die Schnecke mit einer Drehzahl von 20 bis 50 U/min drehen, um das Bindemittel zu zerfasern. Bei einer Schneckendrehzahl von weniger als 20 U/min wird kein ausreichender Scherdruck erzeugt, so dass die Zerfaserung des Bindemittels möglicherweise nicht in ausreichendem Maße erfolgt, und bei einer Schneckendrehzahl von mehr als 50 U/min wird möglicherweise kein zusätzlicher Synergieeffekt bei der Zerfaserung erzielt, sondern es kann zu Nebenwirkungen wie dem Bruch des aktiven Elektrodenmaterials kommen.
Das Kneten kann 1 bis 10 Minuten lang durchgeführt werden. Wenn die Knetzeit weniger als 1 Minute beträgt, kann die Zerfaserung des Bindemittels nicht in ausreichendem Maße erfolgen, so dass die Bindung zwischen den aktiven Elektrodenmaterialien unzureichend sein kann, und wenn die Knetzeit mehr als 10 Minuten beträgt, kann das aktive Elektrodenmaterial gerollt werden, was ein übermäßiges Drehmoment verursacht.
Als nächstes kann die trockene Elektrodenzusammensetzung, die das oben erhaltene faserige Bindemittel enthält, kalandriert werden. Der Kalandriervorgang ist ein Vorgang zur Herstellung einer Platte unter Verwendung der trockenen Elektrodenzusammensetzung einschließlich des faserigen Bindemittels, und eine Elektrodenplatte kann aus der Elektrodenzusammensetzung hergestellt werden.
Der Kalandriervorgang kann durch eine Kalanderwalze mit zwei oder mehr Walzen durchgeführt werden, die die trockene Elektrodenzusammensetzung einschließlich des faserförmigen Bindemittels drehen. Wie in 3 gezeigt, wird die trockene Elektrodenzusammensetzung einschließlich des faserigen Bindemittels zwischen zwei Walzen mit einem vorbestimmten Abstand eingebracht, und durch die beiden Walzen wird Druck ausgeübt, wodurch die trockene Elektrodenzusammensetzung in einer Plattenform hergestellt wird.
Das Verfahren zur Herstellung einer trockenen Elektrode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Elektrodenplatte unter Verwendung eines Pulvers herzustellen, das ein aktives Elektrodenmaterial und ein faserbares Bindemittel enthält, ohne ein Lösungsmittel zu verwenden, und das faserbare Bindemittel wird durch Anwendung von Wärme und Druck faserig gemacht, wodurch die aktiven Elektrodenmaterialien durch das faserige Bindemittel aneinander gebunden werden. Insbesondere werden das faserige Bindemittel, das in der trockenen Elektrodenzusammensetzung enthalten ist und an der Oberfläche der Teilchen des aktiven Elektrodenmaterials haftet, ein nach Bedarf hinzugefügtes leitfähiges Mittel und dergleichen, durch Wärme erweicht und durch Druck, der während eines Kalandrierungsprozesses bereitgestellt wird, an das benachbarte aktive Elektrodenmaterial und dergleichen gebunden, so dass eine Plattenform ohne einen separaten Träger wie einen Stromabnehmer beibehalten werden kann. Andernfalls kann die Kalandrierung direkt durch Auftragen der Zusammensetzung auf den Elektrodenstromabnehmer und Kalandrieren mit dem Elektrodenstromabnehmer erfolgen.
Die Wärme kann durch Erhitzen jeder Walze, die eine Kalanderwalze bildet, auf einen vorgegebenen Temperaturbereich bereitgestellt werden. Die Heiztemperatur der Walze ist nicht begrenzt, kann aber 40°C oder mehr betragen. Wenn die Temperatur der Walze unter 40°C liegt, hat das faserhaltige Bindemittel eine unzureichende Bindungskraft mit dem Pulver, wie z. B. dem aktiven Elektrodenmaterial und dem leitfähigen Mittel, so dass eine für eine Elektrodenplatte ausreichende Zugfestigkeit möglicherweise nicht gegeben ist.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform ist das Kalandrieren durch Erhitzen auf den Siedepunkt des Weichmachers oder darüber. Da der in der trockenen Elektrodenzusammensetzung enthaltene Weichmacher durch das Erhitzen als solches durch Verdampfung entfernt werden kann, kann ein nachfolgendes Verfahren zur Entfernung des Weichmachers entfallen.
Die Obergrenze für die Temperatur der Kalanderwalze ist jedoch nicht besonders begrenzt, solange die thermische Zersetzung des faserhaltigen Bindemittels bei dieser Temperatur nicht verursacht wird. Insbesondere kann die Temperatur der Walze 200 °C oder weniger betragen, insbesondere kann sie 200 °C oder weniger betragen, um zu verhindern, dass das Bindemittel an der Oberfläche der Walze haftet.
Der Kalandriervorgang ist nicht besonders begrenzt, sondern kann auch mehrfach durchgeführt werden. Da durch mehrmaliges Kalandrieren weiter Druck auf die trockene Elektrodenzusammensetzung ausgeübt werden kann, kann die Zerfaserung des Bindemittels weiter fortschreiten und somit die Zugfestigkeit der Elektrodenplatte weiter verbessert werden. Die Anzahl der Kalandrierungswiederholungen ist nicht besonders begrenzt und kann beispielsweise 3 oder mehr, 4 oder mehr, 5 oder mehr und 20 oder weniger, 15 oder weniger, 12 oder weniger, 10 oder weniger oder 8 oder weniger betragen. Die Zugfestigkeit der Elektrodenplatte kann durch die wiederholte Kalandrierung als solche verbessert werden.
Die Elektrodenplatte kann durch Kalandrieren hergestellt werden, und dann kann, falls erforderlich, ein Trocknungsvorgang zur Entfernung des Weichmachers aus der erhaltenen Elektrodenplatte durchgeführt werden. Die Trocknung zur Entfernung des Weichmachers ist nicht besonders begrenzt und kann durch Anwendung einer Temperatur erfolgen, die dem Siedepunkt des Weichmachers entspricht oder höher ist als dieser. Da der Weichmacher in einer geringen Menge enthalten ist, kann das Trocknen zur Entfernung des Weichmachers in kurzer Zeit durchgeführt werden und unterscheidet sich somit vom Trocknen zur Entfernung eines Lösungsmittels.
Wie oben beschrieben, kann bei der Herstellung der Elektrodenplatte durch ein Trockenverfahren unter Verwendung der trockenen Elektrodenzusammensetzung, die den Weichmacher mit dem faserbaren Bindemittel enthält, der Vorgang des Entfernens eines Lösungsmittels entfallen, wodurch die Kosten für die Elektrodenherstellung reduziert werden können, und außerdem kann die Dispergierbarkeit des Bindemittels verbessert und die Faserung des Bindemittels durch Zugabe des Weichmachers gefördert werden, wodurch die Zugfestigkeit der erhaltenen Elektrodenplatte weiter verbessert werden kann.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird das faserbare Bindemittel durch ein Knetverfahren faserig gemacht, wodurch eine Elektrodenplatte mit verbesserter Zugfestigkeit entsteht. In einer Ausführungsform kann die Elektrodenplatte ein aktives Elektrodenmaterial und ein faseriges Bindemittel enthalten. Die daraus hergestellte Elektrodenplatte kann eine Zugfestigkeit von 0,40 N/mm² oder mehr aufweisen, zum Beispiel 0,50 N/mm² oder mehr, 0,70 N/mm² oder mehr, 0,80 N/mm² oder mehr, 0,9 N/mm² oder mehr, 1,0 N/mm² oder mehr oder 1,1 N/mm² oder mehr. Wenn die Zugfestigkeit der Elektrodenplatte weniger als 0,40 N/mm² beträgt, kann es für die hergestellte Elektrodenplatte schwierig sein, die Plattenform beizubehalten, z. B. können Risse oder Brüche in der Elektrodenplatte auftreten.
Die mit der vorliegenden Ausführungsform hergestellte Elektrodenplatte ist nicht besonders begrenzt, kann aber nach dem folgenden Verfahren gemessen werden.
Dichte: Nach dem Zuschneiden der Elektrodenbeschichtung auf eine bestimmte Größe (z. B. 1×1 cm²) wurden das Gewicht (Elektrodenbeladung) und die Dicke beider Seiten der Elektrode gemessen. Die Dichte der Elektrodenplatte wurde anhand der folgenden Gleichung 1 ermittelt. $Dichte der Elektrodenplatte [\frac{g}{cc}] = \frac{2 \times Electrodenbeladung [{mg/cm}^{2}]}{Electrodendicke [μ m] - Plattendicke [μ m]} \times 100$
Die Elektrodenplatte kann eine Elektrodendichte von 2,0 g/cm³ oder mehr aufweisen. Beispielsweise kann die Elektrodendichte der Elektrodenplatte 2,1 g/cm³ oder mehr, 2,2 g/cm³ oder mehr, 2,3 g/cm³ oder mehr, 2,4 g/cm³ oder mehr, 2,5 g/cm³ oder mehr oder 2,6 g/cm³ oder mehr betragen.
Darüber hinaus kann die Elektrodenplatte eine Dicke von 100 bis 500 um haben, obwohl dies nicht besonders begrenzt ist. Wenn die Elektrodenplatte eine Dicke von weniger als 100 um hat, ist die Zugfestigkeit der Elektrodenplatte nicht ausreichend, um einen Bruch zu verursachen, und wenn sie eine Dicke von mehr als 500 um hat, kann die Zusammensetzungskomponente, die die Elektrode in der Elektrodenplatte bildet, in der Dickenrichtung ungleichmäßig gemischt sein. Beispielsweise kann die Elektrodenplatte eine Dicke von 100 um oder mehr, 150 um oder mehr, 200 um oder mehr, 250 um oder mehr und 500 um oder weniger, 450 um oder weniger oder 400 um oder weniger aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Elektrode mit der oben beschriebenen trockenen Elektrodenplatte bereitgestellt. Insbesondere kann die Elektrode hergestellt werden, indem die trockene Elektrodenplatte auf mindestens eine Oberfläche eines Elektrodenstromabnehmers aufgebracht und erhitzt und gepresst wird.
Der Elektrodenabnehmer ist nicht besonders begrenzt, solange er eine hohe Leitfähigkeit aufweist, ohne eine chemische Veränderung in einer Batterie zu verursachen.
Wenn die Elektrode beispielsweise eine positive Elektrode ist, ist ein positiver Elektrodenstromabnehmer nicht besonders beschränkt, sondern kann eine dünne Platte aus Aluminium, Edelstahl oder Nickel verwenden, insbesondere eine dünne Platte aus Aluminium.
Im Falle einer negativen Elektrode kann ein negativer Elektrodenstromabnehmer Kupfer, Edelstahl, Aluminium, Nickel, Titan, gebrannten Kohlenstoff, Kupfer, Edelstahl mit einer mit Kohlenstoff, Nickel, Titan, Silber und dergleichen behandelten Oberfläche, eine Aluminium-Cadmium-Legierung und dergleichen verwenden.
Der Elektrodenstromabnehmer kann in verschiedenen Formen vorliegen, z. B. als Film, Platte, Folie, poröser Körper, Schaumstoff, nicht gewebter Vliesstoffkörper oder als Netz- oder Maschenform. Darüber hinaus können auf der Oberfläche feine Unregelmäßigkeiten gebildet werden, um die Haftkraft mit der Elektrodenplatte zu verstärken, und um Oxidation zu verhindern, kann die Oberfläche mit einer oxidationsbeständigen Metall- oder Legierungsbeschichtung versehen werden.
Darüber hinaus kann die Elektrode als positive oder negative Elektrode verwendet werden oder als positive oder negative Elektrode zur Herstellung einer Sekundärbatterie dienen. Beispielsweise werden die positive Elektrode oder die negative Elektrode in der Reihenfolge mit einem Separator als Begrenzung gestapelt, um eine Elektrodenanordnung herzustellen, und die Elektrodenanordnung wird in einem Batteriegehäuse mit einer Elektrolytlösung untergebracht und versiegelt, wodurch eine Sekundärbatterie hergestellt wird. Dabei ist das Batteriegehäuse nicht besonders begrenzt, es kann ein beutelartiges Gehäuse oder ein prismatisches oder zylindrisches Metallgehäuse sein.
Darüber hinaus kann ein Sekundärbatteriemodul unter Verwendung der Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Offenbarung gebildet werden, und auch ein oder mehrere Module können in einem Packgehäuse verpackt werden, um einen Sekundärbatteriepack zu bilden.
Das oben beschriebene Sekundärbatteriemodul und das Sekundärbatteriepaket, das dasselbe enthält, können für verschiedene Geräte verwendet werden. Insbesondere können das Sekundärbatteriemodul und der Sekundärbatteriepack, der dasselbe enthält, für verschiedene Geräte verwendet werden, und obwohl sie nicht besonders beschränkt sind, können sie zum Beispiel für Transportmittel wie Elektrofahrräder, Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge verwendet werden.
Beispiele
Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung anhand spezifischer Beispiele im Detail beschrieben. Das folgende Beispiel dient lediglich der Veranschaulichung, um das Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu erleichtern, und der Umfang der vorliegenden Offenbarung ist nicht darauf beschränkt.
Beispiel 1
96,4 Gew.-% eines aktiven Materials für eine positive Elektrode, das Nickel, Kobalt und Mangan in einem Gewichtsverhältnis von 8:1:1 enthält, 0,6 Gew.-% eines leitfähigen Mittels aus Kohlenstoffnanoröhrchen und 3 Gew.-% eines Polytetrafluorethylen (PTFE)-Bindemittels wurden gemischt, um eine trockene Zusammensetzung für eine positive Elektrode herzustellen. Darüber hinaus wurde ein Weichmacher mit einem in Tabelle 1 angegebenen Gehalt, bezogen auf 100 Gewichtsteile des Bindemittels der trockenen Zusammensetzung für die positive Elektrode, zugegeben.
Danach wurde die trockene Zusammensetzung für eine positive Elektrode mit einem Mixer gemischt. Die so erhaltene trockene Zusammensetzung für eine positive Elektrode wurde fotografiert und ist in 1 dargestellt. Darüber hinaus wurde die so hergestellte trockene Zusammensetzung für eine positive Elektrode mit einem Elektronenmikroskop fotografiert und ist in 2 dargestellt.
Die gemischte trockene Zusammensetzung für eine positive Elektrode wurde mit einer Kalanderwalze kalandriert, wie in 3 schematisch dargestellt, um eine trockene positive Elektrodenplatte herzustellen. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Kalanderwalze auf 50°C erhitzt, um das Kalandrieren durchzuführen.
Die so erhaltene trockene positive Elektrodenplatte wurde fotografiert und ist in 4 dargestellt. Außerdem wurde der Querschnitt der positiven Elektrodenplatte mit einem Mikroskop fotografiert und ist in 5 dargestellt.
Darüber hinaus wurde die Zugfestigkeit der trockenen positiven Elektrodenplatte nach dem folgenden Verfahren gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Zugfestigkeit: Eine positive Elektrodenplatte mit einer Größe von 10 mm Breite und 100 mm Länge wurde hergestellt und durch Ziehen an beiden Enden der Probe mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/min mit einer Universalprüfmaschine (UTM) gemessen.
Beispiele 2 bis 3
Trockene positive Elektrodenplatten wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Gehalt an Weichmacher wie in Tabelle 1 gezeigt geändert wurde.
Die Zugfestigkeiten der oben hergestellten trockenen positiven Elektrodenplatten wurden gemessen und sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Beispiel 4
Eine trockene positive Elektrodenplatte wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Art und der Gehalt des Weichmachers wie in Tabelle 1 gezeigt geändert wurden.
Die Zugfestigkeit der oben hergestellten trockenen positiven Elektrodenplatte wurde gemessen und ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Vergleichsbeispiel 1
Eine trockene positive Elektrodenplatte wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Weichmacher nicht enthalten war.
Die Zugfestigkeit der oben hergestellten trockenen positiven Elektrodenplatte wurde gemessen und ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Vergleichsbeispiele 2 und 3
Trockene positive Elektrodenplatten wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Weichmacher nicht enthalten war und die Art des Bindemittels wie in Tabelle 1 gezeigt geändert wurde.

Die Zugfestigkeiten der oben hergestellten trockenen positiven Elektrodenplatten wurden gemessen und sind in Tabelle 1 aufgeführt. [Tabelle 1]

	Gehalt an aktivem Material der positiven Elektrode (Gew.-%)	Gehalt an leitfähigem Material (Gew.-%)	Bindemittel		Weichmacher		Zugfestigkeit (N/mm)²
	Gehalt an aktivem Material der positiven Elektrode (Gew.-%)	Gehalt an leitfähigem Material (Gew.-%)	Typ	Gehalt (Gew.%)	Typ	Gehalt (Gewichtsanteil am Bindemittel)	Zugfestigkeit (N/mm)²
Beispiel 1	96,4	0,6	A	3	A	10	1,30
Beispiel 2	96,4	0,6	A	3	A	20	1,58
Beispiel 3	96,4	0,6	A	3	A	30	1,72
Beispiel 4	96,4	0,6	A	3	B	30	1,12
Vergleichsbeispiel 1	96,4%	0,6	A	3	-	-	0,95
Vergleichsbeispiel 2	96,4%	0,6	B	3	-	-	0,87
Vergleichsbeispiel 3	96,4%	0,6	C	3	-	-	0,82
Bemerkungen	- Bindemittel A: Feines PTFE-Pulver der Sorte F-104, erhältlich von Daikin, Japan, Dehnung: 400%, spezifisches Gewicht: 2,17 g/cm³, Zugfestigkeit: 45 N/mm²
	- Bindemittel B: Feines PTFE-Pulver der Sorte TF2021Z, erhältlich von 3M, U.S.A. Dehnung: 380%, spezifisches Gewicht: 2,15g/cm³, Zugfestigkeit: 34N/mm²
	- Bindemittel C: Feines PTFE-Pulver der Sorte DF-201, erhältlich von Dongyue, China, Dehnung: 520%, spezifisches Gewicht: 2,2g/cm³, Zugfestigkeit: 24N/mm²
	- Weichmacher A: Flüssigparaffin der Sorte ISOPAR-E, erhältlich bei Exxon Mobile
	- Weichmacher B: Flüssigparaffin der Sorte ISOPAR-M, erhältlich bei Exxon Mobile

Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden die Beispiele und das Vergleichsbeispiel 1 unter den gleichen Bedingungen durchgeführt, mit der Ausnahme, ob der Weichmacher zugesetzt wurde oder nicht, und die Zugfestigkeit der trockenen positiven Elektrodenplatte, das im Vergleichsbeispiel 1 erhalten wurde, betrug 0,95 N/mm², aber die Zugfestigkeit der trockenen positiven Elektrodenplatte, die in den Beispielen 1 bis 4 erhalten wurde, betrug 1,1 N/mm² oder mehr, was höher war als die der trockenen positiven Elektrodenplatte, die im Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurde.
Es zeigte sich, dass die Zerfaserung des Bindemittels durch die Zugabe des Weichmachers deutlicher gefördert wurde, so dass die trockene positive Elektrodenplatte von Beispiel 1 eine um etwa 20 % verbesserte Zugfestigkeit im Vergleich zur trockenen positiven Elektrodenplatte von Vergleichsbeispiel 1 aufwies.
Aus 5, in der der Querschnitt der in Beispiel 1 erhaltenen trockenen positiven Elektrodenplatte fotografiert wurde, geht hervor, dass in der trockenen positiven Elektrodenplatte, der ein Weichmacher zugesetzt wurde, das Bindemittel faserförmig wurde und die aktiven Materialien der positiven Elektrode miteinander verband, und es wird angenommen, dass die hohe Zugfestigkeit, wie oben beschrieben, daraus hervorgeht.
In den Vergleichsbeispielen 2 und 3 wurde trotz der Änderung des Bindemitteltyps keine Verbesserung der Zugfestigkeit erzielt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann eine Elektrodenplatte mit ausgezeichneter Zugfestigkeit unter Verwendung einer trockenen Elektrodenzusammensetzung ohne Lösungsmittel hergestellt werden.
Insbesondere kann die Zerfaserung eines Bindemittels durch Zugabe einer geringen Menge eines Weichmachers zu der trockenen Elektrodenzusammensetzung, die ein zerfaserbares Bindemittel enthält, gefördert werden, wodurch die Zugfestigkeit einer durch ein Trockenverfahren hergestellten Elektrodenplatte weiter verbessert werden kann.
Darüber hinaus kann durch die Herstellung einer Elektrode durch ein Trockenverfahren ein Trocknungsprozess entfallen, der bei einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer Elektrode unter Verwendung einer Aufschlämmung, die eine große Menge an Lösungsmittel enthält, zur Entfernung eines Lösungsmittels erforderlich ist, und somit kann die Vereinfachung des Elektrodenherstellungsprozesses und der Anlagen gefördert werden, und darüber hinaus können die Anlageninvestitionen reduziert werden, wodurch die Elektrodenherstellungskosten verringert werden.
Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 1020220062785 [0001]

Claims

Trockene Elektrodenzusammensetzung, umfassend: ein aktives Elektrodenmaterial; ein teilchenförmiges Bindemittel, in dem sich Fasern zu Bündeln zusammenlagern; und einen Weichmacher, wobei das Bindemittel durch Hitze oder Druck faserbar ist.
Trockene Elektrodenzusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei das Bindemittel mindestens eines ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polytetrafluorethylen, Polyethylenoxid, Polyacrylnitril, Polyvinylidenfluorid, Cellulosederivaten und Propionat besteht.
Trockene Elektrodenzusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Bindemittel in einem Anteil von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Feststoffgehalts der Elektrodenzusammensetzung enthalten ist.
Trockene Elektrodenzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Weichmacher ein flüssiges Paraffin enthält.
Trockene Elektrodenzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Weichmacher in einem Anteil von 5 bis 40 Gewichtsanteilen, bezogen auf 100 Gewichtsanteile des Bindemittels, enthalten ist.
Trockene Elektrodenzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner mindestens einen Bestandteil aus der Gruppe bestehend aus einem leitfähigen Mittel und einem partikelförmigen Bindemittel enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie, wobei das Verfahren umfasst: Kalandrieren der trockenen Elektrodenzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, während der Zusammensetzung Wärme zugeführt wird, wodurch eine Elektrodenplatte hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie gemäß Anspruch 7, wobei das Kalandrieren bei einer Temperatur von 50 bis 200°C durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie gemäß Anspruch 7 oder 8, das ferner umfasst: Kneten der trockenen Elektrodenzusammensetzung unter Erhitzen, um ein Bindemittel zu zerfasern.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie gemäß Anspruch 9, wobei das Kneten durch Anwendung von Scherdruck erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie gemäß Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei das Kneten unter einer der folgenden Bedingungen, jeweils allein oder in Kombination, durchgeführt wird: (i) durch Erhitzen auf eine Temperatur von 30 bis 200°C, (ii) Kneten bei einer Drehzahl von 20 bis 50 U/min, und/oder (iii) Kneten 1 bis 10 Minuten lang.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, das ferner einen Trocknungsprozess zur Entfernung eines Weichmachers umfasst.
Trockene Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie, die nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12 hergestellt ist.
Trockene Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie gemäß Anspruch 13, wobei das Bindemittel in einer faserigen Form vorliegt.
Trockene Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie gemäß Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei die Elektrodenplatte eine Zugfestigkeit von 0,40 N/mm² oder mehr aufweist.
Trockene Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Elektrodenplatte eine Elektrodendichte von 2,0 g/cm³ oder mehr aufweist.
Trockene Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Elektrodenplatte eine Dicke von 100 bis 500 um aufweist.
Elektrode für eine Sekundärbatterie, die Folgendes umfasst: einen Stromabnehmer; und die trockene Elektrodenplatte für eine Sekundärbatterie gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17 auf mindestens einer Oberfläche des Stromabnehmers.
Elektrode für eine Sekundärbatterie gemäß Anspruch 18, wobei die Elektrode eine Zugfestigkeit von 0,40 N/mm² oder mehr aufweist.
Elektrode für eine Sekundärbatterie gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei die Elektrode eine negative Elektrode oder eine positive Elektrode ist.
Sekundärbatterie mit einer Elektrodenanordnung, die eine Anode, einen Separator, eine Kathode und eine Elektrolytlösung beinhaltet, wobei die Elektrodenanordnung und die Elektrolytlösung in einem Batteriegehäuse untergebracht und versiegelt sind, wobei mindestens eine der positiven Elektrode und der negativen Elektrode die Elektrode gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20 ist.