DE202009013174U1 - Electrode for an energy storage - Google Patents

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Abstract

Elektrode (10) für einen Energiespeicher, mit
einem Elektrodenträger (12);
und einem aktiven Elektrodenmaterial (14), welches einseitig oder beidseitig auf den Elektrodenträger (12) aufgebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektrodenträger (12) aus einer Legierung mit einem Kupferanteil gebildet ist, wobei diese Legierung zusätzlich wenigstens Zinn mit einem Gehalt von wenigstens etwa 0,01 Gew.-% aufweist.Electrode (10) for an energy store, with
an electrode carrier (12);
and an active electrode material (14) which is applied to the electrode carrier (12) on one or both sides,
characterized in that
the electrode carrier (12) is formed of an alloy with a copper content, this alloy additionally having at least tin with a content of at least about 0.01% by weight.

Figure 00000001
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für einen Energiespeicher und einen Energiespeicher mit einer solchen Elektrode. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum Antrieb von Elektrofahrzeugen oder elektrischen Hybridfahrzeugen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch auf Batterien mit abweichender Chemie bzw. unabhängig vom Einsatz der Batterie zur Versorgung des Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder elektrischen Hybridfahrzeugs Anwendung finden kann.The present invention relates to an electrode for an energy store and an energy store with such an electrode. The invention will be described in the context of lithium-ion batteries for driving electric vehicles or hybrid electric vehicles. It should be noted that the invention can also be applied to batteries with deviating chemistry or independently of the use of the battery for the supply of the drive of an electric vehicle or hybrid electric vehicle application.

Energiespeicher werden vermehrt in Elektrofahrzeugen und elektrischen Hybridfahrzeugen eingesetzt, weshalb zunehmend Bedarf an Energiespeichern mit einer großen Kapazität, einer hohen Leistung und einer Langzeitstabilität besteht. Unter den Energiespeichern nehmen die Lithium(ionen)zellen insbesondere als Sekundärzellen aufgrund ihrer hohen spezifischen Energiespeicherdichte eine besondere Stellung ein.Energy storage is increasingly used in electric vehicles and electric hybrid vehicles, which is why there is an increasing demand for energy storage with a large capacity, high performance and long-term stability. Among the energy stores, the lithium (ion) cells occupy a special position, especially as secondary cells, due to their high specific energy storage density.

Ein Beispiel einer geschichteten Lithiumionenzelle ist in der DE 10 2005 042 916 A1 offenbart und ein Beispiel einer gewickelten Lithiumionenzelle ist in der EP 0 949 699 B1 offenbart. Der hier als Lithiumionenzelle ausgebildete Energiespeicher enthält jeweils eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein Trennelement zwischen der ersten und der zweiten Elektrode bzw. eine abwechselnd übereinander gestapelte Anordnung dieser Komponenten. Wie zum Beispiel in der DE 10 2005 042 916 A1 genauer ausgeführt, sind die Elektroden dabei üblicherweise aus einem Elektrodenträger gebildet, auf den einseitig oder beidseitig ein aktives Elektrodenmaterial aufgebracht ist. Im Fall einer Lithiumionenzelle ist die Anode häufig aus einem Anodenträger aus Kupfer und einem aktiven Anodenmaterial zum Beispiel aus Graphit und die Kathode häufig aus einem Kathodenträger aus Aluminium und einem aktiven Kathodenmaterial aus lithierten Oxiden gebildet.An example of a layered lithium ion cell is in DE 10 2005 042 916 A1 and an example of a wound lithium-ion cell is disclosed in U.S.P. EP 0 949 699 B1 disclosed. The energy accumulator embodied here as a lithium-ion cell contains in each case a first electrode, a second electrode and a separating element between the first and the second electrode or an alternately stacked arrangement of these components. Like in the DE 10 2005 042 916 A1 more precisely, the electrodes are usually formed from an electrode carrier, on the one or both sides of an active electrode material is applied. In the case of a lithium-ion cell, the anode is often formed of an anode support of copper and an active anode material of, for example, graphite, and the cathode is often formed of an aluminum cathode support and an active cathode material of lithiated oxides.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Energiespeicher mit einer verbesserten Langzeitstabilität bzw. eine Elektrode für einen solchen Energiespeicher vorzusehen.The present invention has for its object to provide an energy storage device with improved long-term stability or an electrode for such energy storage.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Elektrode für einen Energiespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 7. Ein Energiespeicher mit einer erfindungsgemäßen Elektrode ist in den Ansprüchen 8 bis 15 beschrieben.According to a first aspect, the object is achieved by an electrode for an energy store having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention are subject matter of the dependent claims 2 to 7. An energy storage device with an electrode according to the invention is described in claims 8 to 15.

Die Elektrode für einen Energiespeicher enthält einen Elektrodenträger und ein aktives Elektrodenmaterial, das einseitig oder beidseitig auf den Elektrodenträger aufgebracht ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Elektrodenträger aus einer Legierung mit einem Kupferanteil gebildet ist, wobei diese Legierung zusätzlich wenigstens Zinn mit einem Gehalt von wenigstens etwa 0,01 Gew.-% aufweist.The electrode for an energy store contains an electrode carrier and an active electrode material which is applied to the electrode carrier on one or both sides. According to the invention, it is provided that the electrode carrier is formed from an alloy with a copper content, this alloy additionally having at least tin with a content of at least about 0.01% by weight.

Die vorgenannte Elektrode dient der Speicherung von Energie. Diese Elektrode speichert die Energie in chemischer Form. Zur Abgabe elektrischer Energie wird diese aus chemisch gespeicherte Energie umgewandelt. Je nach Ausbildung der Elektrode ist diese für nur einmalige Entladung oder auch zur Energieaufnahme geeignet. Während der Energieaufnahme, beispielsweise einem Ladevorgang, wird diese Energie in elektrischer Form zugeführt und in chemische Energie umgewandelt. Die Elektrode steht in wenigstens elektrischer Wirkverbindung mit einem Elektrolyten und einem Zuleiter.The aforementioned electrode is used to store energy. This electrode stores the energy in chemical form. To deliver electrical energy, it is converted from chemically stored energy. Depending on the design of the electrode, this is suitable for only single discharge or for energy absorption. During the energy intake, such as a charge, this energy is supplied in electrical form and converted into chemical energy. The electrode is in at least electrical operative connection with an electrolyte and a supply conductor.

Der vorgenannte Energiespeicher dient der Versorgung eines Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines elektrischen Hybrid Fahrzeugs. Dieser Energiespeicher kann aber auch andere Antriebe oder Verbraucher versorgen. Wenn der Energiespeicher nur zur einmaligen Abgabe elektrischer Energie dient, so spricht man von einer Primärzelle oder auch Batterie. Je nach Ausbildung kann dieser Energiespeicher auch elektrische Energie aufnehmen, beispielsweise durch Laden. In diesem Fall spricht man von einer Sekundärzelle oder einem Akkumulator. Innerhalb des Energiespeichers bzw. innerhalb dessen wenigstens einer galvanischen Zelle wird elektrische in chemische Energie umgewandelt und umgekehrt. An dieser Energiewandlung sind zwei Elektroden und ein Elektrolyt beteiligt. Mit jeder dieser Elektroden ist ein eigener Zuleiter elektrisch leitend verbunden. Diese Zuleiter sind wiederum mit einem Verbraucher elektrisch leitend verbunden, beispielsweise mit dem Antrieb eines Kraftfahrzeugs.The aforementioned energy storage is used to supply a drive of an electric vehicle or an electric hybrid vehicle. This energy storage can also supply other drives or consumers. If the energy storage only serves for a single delivery of electrical energy, it is called a primary cell or battery. Depending on the design, this energy storage can also absorb electrical energy, for example by charging. In this case we speak of a secondary cell or an accumulator. Within the energy storage or within its at least one galvanic cell electrical energy is converted into chemical energy and vice versa. This energy conversion involves two electrodes and one electrolyte. With each of these electrodes, a separate supply conductor is electrically connected. These feeders are in turn electrically connected to a consumer, for example to the drive of a motor vehicle.

Die vorgenannte Elektrode weist einen Elektrodenträger auf. Dieser Elektrodenträger ist ein elektrisch leitender Feststoff. Dieser Elektrodenträger weist vorzugsweise wenigstens ein Metall oder Graphit, erfindungsgemäß eine Legierung unter Beteiligung wenigstens von Kupfer und Zinn auf. Bevorzugt weist der Elektrodenträger wenigstens ein Kristallgitter auf, in der Praxis eine Vielzahl von Kristallgittern. Der Elektrodenträger leitet Elektronen aus diesem aktiven Elektrodenmaterial über den Zuleiter zum Verbraucher und auch in umgekehrter Richtung.The aforementioned electrode has an electrode carrier. This electrode carrier is an electrically conductive solid. This electrode carrier preferably has at least one metal or graphite, according to the invention an alloy with the participation of at least copper and tin. Preferably, the electrode carrier has at least one crystal lattice, in practice a plurality of crystal lattices. The electrode carrier conducts electrons from this active electrode material via the feed line to the consumer and also in the opposite direction.

Die vorgenannte Elektrode weist ferner aktives Elektrodenmaterial auf. Bei dem aktiven Elektrodenmaterial handelt es sich um ein Stoffgemisch, welches beispielsweise pastenartig beschaffen ist. Dieses aktive Elektrodenmaterial steht in Wirkverbindung mit dem Elektrolyten. Zwischen diesen beiden findet auch der Austausch von Ionen statt. Das aktive Elektrodenmaterial ist einseitig oder beidseitig auf den Elektrodenträger aufgebracht und steht mit diesem in elektrischer Wirkverbindung. Elektronen werden durch Leitung zwischen Elektrodenträger und aktivem Elektrodenmaterial übertragen.The aforementioned electrode further comprises active electrode material. The active electrode material is a substance mixture which is, for example, paste-like. This active electrode material is in operative connection with the electrolyte. Between these two also the exchange of ions takes place. The active electrode material is applied to one side or both sides of the electrode carrier and is in electrical operative connection with this. Electrons are transferred by conduction between electrode carrier and active electrode material.

Vorzugsweise ist der Elektrodenträger aus einer elektrisch leitenden Legierung gebildet, welche überwiegend Kupfer sowie Zinn mit einem Gehalt von wenigstens etwa 0,01 Gew.-% aufweist. Die erstarrte Legierung weist eine Vielzahl von Kristallgittern auf. Bei der Erstarrung flüssigen Kupfers bilden die einzelnen Kupferatome eine bevorzugte Kristallgitterform. Vorhandene Zinnatome ersetzen dabei einzelne Kupferatome in dessen Kristallgitter. Ein bestimmtes Volumen des Werkstoffs weist somit überwiegend Kupferatome und eine gewisse Anzahl Zinnatome als sogenannte Fremdatome aus.Preferably, the electrode carrier is formed of an electrically conductive alloy which predominantly comprises copper and tin at a level of at least about 0.01% by weight. The solidified alloy has a plurality of crystal lattices. Upon solidification of liquid copper, the individual copper atoms form a preferred crystal lattice form. Existing tin atoms replace single copper atoms in its crystal lattice. A certain volume of the material thus predominantly comprises copper atoms and a certain number of tin atoms as so-called foreign atoms.

Bei der Versorgung eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs kann eine Tiefentladung nicht immer zuverlässig ausgeschlossen werden. Selbst bei gewissen Restladungen bzw. Restspannungen wird bereits Kupfer aus einem Elektrodenträger gelöst. Dieser Lösungsvorgang ist nicht völlig umkehrbar, der Elektrodenträger bzw. der Energiespeicher altert. Die Ausbildung eines Elektrodenträgers aus dieser Legierung hat zur Folge, dass im Vergleich zu anderen Kupferlegierungen bei geringer Restladung bzw. Restspannung weniger Kupfer unumkehrbar gelöst wird. Mit Verwendung der vorgeschlagenen Legierung für den Elektrodenträger wird die zugrundegelegte Aufgabe gelöst.When supplying an electric drive of a motor vehicle, a deep discharge can not always be reliably excluded. Even with certain residual charges or residual stresses copper is already released from an electrode carrier. This solution process is not completely reversible, the electrode carrier or the energy storage aging. The formation of an electrode carrier made of this alloy has the consequence that less copper is irreversibly dissolved at low residual charge or residual voltage compared to other copper alloys. Using the proposed alloy for the electrode carrier, the underlying object is achieved.

Die wie oben beschrieben ausgebildete Elektrode ist daher insbesondere für großformatige Energiespeicher mit einer großen Kapazität und hoher Leistungsfähigkeit geeignet, wie sie zum Beispiel für Elektrofahrzeuge und elektrische Hybridfahrzeuge benötigt werden.The electrode formed as described above is therefore particularly suitable for large-sized energy storage devices with a large capacity and high performance, as required for example for electric vehicles and electric hybrid vehicles.

Bevorzugt ist die Legierung für diesen Elektrodenträger so hergestellt, dass das enthaltene Kupfer den größten Gewichtsanteil dieser Legierung bildet.Preferably, the alloy for this electrode carrier is prepared so that the copper contained forms the largest weight fraction of this alloy.

Bevorzugt weist die Legierung Mischkristalle aus Kupfer und Zinn auf. In diesen Mischkristallen ist eine gewisse Anzahl von Kupferatomen durch Zinnatome ersetzt. Ein Zinnatom weist im Vergleich zu einem Kupferatom einen geringfügig größeren Atomradius auf. Der größere Durchmesser der Zinnatome bzw. Fremdatome bewirkt eine Verzerrung des Gitters aus Kupferatomen. So wird auch eine mechanische Verfestigung des Werkstoffs bzw. des Elektrodenträgers erreicht. Weiterhin zeichnet sich diese Legierung durch hohe elektrische und thermische Leitfähigkeiten aus. Auch zeigt diese Legierung gute Korrosionsbeständigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion.The alloy preferably comprises mixed crystals of copper and tin. In these mixed crystals, a certain number of copper atoms are replaced by tin atoms. A tin atom has a slightly larger atomic radius compared to a copper atom. The larger diameter of the tin atoms or foreign atoms causes a distortion of the lattice of copper atoms. Thus, a mechanical solidification of the material or the electrode carrier is achieved. Furthermore, this alloy is characterized by high electrical and thermal conductivities. Also, this alloy shows good corrosion resistance and stress corrosion cracking resistance.

Der Zinngehalt des Elektrodenträgers bzw. der Legierung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,3 Gew.-%, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis etwa 0,15 Gew.-%.The tin content of the electrode carrier or the alloy is preferably in a range of 0.05 to 0.3 wt .-%, more preferably in a range of 0.1 to about 0.15 wt .-%.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die oben genannte Aufgabe durch einen Energiespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 8 bis 14.According to a second aspect, the above-mentioned object is achieved by an energy store with the features of claim 7. Advantageous embodiments and further developments of the invention are the subject matter of the dependent claims 8 to 14.

Der Energiespeicher enthält eine erste Elektrode (z. B. negative Elektrode, Anode), eine zweite Elektrode (z. B. positive Elektrode, Kathode) und ein Trennelement zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, das einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden verhindert. Die erste und/oder die zweite Elektrode sind dabei als eine Elektrode ausgebildet, wie sie oben beschrieben worden ist.The energy storage device includes a first electrode (eg, negative electrode, anode), a second electrode (eg, positive electrode, cathode), and a separator between the first and second electrodes that provide direct electrical contact between the two electrodes prevented. The first and / or the second electrode are formed as an electrode, as has been described above.

Bei dem Energiespeicher kann es sich zum Beispiel um eine Sekundärzelle (d. h. wiederaufladbare galvanische Zelle), eine Primärzelle (d. h. nicht wiederaufladbare galvanische Zelle), einen Kondensator oder dergleichen handeln.The energy store may be, for example, a secondary cell (i.e., rechargeable galvanic cell), a primary cell (i.e., non-rechargeable galvanic cell), a capacitor, or the like.

Besonders bevorzugt ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrode in einer Lithium(ionen)zelle. Dabei weist der Energiespeicher wenigstens zwei Elektroden, ein Trennmittel, welches keine Elektronen leitet, und ferner einen Elektrolyten als Ionenleiter auf. Der Elektrolyt ist dabei wenigstens teilweise im Trennmittel angeordnet. Bevorzugt weist wenigstens eine der Elektroden und/oder dieser Elektrolyt Lithium und/oder Lithium-Ionen auf.Particularly preferred is the use of the electrode according to the invention in a lithium (ion) cell. In this case, the energy storage at least two electrodes, a release agent which does not conduct electrons, and further comprises an electrolyte as an ion conductor. The electrolyte is at least partially disposed in the release agent. At least one of the electrodes and / or this electrolyte preferably has lithium and / or lithium ions.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Energiespeicher einen Stapel aus mehreren ersten Elektroden und mehreren zweiten Elektroden enthalten, die abwechselnd übereinander gestapelt sind und zwischen denen jeweils ein Trennelement angeordnet ist.In a further embodiment of the invention, the energy store may comprise a stack of a plurality of first electrodes and a plurality of second electrodes, which are alternately stacked and between each of which a separating element is arranged.

Die vorliegende Erfindung ist in vorteilhafter Weise sowohl bei Energiespeichern anwendbar, bei denen die erste(n) und die zweite(n) Elektrode(n) geschichtet sind, als auch bei solchen, bei denen die erste(n) und die zweite(n) Elektrode(n) gewickelt sind.The present invention is advantageously applicable both to energy storage devices in which the first electrode (s) and the second electrode (s) are layered, as well as to those in which the first (n) and the second (n) layers are layered. Electrode (s) are wound.

Erfindungsgemäß wird für den Energiespeicher als Trennelement vorzugsweise ein Separator verwendet, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, und welcher aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht. Der Träger ist vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist. Das organische Material, welches vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET) umfasst, ist mit einem anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist. Das anorganische Material umfasst bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, Al, Li, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Bevorzugt weist das anorganische, ionenleitende Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf. Ein solcher Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen ”Separion” von der Evonik AG in Deutschland vertrieben.According to the invention, a separator which is not or only poorly electron-conducting, and which consists of an at least partially permeable carrier, is preferably used as the separating element for the energy store. The support is preferably coated on at least one side with an inorganic material. As at least partially permeable carrier preferably uses an organic material, which is preferably designed as a non-woven fabric. The organic material, which preferably comprises a polymer, and particularly preferably a polyethylene terephthalate (PET), is coated with an inorganic, preferably ion-conducting material, which is more preferably ion-conducting in a temperature range from -40 ° C to 200 ° C. The inorganic material preferably comprises at least one compound from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates with at least one of the elements Zr, Al, Li, particularly preferably zirconium oxide. The inorganic, ion-conducting material preferably has particles with a largest diameter below 100 nm. Such a separator is marketed, for example, under the trade name "Separion" by Evonik AG in Germany.

Vorzugsweise weist wenigstens eine Elektrode des Energiespeichers, besonders bevorzugt wenigstens eine Kathode, eine Verbindung mit der Formel LiMPO4 auf, wobei M wenigstens ein Übergangsmetallkation der ersten Reihe des Periodensystems der Elemente ist. Das Übergangsmetallkation ist vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Ni und Ti oder einer Kombination dieser Elemente gewählt. Die Verbindung weist vorzugsweise eine Olivinstruktur auf, vorzugsweise übergeordnetes Olivin, wobei Fe besonders bevorzugt ist.Preferably, at least one electrode of the energy store, more preferably at least one cathode, has a compound of the formula LiMPO 4 , where M is at least one transition metal cation of the first row of the Periodic Table of the Elements. The transition metal cation is preferably selected from the group consisting of Mn, Fe, Ni and Ti or a combination of these elements. The compound preferably has an olivine structure, preferably parent olivine, with Fe being particularly preferred.

In einer weiteren Ausführungsform weist vorzugsweise wenigstens eine Elektrode des Energiespeichers, besonders bevorzugt wenigstens eine Kathode, ein Lithiummanganat, vorzugsweise LiMn2O4 vom Spinell-Typ, ein Lithiumkobaltat, vorzugsweise LiCoO2, oder ein Lithiumnickelat, vorzugsweise LiNio2, oder ein Gemisch aus zwei oder drei dieser Oxide, oder ein Lithiummischoxid, welches Mangan, Kobalt und Nickel enthält, auf.In a further embodiment, preferably at least one electrode of the energy store, particularly preferably at least one cathode, comprises a lithium manganate, preferably spinel-type LiMn 2 O 4 , a lithium cobaltate, preferably LiCoO 2 , or a lithium nickelate, preferably LiNio 2 , or a mixture two or three of these oxides, or a lithium mixed oxide containing manganese, cobalt and nickel on.

Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:The above and other features and advantages of the invention will become more apparent from the following description of preferred, non-limiting embodiments thereof with reference to the accompanying drawings. Show:

1 eine schematische Schnittansicht einer Elektrode gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 a schematic sectional view of an electrode according to a first embodiment of the invention;

2 eine schematische Schnittansicht einer Elektrode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; 2 a schematic sectional view of an electrode according to a second embodiment of the invention;

3 eine schematische Schnittansicht einer Elektrode gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; 3 a schematic sectional view of an electrode according to a third embodiment of the invention;

4 eine schematische Schnittansicht einer Elektrode gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; 4 a schematic sectional view of an electrode according to a fourth embodiment of the invention;

5 eine schematische Schnittansicht eines Energiespeichers mit einer Elektrode gemäß der Erfindung; 5 a schematic sectional view of an energy storage device with an electrode according to the invention;

Bezug nehmend auf 1 bis 4 wird zunächst der Aufbau von verschiedenen Ausführungsbeispielen einer Elektrode für einen Energiespeicher näher erläutert.Referring to 1 to 4 First, the structure of various embodiments of an electrode for an energy storage is explained in detail.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß konfigurierten Elektrode für einen Energiespeicher im Schnitt. Die Elektrode 10 weist einen Elektrodenträger 12 auf, auf den beidseitig ein aktives Elektrodenmaterial 14 aufgebracht ist. In dem Ausführungsbeispiel von 1 ist das aktive Elektrodenmaterial 14 dabei nicht im gesamten Bereich auf den Elektrodenträger 12 aufgebracht, sodass der Elektrodenträger 12 auf wenigstens einer Seite aus dem aktiven Elektrodenmaterial 14 herausragt. Dieser aus dem aktiven Elektrodenmaterial 14 herausragende Teil des Elektrodenträgers 12 kann so als Stromableiter 16 zum Zuführen eines Ladestroms zur Elektrode 10 bzw. Abführen eines Entladestroms von der Elektrode 10 benutzt werden. 1 shows a first embodiment of an inventively configured electrode for an energy storage in section. The electrode 10 has an electrode carrier 12 on, on both sides of an active electrode material 14 is applied. In the embodiment of 1 is the active electrode material 14 not in the entire area on the electrode carrier 12 Applied so that the electrode carrier 12 on at least one side of the active electrode material 14 protrudes. This from the active electrode material 14 outstanding part of the electrode carrier 12 can be used as a current collector 16 for supplying a charging current to the electrode 10 or discharging a discharge current from the electrode 10 to be used.

Das in 2 veranschaulichte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem obigen ersten Ausführungsbeispiel darin, dass das aktive Elektrodenmaterial 14 beidseitig vollflächig auf den Elektrodenträger 12 aufgebracht ist, sodass dieser nicht aus dem aktiven Elektrodenmaterial 14 herausragt. In diesem Fall kann beim Aufbau eines Energiespeichers ggf. ein separater Stromableiter mit dem Elektrodenträger 12 in dessen Verlängerung verbunden (z. B. verschweißt) werden.This in 2 illustrated embodiment differs from the above first embodiment in that the active electrode material 14 Full-surface on both sides of the electrode carrier 12 is applied so that it is not made of the active electrode material 14 protrudes. In this case, when constructing an energy storage, if necessary, a separate current conductor with the electrode carrier 12 in the extension connected (eg welded).

Das dritte Ausführungsbeispiel der Elektrode, das in 3 dargestellt ist, unterscheidet sich von dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel darin, dass der Elektrodenträger 12 nur einseitig mit dem aktiven Elektrodenmaterial 14 beschichtet ist.The third embodiment of the electrode, which in 3 is different from the first embodiment described above in that the electrode carrier 12 only one-sided with the active electrode material 14 is coated.

Das vierte Ausführungsbeispiel von 4 stellt eine Kombination der obigen zweiten und dritten Ausführungsbeispiele dar. D. h. das aktive Elektrodenmaterial 14 ist nur einseitig auf den Elektrodenträger 12 aufgebracht und der Elektrodenträger 12 ist auf der einen Seite im Wesentlichen vollflächig mit dem aktiven Elektrodenmaterial 14 versehen.The fourth embodiment of 4 FIG. 12 illustrates a combination of the above second and third embodiments. the active electrode material 14 is only one-sided on the electrode carrier 12 applied and the electrode carrier 12 is on the one hand substantially full surface with the active electrode material 14 Mistake.

Der Elektrodenträger 12 wird in allen Ausführungsformen zum Beispiel in der Form einer Folie, eines Bandes, einer Platte, eines Bleches oder dergleichen bereitgestellt und beispielsweise aus einer entsprechenden Lösung elektrolytisch auf Walzen abgeschieden. Die Dicke des Elektrodenträgers 12 liegt zum Beispiel im Bereich von etwa 4 μm bis etwa 80 μm, bevorzugter im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 50 μm, noch bevorzugter im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 30 μm.The electrode carrier 12 is provided in all embodiments, for example in the form of a film, a tape, a plate, a sheet or the like and electrolytically rolls, for example, from a corresponding solution deposited. The thickness of the electrode carrier 12 is, for example, in the range of about 4 microns to about 80 microns, more preferably in the range of about 5 microns to about 50 microns, more preferably in the range of about 5 microns to about 30 microns.

5 zeigt ein Beispiel eines Energiespeichers, in dem eine oben beschriebene Elektrode 10 benutzt wird. 5 shows an example of an energy storage in which an electrode described above 10 is used.

Der Energiespeicher, zum Beispiel eine wiederaufladbare Sekundärzelle, eine Primärzelle, ein Kondensator oder dergleichen, weist eine erste Elektrode 10 (z. B. negative Elektrode bzw. Anode), eine zweite Elektrode 18 (z. B. positive Elektrode bzw. Kathode) und ein Trennelement 24 zwischen den beiden Elektroden 10, 18 auf. Als erste Elektrode 10 wird beispielsweise eine Elektrode verwendet, wie sie in 1 bis 4 dargestellt ist. Die zweite Elektrode 18 ist grundsätzlich analog zur ersten Elektrode 10 aufgebaut, d. h. sie enthält ebenfalls einen Elektrodenträger 20 und ein aktives Elektrodenmaterial 22, das einseitig oder beidseitig auf den Elektrodenträger 20 aufgebracht ist.The energy storage device, for example a rechargeable secondary cell, a primary cell, a capacitor or the like, has a first electrode 10 (eg negative electrode or anode), a second electrode 18 (eg, positive electrode or cathode) and a separator 24 between the two electrodes 10 . 18 on. As the first electrode 10 For example, an electrode is used as in 1 to 4 is shown. The second electrode 18 is basically analogous to the first electrode 10 built, ie it also contains an electrode carrier 20 and an active electrode material 22 , the one-sided or two-sided on the electrode carrier 20 is applied.

Das Trennelement 24 zwischen den beiden Elektroden 10, 18 verhindert einen direkten, elektrisch leitenden Kontakt zwischen den beiden Elektroden 10, 18. Das Trennelement 24 kann bündig mit den Elektroden 10, 18 (insbesondere deren aktiven Bereichen 14, 22) abschließen, wie in 5 angedeutet. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn das Trennelement 24 auf zumindest einer Seite über das aktive Elektrodenmaterial 14, 22 der direkt benachbarten Elektrode 10, 18 hinausragt.The separating element 24 between the two electrodes 10 . 18 prevents direct, electrically conductive contact between the two electrodes 10 . 18 , The separating element 24 can be flush with the electrodes 10 . 18 (especially their active areas 14 . 22 ), as in 5 indicated. But it may also be advantageous if the separating element 24 on at least one side over the active electrode material 14 . 22 the directly adjacent electrode 10 . 18 protrudes.

Der Energiespeicher kann zum Beispiel genau eine erste Elektrode 10, ein Trennelement 24 und eine zweite Elektrode 18 umfassen, wie in 5 veranschaulicht. In vielen Anwendungsfällen ist es aber von Vorteil, wenn der Energiespeicher einen Stapel aus mehreren ersten Elektroden 10 und mehreren zweiten Elektroden 18, die abwechselnd übereinander gestapelt sind und zwischen denen jeweils ein Trennelement 24 angeordnet ist, enthält.The energy store can, for example, exactly a first electrode 10 , a separator 24 and a second electrode 18 include, as in 5 illustrated. In many applications, however, it is advantageous if the energy store is a stack of several first electrodes 10 and a plurality of second electrodes 18 , which are alternately stacked and between each of which a separating element 24 is arranged contains.

Außerdem kann der Energiespeicher den anhand von 5 erläuterten Aufbau bzw. den Stapelaufbau entweder in einer gewickelten Form oder in einer geschichteten Form aufweisen.In addition, the energy storage can be based on 5 have explained construction or the stack structure either in a wound form or in a layered form.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, für die erste und/oder die zweite Elektrode 10, 18 des Energiespeichers ein spezielles Material zu verwenden. Die nachfolgend erläuterte Materialauswahl ist dabei besonders vorteilhaft für eine Anode 10 einer Lithiumionenzelle einsetzbar, ohne dass die vorliegende Erfindung auf diese spezielle Anwendung beschränkt sein soll.According to the invention, it is proposed for the first and / or the second electrode 10 . 18 the energy storage to use a special material. The material selection explained below is particularly advantageous for an anode 10 a lithium ion cell can be used, without the present invention being limited to this particular application.

Der Elektrodenträger 12 der Elektrode 10 (siehe 1 bis 4) für einen Energiespeicher (siehe 5) ist aus einer Legierung gebildet, welche wenigstens überwiegend Kupfer sowie Zinn mit einem Gehalt von wenigstens etwa 0,01 Gew.-% aufweist.The electrode carrier 12 the electrode 10 (please refer 1 to 4 ) for an energy store (see 5 ) is formed from an alloy which comprises at least predominantly copper and tin at a level of at least about 0.01% by weight.

Bevorzugt weist die Legierung Mischkristalle aus Kupfer und Zinn auf. Dabei ist das Kristallgitter überwiegend von Kupfer gebildet. Einzelne Kupferatome sind durch Zinnatome ersetzt, welche deren Gitterplätze besetzen.The alloy preferably comprises mixed crystals of copper and tin. The crystal lattice is predominantly formed by copper. Individual copper atoms are replaced by tin atoms, which occupy their lattice sites.

Der Zinngehalt des Elektrodenträgers liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,3 Gew.-%, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis etwa 0,15 Gew.-%.The tin content of the electrode carrier is preferably in a range of 0.05 to 0.3 wt .-%, more preferably in a range of 0.1 to about 0.15 wt .-%.

Als ein spezielles Beispiel für das Material des Elektrodenträgers 10 einer Elektrode 10 für einen Energiespeicher kann das Kupfermaterial mit der Bezeichnung „PNA 216” der Prymetall GmbH & Co. KG, Deutschland, verwendet werden. Dieses Kupfermaterial hat einen Zinngehalt von mindestens 0,10 Gew.-%. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit dieses Kupfermaterials beträgt etwa 49 MS/m (im weichen Zustand), seine Wärmeleitfähigkeit etwa 350 W/m·K.As a specific example of the material of the electrode carrier 10 an electrode 10 for an energy store, the copper material designated "PNA 216" from Prymetall GmbH & Co. KG, Germany, may be used. This copper material has a tin content of at least 0.10 wt .-%. The specific electrical conductivity of this copper material is about 49 MS / m (in the soft state), its thermal conductivity about 350 W / m · K.

Bezüglich der Materialien für das aktive Elektrodenmaterial 14 der Anode 10, für den Elektrodenträger 20 und das aktive Elektrodenmaterial 22 der Kathode 18 sowie für das Trennelement 24 bestehen im Rahmen der vorliegenden Erfindung keine besonderen Einschränkungen. Geeignete Materialien für diese Komponenten, die im Fall einer Lithiumionenzelle eingesetzt werden können, sind zum Beispiel ausführlich in der eingangs bereits genannten DE 10 2005 042 916 A1 beschrieben, auf welche hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Außerdem ist auch die Herstellung der Elektroden 10, 18 und der Energiespeicher im Rahmen der Erfindung nicht auf spezielle Verfahren beschränkt.Regarding the materials for the active electrode material 14 the anode 10 , for the electrode carrier 20 and the active electrode material 22 the cathode 18 as well as for the separating element 24 There are no particular limitations in the context of the present invention. Suitable materials for these components that can be used in the case of a lithium-ion cell, for example, in detail in the already mentioned DE 10 2005 042 916 A1 described, which is hereby incorporated by reference. In addition, also the production of the electrodes 10 . 18 and the energy storage in the invention is not limited to specific methods.

Die oben beschriebene Elektrode der Erfindung ist insbesondere für großformatige Energiespeicher (speziell sekundäre Lithiumionenzellen) mit einer großen Kapazität und einem hohen Leistungsvermögen von über 3 oder 5 Ah bis zu 300 Ah und mehr, die zudem eine ausgezeichnete Langzeitstabilität von zum Beispiel über 3.000 Lade/Entlade-Zyklen und mehr und Versorgungssicherheit erfordern. Energiespeicher mit einer solchen Elektrode können dabei in vorteilhafter Weise zum Beispiel in Elektrofahrzeugen und elektrischen Hybridfahrzeugen eingesetzt werden.The above-described electrode of the invention is particularly suitable for large-sized energy stores (especially secondary lithium-ion cells) having a large capacity and high performance of over 3 or 5 Ah up to 300 Ah and more, which also has excellent long-term stability of, for example, over 3,000 charge / discharge Cycles and more and require security of supply. Energy storage with such an electrode can be used in an advantageous manner, for example in electric vehicles and electric hybrid vehicles.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102005042916 A1 [0003, 0003, 0048] DE 102005042916 A1 [0003, 0003, 0048]
  • EP 0949699 B1 [0003] EP 0949699 B1 [0003]

Claims (15)

Elektrode (10) für einen Energiespeicher, mit einem Elektrodenträger (12); und einem aktiven Elektrodenmaterial (14), welches einseitig oder beidseitig auf den Elektrodenträger (12) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenträger (12) aus einer Legierung mit einem Kupferanteil gebildet ist, wobei diese Legierung zusätzlich wenigstens Zinn mit einem Gehalt von wenigstens etwa 0,01 Gew.-% aufweist.Electrode ( 10 ) for an energy store, with an electrode carrier ( 12 ); and an active electrode material ( 14 ), which on one or both sides on the electrode carrier ( 12 ), characterized in that the electrode carrier ( 12 ) is formed of an alloy having a copper content, said alloy additionally having at least tin with a content of at least about 0.01% by weight. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupferanteil den größten Gewichtsanteil der Legierung bildet.An electrode according to claim 1, characterized in that the copper content forms the largest weight fraction of the alloy. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Mischkristalle unter Beteiligung von Kupfer und Zinn aufweist.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the alloy comprises mixed crystals with the participation of copper and tin. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung des Elektrodenträgers (12) mindestens etwa 0,05 Gew.-% Zinn aufweist.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the alloy of the electrode carrier ( 12 ) has at least about 0.05% by weight of tin. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Legierung des Elektrodenträgers (12) mindestens etwa 0,1 Gew.-% Zinn aufweist.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the alloy of the electrode carrier ( 12 ) has at least about 0.1% by weight of tin. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung des Elektrodenträgers (12) höchstens etwa 0,3 Gew.-% Zinn aufweist.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the alloy of the electrode carrier ( 12 ) at most about 0.3 wt .-% tin. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung des Elektrodenträgers (12) höchstens etwa 0,15 Gew.-% Zinn aufweist.Electrode according to one of claims 1 to 5, characterized in that the alloy of the electrode carrier ( 12 ) at most about 0.15 wt .-% tin. Energiespeicher, mit einer ersten Elektrode (10); einer zweiten Elektrode (18); und einem Trennelement (24) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Elektrode (10, 18) als eine Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.Energy storage, with a first electrode ( 10 ); a second electrode ( 18 ); and a separating element ( 24 ) between the first and the second electrode, characterized in that the first and / or the second electrode ( 10 . 18 ) is formed as an electrode according to one of claims 1 to 7. Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher eine Primärzelle, eine Sekundärzelle oder ein Kondensator ist.Energy store according to claim 8, characterized in that the energy store is a primary cell, a secondary cell or a capacitor. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement als Separator ausgebildet ist, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, und welcher aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht, wobei der Träger vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET) umfasst, wobei das organische Material mit einem anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet ist, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist, wobei das anorganische Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zr, Al, Li umfasst, besonders bevorzugt Zirkonoxid, und wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm aufweist.Energy store according to one of claims 8 or 9, characterized in that the separating element is designed as a separator which is not or only poorly electron-conducting, and which consists of an at least partially permeable carrier, wherein the carrier is preferably on at least one side with an inorganic material is preferably used as a non-woven fabric, wherein the organic material preferably comprises a polymer and particularly preferably a polyethylene terephthalate (PET), wherein the organic material with an inorganic, preferably ion-conducting material is coated, which is more preferably ion-conducting in a temperature range of -40 ° C to 200 ° C, wherein the inorganic material preferably at least one compound selected from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates , Silicates, aluminosilicates comprises at least one of the elements Zr, Al, Li, particularly preferably zirconium oxide, and wherein the inorganic, ion-conducting material preferably has particles with a largest diameter below 100 nm. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens eine Elektrode umfasst, vorzugsweise wenigstens eine Kathode, welche eine Verbindung mit der Formel LiMPO4 aufweist, wobei M wenigstens ein Übergangsmetallkation der ersten Reihe des Periodensystems der Elemente ist, wobei dieses Übergangsmetallkation vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Ni und Ti oder einer Kombination dieser Elemente gewählt ist, und wobei die Verbindung vorzugsweise eine Olivinstruktur aufweist, vorzugsweise übergeordnetes Olivin, wobei Fe besonders bevorzugt ist.Energy store according to one of claims 8 to 10, characterized in that it comprises at least one electrode, preferably at least one cathode having a compound of the formula LiMPO 4 , wherein M is at least one transition metal cation of the first row of the Periodic Table of the Elements, said Transition metal cation is preferably selected from the group consisting of Mn, Fe, Ni and Ti or a combination of these elements, and wherein the compound preferably has an olivine structure, preferably parent olivine, with Fe being particularly preferred. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens eine Elektrode umfasst, vorzugsweise wenigstens eine Kathode, welche ein Lithiummanganat, vorzugsweise LiMn2O4 vom Spinell-Typ, ein Lithiumkobaltat, vorzugsweise LiCoO2, oder ein Lithiumnickelat, vorzugsweise LiNiO2, oder ein Gemisch aus zwei oder drei dieser Oxide, oder ein Lithiummischoxid, welches Mangan, Kobalt und Nickel enthält, aufweist.Energy store according to one of claims 8 to 10, characterized in that it comprises at least one electrode, preferably at least one cathode, which is a lithium manganate, preferably spinel-type LiMn 2 O 4 , a lithium cobaltate, preferably LiCoO 2 , or a lithium nickelate, preferably LiNiO 2 , or a mixture of two or three of these oxides, or a lithium mixed oxide containing manganese, cobalt and nickel. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher ferner einen Elektrolyten aufweist, wobei wenigstens eine Elektrode und/oder dieser Elektrolyt Lithium und/oder Lithium-Ionen umfasst.Energy store according to one of claims 8 to 12, characterized in that the energy store further comprises an electrolyte, wherein at least one electrode and / or this electrolyte comprises lithium and / or lithium ions. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher einen Stapel aus mehreren ersten Elektroden (10) und mehreren zweiten Elektroden (18) enthält, die abwechselnd übereinander gestapelt sind und zwischen denen jeweils ein Trennelement (24) angeordnet ist. Energy store according to one of claims 8 to 13, characterized in that the energy store a stack of a plurality of first electrodes ( 10 ) and a plurality of second electrodes ( 18 ), which are stacked alternately one above the other and between each of which a separating element ( 24 ) is arranged. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste(n) und zweite(n) Elektrode(n) (10, 18) geschichtet oder gewickelt sind.Energy store according to one of claims 8 to 14, characterized in that the first (n) and second (n) electrode (s) ( 10 . 18 ) are layered or wound.
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