DE10251241A1 - A process for preparation of Li-polymer batteries involving a composite system comprising a conductor, anode, cathode and separator giving improved cyclic and storage stability with suppression of disturbing side reactions - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lithium-Polymer-Batterien mittels eines Ableiter, Elektrodenmassen und Separator umfassenden Verbundsystems. Im einzelnen betrifft die Erfindung ein Verfahren, in dem Ableiterfolien mit pastösen extrudierten Elektrodenmassen beaufschlagt werden und anschließend mit Separatormaterial derart zusammengefügt werden, dass die mit der Elektrodenmasse beaufschlagte Elektrodensubstratseite mit dem Separatormaterial kontaktiert wird.The invention relates to a method for the production of lithium polymer batteries using an arrester, Compound system comprising electrode masses and separator. In detail The invention relates to a method in which the arrester foils pasty extruded electrode masses and then with Separator material are joined so that the with the Electrode mass applied to the electrode substrate side with the separator material is contacted.
Einzelheiten zur Herstellung von
Lithium-Polymer-Batterien sind literaturbekannt und dem "Handbook of Battery
Materials", Herausgeber:
I.O. Besenhard, Verlag VCH, Weinheim, 1999, zu entnehmen (1). Spezielle
Herstellungsverfahren, wie z. B. der sog. Bellcore-Prozess sind
in "Lithium Ion
Batteries", Herausgeber: M.
Wakihara et 0. Yamamoto, Verlag VCH, Weinheim 1998 S. 235 u.
Im Stand der Technik zur Herstellung der Lithium-Polymer Batterien werden folgende grundsätzlich verschiedene Verfahren verwendet:
- 1. der Beschichtungsprozess, bei dem (die) der für die Kathoden bzw. Anodenmasse erforderliche Polymerbinder gelöst wird. Beispielsweise wird eine 5-10%ige Lösung aus Fluorelastomeren, die als Homo- oder Copolymere vorliegen, mit z.B. N-Methylpyrrolidon (NMP) als Lösungsmittel hergestellt und diese Polymerlösung mit den kathoden- bzw. anodenspezifischen Zusätzen wie Li-interkalierbare Metalloxide bzw. Liinterkalierbare Kohlenstoffe (Ruß, Graphit o.ä.) versetzt und dispergiert. Diese Dispersion wird dann mit einem in der Technik bekannten Beschichtungsverfahren auf Stromkollektoren) aufgetragen.
- 1. the coating process in which the polymer binder required for the cathode or anode mass is dissolved. For example, a 5-10% solution of fluoroelastomers, which are present as homopolymers or copolymers, is prepared with, for example, N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent, and this polymer solution with the cathode- or anode-specific additives such as Li-intercalatable metal oxides or Liintercalable ones Carbon (carbon black, graphite, etc.) added and dispersed. This dispersion is then applied to current collectors using a coating method known in the art.
Eine Variante (1a) der oben beschriebenen Beschichtungstechnik besteht in der Verwendung von wässrigen Polymerdispersionen anstelle der Polymerlösungen mit organischen Lösungsmitteln.A variant (1a) of that described above Coating technology consists in the use of aqueous Polymer dispersions instead of polymer solutions with organic solvents.
Die nach 1 bzw. 1a erhaltenen Beschichtungen werden nach dem Trocknen zu rechteckigen oder Wickelzellen verarbeitet (gewickelt), wobei als Zwischenlage ein sog. Separator mit porösen Strukturen, z.B. aus Cellgard o.ä., verwendet wird. Ein derart hergestelltes System wird verkapselt und vor dem Verschließen mit Leitsalzlösung (Elektrolyt, d.h. Leitsalz gelöst in aprotischen Lösungsmitteln), z.B. durch Anlegen von Vakuum, gefüllt wird.The coatings obtained according to 1 or 1a are processed into rectangular or winding cells after drying (wrapped), with a so-called separator with porous structures, e.g. from Cellgard or similar, is used. A system manufactured in this way is encapsulated and before closing with saline solution (Electrolyte, i.e. conductive salt dissolved in aprotic solvents), e.g. by applying a vacuum.
Der Bellcore-Prozess (1b) ist eine weitere Variante der Beschichtungstechnik, hier wurde schon in die Anoden- bzw. Kathodenmasse eine Komponente (z.B. Dibutylphthalat DBP) mit eingearbeitet, die vor der Zusammenführung von Anode/Kathode/Separator im sog Bellcore-Prozess (vgl. Lit 2) herausgelöst wird, um ausreichende Porosität d.h. Aufnahmevermögen für die Leitsalzlösung (Elektrolyt) zu schaffen.The Bellcore process (1b) is one Another variant of the coating technology, here the anode or cathode mass with a component (e.g. dibutyl phthalate DBP) incorporated before the merging of anode / cathode / separator is extracted in the so-called Bellcore process (cf.Lit 2) to ensure sufficient porosity i.e. Absorption capacity for the conductive salt solution (electrolyte) to accomplish.
Das US-Patent
Die
Die
Ein grundsätzlich anderer Prozess (2)
ist die Extrusion. Z.B. betrifft das US Patent Nr. 4,818,643 (entspricht
Die Patentschrift
Nach diesem Verfahren soll eine trägerlösungsmittelfreie Herstellung von Lithium-Polymerbatterien dadurch erreicht werden, dass die beiden Elektrodenmassen und Polymer-Gelelektrolyt durch Mischen der jeweiligen Komponenten separat hergestellt werden, wobei der Polymer-Gelelektrolyt ein Polymergemisch enthält, das aus Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP) und aus Polymethylmethacrylat besteht, die drei Massenströme für die Anode, den Polymer-Gelelektrolyt und Kathode dann weitgehend zusammengeführt und die Anode, der Polymer-Gelelektrolyt und die Kathode gleichzeitig auf die Kollektorfolien laminiert werden. Die drei Produktströme verlassen die Austragsdüse des Extruders nicht als diskrete, separate und selbstständige Produktströme, sondern als Mischung von Anodenmasse mit Polymergel und Kathodenmasse. Das bedeutet, ein solches Komponentengemisch ist als Batteriesystem nicht funktionsfähig, außerdem sind die Massen nicht in der Lage, die Mengen an Leitsalzlösung zu binden. Ferner besteht die Gefahr, dass nicht gebundenes Lösungsmittel, das bei der Verarbeitung ausschwitzt und beim Batteriebetrieb die Kollektorfolien-Laminierung unterwandert, zu einem erhöhten Innenwiderstand der Batterie führt, die Ablösung der Elektroden bewirkt und zu einem stetigen, irreversiblen Versagensmechanismus führt. Des weiteren treten in dem Extruder Temperaturen zwischen 95 und 165°C auf, um eine thermoplastische Verarbeitung der Massen zu gewährleisen. Bei derartigen Temperaturen werden die Massen jedoch aufgeschmolzen und bilden nach Laminierung Schichten mit erheblicher Oberflächenrauhigkeit. Die Nachteile derartiger Oberflächenrauhigkeiten sind in H.G. Elias, Makromoleküle, Band II, Seite 388-399 [1992], Hüthig und Wepf Verlag, Basel, New York beschrieben.According to this procedure, a carrier solvent-free Manufacture of lithium polymer batteries can be achieved that the two electrode masses and polymer gel electrolyte by mixing the respective Components are made separately, with the polymer gel electrolyte contains a polymer mixture, that of polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) and consists of polymethyl methacrylate, the three mass flows for the anode, the polymer gel electrolyte and cathode then largely merged and the anode, the polymer gel electrolyte and the cathode are simultaneously laminated to the collector foils. The three product streams leave the discharge nozzle of the extruder not as discrete, separate and independent product flows, but as a mixture of anode mass with polymer gel and cathode mass. The means such a mixture of components is a battery system not working, Moreover the masses are unable to measure the amounts of saline solution tie. There is also a risk that unbound solvent, that sweats during processing and when operated on batteries Collector foil lamination infiltrates to increased internal resistance the battery leads the detachment of the electrodes leads to a steady, irreversible failure mechanism leads. Furthermore, temperatures between 95 and 165 ° C on, to ensure thermoplastic processing of the masses. At such temperatures, however, the masses are melted and form layers with considerable surface roughness after lamination. The disadvantages of such surface roughness are in H.G. Elias, macromolecules, Volume II, pages 388-399 [1992], Hüthig and Wepf Verlag, Basel, New York.
Die bislang beschriebenen Verfahren
haben allesamt, wenn auch unterschiedliche Nachteile:
Bei den
Beschichtungsprozessen (1-1a) muss in allen Fällen das organische Lösungsmittel
bzw. das Wasser (eingeschleppt durch die Polymerlösung bzw.
Dispersion) beseitigt werden.The methods described so far all have disadvantages, albeit different:
In the coating processes (1-1a) the organic solvent or water (introduced by the polymer solution or dispersion) must be removed in all cases.
Verbleibendes Lösungsmittel führt zum „Fading", d.h. nachlassender Batterie-Effizienz und mangelnder Zyklenstabilität. Das organische Lösungsmittel muss aus Kostengründen und zum Umweltschutz entfernt werden, was hohe Trocknungstemperaturen bzw. beim kontinuierlichen Prozess längere Trocknungszeiten bei niederen Trocknungstemperaturen und Vakuum bedeutet. Analoges gilt für die Abtrennung von Wasser. Darüberhinaus führt dies zu Qualitätsdefiziten beim hergestellten Produkt, wie etwa Inhomogenitäten, Rissbildung beim engen Wickeln, verminderte Haftung auf den Stromkollektoren, Schädigung der Stromkollektoren, Unterwanderung des Films durch den Elektrolyten. Bei der Befüllung mit dem Elektrolyten erfolgt nur mangelnde Benetzung der Anoden- bzw. Kathodenmasse.Remaining solvent leads to "fading", i.e. less Battery efficiency and poor cycle stability. The organic solvent must for cost reasons and be removed for environmental protection, resulting in high drying temperatures or in the continuous process longer drying times with lower ones Drying temperatures and vacuum means. The same applies to the separation of water. Furthermore does this to quality deficits in the manufactured product, such as inhomogeneities, cracking in the narrow Winding, reduced liability on the current collectors, damage to the Current collectors, infiltration of the film by the electrolyte. When filling there is insufficient wetting of the anode with the electrolyte or cathode mass.
Beim Prozess 1b ist die Porosität zur Aufnahme des Elektrolyten gegeben, jedoch gelten alle anderen bei 1 – 1a genannten Nachteile auch für 1b.In process 1b, the porosity is to be absorbed of the electrolyte, but all others mentioned in 1 - 1a apply Disadvantages for 1b.
Bei (2) dem Extruderprozess ergeben
sich folgende Nachteile: Das in US Patent Nr. 4818643 offenbarte
Verfahren verwendet Polyethylenoxid (PEO), das jedoch beim Batteriebetrieb
keine Langzeitstabilität aufweist,
d.h. Zyklenstabilität < 100. Der andere
Extruderprozess (
Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Lithium-Polymer-Batterien bereitzustellen, das die vorstehend beschriebenen Nachteile vermeidet, insbesondere Lithium-Polymer-Batterien mit einer verbesserten Zyklenstabilität gewährleisten kann.The object of the invention is thus therein, an improved process for the manufacture of lithium polymer batteries to provide, which avoids the disadvantages described above, Ensure in particular lithium polymer batteries with improved cycle stability can.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 22 definiert.This task is due to the characteristics of the independent Claim 1 solved. Preferred embodiments are in the dependent claims 2 to 22 defined.
Die vorliegende Erfindung umgeht die Nachteile der Verfahren des Stands der Technik durch ein vollkommen neues Herstellungsprinzip.The present invention circumvents the disadvantages of the prior art methods by a complete new manufacturing principle.
Ableiterfolien werden mit pastösen Elektrodenmassen beaufschlagt und anschließend mit Separatormaterial derart zusammengefügt, dass die mit der Elektrodenmasse beaufschlagte Elektrodensubstratseite mit dem Separatormaterial kontaktiert wird. Anode, Kathode und Separator werden zusammengeführt, so daß ein Verbund entsteht, bei dem der Separator als Zwischenlage für Anode/Kathode dient.Discharge foils are made with pasty electrode masses acted upon and then assembled with separator material so that the electrode mass loaded electrode side with the separator material is contacted. Anode, cathode and separator are brought together, see above that a composite arises with the separator as an intermediate layer for anode / cathode serves.
Der erhaltene Verbund kann dann vorzugsweise zu Mehrfachlagen verarbeitet und zu rechteckigen bzw. Wickelzellen gefertigt werden. Nach dem Verkapseln und Polen liegt eine Lithium-Polymer Batterie vor, die nach der Formgebung mit einer Spannung von beispielsweise ca. 4 Volt und Zyklenzeiten > 300 betriebsbereit ist.The composite obtained can then preferably processed into multiple layers and into rectangular or winding cells are manufactured. After encapsulation and poling, there is a lithium polymer battery before, after shaping with a tension of, for example approx. 4 volts and cycle times> 300 is ready for operation.
Im folgenden werden die einzelnen komponenten der erfindungsgemäß hergestellten Lithium-Polymerbatterien anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben.The following are the individual Components of the manufactured according to the invention Lithium polymer batteries described using preferred embodiments.
Im einzelnen werden Ableiter A, z.B.
Cu-Folie (Netz) für
die Anode bzw. Ableiter K, z.B. Al-Folie (vorzugsweise für die Kathode)
mit der Anodenmasse AM bzw. der Kathodenmasse KM für sich (separat)
oder parallel synchron beaufschlagt und dann mit dem Separator S
als Zwischenlage laminiert (L). Dies ist in
Als Ableiter sind beispielsweise Folien, Netze oder Gewebe bzw. Vliese aus Metallen, aber auch Folien aus elektrisch leitfähigen Polymeren, wie etwa Polypyrrol, Polythiophen, Polyphenylen, Polyanilin, aber auch Vlies aus Carbonfasern oder Kohlenstofffolien, geeignet. Bevorzugt werden Cu für die Anode und Al für die Kathode.As an arrester are, for example Foils, nets or fabrics or nonwovens made of metals, but also foils made of electrically conductive Polymers such as polypyrrole, polythiophene, polyphenylene, polyaniline, but also nonwoven made of carbon fibers or carbon foils. Cu is preferred for the anode and Al for the cathode.
Die Ableiter können in Dicken von 0,1 bis 30 um, vorzugsweise von 0,5 bis 25 μm, weiter bevorzugt 2 – 20 μm; insbesondere 3 – 9 μm eingesetzt werden.The arresters can be in thicknesses from 0.1 to 30 µm, preferably from 0.5 to 25 µm, more preferably 2 - 20 µm; in particular 3 - 9 μm used become.
Um Korrosionen zu vermeiden und besseren Kontakt zu den Anoden- bzw. Kathodenmassen zu erreichen, werden die metallischen Ableiter vorzugsweise der Kathodenableiter vor dem Auftragen der Elektrodenmasse geprimert (d. h. mit einer elektrisch leitfähigen Adhäsionsschicht versehen).To avoid corrosion and better Contact to the anode or To reach cathode masses, the metallic arresters are preferred the cathode conductor is primed before applying the electrode mass (i.e. provided with an electrically conductive adhesive layer).
Die erfindungsgemäßen Elektrodenmassen können wie folgt zusammengesetzt sein: Die Elektodenmasse für die Anode A kann umfassen:
- a) Li-interkalationsfähige Materialien, vorzugsweise Kohlenstoff (synth. oder natürlich), Graphit, MCMB®, Ruß in Form von Pulver oder Fasern, oder deren Mischung. Die Menge beträgt vorzugsweise 50 – 75 Gew.-% der gesamten Anodenmasse.
- b) Elektrolyt aus Lithiumsalz und aprotischem lösungsmittel. Das Lithiumsalz kann z.B. aus LiClO4, LiPF6, Lithiumorganoboraten bzw. Triflaten, Lithiumfluorsulfo-Derivaten, sowie solchen die im vorstehenden Dokument (1) beschrieben sind oder deren Mischung ausgewählt sein. Die Leitsalze liegen vorzugsweise gelöst vor, weiter bevorzugt 1 – 1,5 Molar. Das aprotische Lösungsmittel kann aus z.B. Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Perfluoralkylether, vorzugsweise alkylierten Ethylen- bzw. Propylenglykolen oder solchen, die im vorstehenden Dokument (1), Kapitel 7.2 beschrieben sind, ausgewählt sein. Ein bevorzugtes aprotisches Lösungsmittel ist ein Gemisch aus verschiedenen Alkylcarbonaten, insbesondere bevorzugt Ethylen-, Diethyl-, Dimethylcarbonat in Mischungsverhältnissen von 1:1:1 bis 4:2:1. Die Menge Lithiumsalz + Lösungsmittel beträgt vorzugsweise 25 – 40 Gew.-% bezogen auf die Gesamtanodenmasse.
- c) Zusätze, wie z.B. Verdicker auf anorganischer Basis, vorzugsweise MgO, Al2O3,TiO2, Borat, weiter bevorzugt MgO, Al2O3, oder auf organischer Basis wie Polybutadienöle, Polyvinylpyrrolidon oder Polyalkylenoxide – Copolymere von Ethylenoxid, mit Propen oder Isobutenoxid mit verkappten Endgruppen können in Mengen von 0 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 8 Gew.-%, insbesondere bevorzugt bei 7,5 Gew.-% vorliegen.
- a) Li-intercalation materials, preferably carbon (synthetic or natural), graphite, MCMB ® , carbon black in the form of powder or fibers, or a mixture thereof. The amount is preferably 50-75% by weight of the total anode mass.
- b) Electrolyte from lithium salt and aprotic solvent. The lithium salt can be selected, for example, from LiClO 4 , LiPF 6 , lithium organoborates or triflates, lithium fluorosulfo derivatives, and those described in document (1) above or a mixture thereof. The conductive salts are preferably in solution, more preferably 1 to 1.5 molar. The aprotic solvent can be selected from, for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, perfluoroalkyl ether, preferably alkylated ethylene or propylene glycols or those described in the above document (1), chapter 7.2. A preferred aprotic solvent is a mixture of various alkyl carbonates, particularly preferably ethylene, diethyl, dimethyl carbonate in mixing ratios of 1: 1: 1 to 4: 2: 1. The amount of lithium salt + solvent is preferably 25-40% by weight based on the total anode mass.
- c) additives, such as, for example, thickeners on an inorganic basis, preferably MgO, Al 2 O 3 , TiO 2 , borate, more preferably MgO, Al 2 O 3 , or on an organic basis such as polybutadiene oils, polyvinylpyrrolidone or polyalkylene oxide copolymers of ethylene oxide with propene or isobutene oxide with capped end groups can be present in amounts of 0 to 10% by weight, preferably 0.1 to 8% by weight, particularly preferably 7.5% by weight.
Eine insbesondere bevorzugte Zusammensetzung für die Anodenmasse ist folgende:A particularly preferred composition for the Anode mass is as follows:
Eine weitere insbesondere bevorzugte Mischung für die Anoden masse umfasst fogendes: MCMB 6/28® 65 %, Elektrolyt, bestehend aus einer 1 molaren LiPF6-Lösung in Ethylen-, Diethyl-, Dimethylcarbonat 1:1:1 30 %, sowie Polybutadienöl (Molmasse 15 – 20 000, 1,2-Vinyl-Anteil ca. 22 %) 5 %. Die %-Angaben sind Gewichtsprozente bezogen auf die Gesamtanodenmasse.Another particularly preferred mixture for the anode mass comprises the following: MCMB 6/28 ® 65%, electrolyte, consisting of a 1 molar LiPF 6 solution in ethylene, diethyl, dimethyl carbonate 1: 1: 1 30%, and polybutadiene oil (molecular weight 15 - 20,000, 1,2-vinyl content approx. 22%) 5%. The percentages are percentages by weight based on the total anode mass.
Die Komponenten können z.B. bei Temperaturen von 20 – 80 °C, vorzugsweise bis 50 °C zu einer streichfähigen Paste vermischt werden. Dabei werden die Mischkomponenten vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge in ein Mischgerät, z. B. einen Voith-Mischer, gegeben und z. B. jeweils 20 Min. nach jeder Zugabe bei 40 U/Min gemischt, wobei vorzugsweise unter Ausschluss von Luftfeuchtigkeit, weiter bevorzugt unter Schutzgas, z. B. Argon (reinst), gearbeitet wird.The components can e.g. at temperatures from 20 - 80 ° C, preferably up to 50 ° C to a spreadable Paste to be mixed. The mixing components are preferred in the specified order in a mixer, e.g. B. a Voith mixer and Z. B. mixed 20 minutes after each addition at 40 rpm, preferably in the absence of atmospheric moisture, further preferably under protective gas, e.g. B. argon (purest).
Die Elektodenmasse für die Kathode K kann umfassen:The electrode mass for the cathode K can include:
- a) Li-interkalationsfähige Schwermetalloxide, vorzugsweise Oxide von Co, Ni, Mn, Cr, W, Ta, Mo, V; die Li interkalationsfähigen Metalloxide werden vorzugsweise in Mengen von 50 – 85 Gew.-% (bezogen auf die Kathodenmasse) eingesetzt.a) Li intercalation-capable heavy metal oxides, preferably Oxides of Co, Ni, Mn, Cr, W, Ta, Mo, V; the Li intercalation-capable metal oxides are preferably used in amounts of 50-85% by weight (based on the cathode mass) used.
- b) Ferner Elektrolyt, Art und Menge entsprechen weitgehend den unter A b) (oben) aufgeführten (Menge vorzugsweise 15 – 40 Gew.-%).b) Furthermore, the electrolyte, type and amount correspond largely to the under A b) (above) (Amount preferably 15-40 Wt .-%).
- c) Außerdem können noch die bei der Anodenmasse unter c) beschriebenen Zusätze eingesetzt werden.c) In addition can the additives described under c) are also used become.
Für die Kathode ist folgende Kathodenmasse insbesondere bevorzugt:For the cathode is particularly preferred the following cathode mass:
Eine weitere insbesondere bevorzugt Elektrodenmasse umfasst folgendes: LiCo-Oxid in einer Menge von 75 Gew.-%, Elektrolyt 20 Gew.-% (vgl. Anodenmasse), 5 Gew.-% Polybutadienöl (vgl.Another particularly preferred Electrode mass includes the following: LiCo oxide in an amount of 75% by weight, electrolyte 20% by weight (see anode mass), 5% by weight polybutadiene oil (see.
Anodenmasse).Anode mass).
Die Kathodenmasse wird vorzugsweise analog zur Anodenmasse bei Temperaturen von z.B. 20 bis 80 °C, vorzugsweise bis 60 °C zubereitet.The cathode mass is preferred analogous to the anode mass at temperatures of e.g. 20 to 80 ° C, preferably up to 60 ° C prepared.
Als Separatoren für das erfindungsgemäße Verfahren sind Polymer-Gel-Elektrolyten mit und ohne Leitsalz, Gewebe bzw.As separators for the method according to the invention are polymer gel electrolytes with and without conductive salt, tissue or
Vliese mit poröser Struktur, z.B. Celgard, geeignet. Der Begriff "Gel" wird in H.G. Elias, Makromoleküle, Band II, Seite 735 [1992], Hüthig und Wepf Verlag, Basel, New York definiert.Nonwovens with porous structure, e.g. Celgard, suitable. The term "gel" is used in H.G. Elias, Macromolecules Volume II, page 735 [1992], Hüthig and Wepf Verlag, Basel, New York.
Geeignete Separatoren sind z.B. in Dokument (1), Teil II, Kapitel 9 und Teil III, Kapitel 8 beschrieben. Für den erfindungsgemäßen Prozess werden bevorzugt Polymer-Gel Elektrolyten als Separatoren verwendet. Sie bestehen aus einem Polymer oder Polymergemischen, das das/die aprotische Lösungsmittel, vorzugsweise Alkylcarbonate, gegebenenfalls auch ein Leitsalz und/oder Leitsalzgemische, sowie mineralische Zusatzstoffe, wie etwa Al2O3, MgO, TiO2, Borat, enthält.Suitable separators are described, for example, in document (1), part II, chapter 9 and part III, chapter 8. Polymer-gel electrolytes are preferably used as separators for the process according to the invention. They consist of a polymer or polymer mixtures which contain the aprotic solvent (s), preferably alkyl carbonates, optionally also a conducting salt and / or conducting salt mixtures, as well as mineral additives such as Al 2 O 3 , MgO, TiO 2 , borate.
Die Polymere können z.B. aus Polyolefinen, Polyisobuten, Butylkautschuk, Polybutadien, anionisch hergestellten Blockcopolymerisaten auf Basis von Styrol (α-Methylstyrol) mit Butadien und/oder Isopren, sowie Fluorelastomeren, vorzugsweise Terpolymeren auf Basis von TFE/PVDF/HFP, sowie Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylpyridin, oder deren Mischung ausgewählt sein.The polymers can e.g. from polyolefins, Polyisobutene, butyl rubber, polybutadiene, anionically produced Block copolymers based on styrene (α-methylstyrene) with butadiene and / or isoprene, and fluoroelastomers, preferably terpolymers based on TFE / PVDF / HFP, as well as polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyridine, or their mixture selected his.
Der Anteil (Sp) des Polymers (bzw. des Gemisches) beträgt vorzugsweise 30 – 70 Gew.-% (bezogen auf die Gesamtmasse des Separators). Der Anteil des Elektrolyten (SE) beträgt vorzugsweise 30 – 70 Gew.-%. Der Anteil der Zusätze beträgt vorzugsweise 0 – 20 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des Separators.The proportion (Sp) of the polymer (or of the mixture) is preferably 30-70% by weight (based on the total mass of the separator). The proportion of the electrolyte (S E ) is preferably 30-70% by weight. The proportion of the additives is preferably 0-20% by weight, based in each case on the total mass of the separator.
Die Herstellung des Separators kann durch Mischen der Einzelkomponenten, vorzugsweise bei Temperaturen von 25 °C bis 160 °C, z.B. in einem Voith-Mischer, erfolgen.The manufacture of the separator can by mixing the individual components, preferably at temperatures of 25 ° C up to 160 ° C, e.g. in a Voith mixer.
Die Dicke des Separators beträgt vorzugsweise 5 – 100 μm, weiter bevorzugt 10 – 50 μm.The thickness of the separator is preferably 5 - 100 μm, further preferably 10-50 μm.
Die Elektrodenmasse kann in einer definierten Dicke von vorzugsweise 5 – 100 μm, weiter bevorzugt 10 – 100 μm, insbesondere 20 – 60 μm auf die Ableiter aufgetragen werden.The electrode mass can be in one defined thickness of preferably 5-100 μm, more preferably 10-100 μm, in particular 20 - 60 μm on the Arrester can be applied.
Die Anodenmasse AM, die als Paste
vorliegt, wird bei Temperaturen von vorzugsweise 20 – 65 °C, z.8. aus
einer Breitschlitzdüse
auf den Ableiter A aufgebracht und vorzugsweise, z.B. über eine
Rakelvorrichtung, auf eine definierte Dicke von 55 – 60 μm gezogen.
Im nächsten
Schritt wird der mit AM beschichtete Ableiter A mit dem Separator
zusammengeführt;
entweder synchron mit dem beschichteten Ableiter K (entspr.
Wichtig ist, dass jeweils die mit der Elektrodenmasse beschichtete Ableiterseite mit dem Separator belegt wird.It is important that each with of the electrode mass coated conductor side with the separator is occupied.
Wie in
In einer Verfahrensvariante kann ferner das Aufbringen der Stromkollektoren synchron erfolgen.In a variant of the method furthermore, the current collectors are applied synchronously.
Der Verbund gemäß
Der Gesamtprozess kann kontinuierlich erfolgen, wobei die mit Anodenmasse bzw. Kathodenmasse beaufschlagten Ableiter vorzugsweise synchron mit dem Separator zusammengeführt werden. Die Bandgeschwindigkeiten betragen vorzugsweise 0,1 – 10 m/Min, gegebenenfalls kann auch mit höheren Geschwindigkeiten gearbeitet werden.The overall process can be continuous take place, with the anode mass or cathode mass applied Arresters are preferably merged synchronously with the separator. The belt speeds are preferably 0.1-10 m / min, if necessary, also with higher Speeds are worked.
Die Verarbeitung erfolgt vorzugsweise bei Raumtemperatur.Processing is preferably done at room temperature.
Ein wesentlicher Vorteil des Verbundsystems entsprechendA major advantage of the network system corresponding
Die Gesamtvorteile dieses erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen in seiner Wirtschaftlichkeit:
- – Herstellen der Elektrodenmassen bei Raumtemperatur
- – glatte Strukturen ohne Oberflächenrauhigkeiten
- – Wegfall von Trocknungszeiten und konventionellen Beschichtungseinrichtungen
- – Keine Unkosten durch Lösungsmittel
- – Kein Recyclen erforderlich
- – Kontinuierliche Herstellung betriebsbereiter Batterien
- – kostengünstige einfache Fertigung
und in seiner umweltschonenden Konzeption.The overall advantages of this method according to the invention are its economy:
- - Manufacture of the electrode masses at room temperature
- - smooth structures without surface roughness
- - Eliminate drying times and conventional coating equipment
- - No expense from solvents
- - No recycling required
- - Continuous production of operational batteries
- - Cost-effective, simple manufacture
and in its environmentally friendly conception.
In den nachfolgenden Beispielen werden weitere Details des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. (Teile sind Gewichtsteile)In the examples below further details of the method according to the invention explained. (parts are parts by weight)
BeispieleExamples
Auftragen und Zubereitung der Anodenmasse: Die Anodenmasse wird in einem Mischer (z. B. Voith) bei Raumtemperatur unter Argon (reinst) als Schutzgas zubereitet. Zum Einsatz gelangen MCMB 6/28® 65 %, Elektrolyt, bestehend aus einer 1 molaren LiPF6-Lösung in Ethylen-, Diethyl-, Dimethylcarbonat 1:1:1 30 %, sowie Polybutadienöl (Molmasse 15 – 20 000, 1,2 -Vinyl-Anteil ca. 22 %) 5 %. Die %-Rngaben sind Gewichtsprozente bezogen auf die Gesamtanodenmasse.Application and preparation of the anode mass: The anode mass is prepared in a mixer (e.g. Voith) at room temperature under argon (pure) as a protective gas. MCMB 6/28 ® 65%, electrolyte, consisting of a 1 molar LiPF 6 solution in ethylene, diethyl, dimethyl carbonate 1: 1: 1 30%, and polybutadiene oil (molecular weight 15 - 20,000, 1.2 Vinyl content approx. 22%) 5%. The% figures are percentages by weight based on the total anode mass.
Die Komponenten werden zu einer streichfähigen Paste
verrührt,
die dann entsprechend
Auftragen und Zubereitung der Kathodenmasse: Entsprechend der oben genannten Zubereitung wird LiCo-Oxid in einer Menge von 75 Gew.-%, mit Elektrolyt 20 Gew.-% (vgl. oben) (1 molar LiPF6 Lösung in Ethylencarbonat Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat) angepastet, mit 5 Gew.-% Polybutadienöl (vgl.Application and preparation of the cathode mass: Corresponding to the preparation mentioned above, LiCo oxide is pasted in an amount of 75% by weight, with electrolyte 20% by weight (see above) (1 molar LiPF 6 solution in ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate) , with 5 wt .-% polybutadiene oil (cf.
oben) versetzt und dann entspr.
Aufbringen der Elektrodenmassen auf die Ableiter Anodenmasse AM auf den Ableiter A (Cu-Folie) Die erfindungsgemäße Anodenmasse besteht aus:Apply the electrode masses the arrester anode mass AM on the arrester A (Cu foil) The anode mass according to the invention consists:
Sie wird bei Temperaturen von 20 – 50 °C zu einer streichfähigen Paste kompoundiert, wobei in der angegebenen Reihenfolge die Mischkomponenten in den Voith-Mischer gegeben werden und jeweils 20 Min. nach jeder Zugabe bei 40 U/Min. gemischt werden.It is compounded at temperatures of 20 - 50 ° C into a spreadable paste, in which the specified sequence, the mixing components are added to the Voith mixer and 20 minutes after each addition at 40 rpm. be mixed.
Die Anodenmasse AM, die als Paste
vorliegt, wird bei Temperaturen von 20 – 65 °C mittels einer Pastiermaschine
aus einer Breitschlitzdüse
auf den Ableiter A aufgebracht und über eine Rakelvorrichtung auf
eine Dicke von 55 – 60 μm gezogen.
Im nächsten
Schritt wird der mit AM beschichtete Ableiter A mit dem Separator zusammengeführt; entweder
synchron mit dem beschichteten Ableiter K (entspr.
Kathodenmasse KM auf den Ableiter K (geprimerte Al-Folie).KM cathode mass on the arrester K (primed Al foil).
Die erfindungsgemäße Kathodenmasse besteht aus:The cathode mass according to the invention consists of:
Sie wird bei Temperaturen von 20 – 60 °C zu einer streichfähigen Masse (vgl. Anodenmasse, oben) kompoundiert und dann mittels einer Breitschlitzdüse (mit Rakel) in einer definierten Dicke von 50 – 55 μm aufgetragen und dann ebenfalls mit der Separator-Folie kombiniert.It becomes one at temperatures of 20 - 60 ° C spreadable Compound (see anode mass, above) and then compounded using a slot die (with a squeegee) applied in a defined thickness of 50 - 55 μm and then likewise combined with the separator film.
Herstellung Separator:
15 Gew.-%
Kynar 2801®,
15 Gew.-% Dyneon THV 120®, 5 Gew.-% Styroflex® und
10 Gew.-% MgO werden in einem Mischgerät, z.B.Manufacture separator:
15% by weight of Kynar 2801 ® , 15% by weight of Dyneon THV 120 ® , 5% by weight of Styroflex ® and 10% by weight of MgO are mixed in a mixer, e.g.
Voith, bei Temperaturen von 25°C bis 160°C vermischt, die Mischung wird intensiv gerührt und bis 150 °C aufgeheizt und dann ausgetragen und granuliert.Voith, mixed at temperatures from 25 ° C to 160 ° C, the mixture is stirred intensively and up to 150 ° C heated up and then discharged and granulated.
Die oben beschriebene Mischung wird dann einem Collin-Extruder zugeführt und dann über eine Dosierpumpe (kontinuierlich) mit 55 Gew.-% einer 1 molaren LiPF6-Lösung in Ethylencarbonat/ Diethylcarbonat (1:1) versetzt und bei einer Extrudertemperatar von 105 °C vermischt und bei einer Austrittstemperatur von 90°C an der Breitschlitzdüse mit einer Breite von 150 mm und einer Dicke von 30 μm ausgetragen. Die erhaltene Separatorfolie wird bei den chargenweise geführten Prozessen (mit Isolierpapier als Zwischenlage) aufgewickelt bei den erfindungsgemäßen kontinuierlichen Prozessen direkt der weiteren Verarbeitung d. h. Beschichtung mit Anoden- bzw. Kathodenmassen zugeführt.The mixture described above is then fed to a Collin extruder and then 55% by weight of a 1 molar LiPF 6 solution in ethylene carbonate / diethyl carbonate (1: 1) are added via a metering pump (continuously) and at an extruder temperature of 105 ° C. mixed and discharged at an outlet temperature of 90 ° C at the slot die with a width of 150 mm and a thickness of 30 microns. In the processes carried out in batches (with insulating paper as an intermediate layer), the separator film obtained is wound up in the continuous processes according to the invention directly for further processing, ie coating with anode or cathode materials.
Herstellung des Separators: S ohne Leitsalz Wird wie oben beschrieben gearbeitet, jedoch ohne Leitsalzzusatz (LiPF6), so werden lediglich die aprotischen Lösungsmittel (Ethylencarbonat/Diethylcarbonat 1:1) über die Dosierpumpe in dem Extruder in die Polymermischung + MgO eingearbeitet. Die Menge der, aprotischen Lösungsmittel beträgt 55 Gew.-% (bezogen auf die Gesamt-Separatormasse).Preparation of the separator: S without conductive salt If the procedure described above is followed, but without the addition of conductive salt (LiPF 6 ), only the aprotic solvents (ethylene carbonate / diethyl carbonate 1: 1) are incorporated into the polymer mixture + MgO via the metering pump in the extruder. The amount of aprotic solvents is 55% by weight (based on the total separator mass).
Auch in diesem Fall wird eine Separatorfolie mit einer Breite von 150 mm und einer Dicke von 25 μm erhalten.In this case too, a separator film obtained with a width of 150 mm and a thickness of 25 microns.
Gewebe bzw. Vliese mit poröser Struktur als Separator z. B. Celgard.Fabric or fleece with a porous structure as a separator z. B. Celgard.
Beispiel 1:Example 1:
Herstellung einer Anodenmasse (Reinstargon als Schutzgas) 54 Teile MCMB 6/28 werden mit 8 Teilen Ethylencarbonat, 8 Teilen Diethylcarbonat sowie 10 Teilen Polybutadienöl (Molmasse 10 – 15000; 1,2-Vinylanteil 22 %) in einem Voith-Mischer bei Raumtemperatur innig vermischt (45 Min) und dann 8 Teile Dimethylcarbonat sowie 6 Teile Li-oxalatoborat und 1 Teil MgO zugefügt und wiederum bei Raumtemperatur 45 Min. gemischt, dann werden 5 Teile Ruß Ensaco® zugefügt ca. 5 – 10 gerührt und die Masse über eine Breitschlitzdüse auf eine Cu-Folie aufgebracht.Production of an anode mass (pure tarpaulin as protective gas) 54 parts of MCMB 6/28 are intimately mixed with 8 parts of ethylene carbonate, 8 parts of diethyl carbonate and 10 parts of polybutadiene oil (molar mass 10-15000; 1,2-vinyl content 22%) in a Voith mixer at room temperature (45 min) and then 8 parts of dimethyl carbonate and 6 parts of Li-oxalatoborate and 1 part of MgO and mixed again at room temperature for 45 min. Then 5 parts of Ensaco ® carbon black are added and stirred for about 5 to 10 minutes and the mixture is opened using a slot die a copper foil applied.
Beispiel 2:Example 2:
Herstellung einer Anodenmasse (entspr. Bsp. 1) Statt 10 Teile Polybutadienöl werden 10 Teile eines Copolymeren aus Ethylenoxid/Propylenoxid (1:1 molar), mit CH3-verkappten OH-Endgruppen und einer Molmasse von 25 – 30 000 zugefügt.Preparation of an anode mass (corresponding to Ex. 1) Instead of 10 parts of polybutadiene oil, 10 parts of a copolymer of ethylene oxide / propylene oxide (1: 1 molar), with CH 3 -capped OH end groups and a molar mass of 25-30,000 are added.
Beispiel 3:Example 3:
Herstellung einer Anodenmasse (entspr. Bsp. 1) Es werden 56 Teile MCMB 6/28® mit 10 Teilen Ethylen-, 10 Teilen Diethyl- und 10 Teilen Propylencarbonat und 4 Teilen LiOB versetzt und bei Raumtemperatur 45 min. gerührt, dann werden 10 Teile Polybutadienöl (wie oben Bsp. 1) zugefügt erneut 45 Min. gerührt und dann noch 3 Teile Ensaco® zugegeben, 10 Minuten gerührt und die pastöse Masse mittels einer Breitschlitzdüse auf eine Cu-Folie aufgetragen.Preparation of an anode mass (corresponding to Ex. 1) 56 parts of MCMB 6/28 ® are mixed with 10 parts of ethylene, 10 parts of diethyl and 10 parts of propylene carbonate and 4 parts of LiOB and at room temperature for 45 min. stirred, then 10 parts of polybutadiene oil (as above Ex. 1) are added again 45 min. and then stirred for a further 3 parts Ensaco ® was added, stirred for 10 minutes and coated the pasty mass by means of a slot die onto a Cu foil.
Beispiel 4:Example 4:
Herstellung einer Kathodenmasse (Argon reinst-Schutzgas) 30 Teile Li-Co-Oxid SS5® werden mit 9 Teilen Ethylen-, 9 Teilen Diethyl-, 9 Teilen Dimethylcarbonat sowie 3 Teilen LiOB versetzt und bei Raumtemperatur 60 Minuten gerührt, dann werden 25 Teile Li-Co-Oxid sowie 10 Teile Polybutadienöl (entspr. Bsp. 1) zugefügt, erneut vermischt (30 Min) und dann 5 Teile Ensaco® eindosiert und 10 Min. eingemischt. Die entstandene Masse dient zur Beschichtung einer geprimerten Al-Folie.Preparation of a cathode mass (pure argon protective gas) 30 parts of Li-Co-Oxide SS5 ® are mixed with 9 parts of ethylene, 9 parts of diethyl, 9 parts of dimethyl carbonate and 3 parts of LiOB and stirred at room temperature for 60 minutes, then 25 parts of Li Co-oxide and 10 parts of polybutadiene oil (corresponding to Ex. 1) were added, mixed again (30 minutes) and then 5 parts of Ensaco ® were metered in and mixed in for 10 minutes. The resulting mass is used to coat a primed aluminum foil.
Beispiel 5:Example 5:
Herstellung der Kathodenmasse entspr. Bsp. 4 Wie oben beschrieben, jedoch statt Polybutadienöl wird das im Bsp. 2 beschriebene Polyalkylenoxid (Copolymerisat Ethylen- /Propylenoxid) verwendet. Die entstandene pastöse Masse dient zur Beschichtung einer geprimerten Al-Folie.Production of the cathode mass Ex. 4 As described above, but instead of polybutadiene oil Polyalkylene oxide (copolymer ethylene / propylene oxide) described in Example 2 is used. The resulting pasty Mass is used to coat a primed aluminum foil.
Beispiel 6:Example 6:
Herstellung einer Separatorfolie 20 Teile Fluorelastomer Kynar 28®, 10 Teile Fluorterpolymer THV Dyneon®, 2 Teile Li-Metaborat, 2 Teile Styroflex® Styrol/Butadien Block-Copolymerisat, 6 Teile MgO, 5 Teile Ensaco® werden bei 120 – 130 °C 60 Minuten in einem Voithmischer (unter Reinst-Argon) zu einer homogenen Masse verarbeitet, anschließend granuliert und in einem Collin-Extruder dosiert, der bei Temperaturen von 90– 95°C betrieben wird.Production of a separator film 20 parts of fluoroelastomer Kynar 28 ® , 10 parts of fluoropolymer THV Dyneon ® , 2 parts of Li metaborate, 2 parts of Styroflex ® styrene / butadiene block copolymer, 6 parts of MgO, 5 parts of Ensaco ® turn 60 at 120 - 130 ° C Minutes in a Voith mixer (under pure argon) to a homogeneous mass, then granulated and metered in a Collin extruder, which is operated at temperatures of 90-95 ° C.
Parallel zu der obigen Masse wird ein Elektrolyt: LP40® bestehend aus Ethylen, -Diethylcarbonat 1:1, LiOB gelöst 1 M (45 Teile) in den Extruder eindosiert. Nach einer Verweilzeit von 6 – 9 Min. wird durch eine Extruderdüse mit einer Austrittstemperatur von 90 °C eine 150 mm breite und 10 μm dicke Separatorfolie ausgetragen, die mit Releasepapier versehen zur diskontinuierlichen Verwendbarkeit gestapelt wird, oder direkt kontinuierlich dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeführt wird.In parallel to the above mass, an electrolyte: LP40 ® consisting of ethylene, diethyl carbonate 1: 1, LiOB dissolved 1 M (45 parts) is metered into the extruder. After a dwell time of 6-9 minutes, a 150 mm wide and 10 μm thick separator film is discharged through an extruder nozzle with an exit temperature of 90 ° C., which is stacked with release paper for discontinuous use, or is fed directly continuously to the process according to the invention.
Beispiel 7:Example 7:
Herstellen eines Verbundsystems aus Anodenmasse mit Ableiter und Separatorfolie Die Anodenmasse entsprechend Bsp. 1, wird mittels einer Düse in einer Dicke von 20 μm auf die Cu-Folie (150 mm Breite) aufgetragen und in einem synchronen Arbeitsschritt mit einer Separatorfolie abgedecktManufacture of a composite system Anode mass with arrester and separator foil The anode mass accordingly Example 1, is by means of a nozzle in a thickness of 20 μm applied to the Cu foil (150 mm wide) and in a synchronous Work step covered with a separator film
Beispiel 8:Example 8:
Beschichtung mit Kathodenmasse + Ableiter auf den Verbund entspr. Beisp. 7Coating with cathode mass + Arresters on the network according to Ex. 7
Auf das Verbundsystem, bestehend aus Cu-Folie – Anodenmasse und Separatorfolie – wird auf die unbeschichtete Seite der Separatorfolie die Kathodenmasse entspr. Bsp. 4 aufgetragen und zwar in einer Dicke von 25 μm und einer Breite ebenfalls von 150 mm, die Kathodenmasse wird mit einem Ableiter 15,7 mm breit Al-Folie geprimert mit einer Schicht Dyneon THV® /Rußgemisch 2:1, Dicke 0,1 – 1 μm. Dieses Verbundsystem wird bei einer Temperatur von 90 °C laminiert, mit einem Anpressdruck von 3 MPa.On the composite system consisting of Cu foil - anode mass and separator foil - the cathode mass according to Ex. 4 is applied to the uncoated side of the separator foil, namely in a thickness of 25 μm and a width of 150 mm, the cathode mass is coated with a Discharge conductor 15.7 mm wide, primed with a layer of Dyneon THV ® / carbon black mixture 2: 1, thickness 0.1 - 1 μm. This composite system is laminated at a temperature of 90 ° C, with a contact pressure of 3 MPa.
Anschließend wird dieser Verbund, bestehend aus Anode mit Ableiter und Kathode mit Ableiter sowie dem Separator als Schicht zwischen den Elektroden, eingehaust und Anoden bzw. Kathodenableiter zum Plus- bzw. Minuspol der Batterie gepolt.Then this composite is made up consisting of anode with arrester and cathode with arrester and the separator as a layer between the electrodes, enclosed and anodes or Pole arrester polarized to the positive or negative pole of the battery.
Beispiel 9:Example 9:
Das nach Beispiel 8 hergestellte Verbundsystem wird zu einem Wickel aufgerollt an den Wickelstirnflächen (überstehend 0,6 bzw. 0,7 mm) elektrisch kontaktiert und eingehaust.The one prepared according to Example 8 The composite system is rolled up into a roll on the end faces (protruding 0.6 or 0.7 mm) electrically contacted and housed.
Der Wickeldurchmesser beträgt 7,5 cm, die galvanostatische Ladung erfolgt stufenweise mit einem Digatron-Ladegerät 1. bis 3,0 Volt, dann bis 3,6 Volt und dam bis 4,1 Volt jeweils mit Strömen von 0,15 mA/cm2.The winding diameter is 7.5 cm, the galvanostatic charging takes place in stages with a Digatron charger 1 to 3.0 volts, then to 3.6 volts and then to 4.1 volts, each with currents of 0.15 mA / cm 2 ,
Die Entladung erfolgt ebenfalls mit Strömen von 0,15 mA/cm2. Die Wickelzelle hat eine Entladekapazität von 40 Ah bei einer Aktivfläche von 1,45 m2.The discharge is also carried out with currents of 0.15 mA / cm 2 . The winding cell has an unloading capa 40 Ah with an active area of 1.45 m 2 .
Die Zyklenstabilität liegt bei > 200, das "Fading" (Verlust) liegt bei nicht mehr als 2 %.The cycle stability is at> 200, the "fading" (loss) is at not more than 2%.
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