DE112019000405T5

DE112019000405T5 - Schmelzextrudierte feststoffbatteriekomponenten

Info

Publication number: DE112019000405T5
Application number: DE112019000405.0T
Authority: DE
Inventors: Ram Subbaraman; Saravanan Kuppan
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-03-05
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2020-10-22
Also published as: US20210280914A1; WO2019170467A1; CN111801838A; US11515571B2

Abstract

Ein Verfahren zum Koextrudieren von Batteriekomponenten beinhaltet Bilden einer ersten Dünnschicht-Batteriekomponente durch Schmelzextrusion und Bilden einer zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente durch Schmelzextrusion. Eine Oberflächenbehandlung wird auf eine Oberflächenregion der ersten und/oder der zweiten Komponente so angewendet, dass in Relation zu einem Rest der mindestens einen Komponente die Oberflächenregion einen verringerten Partikelabstand, eine verringerte Menge an Polymerbindematerial und/oder eine erhöhte Menge an freiliegendem ionenleitendem Material aufweist. Die erste und die zweite Komponente werden durch eine Koextrusionsdüse geführt, um eine koextrudierte mehrlagige Dünnschicht zu bilden.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Offenbarung beansprucht die Priorität der am 5. März 2018 unter der Bezeichnung „HOT MELT EXTRUDED ALL SOLID STATE BATTERIES“ eingereichten US-Provisional-Anmeldung Nr. 62/638,657 , deren Offenbarung hierin vollumfänglich in Bezug genommen wird.
Technisches Gebiet
Diese Offenbarung betrifft allgemein Batterien und insbesondere Feststoffbatterien.
Hintergrund
Soweit vorliegend nicht anders angegeben, stellen die in diesem Abschnitt beschriebenen Materialien keinen Stand der Technik für die Ansprüche dieser Anmeldung dar und werden durch Einbeziehung in diesen Abschnitt nicht dem Stand der Technik zugerechnet.
Lithium- (Li-) Metall weist verschiedene Eigenschaften auf, die Bemühungen motivierten, Komponenten auf Li-Metall-Basis in Batterien zu verarbeiten. Li-Metall weist eine theoretische Kapazität von 3860 mAh/g auf und bietet somit die höchste Kapazität aller bekannten Anodenmaterialien für eine Li-lonen-Batterie. Infolgedessen können Batterien mit Lithium-Metall-Anoden oder Anoden aus Lithiumlegierungen eine höhere spezifische Energie aufweisen als Batterien mit Anoden, die aus anderen Materialien gebildet sind. Beispielsweise können Lithium/Schwefel- und Lithium/Luft-Batterien potentiell eine spezifische Energie von 500 bis 100 Wh/kg oder mehr erreichen. Diese wünschenswerten Eigenschaften gehen jedoch mit Kompromissen einher, welche die Verwendung von Li-Metall als Anode für eine Batterie verhindern.
Insbesondere ist die Lebensdauer einer Batterie mit einer Li-Metall-Anode aufgrund der Bildung elektronenleitender dendritischer Strukturen grundsätzlich begrenzt. Während des Ladens wandern Li-Ionen von einer Kathode zur Anode, und während des Entladens in umgekehrter Richtung. Über aufeinanderfolgende Lade/Entladezyklen hinweg tendieren Li-Ionen dazu, sich zu nadelförmigen oder moosartigen Strukturen, d.h. „Dendriten“, zu formieren, anstatt sich gleichmäßig zu verteilen. Dendriten können sich aus verschiedenen Gründen bilden, darunter Diskontinuitäten in der Oberfläche der Anode, Fremdstoffe in der Anode und eine Schwankung einer Kennlinie in der Anode wie beispielsweise der Stromdichte (mA/cm²) während eines Ladeprozesses. Die Formierung von Li-Ionen zu Dendriten über aufeinanderfolgende Zyklen entzieht der Anode somit Li-Metallmaterial und kann zu parasitärem Kapazitätsverlust in der Batterie führen. In einem Worst-Case-Szenario kann ein Dendrit ferner weiter wachsen und einen Kurzschluss zwischen der Anode und der Kathode der Batterie verursachen. Ein Kurzschluss zwischen Batterieelektroden kann die Lebensdauer der Batterie drastisch verkürzen und ist potentiell gefährlich.
In dem Bestreben, das Wachstum von Dendriten zu hemmen, beinhalten Batterien mit Li-Metall-Anoden grundsätzlich mechanisch starre Separatoren wie beispielsweise Festpolymermaterialien, Verbundoxide, Gläser und andere Verbindungen. Solche Materialien können als mechanische Barriere fungieren, die Dendritenwachstum physisch daran hindert, in einer Batterie einen Kurzschluss zu verursachen. Herkömmliche Feststoff-Separatormaterialien weisen jedoch Nachteile auf, die den zum Bilden der Batterie verwendeten Prozess, die Materialien und Struktur der Batterie und die Betriebsbedingungen und Eigenschaften der Batterie einschränken.
Beispielsweise erfordern Festoxid-Separatormaterialien typischerweise Bildungsprozesse bei sehr hohen Temperaturen, z.B. Sintern, was während des Bildens der Batterie zu Temperaturen führen kann, die oberhalb von Stabilitätstemperaturen für andere Batteriekomponenten liegen. Beispielsweise weisen aktive Kathodenmaterialien, die typischerweise aus Übergangsmetalloxiden (Ni, Co, AI, Fe, Mn usw.) und Phosphaten und dergleichen gebildet sind, verglichen mit den beim Sintern auftretenden sehr hohen Sintertemperaturen niedrigere Stabilitätstemperaturen auf. Somit schränkt die Verwendung eines Festoxids für das Separatormaterial entweder die Materialien ein, die zur Verwendung für das aktive Kathodenmaterial in Frage kommen, oder die Bildung der Batterie muss unter getrennter Bildung des Separators und der Kathode erfolgen. Herkömmliche aktive Kathodenmaterialien wie die vorstehend aufgeführten können zudem eine hohe Feststoff-Feststoff-Grenzflächenimpedanz aufweisen, welche sich nachteilig auf die Laderate der Batterie auswirken kann. Die Verwendung eines Feststoff-Separatormaterials kann somit auch zu einer Batterie mit einer verringerten Laderate führen.
In einem anderen Beispiel weisen Festsulfid-Separatormaterialien grundsätzlich Materialeigenschaften auf, die dazu führen, dass solche Materialien instabil oder nicht in der Lage sind, einen akzeptablen Separator zu bilden, der als Dünnschicht, z.B. mit einer Dicke von etwa 20 Mikrometern oder weniger, ausgeführt ist. Solche Materialien können somit zu Einschränkungen hinsichtlich der herstellbaren Arten von Batterien führen.
Ferner geht bei verschiedenen herkömmlichen Feststoff-Separatormaterialien die Fähigkeit zur Hemmung von Dendritenbildung und -wachstum mit dem Nachteil einher, dass das Material gegenüber anderen Materialen eine geringere Eignung als Separator aufweist. In einer klassischen Batterie ist ein Separator wünschenswerterweise nicht elektronenleitend und ist gegenüber den für die Anode und die Kathode verwendeten Materialien chemisch stabil. Viele Separatormaterialien, die Dendritenwachstum hemmen, weisen eine erhöhte Reaktivität mit Batteriekomponenten auf oder weisen gegenüber anderen Materialien einen verringerten elektrischen Leitwert auf.
Zudem ist in praktischer Erwägung ein Separatormaterial wünschenswerterweise für die Massenproduktion geeignet. Viele der Materialien, die Dendritenbildung und -wachstum hemmen können, eignen sich jedoch nicht gut für Produktionsprozesse, die eine Massenproduktion ermöglichen. Viele herkömmliche Feststoffmaterialien erfordern Prozesse wie Foliengießen, Kalt/Warm-Pressen, Sintern und Tempern, bei denen es sich um Chargenprozesse handelt, die zur Produktion in großen Mengen grundsätzlich nicht in der Lage sind.
Methoden, welche die Verwendung einer Feststoff-Lithiumanode in Batterien mit hoher Energiedichte ermöglichen, wären somit vorteilhaft. Separatormaterialien, die hohe Ladeströme ohne Wachstum von Dendriten vertragen, wären ebenfalls vorteilhaft. Verbesserungen der Feststoff-Feststoff-Grenzflächen in Batteriekomponenten sowie Verbesserungen in der Fertigung, die eine Produktion in großen Mengen ermöglichen, wären ebenfalls vorteilhaft.
Kurzdarstellung
Die Anmelderin beantragt, die englischen Formulierungen beibehalten zu dürfen. Im Bereich der Informationstechnologien sind englischsprachige Begriffe für den Fachmann geläufig und häufig besser verständlich als der Versuch, diese geläufigen Fachausdrücke ins Deutsche zu übersetzen. Die hier benutzten Begriffe sind Teil eines Pseudo-Codes, also eines Programmcodes, der nicht zur maschinellen Interpretation, sondern lediglich zur Veranschaulichung eines Algorithmus dient. Die dabei verwendeten Begriffe lehnen sich an Standard-Befehle der gängigen Programmiersprachen an, welche typischerweise nur in Englisch verwendet werden. Da einige der Begriffe kaum ins Deutsche übertragen werden können, ohne beim Fachmann Unklarheiten zu erzeugen, und eine Sprachenmischung ebenfalls schwerer verständlich ist für den Fachmann, sollten die Begriffe in Englisch verbleiben
Figurenliste

1 ist eine schematische Abbildung einer beispielhaften Ausführungsform einer durch Dünnschicht-Komponenten gebildeten Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine schematische Abbildung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer durch Dünnschicht-Komponenten gebildeten Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine schematische Abbildung einer beispielhaften Ausführungsform einer Doppelschnecken-Extrudereinrichtung, die zum Bilden einer Dünnschicht-Komponente einer Batterie durch Schmelzextrusion gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendbar ist.
4 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer Batterie mit Dünnschicht-Komponenten gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
5 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer Dünnschicht-Kathode gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
6 ist ein Flussdiagramm, das eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer Dünnschicht-Kathode gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer Dünnschicht-Anode gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden eines Dünnschicht-Separators gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
9 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems zum Koextrudieren mehrerer Dünnschicht-Batteriekomponenten zum Bilden einer koextrudierten mehrlagigen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
10 ist ein Flussdiagramm, das eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden eines Dünnschicht-Separators gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
11 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer Dünnschicht-Kathode-Separator-Doppelschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
12 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer Dünnschicht-Separator-Anode-Doppelschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
13 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer Dünnschicht-Kathode-Separator-Anode-Dreifachschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
14 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer Dünnschicht-Stromabnehmer-Kathoden-Dreifachschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
15 ist ein Flussdiagramm, das eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Koextrudieren mehrerer Dünnschicht-Batteriekomponenten zum Bilden einer koextrudierten mehrlagigen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.

Ausführliche Beschreibung
Zum besseren Verständnis der Prinzipien der Offenbarung wird nun Bezug auf die Zeichnungen und Beschreibungen in der nachfolgenden schriftlichen Spezifikation genommen. Die Bezugnahmen sind nicht als Einschränkung des Gegenstands aufzufassen. Die Offenbarung beinhaltet zudem jegliche Änderungen und Modifikationen der veranschaulichten Ausführungsformen und beinhaltet weitere Anwendungen der Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen, die sich für einen Fachmann auf dem Gebiet dieser Schrift ergeben.
Vorliegend wird ein Separator für eine Batterie mit hoher Energiedichte mit einer Anode auf Lithium-Basis vorgestellt, bei welcher der Separator dafür ausgelegt ist, das Wachstum von Dendriten während eines Ladeprozesses für die Batterie mit einer hohen Laderate zu hemmen. Zudem wird vorliegend ein Verfahren zum Bilden einer oder mehrerer Batteriekomponenten durch Schmelzextrusion vorgestellt. Solche Verfahren ermöglichen eine Feinabstimmung verschiedener Material- und Batterieparameter. Ferner wird vorliegend ein Verfahren zum Bilden von Batteriekomponenten durch Koextrusion vorgestellt. Solche Verfahren ergeben eine verbesserte Feststoff-Feststoff-Grenzfläche zwischen Batteriekomponenten. Zudem wird ein Verfahren zum Bilden einer Fest-Flüssig-Hybridkathode vorgestellt, das die Einarbeitung von Flüssigelektrolytmaterialien in mittels einer Rolle-zu-Rolle-Fertigung gebildete Kathoden ermöglicht.
1 zeigt eine beispielhafte Batterie 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Batterie 100 beinhaltet eine Anodenschicht 102, eine Separatorschicht 104 und eine Kathodenschicht 106. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der Batterie 100 um eine Dünnschicht-Batterie mit einer Gesamtdicke von etwa 100 Mikrometer oder weniger. In einigen Ausführungsformen ist die Batterie 100 aufgewickelt oder gefaltet, um ein Batteriepack zu bilden.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Anodenschicht 102 ein aktives Material auf Li-Basis wie beispielsweise ein Li-Metall oder eine Li-Legierung, z.B. Li-In, Li-Sn oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Anodenschicht 102 zudem ein Polymerbindematerial. In anderen Ausführungsformen werden andere Anoden auf Metall-Basis verwendet.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Kathodenschicht 106 ein Gemisch aus aktivem Kathoden- („CA“, active cathode) Material, elektronenleitendem Material, festem ionenleitendem („SIC“, solid ionically conductive) Material, primärem Polymerbindematerial und sekundärem Polymerbindematerial. Es kann jedes akzeptable CA-Material verwendet werden, beispielsweise geschichtete Oxide, Phosphate und andere Variationen von Übergangsmetallen wie beispielsweise Ni, Co, Mn, Fe, AI usw., z.B. Lithium-Cobalt-Oxid (LCO), Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (NCM), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Lithium-Eisenphosphat (LFP) oder Kombinationen aus diesen. In einigen Ausführungsformen sind Partikel aus CA-Material mit einer Oberflächenbeschichtung beschichtet, die eines oder mehrere der Folgenden beinhaltet: ein Oxid, z.B. Nioboxide, Titanoxide, Aluminiumoxid, AlPO4, ZrP207, LiNbO3, MgO, Zr02 usw., Sulfide wie z.B. Lithium-Phosphor-Sulfid (LPS), Fluoride wie z.B. Lithiumfluorid (LiF) und Aluminiumfluorid (AIF) und dergleichen.
Für die Kathodenschicht 106 kann jedes akzeptable elektronenleitende Material verwendet werden, beispielsweise Ruß („CB“, carbon black), Graphit, Metallpartikel, Graphen-Nanoplatten/Plättchen, Kohlenstoff-Nanoröhren oder dergleichen oder Kombinationen aus diesen. Das SIC-Material in der Kathodenschicht 106 ist für Ionen, die zwischen der Anodenschicht 102 und der Kathodenschicht 106 übertragen werden, ionenleitend. Für die Kathodenschicht 106 kann jedes akzeptable SIC-Material verwendet werden, darunter Oxide (z.B. Granat, Perowskite und dergleichen), Sulfide (z.B. Argyrodite, Phosphorsulfide wie beispielsweise LGPS und dergleichen), Glasmaterialien aus Oxiden/Sulfiden, andere chemische Formen wie beispielsweise Nitride/Phosphate und Natrium-Superionenleiter-(NASICON-, sodium-superionic-conductor) Verbindungen wie beispielsweise Na_1+xZr₂Si_xP_3-xO₁₂ (0 ≤ x ≤3) und Kombinationen aus diesen. Für die Kathodenschicht 106 kann jede akzeptable Form von SIC-Material verwendet werden, beispielsweise kristallin, amorph oder eine Mischung aus diesen.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das SIC-Material in der Kathodenschicht 106 Partikel einer im Wesentlichen einheitlichen Größe. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das SIC-Material in der Kathodenschicht 106 eine Verteilung von Partikeln unterschiedlicher Größen. Eine Verteilung von Partikeln unterschiedlicher Größe kann den Kontakt zwischen Partikeln verbessern und eine Materialmenge pro Volumen innerhalb der Kathodenschicht 106 erhöhen. In einigen Ausführungsformen weisen die Partikel des SIC-Materials in der Kathodenschicht 106 Oberflächen auf, die behandelt oder modifiziert wurden, um einen Widerstand beim Kontakt zwischen Partikeln zu verringern, worauf nachstehend ausführlicher eingegangen wird.
Für das primäre Polymerbindemittel kann jedes akzeptable Polymermaterial verwendet werden, beispielsweise Polylacton, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyolefin, Polyimid, Polyester, Polyamid, wärmeempfindliches Polymer, Viskose oder lichtempfindliches Acrylpolymer, Kautschuk, Polymerblends, Cyanethyl-Polyvinylalkohol (PVA-CN) in Succinonitril (SN) und Kombinationen aus diesen. In einigen Ausführungsformen ist das Material des primären Polymerbindemittels mit einem in der Separatorschicht 104 enthaltenen Polymerbindemittel abgestimmt, worauf nachstehend noch eingegangen wird. In einigen Ausführungsformen unterscheidet sich das Material des primären Polymerbindemittels von dem Material des Polymerbindemittels der Separatorschicht 104.
Für das sekundäre Polymerbindemittel kann jedes akzeptable Polymermaterial verwendet werden. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das sekundäre Polymerbindemittel ein ionenleitendes Polymermaterial, z.B. ein hohes Molekulargewicht aufweisendes Polyethylenoxid (PEO) mit Li-leitendem Salz. In solchen Ausführungsformen fungiert das ionenleitende Polymermaterial als Puffer zwischen dem SIC-Material und dem CA-Material.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Kathodenschicht 106 anstelle des sekundären Polymerbindemittels eine poröse Struktur, die mit einem Flüssigelektrolytmaterial gefüllt ist. Wie nachstehend noch ausführlicher behandelt wird, wird in einigen Ausführungsformen die Kathodenschicht 106 mit einem porenbildenden Material wie beispielsweise hydrophilem Polyvinylpyrrolidon (PVP) oder Kampfer anstelle des sekundären Polymerbindemittels gebildet, und das porenbildende Material wird anschließend über Wärmebehandlung oder durch eine Behandlung mit Lösungsmittel entfernt, um innerhalb der Kathodenschicht 106 eine poröse Struktur zu bilden, die mit dem Flüssigelektrolytmaterial gefüllt wird. In solchen Ausführungsformen kann jedes akzeptable Flüssigelektrolytmaterial verwendet werden, beispielsweise Carbonate und Ether, die ionenleitende Salze mit stabilen Anionen enthalten, beispielsweise PF₆, TFSI, BF₄, ClO₄, FSI, Bis(oxalato)borat (BOB) und dergleichen.
In einigen Ausführungsformen weist eine der Separatorschicht 104 zugewandte Oberfläche 113 der Kathodenschicht 106 eine Eigenschaft auf, die anders ist als ein Rest der Kathodenschicht 106, beispielsweise durch eine Oberflächenbehandlung, worauf nachstehend noch ausführlicher eingegangen wird. Beispielsweise beinhaltet in einigen Ausführungsformen die andere Eigenschaft eines oder mehrere der Folgenden: einen verringerten Partikelabstand zwischen SIC-Partikeln, freiliegende SIC-Partikel an der Oberfläche 113 der Kathodenschicht 106 in Relation einem Rest der Kathodenschicht 106, oder eine andere Eigenschaft, die zu einer verbesserten Grenzfläche zwischen der Oberfläche 113 der Kathodenschicht 106 und der Separatorschicht 104 führt. In einigen Ausführungsformen weist eine entgegengesetzte Oberfläche 114 der Kathodenschicht eine weitere Eigenschaft auf, die anders ist als ein Rest der Kathodenschicht 106, um beispielsweise eine Grenzfläche zwischen der Kathodenschicht 106 und einem Stromabnehmer zu verbessern, Partikelabstände zwischen SIC-Partikeln zu verringern oder SIC-Partikel an der Oberfläche 114 der Kathodenschicht 106 freizulegen.
Die Separatorschicht 104 beinhaltet einen Hauptabschnitt 108, eine erste Oberflächenregion 110, die eine Grenzfläche mit der Anodenschicht 102 bildet, und eine zweite Oberflächenregion 112, die eine zweite Grenzfläche mit der Kathodenschicht 106 bildet. Der Hauptabschnitt 108 beinhaltet ein Gemisch aus einem Hauptbestandteil und einem Nebenbestandteil.
Der Hauptbestandteil beinhaltet mindestens ein SIC-Material. Für die Separatorschicht 104 kann jedes akzeptable SIC-Material verwendet werden, und es kann für die Separatorschicht 104 SIC-Material in jeder akzeptablen Form verwendet werden. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das SIC-Material in der Separatorschicht 104 Partikel einer im Wesentlichen einheitlichen Größe. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das SIC-Material in der Separatorschicht 104 eine Verteilung von Partikeln unterschiedlicher Größen. In einigen Ausführungsformen weisen die Partikel des SIC-Materials in der Separatorschicht 104 Oberflächen auf, die behandelt oder modifiziert wurden, um einen Widerstand beim Kontakt zwischen Partikeln zu verringern, worauf nachstehend ausführlicher eingegangen wird.
Der Nebenbestandteil beinhaltet Partikel mindestens eines polymeren Bindemittels wie beispielsweise Polycarbonat, Polylacton, PET, PVDF, PTFE, Polyolefin, Polyimid, Polyester, Polyamide, wärmeempfindliche Polymere, Viskose oder lichtempfindliche Acrylpolymere, Kautschuk, Polymerblends oder Kombinationen aus diesen. In einigen Ausführungsformen ist das polymere Bindemittel ionenleitend. In einigen Ausführungsformen ist das polymere Bindemittel nicht ionenleitend. Es ist zu beachten, dass in Ausführungsformen, in denen das polymere Bindemittel nicht ionenleitend ist, die Separatorschicht 104 aufgrund des SIC im Hauptbestandteil dennoch ionenleitend ist. In einigen Ausführungsformen weist das polymere Bindematerial eine Materialsteifigkeit derart auf, dass das polymere Bindematerial als mechanische Barriere fungiert, die Dendritenwachstum durch die Separatorschicht 104 hemmt.
Der Hauptbestandteil stellt etwa 60 % bis etwa 98 % des Gesamtmaterials des Hauptabschnitts 108 der Separatorschicht 104 dar, um eine Menge an SIC-Material zu überschreiten, die nötig ist, um einen Perkolationsgrenzwert für Leitfähigkeit in einem dreidimensionalen Verbundstoff zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen ist der Hauptbestandteil gleichmäßig und homogen mit dem Nebenbestandteil innerhalb des Hauptabschnitts 108 der Separatorschicht 104 verteilt. In einigen Ausführungsformen ist der Hauptbestandteil entsprechend den Materialien der Anodenschicht 102 und der Kathodenschicht 106 gemäß einer abgestuften Anordnung nicht-homogen verteilt. Beispielsweise beinhaltet in einigen Ausführungsformen der Hauptbestandteil verschiedene SIC-Materialien, die in einem Gradienten so angeordnet sind, dass das SIC-Material in den Oberflächenregionen 110 und 112 in Relation zu den verschiedenen SIC-Materialien in anderen Abschnitten der Separatorschicht 104 weniger reaktiv mit den Materialien der Anodenschicht 102 bzw. der Kathodenschicht 106 ist.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das SIC-Material in der ersten Oberflächenregion 110 der Separatorschicht 104 einen relativ höheren Anteil an oxidreichem Material. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das SIC-Material in der an die Kathodenschicht 106 angrenzenden zweiten Oberflächenregion 112 der Separatorschicht 104 einen relativ höheren Anteil an sulfidreichem Material. In einigen Ausführungsformen ist das SIC-Material gemäß einem Gradienten angeordnet, der von einem höheren Anteil an oxidreichem Material und einem niedrigeren Anteil an sulfidreichem Material an der ersten Oberflächenregion 110 bis zu einem niedrigeren Anteil an oxidreichem Material und einem höheren Anteil an sulfidreichem Material an der zweiten Oberflächenregion 112 variiert.
In einigen Ausführungsformen beinhalten die erste Oberflächenregion 110 und die zweite Oberflächenregion 112 ein Gemisch aus Materialien, das dem Gemisch für den Hauptabschnitt 108 ähnelt. In einigen Ausführungsformen weisen die erste Oberflächenregion 110 und die zweite Oberflächenregion 112 mindestens eine gegenüber dem Hauptabschnitt 108 verschiedene Eigenschaft auf, die eine verbesserte Grenzfläche mit der Anodenschicht 102 bzw. der Kathodenschicht 106 ermöglicht. In einigen Ausführungsformen weisen die Oberflächenregionen 110 und 112 gegenüber dem Hauptabschnitt 108 eine geringere Menge an dem polymeren Bindemittel auf. In einigen Ausführungsformen ist das polymere Bindemittel vollständig aus den Oberflächenregionen 110 und 112 entfernt. In einigen Ausführungsformen ist ein mittlerer Partikelabstand zwischen Partikeln aus SIC-Material in den Oberflächenregionen 110 und 112 gegenüber einem mittleren Partikelabstand zwischen Partikeln aus SIC-Material im Hauptabschnitt 108 geringer. In einigen Ausführungsformen sind die Oberflächenregionen 110 und 112 so strukturiert, dass Partikel aus SIC-Material unmittelbar der Anodenschicht 102 bzw. der Kathodenschicht 106 bloß liegen. In einigen Ausführungsformen werden die Oberflächenregionen 110 und 112 durch Anwenden einer oder mehrerer Oberflächenbehandlungen auf das Materialgemisch für den Hauptabschnitt 108 gebildet, worauf nachstehend noch ausführlicher eingegangen wird.
2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Batterie 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Batterie 200 beinhaltet eine Anodenschicht 202, eine Separatorschicht 204 und eine Kathodenschicht 206. Die Separatorschicht 204 beinhaltet eine Vielzahl von Teilschichten. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Separatorschicht drei Teilschichten 204a-c. In einigen Ausführungsformen bildet die Teilschicht 204a eine Grenzfläche 210 mit der Anodenschicht 202, bildet die Teilschicht 204c eine Grenzfläche 212 mit der Kathodenschicht 206 und ist die Teilschicht 204b zwischen der Teilschicht 204a und der Teilschicht 204c positioniert. In weiteren Ausführungsformen beinhalten Separatorschichten andere Anzahlen an Teilschichten.
Jede der Teilschichten 204a-c beinhaltet ein Materialgemisch, das dem Materialgemisch im Hauptabschnitt 108 der Separatorschicht 104 in der vorstehend in Bezug auf 1 behandelten Batterie 100 ähnelt. Jedoch variiert das Materialgemisch innerhalb der Teilschichten 204a-c in mindestens einer Eigenschaft wie beispielsweise Struktur, Zusammensetzung oder dergleichen. Die Teilschichten 204a-c sind innerhalb der Separatorschicht 204 so angeordnet, dass sie für die mindestens eine variierende Eigenschaft einen Gradienten bilden. In einigen Ausführungsformen beinhaltet SIC-Material in der Teilschicht 204a einen relativ hohen Anteil an oxidreichem Material und einen relativ niedrigen Anteil an sulfidreichem Material, beinhaltet SIC-Material in der Teilschicht 204c einen relativ hohen Anteil an sulfidreichem Material und einen relativ niedrigen Anteil an oxidreichem Material und beinhaltet SIC-Material in der Teilschicht 204b ein Gemisch aus oxidreichem Material und sulfidreichem Material. In solchen Ausführungsformen bilden die Teilschichten 204a-c einen Gradienten von relativ oxidreichem und sulfidarmem SIC-Material in der Teilschicht 204a bis zu relativ sulfidreichem und oxidarmem SIC-Material in der Teilschicht 204c.
In einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise Ausführungsformen, die aus den verschiedenen nachstehend behandelten Verfahren resultieren, wird eine Schicht einer Batterie durch Schmelzextrusion gebildet. Es kann jeder akzeptable Schmelzextrusionsprozess verwendet werden, beispielsweise ein Prozess, der einen Schneckenextruder, Kolbenextruder, Walzenextruder, Zahnradextruder, Planetenspindelextruder oder dergleichen verwendet. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Doppelschneckenextruders 300, der zum Bilden einer Schicht einer Batterie durch Schmelzextrusion gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendbar ist. Der Doppelschneckenextruder 300 beinhaltet eine Zuführöffnung 302, einen Zylinder 304, eine Schneckenanordnung 306, eine Düse 308 und eine Wärmequelle 310. Die Zuführöffnung 302 beinhaltet einen ersten Schacht 312 für Partikel eines Feststoffs (z.B. je nach zu extrudierender Schicht Anodenmaterial, Kathodenmaterial oder Separatormaterial) und einen zweiten Schacht 314 für polymeres Material. Die Zuführöffnung 302 ist dafür ausgelegt, ein Gemisch aus dem Feststoff und dem polymeren Material mit relativen Geschwindigkeiten, die den Anteilen entsprechen, in denen diese Materialien in der resultierenden Schicht vorhanden sein sollen, in den Zylinder 304 zuzuführen.
Die Schneckenanordnung 306 beinhaltet ein Paar Schnecken 316, die einen ersten Gewindeabschnitt 318, einen zweiten Gewindeabschnitt 320 und einen zwischen den Gewindeabschnitten 318 und 320 positionierten Mischabschnitt 322 beinhalten. Die Schneckenanordnung 306 ist derart innerhalb des Zylinders 304 angeordnet, dass der erste Gewindeabschnitt 318 das Materialgemisch aus der Zuführöffnung 302 aufnimmt. Die Schneckenanordnung 306 ist betriebsfähig, die Schnecken 316 um ihre jeweiligen Achsen zu drehen, wodurch die Ganghöhe der Schnecken 316 bewirkt, dass sich das Materialgemisch entlang des Zylinders 304 bewegt.
Die Wärmequelle 310 ist dafür ausgelegt, Material entlang des ersten Gewindeabschnitts 318 der Schneckenanordnung 306 Wärme zuzuführen, um das Materialgemisch zu schmelzen. Die Wärme liegt bei oder oberhalb einer Schmelztemperatur des Polymermaterials. Der Mischabschnitt 322 empfängt das geschmolzene Materialgemisch aus dem ersten Gewindeabschnitt 318 und beinhaltet Mischzähne, die das geschmolzene Materialgemisch durch die Drehung der Schnecken 316 weiter mischen. Der zweite Gewindeabschnitt 320 homogenisiert das geschmolzene Materialgemisch und führt das geschmolzene Materialgemisch der Düse 308 zu. Die Düse 308 ist dafür ausgelegt, das geschmolzene Materialgemisch als Dünnschicht auf ein Kühlsubstrat 326 zu extrudieren. Wie nachstehend noch ausführlicher behandelt wird, handelt es sich in verschiedenen Ausführungsformen bei dem Substrat 326 um eine Hilfsoberfläche, einen Stromabnehmer oder eine andere Schicht für eine Batterie.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zum Bilden einer Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung. Bei der Beschreibung von Verfahren ist vorliegend zu beachten, dass ungeachtet der Reihenfolge, die in den Figuren gezeigt ist, oder der Reihenfolge, in der die Schritte beschrieben werden, in verschiedenen Ausführungsformen die Schritte der Verfahren in jeder ausführbaren chronologischen Reihenfolge erfolgen. In einigen Ausführungsformen erfolgen mehrere Schritte gleichzeitig. Ferner werden in verschiedenen Ausführungsformen einzelne Schritte wiederholt oder weggelassen und zusätzliche Schritte hinzugefügt.
Gemäß Kasten 402 wird durch Schmelzextrusion eine Kathodenschicht gebildet. Gemäß Kasten 404 wird durch Schmelzextrusion eine Anodenschicht gebildet. Gemäß Kasten 406 wird durch Schmelzextrusion eine Separatorschicht gebildet. Gemäß Kasten 408 wird mindestens eine Oberflächenregion der Anodenschicht, der Separatorschicht und/oder der Kathodenschicht durch eine Oberflächenbehandlung modifiziert. Gemäß Kasten 410 wird die Separatorschicht zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht positioniert, und gemäß Kasten 412 werden die Anodenschicht, die Separatorschicht und die Kathodenschicht zusammengefügt. Auf jeden der vorstehenden Kästen wird nachfolgend noch ausführlicher eingegangen.
5 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 500 zum Bilden einer Kathodenschicht durch Schmelzextrusion (Kasten 402 der 4) Gemäß 502 werden CA-Material, elektronenleitendes Material, SIC-Material, primäres Polymerbindematerial und sekundäres Polymerbindematerial kombiniert, um ein Materialgemisch zu bilden. Gemäß 504 wird dem Materialgemisch Wärme bei oder oberhalb einer Schmelztemperatur des primären Polymerbindematerials zugeführt, um eine Schmelze zu bilden. Gemäß 506 wird die Schmelze durch eine Düse als Kathoden-Dünnschicht extrudiert. In einigen Ausführungsformen wird die Kathodenschicht als eigenständige Schicht, d.h. nicht an irgendeiner anderen Oberfläche oder einem anderen Objekt fixiert, extrudiert. In einigen Ausführungsformen wird die Kathodenschicht auf ein Behelfssubstrat extrudiert, das zum Ablösen der Kathodenschicht für den Zusammenbau ausgelegt ist. In einigen Ausführungsformen wird die Kathodenschicht direkt auf einen Stromabnehmer extrudiert, beispielsweise ein Gitter, das zum Beispiel aus Ni, AI, Ti, W, rostfreiem Stahl oder dergleichen oder Kombinationen aus diesen hergestellt ist. In einigen Ausführungsformen wird die Kathodenschicht direkt auf eine Separatorschicht extrudiert. In einigen Ausführungsformen wird die Kathodenschicht direkt auf eine Separator-Anode-Doppelschicht extrudiert. In einigen Ausführungsformen wird die Kathodenschicht mit der Separatorschicht oder die Separatorschicht mit der Anodenschicht koextrudiert, worauf nachstehend noch ausführlicher eingegangen wird.
6 zeigt ein weiteres beispielhaftes Verfahren 600 zum Bilden einer Kathodenschicht durch Schmelzextrusion (Kasten 402 der 4). Gemäß 602 werden CA-Material, elektronenleitendes Material, SIC-Material, primäres Polymerbindematerial und sekundäres Material kombiniert, um ein Materialgemisch zu bilden. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das sekundäre Material ein Polymerbindematerial. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das sekundäre Material ein porenbildendes Material. Gemäß 604 wird dem Materialgemisch Wärme bei oder oberhalb einer Schmelztemperatur des primären Polymerbindematerials zugeführt, um eine Schmelze zu bilden. Gemäß 606 wird die Schmelze durch eine Düse als Kathoden-Dünnschicht extrudiert.
Bei 608 wird das sekundäre Material entfernt, um innerhalb der Kathodenschicht eine poröse Struktur zu bilden. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Entfernen des sekundären Materials Anwenden von Wärme oberhalb einer Schmelztemperatur des sekundären Materials auf die Kathodenschicht. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Entfernen des sekundären Materials Anwenden eines Lösungsmittels, das dafür ausgelegt ist, das sekundäre Material zu lösen, auf die Kathodenschicht. Gemäß 610 wird ein Flüssigelektrolyt auf die Kathodenschicht angewendet, um die poröse Struktur zu füllen.
7 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 700 zum Bilden einer Anodenschicht durch Schmelzextrusion (Kasten 404 der 4). Gemäß 702 werden Partikel aus aktivem Anodenmaterial und Polymerbindematerial kombiniert, um ein Materialgemisch zu bilden. Gemäß 704 wird dem Materialgemisch Wärme bei oder oberhalb einer Schmelztemperatur des Polymerbindematerials zugeführt, um eine Schmelze zu bilden. Gemäß 706 wird die Schmelze durch eine Düse als Anoden-Dünnschicht extrudiert.
8 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 800 zum Bilden einer Separatorschicht durch Schmelzextrusion (Kasten 406 der 4) Gemäß 802 werden SIC-Material als Hauptbestandteil und Polymerbindematerial als Nebenbestandteil kombiniert, um ein Materialgemisch zu bilden. Gemäß 804 wird dem Materialgemisch Wärme bei oder oberhalb einer Schmelztemperatur des Polymerbindematerials zugeführt, um eine Schmelze zu bilden. Gemäß 806 wird die Schmelze durch eine Düse als Separator-Dünnschicht extrudiert. In einigen Ausführungsformen wird die Separatorschicht als eigenständige Schicht, d.h. nicht an irgendeiner anderen Oberfläche oder einem anderen Objekt fixiert, extrudiert. In einigen Ausführungsformen wird die Separatorschicht auf ein Behelfssubstrat extrudiert, das zum Ablösen der Kathodenschicht für den Schichtaufbau ausgelegt ist. In einigen Ausführungsformen wird die Separatorschicht direkt auf eine Kathodenschicht extrudiert. In einigen Ausführungsformen wird die Separatorschicht direkt auf eine Anodenschicht extrudiert. In einigen Ausführungsformen wird die Separatorschicht mit der Kathodenschicht oder der Anodenschicht als Doppelschicht koextrudiert, worauf nachstehend noch ausführlicher eingegangen wird. In einigen Ausführungsformen wird die Separatorschicht mit der Kathodenschicht und der Anodenschicht als Dreifachschicht koextrudiert, worauf nachstehend noch ausführlicher eingegangen wird.
9 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems 900 zum Koextrudieren mehrerer Schichten für eine Batterie. Das System 900 beinhaltet einen jeweiligen Schmelzextruder für jede zu koextrudierende Schicht. In der in 9 gezeigten Ausführungsform beinhaltet das System 900 drei Extruder 902a-c, um eine Dreifachschicht aus den drei Dünnschichten 904a-c zu koextrudieren, wobei andere Ausführungsformen jedoch auch andere Anzahlen an Extrudern verwenden, um andere Anzahlen an Schichten zu koextrudieren. Das System 900 beinhaltet ferner eine Koextrusionsdüse 906.
Die Dünnschichten 904a-c werden vom jeweiligen Extruder 902a-c aus der Koextrusionsdüse 906 zugeführt. In einigen Ausführungsformen werden eine oder mehrere der Schichten 904a-c direkt von ihrem jeweiligen Extruder 902a-c aus der Koextrusionsdüse 906 zugeführt. In einigen Ausführungsformen werden eine oder mehrere der Schichten 904a-c als eigenständige Schicht gebildet oder auf einem Behelfssubstrat angeordnet, beispielsweise durch die vorstehend behandelten Verfahren. In einigen dieser Ausführungsformen wird die zuvor gebildete Dünnschicht erneut auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Polymermaterials innerhalb der Dünnschicht erwärmt, bevor diese der Koextrusionsdüse 906 zugeführt wird. In einigen Ausführungsformen wird auf eine oder mehrere der Dünnschichten 904a-c eine Oberflächenbehandlung angewendet, bevor diese der Koextrusionsdüse 906 zugeführt werden.
Die Koextrusionsdüse 906 fügt die Dünnschichten 904a-c zusammen und extrudiert die Dünnschichten 904a-c als eine einzige mehrlagige Dünnschicht 908. In einigen Ausführungsformen wird auf eine oder mehrere der Dünnschichten 904a-c eine Oberflächenbehandlung angewendet, nachdem diese der Koextrusionsdüse 906 zugeführt wurden. In einigen Ausführungsformen wird die koextrudierte Dünnschicht auf einen Stromabnehmer, ein Behelfssubstrat oder dergleichen aufgebracht oder als eigenständige Dünnschicht abgelegt.
10 zeigt ein weiteres beispielhaftes Verfahren 1000 zum Bilden einer Separatorschicht durch Schmelzextrusion (Kasten 406 der 4). In dieser Ausführungsform beinhaltet die Separatorschicht einen Gradienten aus verschiedenen SIC-Materialien, die von oxidreich bis sulfidreich variieren. Gemäß Kasten 1002 werden oxidreiches erstes SIC-Material als Hauptbestandteil und Polymerbindematerial als Nebenbestandteil durch Schmelzextrusion als eine erste Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1004 werden Sulfid und Oxid im Gleichgewicht enthaltendes zweites SIC-Material als Hauptbestandteil und Polymerbindematerial als Nebenbestandteil durch Schmelzextrusion als eine zweite Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1006 werden sulfidreiches drittes SIC-Material als Hauptbestandteil und Polymerbindematerial als Nebenbestandteil durch Schmelzextrusion als eine dritte Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1008 werden die erste, die zweite und die dritte Dünnschicht einer Koextrusionsdüse zugeführt. Gemäß Kasten 1010 werden die erste, die zweite und die dritte Dünnschicht durch die Koextrusionsdüse koextrudiert, um einen mehrlagigen Dünnschicht-Separator zu bilden.
11 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 1100 zum Bilden einer Kathode-Separator-Doppelschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung. Gemäß Kasten 1102 werden CA-Material, elektronenleitendes Material, SIC-Material, primäres Polymerbindematerial und sekundäres Polymerbindematerial durch Schmelzextrusion als Kathoden-Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1104 werden SIC-Material als Hauptbestandteil und Polymerbindematerial als Nebenbestandteil durch Schmelzextrusion als Separator-Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1106 werden die Kathoden-Dünnschicht und die Separator-Dünnschicht einer Koextrusionsdüse zugeführt. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Zuführen der Separator-Dünnschicht in die Koextrusionsdüse Anwenden einer Oberflächenbehandlung auf mindestens eine Oberflächenregion der Separator-Dünnschicht. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Zuführen der Kathoden-Dünnschicht in die Koextrusionsdüse Anwenden einer Oberflächenbehandlung auf mindestens eine Oberflächenregion der Kathoden-Dünnschicht. Gemäß Kasten 1108 koextrudiert die Koextrusionsdüse die Kathoden-Dünnschicht und die Separator-Dünnschicht als eine Kathode-Separator-Doppelschicht. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Kathode-Separator-Doppelschicht auf einen Stromabnehmer oder ein Behelfssubstrat extrudiert oder als eigenständige Schicht extrudiert.
12 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 1200 zum Bilden einer Separator-Anode-Doppelschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung. Gemäß Kasten 1202 werden SIC-Material als Hauptbestandteil und Polymerbindematerial als Nebenbestandteil durch Schmelzextrusion als Separator-Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1204 werden Partikel aus aktivem Anodenmaterial und Polymerbindematerial durch Schmelzextrusion als Anoden-Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1206 werden die Separator-Dünnschicht und die Anoden-Dünnschicht einer Koextrusionsdüse zugeführt. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Zuführen der Separator-Dünnschicht in die Koextrusionsdüse Anwenden einer Oberflächenbehandlung auf mindestens eine Oberflächenregion der Separator-Dünnschicht. Gemäß Kasten 1208 koextrudiert die Koextrusionsdüse die Anoden-Dünnschicht und die Separator-Dünnschicht als eine Separator-Anode-Doppelschicht. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Separator-Anode-Doppelschicht auf einen Stromabnehmer oder ein Behelfssubstrat extrudiert oder als eigenständige Schicht extrudiert.
13 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 1300 zum Bilden einer Kathode-Separator-Anode-Dreifachschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung. Gemäß Kasten 1302 werden CA-Material, elektronenleitendes Material, SIC-Material, primäres Polymerbindematerial und sekundäres Polymerbindematerial durch Schmelzextrusion als Kathoden-Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1304 werden SIC-Material als Hauptbestandteil und Polymerbindematerial als Nebenbestandteil durch Schmelzextrusion als Separator-Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1306 werden Partikel aus aktivem Anodenmaterial und Polymerbindematerial durch Schmelzextrusion als Anoden-Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1308 werden die Kathoden-Dünnschicht, die Separator-Dünnschicht und die Anoden-Dünnschicht einer Koextrusionsdüse zugeführt. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Zuführen der Separator-Dünnschicht in die Koextrusionsdüse Anwenden einer Oberflächenbehandlung auf mindestens eine Oberflächenregion der Separator-Dünnschicht. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Zuführen der Kathoden-Dünnschicht in die Koextrusionsdüse Anwenden einer Oberflächenbehandlung auf mindestens eine Oberflächenregion der Kathoden-Dünnschicht.
Gemäß Kasten 1310 koextrudiert die Koextrusionsdüse die Kathoden-Dünnschicht, die Anoden-Dünnschicht und die Separator-Dünnschicht als eine Kathode-Separator-Anode-Dreifachschicht, wobei die Separatorschicht zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht positioniert ist. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Kathode-Separator-Anode-Doppelschicht auf einen Stromabnehmer oder ein Behelfssubstrat extrudiert oder als eigenständige Schicht extrudiert.
In einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise verschiedenen vorstehend behandelten Ausführungsformen, wird während eines Koextrusionsprozesses eine Oberflächenbehandlung auf eine oder mehrere Schichten angewendet. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Oberflächenbehandlung einen Oberflächenschmelzprozess, um Polymerbindematerial aus einer Oberflächenregion der behandelten Schicht zu entfernen. Es kann jeder akzeptable Oberflächenschmelzprozess verwendet werden, beispielsweise Anwendung eines gasreichen Plasmas, lasergestütztes lokales Schmelzen oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen ist Polymerbindematerial innerhalb der zu behandelnden Schicht empfindlich gegenüber einem Lösungsmittel. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Oberflächenbehandlung einen Lösungsmittelaufstreichprozess, der dafür ausgelegt ist, Polymerbindematerial aus einer Oberflächenregion der Schicht zu entfernen. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Oberflächenbehandlung eine Wärmebehandlung der Schicht bei einer Temperatur, die aufgrund einer Flüchtigkeit des Polymerbindematerials bewirkt, dass ein Partikelabstand zwischen den SIC-Partikeln abnimmt. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Oberflächenbehandlung Warmwalzen der Schicht, um das Polymerbindematerial weiter auszustoßen und Partikelabstände zwischen SIC-Partikeln in der Schicht zu verringern.
In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei einem Stromabnehmer für eine Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung um ein Gitter, eine Platte oder dergleichen, das bzw. die an eine Kathodenschicht oder Anodenschicht gefügt wird. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Fügen einer Schicht an einen Stromabnehmer Aufbringen einer schmelzextrudierten Schicht auf den Stromabnehmer. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Fügen einer Schicht an einen Stromabnehmer einen Warmwalz- oder Kalandrierprozess. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei dem Stromabnehmer um eine zumindest teilweise durch Schmelzextrusion gebildete Schicht. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Fügen einer Schicht an einen Stromabnehmer Führen der Schicht und des Stromabnehmers durch eine Koextrusionsdüse.
14 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens 1400 zum Bilden einer koextrudierten Stromabnehmer-Kathoden-Dreifachschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung. Gemäß Kasten 1402 werden CA-Material, elektronenleitendes Material, SIC-Material, primäres Polymerbindematerial und sekundäres Polymerbindematerial durch Schmelzextrusion als erste Kathoden-Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1404 werden CA-Material, elektronenleitendes Material, SIC-Material, primäres Polymerbindematerial und sekundäres Polymerbindematerial durch Schmelzextrusion als zweite Kathoden-Dünnschicht extrudiert. Gemäß Kasten 1406 werden die erste Kathoden-Dünnschicht, die zweite Kathoden-Dünnschicht und eine Abnehmerschicht einer Koextrusionsdüse zugeführt. Gemäß Kasten 1408 koextrudiert die Koextrusionsdüse die erste Kathoden-Dünnschicht, die zweite Kathoden-Dünnschicht und die Abnehmerschicht als Dreifachschicht, wobei die Abnehmerschicht zwischen der ersten Kathodenschicht und der zweiten Kathodenschicht positioniert ist.
15 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform 1500 zum Koextrudieren von Batteriekomponenten gemäß der vorliegenden Offenbarung. Gemäß Kasten 1502 wird durch Schmelzextrusion eine erste Dünnschicht-Batteriekomponente gebildet. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente um entweder eine Anode oder eine Kathode. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Bilden der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente durch Schmelzextrusion Aufbringen der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente auf ein Substrat. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei dem Substrat um einen Stromabnehmer. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente um eine Teilschicht eines mehrlagigen Separators. In einigen Ausführungsformen wird die erste Dünnschicht-Batteriekomponente mit einer porösen Struktur gebildet.
Gemäß Kasten 1504 wird durch Schmelzextrusion eine zweite Dünnschicht-Batteriekomponente gebildet. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente um einen Separator. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente um eine Kathode. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente um eine weitere Teilschicht eines mehrlagigen Separators. Gemäß Kasten 1506 wird durch Schmelzextrusion eine dritte Dünnschicht-Batteriekomponente gebildet. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der dritten Dünnschicht-Batteriekomponente um ein anderes der Anode und Kathode.
Gemäß Kasten 1508 wird eine Oberflächenbehandlung auf eine Oberflächenregion der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente und/oder der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente angewendet. Infolge der Oberflächenbehandlung weist die Oberflächenregion in Relation zu einem Rest der ersten und/oder der zweiten Dünnschicht-Komponente (i) einen verringerten Partikelabstand, (ii) eine verringerte Menge an Polymerbindematerial und/oder (iii) eine erhöhte Menge an freiliegendem ionenleitendem Material auf. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Oberflächenbehandlung Entfernen von Polymerbindematerial aus der Oberflächenregion durch einen Oberflächenschmelzprozess. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Oberflächenbehandlung Entfernen von Polymerbindematerial aus der Oberflächenregion durch einen Lösungsmittelaufstreichprozess. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Oberflächenbehandlung Verringern der Partikelabstände durch eine Oberflächenwärmebehandlung. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Oberflächenbehandlung Verringern der Partikelabstände durch einen Warmwalzprozess.
Gemäß Kasten 1510 werden die erste Dünnschicht-Batteriekomponente, die zweite Dünnschicht-Batteriekomponente und die dritte Dünnschicht-Batteriekomponente durch eine Koextrusionsdüse geführt, um eine koextrudierte mehrlagige Dünnschicht zu bilden. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Dünnschicht-Batteriekomponente zwischen der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente und der dritten Dünnschicht-Batteriekomponente positioniert.
In einigen Ausführungsformen wird die dritte Dünnschicht-Batteriekomponente nicht mit der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente und der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente durch die Koextrusionsdüse geführt, sondern mit einer durch Koextrusion der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente und der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente gebildeten Doppelschicht zusammengefügt. In einigen Ausführungsformen wird vor dem Führen der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente durch die Koextrusionsdüse die erste Dünnschicht-Batteriekomponente von dem Substrat entfernt, auf dem die erste Dünnschicht-Batteriekomponente gebildet wurde. In einigen Ausführungsformen wird ein Stromabnehmer zusammen mit den Dünnschicht-Batteriekomponenten durch die Koextrusionsdüse geführt. In einigen Ausführungsformen wird der porösen Struktur der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente ein Flüssigelektrolyt hinzugefügt.
Es versteht sich, dass Varianten der vorstehend beschriebenen und anderer Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon in gewünschter Weise zu vielen anderen Systemen, Anwendungen oder Verfahren kombiniert werden können. Ein Fachmann kann zu einem späteren Zeitpunkt gegenwärtig noch unvorhersehbare oder nicht naheliegende Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen vornehmen, die von der vorstehenden Offenbarung ebenfalls umfasst sein sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62638657 [0001]

Claims

Verfahren zum Koextrudieren von Batteriekomponenten, umfassend: Bilden einer ersten Dünnschicht-Batteriekomponente durch Schmelzextrusion; Bilden einer zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente durch Schmelzextrusion; Anwenden einer Oberflächenbehandlung auf eine Oberflächenregion der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente und/oder der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente, so dass in Relation zu einem Rest der ersten und/oder der zweiten Dünnschicht-Komponente die Oberflächenregion mindestens eines der Folgenden aufweist: einen verringerten Partikelabstand; eine verringerte Menge an Polymerbindematerial; und eine erhöhte Menge an freiliegendem ionenleitendem Material; und Führen der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente und der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente durch eine Koextrusionsdüse, um eine koextrudierte mehrlagige Dünnschicht zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: es sich bei der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente um entweder eine Anode oder eine Kathode handelt; und es sich bei der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente um einen Separator handelt.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend: Bilden einer dritten Dünnschicht-Batteriekomponente durch Schmelzextrusion, wobei es sich bei der dritten Dünnschicht-Batteriekomponente um ein anderes der Anode und der Kathode handelt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die dritte Dünnschicht-Batteriekomponente mit der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente und der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente durch die Koextrusionsdüse geführt wird, um die koextrudierte mehrlagige Dünnschicht derart zu bilden, dass in der koextrudierten mehrlagigen Dünnschicht der Separator zwischen der Anode und der Kathode positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend Fügen der dritten Dünnschicht-Batteriekomponente an den Separator der koextrudierten mehrlagigen Dünnschicht so, dass der Separator zwischen der Anode und der Kathode positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente durch Schmelzextrusion Aufbringen der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente auf ein Substrat beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem Substrat um einen Stromabnehmer handelt.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend: vor dem Führen der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente und der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente durch die Koextrusionsdüse erfolgendes Entfernen der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente von dem Substrat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: es sich bei der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente und der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente jeweils um Kathoden handelt; und ein Stromabnehmer mit der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente und der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente durch die Koextrusionsdüse geführt wird, um die koextrudierte mehrlagige Dünnschicht derart zu bilden, dass in der koextrudierten mehrlagigen Dünnschicht der Stromabnehmer zwischen der ersten und der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenbehandlung Entfernen von Polymerbindematerial aus der Oberflächenregion durch einen Oberflächenschmelzprozess beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenbehandlung Entfernen von Polymerbindematerial aus der Oberflächenregion durch einen Lösungsmittelaufstreichprozess beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenbehandlung Verringern der Partikelabstände durch eine Oberflächenwärmebehandlung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenbehandlung Verringern der Partikelabstände durch einen Warmwalzprozess beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bilden einer porösen Struktur innerhalb der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente durch Entfernen von Material aus der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente; und Füllen der porösen Struktur mit einem flüssigen Material.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: es sich bei der ersten Dünnschicht-Batteriekomponente um eine erste Separatorschicht handelt; es sich bei der zweiten Dünnschicht-Batteriekomponente um eine zweite Separatorschicht handelt, die mindestens eine Eigenschaft aufweist, die sich von einer entsprechenden Eigenschaft der ersten Separatorschicht unterscheidet, derart, dass die erste Separatorschicht und die zweite Separatorschicht durch eine Dicke der koextrudierten mehrlagigen Dünnschicht hindurch einen Gradienten der mindestens einen Eigenschaft bilden.