DE112014006681T5

DE112014006681T5 - Verteilung von leitendem Ruß auf aktivem Material in Lithiumbatterieelektroden

Info

Publication number: DE112014006681T5
Application number: DE112014006681.8T
Authority: DE
Inventors: Zhiqiang Yu; Meiyuan Wu; Xiaochao Que; Jianyong Liu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2017-06-01
Also published as: WO2015176241A1; US20170098817A1; CN107078284A

Abstract

Es werden verbesserte Elektroden für Lithiumbatteriezellen durch Beschichten von in Mikrometergröße vorliegenden Anoden- oder Kathodenmaterialpartikeln mit Aggregaten kleinerer leitender Rußpartikel in zwei Mischschritten unter Verwendung eines flüssigen Dispergens bei jedem Schritt für das Mischen von Partikeln hergestellt. Ein erster Teil von Ruß wird stark mit den Elektrodenpartikeln gemischt, um ihre Flächen mit den kleineren Rußpartikeln zu beschichten. Ein zweiter Teil des Rußes wird weniger stark mit den anfänglich beschichteten Elektrodenpartikeln gemischt, um Gruppierungen aus Rußpartikeln an den Grenzflächen der vorher beschichteten Elektrodenpartikel zu bilden. Diese zweistufige Verteilung von Rußpartikeln erhöht die Leistungskapazität der porösen Elektrodenschicht, die mit ihrem Stromkollektor verbunden ist, und erhöht die Lebensdauer ihrer Batteriezelle.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft die Herstellung von partikulären aktiven Elektrodenmaterialien zur Verwendung in Lithiumbatteriezellen. Aggregate kleiner Rußpartikel werden mit Partikeln eines Elektrodenmaterials in flüssigen Dispersionen in zwei vorbestimmten, eine unterschiedliche Intensität betreffenden Mischschritten gemischt, um (i) eine gleichförmige Verteilung von leitenden Kohlenstoffpartikeln an den Oberflächen der aktiven Elektrodenmaterialpartikel und (ii) ein poröses miteinander verbundenes Netzwerk leitender Kohlenstoffpartikel zwischen den Partikeln aus aktivem Material zu erhalten. Wenn die vorbereiteten, mit (Industrie-)Ruß bzw. Carbon Black beschichteten Elektrodenmaterialpartikel mit einem Stromkollektor verbunden werden, sieht die resultierende Elektrode sowohl eine höhere Leistung pro Gewichtseinheit an Elektrodenmaterial als auch eine längere Lebensdauer vor.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Baugruppen aus Lithiumionenbatteriezellen finden zunehmend Anwendungen bei der Bereitstellung von Antriebsleistung für Kraftfahrzeuge. Lithium-Schwefel-Zellen stellen ebenfalls Kandidaten für derartige Anwendungen dar. Jede Lithiumionenzelle der Batterie ist in der Lage, ein elektrisches Potential von etwa drei bis vier Volt und einen elektrischen Gleichstrom basierend auf der Zusammensetzung und Masse der Elektrodenmaterialien in der Zelle bereitzustellen. Die Zelle ist zum Laden und Entladen über viele Zyklen in der Lage. Eine Batterie wird für eine Anwendung zusammengebaut, indem eine geeignete Anzahl einzelner Zellen in einer Kombination elektrisch paralleler und serieller Verbindungen kombiniert wird, um Spannungs- und Stromanforderungen für einen spezifizierten elektrischen Motor zu erfüllen. Bei einer Lithiumionenbatterieanwendung für elektrisch betriebene Fahrzeuge kann die zusammengebaute Batterie beispielsweise bis zu dreihundert einzeln gepackte Zellen umfassen, die elektrisch verschaltet sind, um vierzig bis vierhundert Volt und ausreichend elektrische Leistung für einen elektrischen Traktionsmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen. Der von der Batterie erzeugte Gleichstrom kann für einen effizienteren Motorbetrieb in einen Wechselstrom umgewandelt werden.
Bei diesen Kraftfahrzeuganwendungen umfasst jede Lithiumionenzelle typischerweise eine negative Elektrodenschicht (Anode, während der Zellenentladung), eine positive Elektrodenschicht (Kathode, während der Zellenentladung), eine dünne poröse Separatorschicht, die in flächigem Kontakt zwischen parallel zueinander weisenden Elektrodenschichten angeordnet ist, sowie eine flüssige, lithiumhaltige Elektrolytlösung, die die Poren des Separators füllt und mit den zugewandten Flächen der Elektrodenschichten zum Transport von Lithiumionen während wiederholter Zellenentlade- und Ladezyklen in Kontakt steht. Jede Elektrode ist so hergestellt, dass sie eine Schicht aus einem Elektrodenmaterial enthält, das typischerweise als ein nasses Gemisch auf einer dünnen Schicht eines Metallstromkollektors aufgetragen wird.
Beispielsweise ist das Material der negativen Elektrode durch Abscheiden einer dünnen Schicht aus Graphitpartikeln oder Lithiumtitanatpartikeln und eines geeigneten Polymerbinders auf einer oder beiden Seiten einer dünnen Kupferfolie geformt worden, die als ein Stromkollektor für die negative Elektrode dient. Die positive Elektrode umfasst ebenfalls eine dünne Schicht aus harzgebundener, poröser partikulärer Lithiummetalloxidzusammensetzung, die mit einer dünnen Aluminiumfolie verbunden ist, die als der Stromkollektor für die positive Elektrode dient. Somit sind die jeweiligen Elektroden durch Dispergieren von Gemischen der jeweiligen Binder und aktiven Partikelmaterialien in einer geeigneten Flüssigkeit, Abscheiden des nassen Gemisches als eine Schicht mit gesteuerter Dicke an der Fläche einer Stromkollektorfolie und Trocknen, Pressen und Fixieren der harzgebundenen Elektrodenpartikel an ihren jeweiligen Stromkollektorflächen hergestellt worden. Die positiven und negativen Elektroden können an leitenden Metallstromkollektorlagen mit einer geeigneten Fläche und Formgebung geformt und zum Zusammenbau in Lithiumionenzellenbehälter mit geeigneten porösen Separatoren und einem flüssigen Elektrolyt (gegebenenfalls) geschnitten, gefaltet, gerollt oder anderweitig geformt werden.
Es besteht ein Bedarf nach verbesserten Elektrodenzusammensetzungen sowie Verfahren zur Herstellung derselben, um die Lebensdauer wie auch das Leistungsliefervermögen von Lithiumbatteriezellen weiter zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden Partikel aus aktiven Elektrodenmaterialien für Lithiumbatteriezellen mit kleineren Partikeln aus Ruß zum Zwecke der Verbesserung der elektrochemischen Leitfähigkeit innerhalb und zwischen den Partikeln aus aktivem Material in der Anwesenheit eines geeigneten lithiumionenhaltigen Elektrolyt beschichtet. Die Partikel aus Elektrodenmaterial können beispielsweise repräsentative Partikelgrößen von etwa zehn Mikrometer aufweisen oder beispielsweise im Bereich von etwa fünf bis fünfzig Mikrometer liegen. Und beispielsweise können Partikel aus Graphit oder Lithiumtitanat als ein Material der negativen Elektrode (Anode) gewählt sein oder Partikel aus Lithiummangannickelkobaltoxid können als Material der positiven Elektrode (Kathode) verwendet sein.
Ein erstes Gemisch vorbestimmter Mengen von Partikelaggregaten von in Nanometergröße vorliegenden Partikeln aus Ruß und in Mikrometergröße vorliegenden Partikeln eines gewählten Elektrodenmaterials wird als dispergierte Partikel in einer vorbestimmten Menge an wässriger oder organischer Flüssigkeit gebildet. Die Partikel aus Elektrodenmaterial und die Aggregate von Rußpartikeln können eine vergleichbare Größe aufweisen, jedoch sind die einzelnen Rußpartikel wesentlich kleiner als die Partikel aus Elektrodenmaterial.
Die Flüssigkeitsdispersion von Ruß bildet Aggregate, und die Elektrodenpartikel können in einem geeigneten Mischgefäß, wie in beispielsweise einem Mischgefäß aus rostfreiem Stahl mit allgemein runden Seiten und flachem Boden, gebildet werden. Die Kombination aus Partikeln und Flüssigkeit wird unter Verwendung eines ersten vorbestimmten Mischprogramms (dessen Parameter experimentell bestimmt sein können) gemischt. Beispielsweise kann das Mischen in einem gewählten Mischgefäß mit rotierenden mechanischen Mischvorrichtungen ausgeführt werden, die einen ersten Satz von Mischschaufeln, die für ein relativ hoch viskoses Mischen geformt und betrieben sind, und einen anderen Satz von Mischschaufeln umfassen, die für ein niedriges viskoses Mischen geformt und betrieben sind.
Bei diesem ersten Mischschritt werden der Prozentsatz von Rußpartikeln, der Flüssigkeitsgehalt und die Viskosität der Dispersion gemischter Partikel, die Beschaffenheit oder Aggressivität des Rührens wie auch die Rührzeit gesteuert, um die Inhalte des Mischgefäßes in ein Produkt der ersten Stufe umzuwandeln, das das flüssige Dispergens und ein Gemisch aus Partikeln umfasst, das sich dadurch auszeichnet, dass kleine Cluster bzw. Gruppen (z.B. 2–10 Partikel) der kleineren Rußpartikel alle allgemein gleichförmig an den Flächen von allen der größeren Partikel aus Elektrodenmaterial verteilt sind. Der Mischschritt kann mit den Materialien bei Raumtemperatur begonnen werden, jedoch steigt die Temperatur des Gemisches tendenziell mit dem aggressiven Mischen der relativ viskosen Materialien, und es kann eine gewisse Kühlung notwendig oder erwünscht sein.
Ein zweiter Anteil derselben oder ähnlichen Partikelaggregate aus Rußpartikeln und zusätzlichem flüssigem Dispergens wird dann dem Produkt des Gemisches der ersten Stufe in dem Mischgefäß hinzugesetzt. Es wird ein Mischbetrieb der zweiten Stufe ausgeführt, in welchem das Gemisch weniger viskos ist und das Mischen weniger aggressiv ist. Typischerweise wird weniger Wärme erzeugt. Wiederum werden die Verarbeitungsparameter dieses zweiten Mischschritts bestimmt und ausgeführt, so dass die hinzugesetzte zweite Charge von Aggregaten aus Rußpartikeln zerbrochen und in Gruppen aus Rußpartikeln zwischen den Partikeln aus Elektrodenmaterial verteilt wird, die ihre rückgehaltene Beschichtung aus kleineren Gruppen von Rußpartikeln an ihren Partikeloberflächen aufweisen. Allgemein enthalten die Gruppen aus Rußpartikeln zwischen den Partikeln aus Elektrodenmaterial mehr Rußpartikel als die Gruppen aus Rußpartikeln, die die einzelnen Partikel aus aktivem Elektrodenmaterial beschichten. Wiederum werden die Mengen von hinzugesetzten Rußpartikeln und hinzugesetzter Flüssigkeit, der Betrieb der Mischwerkzeuge wie auch die Dauer und die Temperatur des Mischens bestimmt, um die festgelegte Organisation von Elektrodenpartikeln und Rußpartikeln zu erzeugen.
Gegebenenfalls kann eine geeignete Menge an Polymerbindermaterial mit der flüssigkeitsdispergierten Mischung aus Elektrodenpartikeln und Rußpartikeln gemischt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Binder in dem flüssigen Dispergens gelöst und dann in den Elektrodenpartikeln während des Verdampfens der Flüssigkeit bei Beendigung des Mischprozesses abgeschieden.
Die zweifach beschichteten Elektrodenpartikel werden von dem Mischgefäß entfernt und in einer koextensiven Schicht an einer Fläche eines geeigneten Stromkollektorsubstrats für die beabsichtigte Elektrode aufgetragen. Das flüssige Dispergens wird von der aufgetragenen Schicht aus Elektrodenmaterial verdampft, und es wird gegebenenfalls ein Binder gehärtet, um die rußbeschichteten Elektrodenpartikel aneinander und an die Fläche des Stromkollektorstreifens oder der Stromkollektorfolie anzubinden. Jedoch werden der erste Mischschritt mit den Aggregaten aus Ruß und der zweite Mischschritt mit den ähnlichen Aggregaten aus Rußpartikeln so ausgeführt, dass die aufgetragene Schicht aus Elektrodenmaterialpartikeln sowohl eine allgemein gleichförmige Beschichtung von in Nanometergröße vorliegenden Rußpartikeln an ihren Oberflächen als auch poröse Gruppen von gleichen Rußpartikeln in Räumen zwischen den eng gruppierten, geschichteten Elektrodenpartikeln umfasst. Wenn die Elektrode, eine Anode oder Kathode, mit einem porösen Separator und einer entgegengesetzten Elektrode zusammengebaut ist und die Poren der Elektrode mit einem geeigneten lithiumionenhaltigen Elektrolyt infiltriert sind, dienen die beiden Gruppierungen von Ruß zur Verbesserung der elektrochemischen Funktion der Leitelektrode und der Zelle, in der sie verwendet ist.
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibungen bevorzugter Ausführungsformen von Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vergrößerte schematische Darstellung der Anoden-, Separator- und Kathodenelemente einer Lithiumionenzelle, die eine Anode und eine Kathode zeigt, die jeweils aus einem Metallstromkollektor besteht, der eine poröse Schicht aus abgeschiedenen Partikeln aus leitendem Ruß/aktivem Elektrodenmaterial trägt, die gemäß dem zweistufigen Rußbeschichtungsprozess dieser Erfindung geformt ist.
2 ist eine vergrößerte schematische Darstellung des zweistufigen Prozesses dieser Erfindung zum Auftragen und Mischen von Aggregaten von in Nanometergröße vorliegenden Rußpartikeln mit Partikeln aus Lithiumbatteriezellenelektrodenmaterialien, um eine Verteilung von Rußpartikeln an den Flächen der Elektrodenpartikel und kleine vernetzte Gruppen von Rußpartikeln zwischen den Partikeln von Elektrodenmaterialien zu bilden.
3 ist eine schematische Darstellung eines Mischbehälters und von Mischschaufeln oder -werkzeugen zum Mischen von flüssigen Dispersionen aus Aggregaten aus Rußpartikeln mit Partikeln eines Elektrodenmaterials.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß Prozessen dieser Erfindung werden Aggregate von in Nanometergröße vorliegenden Rußpartikeln auf größere Partikel aus aktiven Elektrodenmaterialien bei der Herstellung von Elektroden für Lithiumbatteriezellen beschichtet. In Mikrometergröße vorliegende Aggregate von in Nanometergröße vorliegenden Partikeln aus Ruß werden beim Beschichten von Elektrodenmaterialien für den Zweck der Verbesserung der elektrochemischen Leitfähigkeit in und zwischen Partikeln von Elektrodenmaterialien in der Anwesenheit eines geeigneten, nicht wässrigen lithiumionenhaltigen Elektrolyten verwendet. Ruß ist kommerziell erhältlich und wird typischerweise durch eine unvollständige Verbrennung von Schwerölprodukten erzeugt. Es ist bevorzugt, Rußpartikel zu verwenden, die individuell etwa zehn bis etwa einhundert Nanometer Durchmesser oder größte Abmessung aufweisen und die anfänglichen Aggregate gruppiert sind, die etwa zehn Mikrometer bis etwa einhundert Mikrometer im Durchmesser oder der größten charakteristischen Abmessung aufweisen. Es werden verschiedene kommerzielle Quellen von Ruß mit variierenden BET-Oberflächen erzeugt. Die BET-Oberfläche des Rußes, die bei Ausführungsformen dieser Erfindung verwendet ist, liegt geeigneterweise im Bereich von 10 m²/g bis 1000 m²/g.
Nun ist eine illustrative Lithiumionenzelle beschrieben, bei der Elektrodenelemente unter Verwendung von Ausführungsformen dieser Erfindung hergestellt werden können.
1 ist eine vergrößerte schematische Darstellung einer beabstandeten Baugruppe 10 aus drei festen Elementen einer elektrochemischen Lithiumionenzelle. Die drei festen Elemente sind bei dieser Darstellung beabstandet, um ihren Aufbau besser darzustellen. Die Darstellung weist keine Elektrolytlösung auf, deren Zusammensetzung und Funktion nachfolgend in dieser Beschreibung detaillierter beschrieben ist. Ausführungsformen dieser Erfindung werden typischerweise verwendet, Elektrodenelemente der Lithiumionenzelle herzustellen, wenn sie in der Form relativ dünner geschichteter Strukturen verwendet werden.
In 1 umfasst eine negative Elektrode einen relativ dünnen Folienstromkollektor 12 aus leitendem Metall. Bei vielen Lithiumionenzellen ist der Stromkollektor 12 der negativen Elektrode geeigneterweise aus einer dünnen Kupferschicht oder rostfreiem Stahl geformt. Die Dicke des Metallfolienstromkollektors liegt geeigneterweise im Bereich von etwa fünf bis fünfundzwanzig Mikrometer. Der Stromkollektor 12 weist eine gewünschte zweidimensionale Draufsichtsform für den Zusammenbau mit anderen festen Elementen einer Zelle auf. Der Stromkollektor 12 ist über seine Grundfläche rechtwinklig gezeigt und ferner mit einer Verbinderlasche 12' zur Verbindung mit anderen Elektroden in einer Gruppierung von Lithiumionenzellen versehen, um ein gewünschtes elektrisches Potential oder einen gewünschten elektrischen Stromfluss bereitzustellen.
An dem Stromkollektor 12 der negativen Elektrode ist eine dünne poröse Schicht aus harzgebundenem, porösem partikulärem Material 14 der negativen Elektrode abgeschieden. Geeignete Materialien der negativen Elektrode umfassen beispielsweise Graphit, Lithiumtitanat (LTO) sowie lithiumbasierte Materialien, wie Silizium, Siliziumlegierungen (einschließlich LiSi-Legierungen) und SiOx. Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung werden die Partikel aus Material der negativen Elektrode mit in Nanometergröße vorliegenden Partikeln aus Ruß zweifach beschichtet. Wie in 1 gezeigt ist, erstreckt sich die Schicht des Materials 14 der negativen Elektrode hinsichtlich Formgebung und Fläche typischerweise koextensiv wie die Hauptfläche ihres Stromkollektors 12 und ist damit verbunden. Das Elektrodenmaterial weist eine ausreichende Porosität auf, so dass es durch einen flüssigen, lithiumionenhaltigen Elektrolyt infiltriert werden kann. Die Dicke der rechtwinkligen Schicht aus Material der negativen Elektrode kann bis zu etwa zweihundert Mikrometer betragen, um so einen gewünschten Strom und eine gewünschte Leistungskapazität für die negative Elektrode bereitzustellen. Wie weiter beschrieben ist, kann das Material der negativen Elektrode so aufgetragen werden, so dass eine große Seite der Endblockschicht aus Material 14 der negativen Elektrode mit einer Hauptseite des Stromkollektors 12 verbunden ist und die andere große Seite der Schicht 14 aus Material der negativen Elektrode auswärts von ihrem Stromkollektor 12 weist.
Es ist eine positive Elektrode gezeigt, die eine positive Stromkollektorfolie 16 (oftmals aus Aluminium oder rostfreiem Stahl geformt) sowie eine koextensive, darüber liegende, poröse harzgebundene Schicht aus Material 18 der positiven Elektrode umfasst. Geeignete Materialien der positiven Elektrode umfassen beispielsweise Lithiumnickelmangankobaltoxid (NMC). Beispiele anderer Materialien der positiven Elektrode umfassen Lithiummanganoxid (LMO),Lithiumkobaltoxid (LCO), Lithiumnickelkobaltaluminiumoxid (NCA), Lithiumeisenphosphat (LFP) und andere Lithiummetalloxide und -phosphate. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind die Partikel des Materials der positiven Elektrode mit in Nanometergröße vorliegenden Partikeln aus Ruß zweifach beschichtet.
Die positive Stromkollektorfolie 16 weist auch eine Verbinderlasche 16' zur elektrischen Verbindung mit anderen Elektroden in anderen Zellen auf, die in der Baugruppe einer Lithiumionenbatterie miteinander gepackt sein können. Die positive Stromkollektorfolie 16 und ihre Beschichtung aus porösem Material 18 der positiven Elektrode ist hinsichtlich Größe und Form typischerweise so geformt, dass sie komplementär zu den Abmessungen einer zugeordneten negativen Elektrode sind. Bei der Darstellung von 1 sind die beiden Elektroden hinsichtlich ihrer Formgebungen gleich (jedoch mögen sie nicht identisch sein) und in eine Lithiumionenzelle so eingebaut, dass die Hauptaußenfläche des Materials 14 der negativen Elektrode zu der Hauptaußenfläche des Materials 18 der positiven Elektrode weist. Die Dicken der rechtwinkligen positiven Stromkollektorfolie 16 und der rechtwinkligen Schicht aus Material 18 der positiven Elektrode sind typischerweise so festgelegt, um das Material 14 der negativen Elektrode bei der Erzeugung der beabsichtigten elektrochemischen Kapazität der Lithiumionenzelle zu ergänzen. Die Dicken von Stromkollektorfolien liegen typischerweise im Bereich von etwa 5 bis 25 Mikrometer. Und die Dicken der Elektrodenmaterialien, die durch diesen zweistufigen Nassmisch- und Beschichtungsprozess geformt werden, liegen bei etwa 200 Mikrometern. Wiederum werden gemäß den Vorgehensweisen dieser Erfindung die Partikel des Materials der negativen Elektrode mit in Nanogröße vorliegenden Partikeln aus Ruß zweifach beschichtet.
Eine dünne poröse Separatorschicht 20 ist zwischen der Hauptaußenseite der Materialschicht 14 der negativen Elektrode und der Hauptaußenseite der Materialschicht 18 der positiven Elektrode angeordnet. Bei vielen Batteriekonstruktionen ist das Separatormaterial eine poröse Schicht aus Polyolefin, wie Polyethylen oder Polypropylen. Oftmals umfasst das thermoplastische Material miteinander verbundene, zufällig orientierte Fasern aus PE oder PP. Die Faseroberflächen des Separators können mit Partikeln aus Aluminiumoxid oder anderem Isolatormaterial beschichtet sein, um den elektrischen Widerstand des Separators zu erhöhen, während die Porosität der Separatorschicht zum Einsickern bzw. Infiltrieren mit flüssigem Elektrolyt und zum Transport von Lithiumionen zwischen den Zellenelektroden beibehalten wird. Die Separatorschicht 20 wird verwendet, um einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den Materialschichten 14, 18 der negativen und positiven Elektroden zu verhindern, und ist so geformt und bemessen, um dieser Funktion zu dienen. Bei dem Zusammenbau der Zelle werden die gegenüberliegenden Hauptaußenseiten der Elektrodenmaterialschichten 14, 18 gegen die Hauptflächenseiten der Separatormembran 20 gepresst. Ein flüssiger Elektrolyt wird in die Poren der Separatormembran 20 und Elektrodenmaterialschichten 14, 18 eingespritzt.
Der Elektrolyt für die Lithiumionenzelle ist oftmals ein Lithiumsalz, das in einem oder mehreren organischen flüssigen Lösemitteln gelöst ist. Beispiele von Salzen umfassen Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆) und Lithiumtrifluorethansulfonimid. Einige Beispiele von Lösemitteln, die verwendet werden können, um das Elektrolytsalz zu lösen, umfassen Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Methylethylcarbonat, Propylencarbonat. Es existieren andere Lithiumsalze, die verwendet werden können, wie auch andere Lösemittel. Jedoch ist eine Kombination aus Lithiumsalz und flüssigem Lösemittel zur Bereitstellung einer geeigneten Mobilität und einem geeigneten Transport von Lithiumionen beim Betrieb der Zelle gewählt. Der Elektrolyt ist sorgfältig in und zwischen eng beabstandeten Schichten der Elektrodenelemente und Separatorschichten verteilt. Der Elektrolyt ist in der Zeichnungsfigur nicht gezeigt, da es schwierig ist, diesen zwischen eng verdichteten Elektrodenschichten darzustellen.
2 ist eine schematische Darstellung des vorliegenden zweistufigen Beschichtungsprozesses aktiver Elektrodenmaterialien mit Rußpartikeln, und 3 ist eine Darstellung eines Mischbehälters und von Rührwerkzeugen zur Ausführung des zweistufigen Beschichtungsprozesses.
Bei diesem Elektrodenherstellprozess werden Partikel eines gewählten Materials der positiven oder negativen Elektrode mit Partikeln aus Ruß in der Anwesenheit eines flüssigen Trägers und einem zweistufigen Mischprozess gemischt und beschichtet. Der flüssige Träger kann manchmal als ein Lösemittel bezeichnet werden. Es kann dazu verwendet werden, eine kleine Menge an Polymerbindermaterial zum anschließenden Verbinden der Elektrodenpartikel zu lösen. Jedoch wird die Flüssigkeit größtenteils verwendet, um die Suspension und das Mischen der Elektrodenmaterialpartikel und der Partikel aus Ruß zu verbessern und zu steigern. Die Flüssigkeit wird schließlich durch Verdampfung von den Partikeln bei Beendigung der Verarbeitung entfernt, wodurch jegliches gelöste Bindermaterial für den Zweck der Verbindung einer Schicht der beschichteten Elektrodenpartikel n einer porösen verbundenen Schicht mit einem Stromkollektorsubstrat bei der Ausbildung der Elektrode abgeschieden wird. Derartige Elektrodenkonstruktionen sind in 1 dieser Beschreibung gezeigt.
Bei einem illustrativen Beispiel der Beschichtungsausführungsformen dieser Erfindung können Partikel aus Lithiumnickelmangankobaltoxid (NMC, ein Komposit-Oxid) als ein geeignetes Material der positiven Elektrode (oder Kathode) gewählt sein. Die NMC-Partikel werden als allgemein kugelförmig hergestellt und besitzen einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa zehn Mikrometer innerhalb eines geeignet schmalen Bereiches von Durchmessern. Eine Menge der Partikel wird für eine gewünschte bemessene Charge aus Elektrodenmaterial vorbereitet.
Es wird auch eine Gesamtmenge von leitendem Additiv aus Ruß basierend auf der Menge an zu beschichtendem Elektrodenmaterial bestimmt. Wie angemerkt ist, wird der Ruß in der Form von in Mikrometergröße vorliegenden Aggregaten aus in Nanometergröße vorliegenden Partikeln aus Ruß hinzugesetzt. Ferner werden die Aggregate von Rußpartikeln in zwei Inkrementen hinzugesetzt und so verwendet, dass sie an verschiedenen Beschichtungsorten abgeschieden werden, um die Leitfähigkeit zwischen den Elektrodenpartikeln zu verbessern. Eine erste Menge von Ruß wird mit den Partikeln aus Elektrodenmaterial gemischt, um eine geeignet gleichförmige Beschichtung von Rußpartikeln an im Wesentlichen jedem Partikel des Elektrodenmaterials zu bilden. Anschließend wird eine zweite Menge der Rußaggregate mit den beschichteten Elektrodenmaterialpartikeln gemischt, um ein verbundenes Netzwerk aus leitenden Rußpartikeln an den Grenzflächen vorher beschichteter Elektrodenpartikel zu bilden. Dieser zweistufige Beschichtungsprozess ist schematisch in einer stark vergrößerten und vereinfachten Darstellung von 2 dargestellt. Für die Zwecke der leichteren Veranschaulichung zeigt 2 nicht die Flüssigkeit, die als ein Dispergens in beiden Schritten des zweistufigen Mischprozesses verwendet ist. Und zu demselben Zweck zeigt 2 die Elektrodenpartikel stärker beabstandet, als sie bei den Mischschritten dieser Erfindung wären.
Somit sind in 2 einige Elektrodenpartikel 30 (die NMC-Kathodenpartikel sein können) gezeigt. Eine erste Charge von Aggregaten 32 aus Rußpartikeln wird mit Elektrodenpartikeln 30 gemischt, um eine Beschichtung aus kleinen Gruppen 34 der Rußpartikeln an den Außenflächen von jedem der Elektrodenpartikel 30 zu bilden. Diese Beschichtung kann kleine Gruppen beispielsweise aus etwa zwei bis zehn einzelnen Rußpartikeln umfassen. Diese Darstellung ist in der Veranschaulichung von 2 vereinfacht. Die anfänglichen Aggregate 32 aus Rußpartikeln können beispielsweise größte Abmessungen von etwa 10 bis 100 Mikrometern besitzen. Jedoch sind diese anfänglichen Aggregate 32 von vielen in Nanometergröße vorliegenden Rußpartikeln durch den Mischprozess bei der Bildung der kleineren Gruppen 34 der Rußpartikel an den Flächen der Elektrodenmaterialpartikeln 30 zerbrochen worden. Diese kleineren Gruppen 34 aus Rußpartikeln können beispielsweise zwei bis zehn Partikel umfassen, wobei die kleinen Gruppen Größen von etwa 100 bis 500 Nanometer besitzen. Der Komposit 35 aus kleinen Gruppen 34 aus Rußpartikeln an Elektrodenpartikeln 30 ist dann für einen anschließenden Mischschritt bereit. Wie detailliert beschrieben ist, wird dieser erste Mischschritt mit einem heftigen Mischen eines relativ viskosen Gemisches aus Elektrodenpartikeln, Rußpartikeln und einer geeigneten Flüssigkeit durchgeführt. Dieser erste Mischschritt zur Beschichtung der einzelnen Elektrodenpartikel 30 mit kleineren Gruppen 34 aus leitenden Rußpartikeln wird als ein "harter" Mischschritt betrachtet. Während das Kompositmaterial 35 in einem Mischgefäß rückgehalten ist, kann mehr flüssiges Dispergens (in 2 nicht gezeigt) dem Kompositmaterial 35 hinzugesetzt werden.
Nach diesem ersten Mischschritt wird ein zweiter Mischschritt mit einem Zusatz einer zweiten vorbestimmten Menge an Aggregaten von Rußpartikeln 36 (und typischerweise mehr flüssigem Dispergens) durchgeführt. Allgemein ist es bevorzugt, dass die zweite Charge aus Rußmaterial die gleiche Zusammensetzung und den gleichen physikalischen Charakter wie die erste Charge aufweist. Jedoch wird sie mit dem Komposit 35 auf andere Weise gemischt. Das Mischen ist weniger stark und es wird ein weniger viskoses Gemisch aus Flüssigkeiten und Feststoff sowie eine geringere Rührkraft in der Mischvorrichtung verwendet (in 2 nicht gezeigt, jedoch ist eine repräsentative Vorrichtung in 3 gezeigt). Das Mischen bei dem Schritt wird so durchgeführt, dass die zweite Charge von Kohlenstoffpartikelaggregaten 36 als Gruppen 38 aus Rußpartikeln an Grenzflächen zwischen den vorher mit Rußpartikeln 34 beschichteten Partikeln aus Elektrodenmaterial 30 platziert wird. Die Gruppen 38 aus Rußpartikeln an den Elektrodenpartikelgrenzflächen sind größer als die Rußpartikel 34 an den Flächen der Elektrodenpartikel 30. Die Gruppen 38 aus Rußpartikeln an Elektrodenpartikelgrenzflächen besitzen charakteristische Abmessungen von beispielsweise etwa eins bis zehn Mikrometer.
An dem Ende des zweiten Mischschrittes umfasst das Gemisch Partikel aus Elektrodenmaterial 30 mit Oberflächenbeschichtungen aus Rußpartikeln 34 und mit Gruppen von Rußpartikeln 38 zwischen den Elektrodenpartikeln 30. Das Gemisch umfasst auch die bei den beiden Mischschritten verwendete Flüssigkeit. Wie nachfolgend in dieser Beschreibung detaillierter beschrieben ist, kann das Gemisch auch eine vorbestimmte Menge an Binderharz zum Verbinden der Partikel aus Elektrodenmaterial miteinander und einer Fläche eines Streifens oder einer Folie des Metallstromkollektors umfassen. Dieses flüssigkeitshaltige, kohlenstoffbeschichtete Elektrodenpartikelgemisch kann nun zur Platzierung und Ausbreitung auf einer Stromkollektorfläche übertragen werden.
Die Mengen von Rußpartikeln, die den Elektrodenpartikeln hinzugesetzt werden, werden geeignet experimentell während Vorbereitungen für die Herstellung einer oder vieler Elektroden für die Herstellung von Lithiumbatterien bestimmt. Allgemein ist die Gesamtmenge an Ruß, die dem Partikelelektrodenmaterial hinzugesetzt wird, etwa ein Gewichtsprozent bis etwa 10 Gewichtsprozent des Elektrodenmaterials. Etwa 30 bis 60 Gew.-% des Gesamtrußgehalts werden bei dem ersten Mischschritt hinzugesetzt, um die Elektrodenpartikel zu beschichten, und der Rest wird bei dem zweiten Mischschritt hinzugesetzt, um Gruppen an den Grenzflächen der Elektrodenpartikel in der gebildeten Elektrode zu formen.
Es werden nun Ausführungsformen zur Ausführung des zweistufigen Mischprozesses detaillierter mit Bezug auf die 3 der Zeichnungen beschrieben. Eine vorbestimmte Menge aus Partikeln von Elektrodenmaterial wird einem Mischbehälter hinzugesetzt, wie einem Behälter 50 in 3. Vor, während oder nach dem Zusatz der Partikel zu dem Mischbehälter werden die Elektrodenpartikel mit einem geeigneten Flüssigkeitsträger für den ersten Mischschritt mit Aggregaten aus Rußpartikeln gemischt. Bevorzugt wird das Mischen der Elektrodenpartikel mit der Flüssigkeit in dem Mischbehälter ausgeführt. Wasser kann als das flüssige Dispergens für die Ausführung dieser Erfindung verwendet werden. Ein wässriger verteilbarer Binder, wie eine Kombination aus Styren-Butadien-Kautschuk und Natriumcarboxylmethylzellulose, kann in Kombination mit Wasser bei dem Mischprozess mit Ruß verwendet werden. Wenn jedoch bei der Herstellung der Elektrode ein Polymerbinder enthalten sein soll, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), das in Wasser nicht leicht dispergierbar ist, kann für den Mischprozess eine geeignete organische Flüssigkeit verwendet werden. Geeignete Flüssigkeiten für ein organisches System umfassen beispielsweise N-Methyl-2-pyrrolidon, Ethanol, Propanol, Hexan, Aceton oder dergleichen.
Der Betrag an flüssigem Träger kann so bestimmt werden, um das Ziel des ersten Mischschrittes mit Ruß zu erreichen, das darin besteht, die Flächen von jedem der in Mikrometergröße vorliegenden Partikel aus Elektrodenmaterial (z.B. NMC-Kathodenmaterial) mit in Nanometergröße vorliegenden Partikeln aus Ruß zu beschichten. Die physikalische Beschaffenheit der gewählten Mischvorrichtung und die Menge an flüssigem Dispergens werden bestimmt und gewählt, um dieses Ziel unter Verwendung eines relativ harten, viskosen Mischprozesses zu erreichen.
Wie in 3 zu sehen ist, ist der kommerziell verfügbare Mischbehälter 50 ein rundes Gefäß aus rostfreiem Stahl mit einem flachen Boden (nicht gezeigt), der derart bemessen ist, dass eine vorbestimmte Menge an verflüssigtem Elektrodenmaterial, das zu beschichten ist, enthalten ist. Die runde zylindrische Seite 51 ist bevorzugt ummantelt (nicht gezeigt), um für eine Temperatursteuerung der Inhalte des Mischgefäßes 50 unter Verwendung von zirkulierendem Wasser bei einer gesteuerten Temperatur zu sorgen. Der Mischbehälter 50 kann auch einen mit Ventil versehenen Auslass (nicht gezeigt) in dem Boden zur Entfernung der endgültigen Aufschlämmung aus gemischten Elektrodenmaterialpartikeln und Rußpartikeln aufweisen.
Ein Mischkopf 54 wird verwendet, der vier abwärts angewinkelte fixierte Mischwellen 56 und zwei vertikal, separat drehbare Mischwellen 58 trägt, von denen jede einen Rührkopf 60 aufweist, der sechs angewinkelte Rührschaufeln 62 trägt. Der Mischkopf weist einen Motor mit zugeordneten Antriebsmechanismen zum Vortrieb der vier angewinkelten Mischwellen 56 bei einer gemeinsamen gewünschten Geschwindigkeit oder Rotation und zum separaten Vortrieb der vertikalen Mischwellen 58 mit einer gewünschten Drehzahl für diese auf. Dieser vielfältige Mischkopf 54 wird in abdichtendem Eingriff gegen die flache Deckfläche der oberen Fläche 53 des runden Mischbehälters 50 abgesenkt, um die gerührten Inhalte innerhalb des Behälters abzudichten.
Als ein illustratives Beispiel werden 100 Gewichtsteile von Partikeln aus NMC-Kathodenmaterial mit einer anfänglichen Menge von 5 Gewichtsteilen an Aggregaten aus Rußpartikeln in Nanometergröße gemischt. Eine Wassermenge im Bereich von etwa zehn bis dreißig Gewichtsprozent der 105 Gewichtsteile der Gesamtfeststoffe wird bei dem Mischprozess verwendet. In anderen Worten ist es oftmals erwünscht, einen Feststoffgehalt von etwa siebzig Gewichtsprozent oder höher bei diesem ersten "harten" Mischschritt zu haben. Wenn ein Binder bei der Bildung der Kathode verwendet werden soll, können einige Gewichtsteile an wasserlöslichem Binder in dem Wasser gelöst werden. Der Binder kann in der Dispergensflüssigkeit in einem oder beiden Mischschritten gelöst sein.
Bei dem ersten Mischschritt können die vier angewinkelten Mischwellen 56 mit einer Rate von etwa zehn bis einhundert Umdrehungen pro Minute rotiert werden. Die vertikalen Mischwellen 58 mit höherer Drehzahl, die die Mischschaufeln 62 rotieren, können abgeschaltet oder bei einer Drehzahl von weniger als 1000 U/min gedreht werden. Somit werden die Mischwerkzeuge verwendet, das relativ viskose Gemisch aus NMC-Partikeln, Rußpartikeln und Wasser (einschließlich gelöstem Binder) zu rühren und zu mischen. Die Rotationsrate der sechs Mischwellen 56, 58 und die Rotationsdauer ist so bestimmt, dass die Partikel aus NMC mit Rußpartikeln beschichtet werden, um die Kompositpartikel 35 zu erzeugen, wie in 2 gezeigt ist. Der erste Mischschritt kann mit den flüssigkeitsdispergierten Partikeln bei Raumtemperatur oder Umgebungstemperatur beginnen. Wenn das Mischen fortschreitet, kann die Temperatur des viskosen Gemisches von Raumtemperatur auf eine Temperatur beispielsweise im Bereich von 60°C bis 80°C zunehmen. In vielen Fällen ist es erwünscht, die Temperatur der gerührten Materialien bei einer Temperatur von 60°C oder geringer während des ersten Mischschritts beizubehalten. Oftmals ist eine Mischzeit von mehreren Minuten bis einigen Stunden abhängig von der Viskosität des Nassgemisches und einer mechanischen Struktur der gewählten Mischvorrichtung erforderlich. Der Mischbetrieb kann von Zeit zu Zeit zeitweilig unterbrochen werden, um repräsentative Proben von den Inhalten des Gefäßes 50 zur Prüfung des Mischzustandes zu entfernen.
Nach Beendigung des ersten Mischschrittes werden eine zusätzliche Menge von Aggregaten aus Rußpartikeln und eine zusätzliche Menge der Flüssigkeit dem Gemisch der ersten Stufe in dem Behälter 50 hinzugesetzt. Beispielsweise werden zusätzliche drei Gewichtsteile des Rußes hinzugesetzt. Eine zusätzliche Menge an Wasser wird hinzugesetzt, um den Feststoffgehalt des Gemisches auf etwa 40 bis 70 Gewichtsprozent der gesamten Feststoffe (einschließlich Binder) und Flüssigkeit zu reduzieren. Bei diesem weicheren, weniger viskosen Mischschritt besteht das Ziel darin, die hinzugesetzten, in Nanometergröße vorliegenden Rußpartikel als Gruppen aus Partikeln an den Grenzflächen der Elektrodenmaterialpartikel zu verteilen, wie durch die Orte und das Erscheinungsbild der Gruppen 38 in 2 zu sehen ist. Erneut kann gegebenenfalls eine geeignete Menge an Bindermaterial in dem Wasser, das dem Elektrodenmaterial hinzugesetzt wird, gelöst werden. Das Polymerbindermaterial wird typischerweise in einer Menge von etwa 1–5 Gew.-% des Elektrodenmaterials hinzugesetzt.
Bei diesem zweiten Mischschritt können die vertikalen Wellen 58 (mit Schaufeln 62) zwischen etwa 2000 bis etwa 20.000 U/min gedreht werden, und die angewinkelten Wellen 56 werden zwischen 10 und 100 U/min gedreht. Nach dem Einschluss der zusätzlichen Flüssigkeit und des Rußes in das Material der ersten Mischstufe wird die Temperatur typischerweise verringert (auf beispielsweise 40–50°C). Ein weiteres Kühlen des Gemisches braucht nicht erforderlich sein. Die Rotationsraten der gewählten Mischwellen und die Dauern der Rotation sind so bestimmt, dass Gruppen aus Rußpartikeln an den Grenzflächen der Elektrodenpartikel platziert werden, wie in 2 beschrieben und gezeigt ist. Oftmals ist eine Mischzeit von mehreren Minuten bis einigen Stunden abhängig von der Viskosität des Nassgemisches und der Mechaniken der gewählten Mischvorrichtung erforderlich. Der Mischbetrieb kann von Zeit zu Zeit temporär unterbrochen werden, um repräsentative Proben aus den Inhalten des Gefäßes 50 zur Überprüfung des Zustands des Mischens zu entnehmen.
Bei Beendigung des zweistufigen Mischprozesses wird ein Nassgemisch aus Elektrodenpartikeln erhalten, bei dem einzelne Elektrodenpartikel mit Rußpartikeln beschichtet sind und andere Rußpartikel zwischen den Elektrodenpartikeln gruppiert sind. Das nasse oder flüssigkeitshaltige Gemisch wird von dem Mischbehälter entfernt. Der Flüssigkeitsgehalt oder ein Teil desselben kann in dem Partikelgemisch rückgehalten werden und die fließbare oder formbare Mischung in einer Schicht auf eine oder beide der flachen Hauptflächen eines Stromkollektorstreifens oder einer Stromkollektorfolie aufgetragen werden. Nachdem das flüssigkeitshaltige Elektrodenmaterial auf Flächen eines oder mehrerer Stromkollektoren aufgetragen worden ist, kann ein Verdunstungsprozess durchgeführt werden, um den größten Teil oder die gesamte Flüssigkeit zu entfernen und damit eine poröse Schicht aus Partikeln aus Elektrodenmaterial zurückzulassen, die mit kleineren Partikeln aus Ruß beschichtet sind und Gruppen aus Rußpartikeln an Grenzflächen der Elektrodenpartikel enthalten. Wenn ein Bindermaterial in der Dispergensflüssigkeit gelöst worden ist, wird eine geeignet kleine Menge an Bindermaterial an den Partikeln aus aktivem Material abgeschieden, wenn die Verdunstung der Flüssigkeit fortschreitet. Geeigneterweise wird eine Schicht aus somit beschichteten Elektrodenpartikeln miteinander und mit einer Fläche eines Metallstromkollektors in einer Dicke von bis zu etwa zweihundert Mikrometer verbunden.
In einer zusammengebauten Lithiumbatteriezelle, die derartige rußpartikelbeschichteten Elektrodenpartikel enthält, sind die gemischten Partikel mit einem flüssigen, lithiumionenhaltigen Elektrolyt durchdrungen. Und die leitenden Rußpartikel, die an den Elektrodenpartikeln durch den beschriebenen zweistufigen Mischprozess platziert sind, ermöglichen einen vollständigeren Gebrauch der Elektrodenpartikel, um die verfügbare Leistung einer gegebenen Menge an Elektrodenmaterial zu steigern und damit die Betriebslebensdauer der Elektrode und Zelle zu verlängern.
Ausführungsformen der Erfindung sind unter Verwendung einiger illustrativer Beispiele beschrieben und gezeigt worden, die keine Beschränkung hinsichtlich des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung darstellen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle, wobei das Verfahren umfasst: Mischen einer vorbestimmten Menge an Partikeln eines aktiven Elektrodenmaterials für eine Anode oder für eine Kathode einer Lithiumbatteriezelle mit einer ersten vorbestimmten Menge an Aggregaten von in Nanometergröße vorliegenden Rußpartikeln, wobei die Partikel aus Elektrodenmaterial Formen aufweisen, die eine Abscheidung derselben in einer porösen Schicht aus einander berührenden Partikeln mit einer Grenzflächenbeabstandung zwischen Oberflächenabschnitten der Elektrodenmaterialpartikel zulassen, wobei das Mischen mit den Elektrodenmaterialpartikeln und Rußpartikeln, die in einer Flüssigkeit dispergiert sind, die mit den Partikeln nicht reagiert, ausgeführt wird, wobei die Partikel und die Flüssigkeit zum Mischen der Partikel unter Verwendung eines mechanischen Mischwerkzeugs enthalten sind, wobei die Menge der Flüssigkeit und die mechanische Intensität und Dauer des Mischens so gesteuert sind, um die erste Menge an Rußpartikeln an den Flächen der Partikel aus aktivem Elektrodenmaterial in einem Gemisch der ersten Stufe zu verteilen; Hinzusetzen einer zweiten vorbestimmten Menge an Aggregaten von in Nanometergröße vorliegenden Rußpartikeln und einer zusätzlichen Menge an Flüssigkeit zu dem enthaltenen Gemisch der ersten Stufe und Verwenden eines mechanischen Mischwerkzeugs, während die Intensität und Dauer der Mischung gesteuert werden, um die zweite Menge an Rußpartikeln in den Zwischenräumen zwischen den Partikeln aus aktivem Elektrodenmaterial in einem Gemisch der zweiten Stufe zu verteilen; und anschließend, während zumindest ein Teil der Flüssigkeit in dem Gemisch der zweiten Stufe rückgehalten wird, Auftragen des Gemisches der zweiten Stufe aus Partikeln aus Elektrodenmaterial und Partikeln aus Ruß in einer Schicht aus Elektrodenmaterial auf eine Fläche eines Metallstromkollektors für die Elektrode und Verbinden der Partikel des Elektrodenmaterials miteinander und mit der Fläche des Stromkollektors, und Entfernen eines gewünschten Anteils einer Flüssigkeit von dem Gemisch aus Partikeln, wobei sich die Schicht aus Elektrodenmaterial durch Partikel aus Elektrodenmaterial mit Oberflächen auszeichnet, die mit Partikeln aus Ruß beschichtet sind, und wobei die Rußpartikel Zwischenräume zwischen den Partikeln aus Elektrodenmaterial besetzen, wobei der Gesamtgehalt und die Orte der Rußpartikel eine verbesserte elektrochemische Leitfähigkeit in der porösen Elektrodenschicht in der Anwesenheit eines lithiumhaltigen Elektrolyten in den Poren aus Elektrodenmaterial bereitstellen.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Partikel und Flüssigkeit in einem Mischbehälter mit zwei oder mehr rotierenden Mischwerkzeugen enthalten sind, und die rotierenden Mischwerkzeuge bei einem ersten Mischratenplan für den ersten Mischschritt und bei einem anderen Mischratenplan für den zweiten Mischschritt verwendet werden.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Partikel und Flüssigkeit in einem runden zylindrischen Mischbehälter enthalten sind, und eine Kombination aus rotierenden Mischwerkzeugen mit einer ersten Kombination aus Drehzahl und Rotationsdauer für den ersten Mischschritt verwendet wird und eine zweite und andere Kombination aus Drehzahl und Rotationsdauer für den zweiten Mischschritt verwendet wird.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit Wasser ist.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit eine organische Zusammensetzung ist, die während der Mischschritte flüssig ist.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 1, wobei die beginnenden Aggregate aus Rußpartikeln charakteristische Abmessungen im Bereich von etwa zehn Mikrometer bis etwa einhundert Mikrometer aufweisen.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Partikel aus Elektrodenmaterial charakteristische Abmessungen im Bereich von etwa fünf Mikrometer bis etwa fünfzig Mikrometer aufweisen.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Rußpartikel Durchmesser oder charakteristische Abmessungen im Bereich von etwa zehn bis einhundert Nanometer aufweisen und die Rußpartikel an den Flächen der Partikel aus aktivem Material in dem Gemisch der ersten Stufe als Gruppen aus Rußmaterialien verteilt werden, die charakteristische Abmessungen von etwa einhundert Nanometer bis etwa fünfhundert Nanometer besitzen.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Rußpartikel Durchmesser oder charakteristische Abmessungen im Bereich von etwa zehn bis einhundert Nanometer aufweisen und die Rußpartikel in Zwischenräumen zwischen den Partikeln aus aktivem Material in dem Gemisch der zweiten Stufe als Gruppen aus Rußmaterialien verteilt werden, die charakteristische Abmessungen von etwa einem Mikrometer bis etwa zehn Mikrometer aufweisen.
Verfahren zum Herstellen einer Anode nach Anspruch 1, wobei das Partikelelektrodenmaterial zumindest eines aus Graphit, Lithiumtitanat und einer siliziumbasierten Zusammensetzung und der Stromkollektor Kupfer ist.
Verfahren zum Herstellen einer Kathode nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenmaterial eine Oxidverbindung oder eine Phosphatverbindung aus Lithium und einem oder mehreren zusätzlichen Metallelementen ist und der Stromkollektor Aluminium ist.
Verfahren zum Herstellen einer Kathode nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenmaterial zumindest eines aus Lithiumnickelmangankobaltoxid, Lithiummanganoxid, Lithiumkobaltoxid, Lithiumnickelkobaltaluminiumoxid und Lithiumeisenphosphat ist und der Stromkollektor Aluminium ist.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 1, wobei der erste Mischschritt mit den Partikeln und Flüssigkeit bei einer Umgebungstemperatur begonnen wird und die Mischung während des ersten Mischschrittes abgekühlt wird, um das Gemisch unterhalb einer vorbestimmten Temperatur zu halten.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle, wobei das Verfahren umfasst: Mischen einer vorbestimmten Menge an Partikeln eines aktiven Elektrodenmaterials für eine Anode oder für eine Kathode einer Lithiumbatteriezelle mit einer ersten vorbestimmten Menge an Aggregaten von in Nanometergröße vorliegenden Rußpartikeln, wobei die Partikel aus Elektrodenmaterial charakteristische Abmessungen im Bereich von etwa fünf bis fünfzig Mikrometer und Formen aufweisen, die eine Abscheidung derselben in einer porösen Schicht aus einander berührenden Partikeln mit einer Grenzflächenbeabstandung zwischen Oberflächenabschnitten der Elektrodenmaterialpartikel zulassen, wobei das Mischen mit den Elektrodenmaterialpartikeln und Rußpartikeln, die in einer Flüssigkeit dispergiert sind, die mit den Partikeln nicht reagiert, ausgeführt wird, wobei die Partikel und die Flüssigkeit zum Mischen der Partikel unter Verwendung eines mechanischen Mischwerkzeugs enthalten sind, wobei die Menge der Flüssigkeit und die mechanische Intensität und Dauer des Mischens so gesteuert sind, um die erste Menge an Rußpartikeln an den Flächen der Partikel aus aktivem Elektrodenmaterial in einem Gemisch der ersten Stufe zu verteilen, wobei die Rußpartikel als einzelne Partikel oder Gruppen aus zwei bis zehn Rußpartikeln an Oberflächen der Partikel aus aktivem Elektrodenmaterial verteilt sind; Hinzusetzen einer zweiten vorbestimmten Menge an Aggregaten von in Nanometergröße vorliegenden Rußpartikeln und einer zusätzlichen Menge an Flüssigkeit zu dem enthaltenen Gemisch der ersten Stufe und Verwenden eines mechanischen Mischwerkzeugs, während die Intensität und Dauer der Mischung gesteuert werden, um die zweite Menge an Rußpartikeln in den Räumen zwischen den Partikeln aus aktivem Elektrodenmaterial in einem Gemisch der zweiten Stufe zu verteilen, wobei die zweite Menge an Rußpartikeln in Gruppen von Partikeln mit charakteristischen Abmessungen im Bereich von etwa einem bis zehn Mikrometers verteilt ist; und dann, während zumindest ein Teil der Flüssigkeit in dem Gemisch der zweiten Stufe rückgehalten wird, Auftragen des Gemisches der zweiten Stufe aus Partikeln aus Elektrodenmaterial und Partikeln aus Ruß in einer Schicht aus Elektrodenmaterial auf eine Fläche eines Metallstromkollektors für die Elektrode und Verbinden der Partikel des Elektrodenmaterials miteinander und mit der Fläche des Stromkollektors, und Entfernen eines gewünschten Anteils der Flüssigkeit von dem Gemisch aus Partikeln, wobei sich die Schicht aus Elektrodenmaterial durch Partikel aus Elektrodenmaterial mit Oberflächen auszeichnet, die mit Partikeln aus Ruß beschichtet sind, und wobei die Rußpartikel Räume zwischen den Partikeln aus Elektrodenmaterial besetzen, wobei der Gesamtgehalt und die Orte der Rußpartikel eine verbesserte elektrochemische Leitfähigkeit in der porösen Elektrodenschicht in der Anwesenheit eines lithiumhaltigen Elektrolyten in den Poren aus Elektrodenmaterial bereitstellen.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 14, wobei die Flüssigkeit Wasser ist.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 14, wobei die Flüssigkeit eine organische Zusammensetzung ist, die bei Umgebungstemperatur der Mischschritte flüssig ist.
Verfahren zum Herstellen einer Anode nach Anspruch 14, wobei das partikuläre Elektrodenmaterial zumindest eines aus Graphit, Lithiumtitanat oder einer siliziumbasierten Zusammensetzung ist und der Stromkollektor Kupfer ist.
Verfahren zum Herstellen einer Kathode nach Anspruch 14, wobei das Elektrodenmaterial eine Oxidverbindung oder eine Phosphatverbindung aus Lithium und einem oder mehreren zusätzlichen Metallelementen ist und der Stromkollektor Aluminium ist.
Verfahren zum Herstellen einer Kathode nach Anspruch 14, wobei das Elektrodenmaterial zumindest eines aus Lithiumnickelmangankobaltoxid, Lithiummanganoxid, Lithiumkobaltoxid, Lithiumnickelkobaltaluminiumoxid und Lithiumeisenphosphat ist und der Stromkollektor Aluminium ist.
Verfahren zum Herstellen einer Anode oder einer Kathode für eine Lithiumbatteriezelle nach Anspruch 14, wobei der erste Mischschritt mit Partikeln und Flüssigkeit bei einer Umgebungstemperatur begonnen wird und das Gemisch während des ersten Mischschrittes abgekühlt wird, um das Gemisch unterhalb einer vorbestimmten Temperatur zu halten.