EP1586100A1 - Elektrode für eine elektrochemische zelle, elektrodenwickel, elektrochemische zelle und verfahren zur herstellung - Google Patents

Elektrode für eine elektrochemische zelle, elektrodenwickel, elektrochemische zelle und verfahren zur herstellung

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Publication number
EP1586100A1
EP1586100A1 EP03815356A EP03815356A EP1586100A1 EP 1586100 A1 EP1586100 A1 EP 1586100A1 EP 03815356 A EP03815356 A EP 03815356A EP 03815356 A EP03815356 A EP 03815356A EP 1586100 A1 EP1586100 A1 EP 1586100A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
channels
electrode according
electrochemical cell
coating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03815356A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Erhardt
Andree Schwake
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP1586100A1 publication Critical patent/EP1586100A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/004—Details
    • H01G9/04—Electrodes or formation of dielectric layers thereon
    • H01G9/048—Electrodes or formation of dielectric layers thereon characterised by their structure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Electrode for an electrochemical cell Electrode for an electrochemical cell, electrode coil, electrochemical cell and method of manufacture
  • the invention relates to an electrode for an electrochemical cell which contains an electrolyte.
  • the invention further relates to an electrode coil.
  • the invention relates to an electrochemical cell with the coil.
  • Electrochemical cells are known, for example, in the form of electrical double-layer capacitors from the publication DE 100 60 653 AI.
  • the electrochemical double-layer capacitors described there have the form of electrode layers formed from activated carbon, which are contacted with supply layers, for example an aluminum foil.
  • a stack of electrodes one above the other with constantly changing polarity must be installed in a housing and impregnated there with a liquid electrolyte.
  • a large number of individual electrodes are stacked on top of one another or two electrodes of different polarity are wound along a longitudinal direction. In both cases, the electrodes of different polarity are electrically separated from one another by a separator.
  • the known electrodes have the disadvantage that the impregnation process takes a very long time, since it takes a very long time until the electrolyte liquid has penetrated into the separator arranged between the electrodes and displaced the air stored there.
  • a time of approx. 72 hours is required until the Wrap completely from the electrical saturated liquid and the entire gas from the pores of the activated carbon of the electrodes and the separator has exited the condenser through the impregnation opening.
  • JP 11339770-A In order to shorten the impregnation time, it is also known from JP 11339770-A to impregnate an electrolyte into a wrap under reduced pressure.
  • this method has the disadvantage that the problem of the impregnation time is only inadequately solved and that, in addition, an increased outlay on equipment is required for the impregnation of the winding.
  • the invention is based on the idea that the exchange of electrolyte for gas can take place more quickly by providing channels in the electrode, since such channels are suitable for quickly transporting small amounts of gas or gas bubbles from the inside of the winding to the outside or to provide the electrolyte in sufficient quantities through these channels also inside the capacitor, so that impregnation can take place more quickly than if only The electrolyte can be offered in sufficient quantities from the two ends of the winding.
  • an electrode for an electrochemical cell with an electrolyte which contains channels in which an electrolyte liquid can flow.
  • the electrode has the advantage that the exchange of electrolyte liquid and gas in a winding can take place more quickly during the impregnation through the channels.
  • the channels can be designed in the form of grooves on the surface of the electrode. This has the advantage that the manufacture of the channels can be greatly simplified since the electrodes can be manufactured in a first process step and the grooves can be introduced into the electrode from the outside, for example by embossing, by subsequent machining of the electrodes ,
  • the electrode has a coated film, the grooves being formed by uncoated partial areas of the film.
  • a coated film the grooves being formed by uncoated partial areas of the film.
  • Such an electrode has the advantage that the grooves can be formed simultaneously with the manufacture of the electrode, which can significantly reduce the duration for the manufacture of the electrode.
  • Such an electrode also has the advantage that the depth of the grooves is automatically predetermined by the thickness of the coating.
  • the channels have a width between 0.1 and 0.5 mm. This also ensures that the channels do not fall below a certain minimum width, which would make it more difficult to transport the electrolyte fluid. In addition, it is achieved at the same time that too much volume of the electrode is not lost through the formation of the channels, which would have negative effects on the capacitance of the electrochemical double-layer capacitor used, for example, as an electrochemical cell.
  • electrochemical cell is to be understood to mean all devices in which an electrical effect of some kind is to be achieved by an electrode and by the presence of a liquid electrolyte.
  • electrolytic capacitors aluminum electrolytic capacitors, electrochemical double-layer capacitors or even batteries come into consideration here.
  • the depth of the channels is between 50 and 100 ⁇ m. This measure has the advantage that it corresponds to the thickness usually chosen for the coating, which enables the channels to be easily formed as grooves in the coating.
  • the electrode extends along a longitudinal direction, the channels running transversely to the longitudinal direction.
  • Such an electrode has the advantage that it can be wound up in the longitudinal direction to form a rolled winding, it being possible for the channels to be arranged transversely to the longitudinal direction to achieve that of the
  • End faces of the winding forth the electrolyte liquid can penetrate into the interior of the winding along the channels.
  • the channels can advantageously be essentially along equidistant, parallel to one another
  • transverse grooves spaced equidistantly from one another could be produced by means of embossing, a roller being used which has a straight projection running parallel to the axis of rotation of the roller.
  • the channels run obliquely to the longitudinal direction of the electrode.
  • This embodiment in turn has advantages with regard to the manufacture of the channels.
  • the channels can run along curved lines that are offset parallel to one another.
  • Such an embodiment of the electrode has the advantage that, in turn, it can be produced by means of a roller provided with one or more features.
  • the channels cross each other. This makes it possible to run the channels along two different ones, for example one
  • the electrode contains a metal foil coated with carbon powder.
  • a metal foil coated with carbon powder For example, an aluminum foil can be used as the metal foil.
  • an electrode coil is specified in which several layers of one of the electrodes just described are arranged one above the other.
  • Such an electrode coil has the advantage that it can be used as a capacitor winding in a double layer electrolytic capacitor.
  • a winding is advantageous in which two electrodes of different polarity are wound.
  • an electrochemical cell which contains a liquid electrolyte and which also contains one of the coils described above.
  • Such an electrochemical cell has the advantage that the winding can be impregnated very quickly with the liquid electrolyte.
  • an electrode for an electrochemical double-layer capacitor with a liquid electrolyte which contains a metal foil coated with activated carbon powder.
  • Channels are provided in the carbon coating in which an electrolyte liquid can flow and which serve to improve the exchange between the electrolyte liquid and the gas contained in the pores of the carbon coating.
  • the invention further relates to a method for producing the above-mentioned electrode.
  • the grooves and channels according to the invention can be obtained, for example, using the following methods: a) calendering coated and not yet embossed electrodes at elevated temperature. This process can also be integrated into the winding process; b) coating an already embossed metal foil (for example an Al foil) with activated carbon; c) Scoring grooves and channels in the activated carbon coating of an untreated electrode, eg. B.
  • Figure 1 shows an example of an electrode in a schematic longitudinal section.
  • FIGS. 2A, 2B show examples of further electrodes in a schematic longitudinal section.
  • Figure 3 shows an example of an electrode in a plan view.
  • FIGS. 3A, 3B, 3C show an example of a further electrode in a top view.
  • FIG. 4 shows a winding in a schematic cross section.
  • FIG. 5 shows an electrochemical cell in a schematic cross section.
  • FIG. 5A shows a further electrochemical cell in a schematic cross section.
  • Figure 1 shows an electrode 1, which consists of a film 5, which is coated on the top and on the bottom with a coating 41, 42, respectively.
  • the film 5 is an aluminum film, the thickness of the film dF being between 10 and 100 ⁇ m.
  • a dimension between 30 and 300 ⁇ m is usually selected for the thickness dB of the coating 41, 42.
  • the coating is e.g. B. an activated carbon powder which has been applied to the electrode by powder coating.
  • the average diameter of the activated carbon particles is z. B. in the range 0.2 - 5 microns.
  • the density of the electrodes is approximately 0.6 to 0.8 g / cm 3 .
  • the porosity of the electrodes is approx. 35 to 65%.
  • the capacitance density is approx. 10 to 25 F / cm 3 .
  • Channels 2 are provided in both the upper and the lower coating 41, 42.
  • the channels 2 are formed by interrupting the coating of the film 5.
  • the channels 2 have the shape of grooves. They can also be viewed as depressions in the coatings 41, 42, ie it is not essential that the coatings 41, 42 are completely interrupted at the locations of the channels 2, rather it would also be sufficient if the coatings 41, 42 were on the locations of the channels 2 are only thinner than in the other areas.
  • the width b of the channels 2 is between 0.1 and 1 mm. These dimensions are only to be regarded as advantageous dimensions. Other widths can therefore also be selected for channels 2.
  • the distance a between two channels on the same side of the film 5 is advantageously chosen between 30 and 100 mm. In order to evenly distribute the channels 2 in the coil to be formed from the electrode 1, it is advantageous if the channels 2 on the top side are offset with respect to the channels 2 on the bottom side of the film 5.
  • FIG. 2A shows an electrode 1 in which the channels 2 are produced by being stamped into the electrode 1.
  • the depth t of the channels 2 can be set variably, so it is not as in the example according to FIG. 1, where in particular reference is made to channels 2 which are produced by interrupting the coating 4 the thickness of the coating is limited. Rather, the depth t can take many different dimensions.
  • the depth t is advantageously between 10 and 200 ⁇ m.
  • the channels 2 produced by embossing according to FIG. 2 also have the advantage that on the side of the film opposite channel 2 there is an elevation of the film which is later used when the electrode is wound into a coil for additional distances between the electrode layers lying one above the other ensures and thus generate additional channels for the transport of the electrolyte liquid.
  • FIG. 2B shows the electrode 1, in which the channels 2 are again produced by stamping in accordance with FIG. 2A, but there is no longer any significant distance between the electrodes Channels 2 provided, rather they are directly adjacent to each other.
  • the density of the channels can be increased to a maximum, whereby the duration of the impregnation can be reduced to a minimum time.
  • FIG. 3 shows an electrode 1 which runs along a longitudinal direction (indicated by the arrow).
  • the electrode comprises an aluminum foil 5, which is partially provided with a coating 4.
  • the film 5 On the left edge, the film 5 has a free edge 7, which makes it possible to connect the winding to an external connection of the electrochemical cell by contacting the free edge.
  • the channels 2 run along curved lines which, for example, can be offset parallel to one another. It can also be seen from FIG. 3 that the channels 2 cross each other and thus form crossing points 6.
  • the electrode shown in FIG. 3 has the advantage, on the one hand, that the channels 2 are very well homogeneously distributed over the surface of the electrode and, accordingly, later in the finished winding, accordingly homogeneously over the volume of the winding.
  • the production can be carried out by means of a roller by stamping, wherein a discontinuity in the rolling of the roller can be largely avoided by means of projections running along the circumference of the roller.
  • FIGS. 3A, 3B and 3C show further possibilities for arranging the channels 2.
  • the electrode 1 again runs in a longitudinal direction (indicated by the arrow) and is therefore particularly suitable for producing a coil according to FIG.
  • the channels 2 are arranged along equidistant straight pieces running parallel to one another. Such channels 2 can be produced, for example, by scratching the coating 4.
  • the channels 2 are arranged along straight lines running parallel to one another. Each channel goes 2 from an edge boundary of the electrode 1 and runs from there to the inside, but without reaching the opposite edge.
  • the channels 2 alternately start from the upper and from the lower boundary edge of the electrode 1.
  • Such a design of the channels 2 can have the effect that the inflow of the electrolyte from the top and from the bottom of the electrode can be promoted spatially offset from one another.
  • the channels 2 are arranged as straight lines which form an approximately right angle along a center line of the electrode 1. This makes it possible to achieve an equalization of the impregnation over the winding formed by stacking or winding electrodes 1. In particular, the distance between the channels 2 can be reduced so that there is no longitudinal section of the electrode 1 without a channel 2.
  • FIG. 4 shows a winding 8 which is formed from two electrodes 11, 12 and two separators 91, 92.
  • the separators 91, 92 have the task of taking up the liquid electrolyte, which is essential for the functioning of the electrochemical cell.
  • the separators 91, 92 have the task of avoiding a short circuit between directly opposite electrodes 11, 12 of different polarity.
  • Paper or a porous plastic, for example, is used as the separator 91, 92.
  • the separator 91, 92 is preferably formed in two layers in order to prevent the risk of pores running through the entire thickness of the separator 91, 92 in one go, which could cause a short circuit.
  • the thickness dS of the separator 91, 92 is typically between 10 and 100 ⁇ m.
  • the package of electrodes 11, 12 and the separators 91, 92 is wound around the winding axis 10 to form a winding 8.
  • the channels 2 of the electrodes 1 are then evenly distributed in the finished winding 8.
  • the layer thickness ratios in FIG. 4 also show why it is advantageous to incorporate the channels into the coating of the film.
  • the coating of the film has the greatest thickness in the layer package, which is why the largest channels can also be produced here.
  • the separator 9 is also provided with channels for improving the impregnation.
  • FIG. 5 shows the impregnation process, with a winding 8 according to FIG. 4 being installed in a cylindrical housing 11.
  • the axis of symmetry of the housing 11 and the winding axis 10 coincide.
  • a filling opening 12 is provided on the top of the housing 11, where liquid electrolyte 3 can be filled into the housing by means of a funnel 13.
  • the curved arrows show the direction of flow of the electrolyte 3 within the channels in the winding 8.
  • FIG. 5A shows an impregnation device similar to that in FIG. 5, but with the filling opening 12 being arranged directly above the core tube 14 of the winding 8 and accordingly the impregnation taking place from the underside of the winding 8, as indicated by the curved arrows.
  • the electrolyte for the electrochemical double-layer capacitor described in these examples is preferably 0.5 M to 1.6 M tetraethylammonium tetrafluoroborate in aeetonitrile.
  • the invention is not limited to electrochemical double-layer capacitors and electrodes with aluminum foil and carbon coating, but can be applied to all electrodes for all conceivable electrochemical cells that contain a liquid electrolyte.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode (1) für eine elektrochemische Zelle mit einem flüssigen Elektrolyten (3), enthaltend Kanäle (2), in denen eine Elektrolytflüssigkeit fließen kann. Die Elektrode (1) hat den Vorteil, daß die Imprägnierzeit der elektrochemischen Zelle reduziert werden kann.

Description

Beschreibung
Elektrode für eine elektrochemische Zelle, Elektrodenwickel, elektrochemische Zelle und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle, die einen Elektrolyten enthält. Ferner betrifft die Erfindung einen Elektrodenwickel . Darüber hinaus betri ft die Erfindung eine elektrochemische Zelle mit dem Wickel.
Elektrochemische Zellen sind beispielsweise in der Form von elektrischen Doppelschicht-Kondensatoren aus der Druckschrift DE 100 60 653 AI bekannt. Die dort beschriebenen elektrochemischen Doppelschicht-Kondensatoren haben die Form von aus aktiviertem Kohlenstoff gebildeten Elektrodenschichten, welche mit Zuleitungsschichten, beispielsweise einer Aluminiumfolie kontaktiert sind. Zur Herstellung des elektrochemischen Doppelschicht-Kondensators muß ein Stapel von übereinander- liegenden Elektroden mit stetig wechselnder Polarität in ein Gehäuse eingebaut und dort mit einem flüssigen Elektrolyten imprägniert werden. Zur Bildung des Wickels wird entweder eine hohe Anzahl von einzelnen Elektroden übereinandergestapelt oder es werden zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität entlang einer Längsrichtung aufgewickelt . In beiden Fällen sind die Elektroden unterschiedlicher Polarität durch einen Separator elektrisch voneinander getrennt.
Die bekannten Elektroden haben den Nachteil, daß der Prozeß des Imprägnierens eine sehr lange Zeit in Anspruch nimmt, da es sehr lange dauert, bis die Elektrolytflüssigkeit in den zwischen den Elektroden angeordneten Separator eingedrungen ist und die dort gespeicherte Luft verdrängt hat. Beispielsweise wird bei einem Wickel für einen Kondensator mit einer Kapazität von 5000 F, der aus jeweils ca. 6,5 m Anodenfolie und 6,5 m Kathodenfolie sowie einer entsprechenden Menge an dazwischenliegendem Separator besteht, eine Zeit von ca. 72 Stunden benötigt bis der Wickel vollkommen von der Elektro- lytflüssigkeit durchtränkt und das gesamte Gas aus den Poren des aktivierten Kohlenstoffes der Elektroden und des Separators durch die Imprägnieröffnung aus dem Kondensator ausgetreten ist .
Darüber hinaus besteht das Problem, daß bei unvollständigem Austausch Gas gegen Elektrolyt unter Umständen auch nach dem Verschließen des Kondensators das Ausgasen noch weiter fortgesetzt wird, was im Extremfall zum Bersten des Kondensators führt.
Zur Verkürzung der Imprägnierzeit ist es darüber hinaus aus der Druckschrift JP 11339770-A bekannt, einen Elektrolyten unter Unterdruck in einen Wickel zu imprägnieren. Dieses Ver- fahren hat jedoch den Nachteil, daß das Problem der Imprägnierzeit nur unzureichend gelöst wird und daß darüber hinaus ein erhöhter apparativer Aufwand für die Imprägnierung des Wickels erforderlich ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle anzugeben, die ein schnelles Imprägnieren erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrode nach Patentan- spruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Elektrode, ein Wickel aus der Elektrode sowie eine elektrochemische Zelle sind den weiteren Patentansprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, daß durch Vorsehen von Kanälen in der Elektrode der Austausch Elektrolyt gegen Gas schneller vonstatten gehen kann, da solche Kanäle dazu geeignet sind, kleine Gasmengen bzw. Gasbläschen auch aus dem Inneren des Wickels schnell nach außen zu transportieren bzw. den Elektrolyten durch diese Kanäle auch im Inneren des Kon- densators in ausreichender Menge bereitzustellen, so daß das Imprägnieren schneller vonstatten gehen kann, als wenn ledig- lieh von den beiden Stirnseiten des Wickels her der Elektrolyt in ausreichender Menge angeboten werden kann.
Es wird dementsprechend eine Elektrode für eine elektrochemi- sehe Zelle mit einem Elektrolyten angegeben, die Kanäle enthält, in denen eine Elektrolytflüssigkeit fließen kann.
Die Elektrode hat den Vorteil, daß durch die Kanäle der Austausch von Elektrolytflüssigkeit und Gas in einem Wickel wäh- rend des Imprägnierens schneller vonstatten gehen kann.
In einer Ausführungsform der Elektrode können die Kanäle in Form von Rillen auf der Oberfläche der Elektrode ausgeführt sein. Dies hat den Vorteil, daß die Herstellung der Kanäle stark vereinfacht werden kann, da in einem ersten Verfahrensschritt die Elektroden gefertigt werden können und in einem zweiten Verfahrensschritt durch nachträgliches Bearbeiten der Elektroden die Rillen von außen, beispielsweise durch Prägen, in die Elektrode eingebracht werden können.
In einer Ausführungsform der Elektrode weist diese eine beschichtete Folie auf, wobei die Rillen durch unbeschichtete Teilbereiche der Folie gebildet sind. Eine solche Elektrode hat den Vorteil, daß die Rillen gleichzeitig mit der Ferti- gung der Elektrode gebildet werden können, was die Dauer für die Herstellung der Elektrode merklich reduzieren kann. Eine solche Elektrode hat desweiteren den Vorteil, daß die Tiefe der Rillen automatisch vorgegeben ist durch die Dicke der Beschichtung.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Kanäle eine Breite zwischen 0,1 und 0,5 mm aufweisen. Dadurch wird gleichzeitig gewährleistet, daß die Kanäle eine gewisses Mindestmaß in der Breite nicht unterschreiten, was den Transport der Elekt- rolytflüssigkeit nämlich erschweren würde. Darüber hinaus wird gleichzeitig erreicht, daß nicht zu viel Volumen der E- lektrode durch die Bildung der Kanäle verloren geht, was ne- gative Auswirkungen auf die Kapazität des beispielsweise als elektrochemische Zelle verwendeten elektrochemischen Doppelschichtkondensators hätte.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß unter dem Begriff "elektrochemische Zelle" sämtliche Vorrichtungen zu verstehen sind, bei denen durch eine Elektrode und durch Vorhandensein eines flüssigen Elektrolyten ein irgendwie gearteter elektrischer Effekt erzielt werden soll. Beispielsweise kommen hier in Betracht Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren, elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren oder auch Batterien.
Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn die Tiefe der Kanäle zwischen 50 und 100 μm aufweisen. Dieses Maß hat den Vorteil, daß es der üblicherweise für die Beschichtung gewählte Dicke entspricht, wodurch eine einfache Ausbildung der Kanäle als Rillen in der Beschichtung möglich ist.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Elektrode sich entlang einer Längsrichtung erstreckt, wobei die Kanäle quer zur Längsrichtung verlaufen. Eine solche Elektrode hat den Vorteil, daß sie in Längsrichtung zu einem gerollten Wickel aufgewickelt werden kann, wobei durch die Anordnung der Kanä- le quer zur Längsrichtung erreicht werden kann, daß von den
Stirnseiten des Wickels her die Elektrolytflüssigkeit entlang der Kanäle in das Innere des Wickels vordringen kann.
Die Kanäle können in diesem Fall vorteilhafterweise im we- sentlichen entlang von äquidistanten, zueinander parallelen
Geraden verlaufen. Dadurch wird die Herstellung der Kanäle vereinfacht. Beispielsweise könnten äquidistant voneinander beabstandete Querrillen erzeugt werden mittels Prägung, wobei eine Walze verwendet wird, die einen parallel zur Drehachse der Walze verlaufenden, geraden Vorsprung aufweist. In einer anderen Ausführungsform der Elektrode kann es vorgesehen sein, daß die Kanäle schräg zur Längsrichtung der E- lektrode verlaufen. Diese Ausführungsform hat wiederum Vorteile hinsichtlich der Herstellung der Kanäle. Hier ist es im Gegensatz zur weiter oben beschriebenen Herstellung nämlich nicht mehr erforderlich, einen parallel zur Drehachse der Walze verlaufenden Vorsprung vorzusehen, welcher beim Abrollen auf der Elektrode zu diskontinuierlichen mechanischen Belastungen der die Walze tragenden Achse führt. Diese mechani- sehe Belastung rührt daher, daß jedes Mal, wenn der Vorsprung die Elektrode gegen ein Widerlager drückt, um eine Prägung in der Elektrode hervorzurufen, eine entsprechende diskontinuierliche Kraft auf die Walze wirkt.
In einer anderen Ausführungsform können die Kanäle entlang von gekrümmten Linien verlaufen, die zueinander parallel versetzt sind.
Eine solche Ausführungsform der Elektrode hat den Vorteil, daß wiederum die Herstellung mittels einer mit einer oder mehreren Ausprägung versehenen Walze gelingt.
In einer anderen Ausführungsform ist es vorgesehen, daß die Kanäle einander überkreuzen. Somit wird es ermöglicht, die Kanäle entlang zweier verschiedener, beispielsweise einen
Winkel von 90° miteinander einschließender Vorzugsrichtungen in die Elektrode zu integrieren.
Darüber hinaus ist es für bestimmte elektrochemische Zellen wie z.B. EDLC oder Li-Ionen-Batterien besonders vorteilhaft, wenn die Elektrode eine mit Kohlenstoffpulver beschichtete Metallfolie enthält. Beispielsweise kommt als Metallfolie eine Aluminiumfolie in Betracht.
Es wird darüber hinaus ein Elektrodenwickel angegeben, bei dem mehrere Lagen einer der soeben beschriebenen Elektroden übereinander angeordnet sind. Ein solcher Elektrodenwickel hat den Vorteil, daß er als Kondensatorwickel in einem Doppelschicht-Elektrolytkondensator verwendet werden kann.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß zur Errei- chung einer hohen Volumenausnutzung bei der Herstellung des Wickels regelmäßig dafür gesorgt wird, daß dieser sehr kompakt aufgebaut ist. Diese Kompaktheit des Wickels erschwert zusätzlich das Eindringen des Elektrolyten in das Innere des Wickels. Dies bedeutet, daß gerade bei sehr kompakten Wi- ekeln, bei denen entweder übereinanderliegende Elektrodenschichten in Form eines Stapels vorliegen, wobei der Stapel zusammengepreßt ist oder aber auch bei einem sehr streng gewickelten Wickel vorteilhaft die Kanäle zum Einsatz kommen können.
Dementsprechend ist ein Wickel vorteilhaft, bei dem zwei E- lektroden unterschiedlicher Polarität aufgewickelt sind.
Es wird darüber hinaus noch eine elektrochemische Zelle ange- geben, die einen flüssigen Elektrolyten enthält und die darüber hinaus einen der weiter oben beschriebenen Wickel enthält. Eine solche elektrochemische Zelle hat den Vorteil, daß das Imprägnieren des Wickels mit dem flüssigen Elektrolyten sehr schnell erfolgen kann.
Es wird dementsprechend eine Elektrode für einen elektrochemischen Doppelschichtkondensator mit einem flüssigen Elektrolyten angegeben, die eine mit aktiviertem Kohlenstoffpulver beschichtete Metallfolie enthält. In der Kohlenstoffbeschich- tung sind Kanäle vorgesehen, in denen eine Elektrolytflüssigkeit fließen kann und die zur Verbesserung des Austausche zwischen der Elektrolytflüssigkeit und in den Poren der Kohlenstoffbeschichtung enthaltenem Gas dienen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung der o. g. Elektrode. Die erfindungsgemäßen Rillen und Kanäle können beispielsweise mit Hilfe der folgenden Verfahren erhalten werden: a) Kalandrieren von beschichteten und noch nicht geprägten Elektroden bei erhöhter Temperatur. Dieser Prozeß kann auch in den Wickelprozeß integriert werden; b) Beschichten einer bereits geprägten Metallfolie (z. B. einer AI -Folie) mit Aktivkohle; c) Einritzen von Rillen und Kanäle in der Aktivkohlebe- schichtung einer unbehandelten Elektrode, z. B. mit Hilfe einer schwingenden Spitze, bei gleichzeitiger Absaugung der abgekratzten Beschichtung; d) Abdecken der zur Bildung von Rillen bzw. Kanälen vorgesehenen Bereiche einer nicht geprägten Metallfolie in Form eines regelmäßigen Musters während der Beschichtung der Metallfolie mit der Aktivkohle, wodurch unbeschichtete Bereiche der Elektroden entstehen, die als Kanäle gemäß Erfindung fungieren.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert:
Figur 1 zeigt beispielhaft eine Elektrode in einem schematischen Längsschnitt.
Figuren 2A, 2B zeigen beispielhaft weitere Elektroden in einem schematischen Längsschnitt.
Figur 3 zeigt beispielhaft eine Elektrode in einer Draufsicht .
Figuren 3A, 3B, 3C zeigen beispielhaft eine weitere Elektrode in einer Draufsicht.
Figur 4 zeigt einen Wickel in einem schematischen Quer- schnitt. Figur 5 zeigt eine elektrochemische Zelle in einem schematischen Querschnitt.
Figur 5A zeigt eine weitere elektrochemische Zelle in einem schematischen Querschnitt.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß in den Figuren gleiche Bezugszeichen entweder gleichen Elementen oder Elementen mit der gleichen oder einer gleichwirkenden Funkti- on zugeordnet sind.
Figur 1 zeigt eine Elektrode 1, die aus einer Folie 5 besteht, welche an der Oberseite und an der Unterseite mit jeweils einer Beschichtung 41, 42 beschichtet ist. Bei der Fo- lie 5 handelt es sich um eine Aluminiumfolie, wobei die Dicke der Folie dF zwischen 10 und 100 μm beträgt.
Für die Dicke dB der Beschichtung 41, 42 wird üblicherweise ein Maß zwischen 30 und 300 μm gewählt. Bei der Beschichtung handelt es sich z. B. um ein aktiviertes Kohlenstoffpulver, welches durch Pulverbeschichten auf die Elektrode aufgebracht worden ist. Der mittlere Durchmesser der Aktivkohlepartikel liegt z. B. im Bereich 0,2 - 5 μm. Die Dichte der Elektroden beträgt ca. 0,6 bis 0,8 g/cm3. Die Porosität der Elektroden beträgt ca. 35 bis 65 %. Die Kapazitätsdichte beträgt ca. 10 bis 25 F/cm3.
Sowohl in der oberen als auch in der unteren Beschichtung 41, 42 sind jeweils Kanäle 2 vorgesehen. Die Kanäle 2 sind gebil- det durch Unterbrechen der Beschichtung der Folie 5. Die Kanäle 2 weisen dabei die Form von Rillen auf. Sie können auch betrachtet werden als Vertiefungen der Beschichtungen 41, 42, d.h. es ist nicht zwingend, daß die Beschichtungen 41, 42 an den Stellen der Kanäle 2 vollständig unterbrochen sind, viel- mehr würde es auch genügen, wenn die Beschichtungen 41, 42 an den Stellen der Kanäle 2 lediglich dünner sind als an den übrigen Bereichen. Die Breite b der Kanäle 2 beträgt zwischen 0,1 und 1 mm. Diese Abmessungen sind dabei lediglich als vorteilhafte Abmessungen anzusehen. Es können also auch andere Breiten für die Kanäle 2 gewählt werden. Der Abstand a zwischen zwei Kanälen auf derselben Seite der Folie 5 wird vorteilhafterweise zwischen 30 und 100 mm gewählt. Um die Kanäle 2 in dem aus der Elektrode 1 zu bildenden Wickel gleichmäßig zu verteilen, ist es vorteilhaft, wenn die Kanäle 2 auf der Oberseite in Bezug auf die Kanäle 2 auf der Unterseite der Folie 5 versetzt angeordnet sind.
Neben der Erzeugung der Kanäle 2 durch Unterbrechen der Beschichtung 4 ist es auch möglich, die Kanäle 2 durch Materi- alabtrag herzustellen.
Figur 2A zeigt eine Elektrode 1, bei der die Kanäle 2 durch Einprägen in die Elektrode 1 hergestellt sind. Erkennbar ist hier insbesondere, daß die Tiefe t der Kanäle 2 variabel ein- gestellt werden kann, sie ist also nicht wie in dem Beispiel nach Figur 1, wo insbesondere auf Kanäle 2 Bezug genommen wird, die durch Unterbrechen der Beschichtung 4 hergestellt sind, auf die Dicke der Beschichtung beschränkt. Vielmehr kann die Tiefe t viele verschiedene Maße annehmen. Vorteil- hafterweise beträgt die Tiefe t zwischen 10 und 200 μm.
Die durch Einprägen hergestellten Kanäle 2 gemäß Figur 2 haben darüber hinaus noch den Vorteil, daß auf der dem Kanal 2 gegenüberliegenden Seite der Folie eine Erhebung der Folie entsteht, welche später beim Aufwickeln der Elektrode zu einem Wickel für zusätzliche Abstände zwischen den übereinan- derliegenden Elektrodenschichten sorgt und somit weitere Kanäle für den Transport der Elektrolytflussigkeit erzeugen.
Figur 2B zeigt die Elektrode 1, bei der die Kanäle 2 wieder entsprechend Figur 2A durch Einprägen hergestellt sind, jedoch ist hier kein nennenswerter Abstand mehr zwischen den Kanälen 2 vorgesehen, sie liegen vielmehr direkt zueinander benachbart . Dadurch kann die Dichte der Kanäle maximal erhöht werden, wodurch die Dauer des Imprägnierens auf eine minimale Zeit verkürzt werden kann.
Figur 3 zeigt eine Elektrode 1, die entlang einer Längsrichtung (angedeutet durch den Pfeil) verläuft. Die Elektrode umfaßt eine Aluminiumfolie 5, die teilweise mit einer Beschichtung 4 versehen ist. Am linken Rand weist die Folie 5 einen Freirand 7 auf, der es ermöglicht, den Wickel durch Kontak- tierung des Freirandes mit einem äußeren Anschluß der elektrochemischen Zelle zu verbinden. Aus Figur 3 ist erkennbar, daß die Kanäle 2 entlang von gekrümmten Linien verlaufen, die beispielsweise zueinander parallel versetzt sein können. Fi- gur 3 ist auch zu entnehmen, daß die Kanäle 2 einander überkreuzen und somit Kreuzungspunkte 6 bilden.
Die in Figur 3 gezeigte Elektrode hat zum einen den Vorteil, daß die Kanäle 2 sehr gut homogen über die Fläche der Elekt- rode und später im fertigen Wickel dementsprechend homogen über das Volumen des Wickels verteilt sind. Darüber hinaus kann die Herstellung mittels einer Walze durch Einprägen erfolgen, wobei durch entlang des Umfangs der Walze verlaufende Vorsprünge eine Diskontinuität beim Rollen der Walze weitge- hend vermieden werden kann.
Die Figuren 3A, 3B und 3C zeigen weitere Möglichkeiten der Anordnung der Kanäle 2. Die Elektrode 1 verläuft wieder in einer Längsrichtung (angedeutet durch den Pfeil) und ist so- mit insbesondere zur Herstellung eines Wickels gemäß Figur 4 geeignet. Bei Figur 3A sind die Kanäle 2 entlang von parallel zueinander verlaufenden, äquidistanten geraden Stücken angeordnet. Solche Kanäle 2 können beispielsweise durch Einritzen in die Beschichtung 4 hergestellt werden.
Gemäß Figur 3B sind die Kanäle 2 entlang von parallel zueinander laufenden Geraden angeordnet. Dabei geht jeder Kanal 2 von einer Randbegrenzung der Elektrode 1 aus und verläuft von dort nach Innen, ohne jedoch den gegenüberliegenden Rand zu erreichen. Die Kanäle 2 gehen jeweils abwechselnd von der o- beren bzw. von der unteren Begrenzungskante der Elektrode 1 aus. Durch eine solche Gestaltung der Kanäle 2 kann bewirkt werden, daß das Hineinfließen des Elektrolyten von der Oberseite und von der Unterseite der Elektrode her räumlich zueinander versetzt gefördert werden kann.
Gemäß Figur 3C sind die Kanäle 2 als Geradenstücke angeordnet, die entlang einer Mittellinie der Elektrode 1 einen in etwa rechten Winkel bilden. Dadurch kann eine Vergleichmäßigung der Imprägnierung über den durch Stapeln oder Wickeln von Elektroden 1 gebildeten Wickel erreicht werden. Insbeson- dere kann der Abstand zwischen den Kanälen 2 so verringert werden, daß kein Längsabschnitt der Elektrode 1 ohne einen Kanal 2 vorliegt.
Figur 4 zeigt einen Wickel 8, der gebildet ist aus zwei E- lektroden 11, 12 und zwei Separatoren 91, 92. Die Separatoren 91, 92 haben die Aufgabe, den flüssigen Elektrolyten aufzunehmen, welcher für das Funktionieren der elektrochemischen Zelle unerläßlich ist. Darüber hinaus haben die Separatoren 91, 92 die Aufgabe, einen Kurzschluß zwischen direkt gegenü- berliegenden Elektroden 11, 12 unterschiedlicher Polarität zu vermeiden. Als Separator 91, 92 wird beispielsweise Papier oder auch ein poröser Kunststoff verwendet. Im Falle der Verwendung von Papier wird der Separator 91, 92 vorzugsweise zweilagig ausgebildet, um die Gefahr des Auftretens von durch die gesamte Dicke des Separators 91, 92 in einem Zug durchlaufenden Poren zu verhindern, welche einen Kurzschluß verursachen könnten. Die Dicke dS des Separators 91, 92 beträgt typischerweise zwischen 10 und 100 μm. Das Paket aus Elektroden 11, 12 und den Separatoren 91, 92 wird um die Wickelachse 10 zu einem Wickel 8 aufgewickelt. Im fertigen Wickel 8 liegen dann die Kanäle 2 der Elektroden 1 gleichmäßig verteilt vor. Die Schichtdickenverhältnisse in Figur 4 zeigen auch, weshalb es vorteilhaft ist, die Kanäle in die Beschichtung der Folie einzuarbeiten. Die Beschichtung der Folie hat nämlich die größte Dicke in dem Schichtpaket, weshalb auch hier die größten Kanäle erzeugt werden können.
Je größer die Kanäle sind, um so besser funktioniert der Austausch zwischen flüssigem Elektrolyt und Gas in dem Wickel .
Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich zur Elektrode auch der Separator 9 mit Kanälen zur Verbesserung der Imprägnierung versehen ist.
Figur 5 zeigt den Vorgang des Impragnierens, wobei ein Wickel 8 gemäß Figur 4 in ein zylinderförmiges Gehäuse 11 eingebaut ist. Die Symmetrieachse des Gehäuses 11 und die Wickelachse 10 fallen zusammen. Auf der Oberseite des Gehäuses 11 ist eine Einfüllöffnung 12 vorgesehen, wo mittels eines Trichters 13 flüssiger Elektrolyt 3 in das Gehäuse eingefüllt werden kann. Die gekrümmten Pfeile zeigen die Fließrichtung des E- lektrolyten 3 innerhalb der Kanäle in dem Wickel 8. In einem Vergleichstest, wo ein Wickel gemäß Figur 4 ohne Kanäle und ein Wickel gemäß Figur 4 in Verbindung mit Figur 3A, wo Kanä- le mit ca. 5 cm Abstand voneinander vorgesehen waren, mit dem gleichen Elektrolyten imprägniert wurden, konnte eine Verkürzung der Imprägnierzeit um mindestens den Faktor 60 ermittelt werden. Die Kanäle können auch um ca. 4 bis 6 cm oder um ca. 1 bis 10 cm voneinander beabstandet sein. Damit die elektri- sehen und mechanischen Eigenschaften der Elektrode nicht beeinträchtigt werden, ist der Abstand zwischen den Kanälen vorzugsweise größer als 0,1 cm. Um die Verbesserung der Imprägniereigenschaften zu erzielen, ist der Abstand zwischen den Kanälen vorzugsweise kleiner als 30 cm. Der Abstand zwi- sehen den Kanälen liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 25 cm. Figur 5A zeigt eine Imprägniervorrichtung ähnlich zu der in Figur 5, wobei jedoch die Einfüllöffnung 12 direkt über dem Kernrohr 14 des Wickels 8 angeordnet ist und dementsprechend die Imprägnierung von der Unterseite des Wickels 8 her, wie durch die gekrümmten Pfeile angedeutet, erfolgt.
An dieser Stelle wird noch darauf hingewiesen, daß als Elektrolyt für den in diesen Beispielen beschriebenen elektrochemischen Doppelschicht-Kondensator vorzugsweise 0,5 M bis 1,6 M Tetraethylammoniumtetrafluorborat in Aeetonitril vorgesehen ist.
Je größer die Viskosität des Elektrolyten ist, desto mehr Kanäle oder desto breitere Kanäle werden benötigt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren sowie auf Elektroden mit Aluminiumfolie und Kohlenstof beschichtung, sondern kann auf sämtliche Elektroden für alle erdenklichen elektrochemischen Zellen, die einen flüssigen Elektrolyten enthalten, angewendet werden.
Bezugszeichenliste
1, 11, 12 Elektrode
2 Kanal 3 Elektrolyt
41, 42 Beschichtung
5 Folie
6 Kreuzungspunkt
7 Freirand 8 Wickel
91, 92 Separator
10 Wickelachse
11 Gehäuse
12 EinfüllÖffnung 13 Trichter
14 Kernloch dB Dicke der Beschichtung dF Dicke der Folie dS Dicke des Separators b Breite des Kanals t Tiefe des Kanals a Abstand zweier Kanäle

Claims

Patentansprüche
1. Elektrode für eine elektrochemische Zelle mit einem flüssigen Elektrolyten (3) , enthaltend Kanäle (2) , in denen eine Elektrolytflüssigkeit fließen kann.
2. Elektrode nach Anspruch 1, die eine beschichtete Folie (5) enthält, wobei die Beschichtung Kanäle (2) enthält.
3. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Kanäle (2) in Form von Rillen auf der Oberfläche der Elektrode (1) ausgeführt sind.
4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Kanäle (2) in die Elektrode (1) eingeprägt sind.
5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, - die eine beschichtete Folie (5) enthält und - bei der die Kanäle (2) durch unbeschichtete Teilbereiche der Folie (5) gebildet sind.
6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Kanäle (2) eine Breite (b) zwischen 0,1 und 1 mm aufweisen.
7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Kanäle (2) eine Tiefe (t) zwischen 10 und 200 μm aufweisen.
8. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die sich entlang einer Längsrichtung erstreckt und bei der die Kanäle (2) quer zur Längsrichtung verlaufen.
9. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Kanäle (2) im wesentlichen entlang äquidistanter, zueinander paralleler Geraden verlaufen.
10. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die sich entlang einer Längsrichtung erstreckt und bei der die Kanäle (2) schräg zur Längsrichtung verlaufen.
11. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Kanäle (2) entlang von gekrümmten Linien verlaufen, die zueinander parallel versetzt sind.
12. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 10, bei der die Kanäle (2) einander überkreuzen.
13. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die eine mit Kohlenstoffpulver beschichtete Metallfolie ent- hält.
14. Elektrodenwickel, bei dem mehrere Lagen von Elektroden (11, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 übereinander angeordnet sind.
15. Elektrodenwickel nach Anspruch 14, bei dem zwei Elektroden (11, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufgewickelt sind.
16. Elektrochemische Zelle mit einem flüssigen Elektrolyten (3) , enthaltend einen Wickel (8) nach einem der Ansprüche 14 oder 15.
17. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die beschichtete und noch nicht geprägte Elektrode bei einer hohen Temperatur kalandriert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Kalandrieren der Elektrode in den Wickelprozeß zur Herstellung eines Elektrodenwickels integriert wird.
19. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem eine bereits geprägte Metallfolie mit Aktivkohle beschichtet wird.
20. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem eine Elektrode durch gleichmäßige Beschichtung einer ungeprägten Metallfolie mit einer Aktivkohle bereitgestellt wird, bei dem in der Aktivkohleschicht der Elektrode unter gleichzeitiger Absaugung der abgekratzten Beschichtung Kanäle (2) eingeritzt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, b bei dem das Einritzen von Kanälen (2) mit Hilfe einer schwingenden Spitze erfolgt.
22. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem zur Bildung von Kanälen (2) vorgesehene Bereiche einer nicht geprägten Metallfolie während der Beschichtung der Metallfolie mit Aktivkohle taktförmig verdeckt werden, wodurch unbeschichtete Bereiche der Elektroden entstehen und dabei die Kanäle (2) bilden.
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