EP2614548A1 - Stromleiter für elektrochemische zellen - Google Patents

Stromleiter für elektrochemische zellen

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EP2614548A1
EP2614548A1 EP11757823.7A EP11757823A EP2614548A1 EP 2614548 A1 EP2614548 A1 EP 2614548A1 EP 11757823 A EP11757823 A EP 11757823A EP 2614548 A1 EP2614548 A1 EP 2614548A1
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film
lithium
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electrochemical cell
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Thomas Berger
Karsten Pinkwart
Jens TÜBKE
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Definitions

  • the present invention is directed to the use of a film (F) as a current conductor in an electrochemical cell (Z), characterized in that the film (F) comprises a support (T) which is coated with an electrical conductor (L) and the Carrier (T) has a lower specific gravity (mg / cm 3 ) than the conductor (L).
  • the electrochemical cell (Z) may be a primary or secondary cell.
  • a film (F) according to the present invention is a thin, planar and flexible electrical conductor.
  • the film (F) has an electrical conductivity of at least 7.5 x 10 6 S / m, more preferably at least 25.0 x 10 6 S / m, such as at least 38.0 x 10 6 S / m.
  • these electrical apply
  • Conductivities for films (F) for use as anode conductors are low compared to conventional conductors, in particular to conductors for the anode of electrochemical cells, such as lithium-ion cells. Accordingly, the film (F) preferably knows
  • the thickness of the film (F) should not exceed 20.0 ⁇ . Particularly favorable results are obtained with films (F) whose thickness is not be more than 15.0 ⁇ , especially with films whose thickness in the range of 10.0 to 14.0 ⁇ , such as from 11.5 to 13.5 ⁇ lie.
  • the carrier (T) is a metal.
  • the carrier (T) is a polymer, this is selected from the group of
  • a metal is used as the support (T), it is selected from the group of conductive metals having a specific gravity ⁇ 5 g / cm 3 .
  • the basis weight of the conductor (L) is primarily in the range of 0.5 to 6.0 mg / cm 2, preferably in the range of 0.7 to 4.0 mg / cm 2 as in the range of 1.0 to 2, 0 mg / cm 2 .
  • the conductor (L) for anode conductors is made of a material that does not alloy with lithium.
  • the conductor is preferably selected from the group consisting of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Ag.
  • coating or “coating” in the present invention illustrates that the conductor (L) completely covers the surface of the carrier (T).
  • the present invention relates not only to the use of the film (F) in electrochemical cells, such as lithium-ion cells, as an electrical conductor (L), in particular as an electrical conductor for the anode, but also the
  • electrochemical cells such as lithium-ion cells, comprising as conductor (L), in particular as a conductor for the anode, the film (F) according to the present invention.
  • Copper foils with which large-scale graphite anodes for Li-ion cells can be produced The tensile strength of the pure copper is about 200 N / mm 2 . Under ideal conditions it follows that a tensile stress of 16 N on a 10 mm wide film strip would lead to the breakage of this film.
  • the electrical resistance of a 1 m long and 10 mm wide film strip is about 0.2 ohms.
  • Multilayer film reduced in the stated embodiment of 7.14 mg / cm 2 to 3.60 mg / cm 2 . This corresponds to a weight reduction of the anode conductor foils of 50%.
  • the weight fraction of the copper foil current conductor of the anode is 20% of the total mass of the cell. If the 8 ⁇ thick copper foil through the

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Abstract

Verwendung einer Stromleiterfolie in einer elektrochemischen Zelle, wobei die Folie einen Träger umfasst der mit einem elektrischen Leiter beschichtet ist und der Träger eine geringeres Flächengewicht aufweist als der Leiter.

Description

Stromleiter für elektrochemische Zellen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Verwendung von leitenden Mehrschichtfolien sowie elektrochemische Zellen umfassend besagte
Mehrschichtfolien.
In sekundären und auch primären elektrochemischen Zellen werden verschiedene Materialien als Stromleiter genutzt. Bedingungen, die der Stromleiter unter Anderem erfüllen sollte, sind eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit, mechanische wie auch thermische Stabilität sowie die Möglichkeit einer dauerhaften mechanisch wie chemisch stabilen Beschichtung mit dem elektroaktiven Material. Ferner sind aus verfahrenstechnischen Gründen, die sich aus dem gängigen Beschichtungsverfahren, wie z.B. Rakeln, Pastieren oder Laminieren, ergeben, entsprechende Materiealien für den Stromleiter und entsprechende Schichtdicken des Stromleiters zu wählen. So bestehen bei Lithium-Ion-Zellen im Falle der Anode die Stromleiter vorzugsweise aus Kupfer. Nachteil von Kupferstromleitungen ist, dass durch seine hohe Dichte (8,92 g/cm3) das Gesamtgewicht der elektrochemische Zelle relativ hoch ist und somit eine Reduzierung der Energiedichte für die gesamte elektrochemische Zelle eintritt.
Daher zielt die Entwicklung im Bereich von Lithium-Ion-Zellen unter anderem darauf ab, die Energiedichte durch neue Kathodenmaterialien mit einem hohen Oxidationspotential zu erhöhen. Dies hat zum Beispiel zur Folge, dass an den Stromleiter der Kathode besondere Anforderungen bezüglich der elektrochemischen Stabilität in der elektrochemischen Zelle gestellt werden. In vielen Fällen haben nur die Refraktärmetalle eine ausreichende, elektrochemische Stabilität.
Für Anodenmaterialien mit einem Reduktionspotential nahe der elektrochemischen Lithiumabscheidung (wie z.B. die üblicherweise eingesetzte Graphitanode) müssen Stromleitermaterialien eingesetzt werden, die mit Lithium keine Legierungen bilden, da das Potential der Legierungsbildung bei Leichtmetallen, wie z.B. Aluminium, positiver ist, als die gewünschte Interkalationsverbindung aus Lithium und Graphit. Ein Einsatz solcher Materialien führt durch die Lithiumlegierungsbildung zu einer mechanischen Zerstörung des Stromableiters. Demnach ist ein häufig verwendetes Metall für die Anode von Lithium-Ion-Zellen Kupfer, das die chemischen und mechanischen Anforderungen erfüllt. Auf Grund seiner hohen Dichte wird das Kupfer als möglichst dünne Folie verarbeitet um die Energiedichte der
elektrochemische Zelle hoch zu halten. Allerdings ergeben sich aus den
Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren und den sich daraus ergebenen
mechanischen Beständigkeiten für Kupferleiter praktische Grenzen. Eine Foliendicke von weniger als 8 μπι ist technisch nicht sinnvoll.
Aufgabe ist es demnach einen Stromleiter, insbesondere einen Stromleiter für die Anode von elektrochemischen Zellen, wie Lithium-Ion-Zellen, zu entwickeln, der bei geringer Dichte eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt und thermisch wie mechanisch stabil ist und somit positiv zur Erhöhung der Energiedichte einer elektrochemischen Zelle beiträgt.
Der vorliegenden Anmeldung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass der Stromleiter aus einem stabilen aber leichten Trägermaterial bestehen muss, das mit einem guten elektrischen Leiter beschichtet wird.
Demnach richtet sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung einer Folie (F) als Stromleiter in einer elektrochemischen Zelle (Z), dadurch gekennzeichnet dass die Folie (F) einen Träger (T) umfasst der mit einem elektrischen Leiter (L) beschichtet ist und der Träger (T) eine geringere spezifische Dichte (mg/cm3) aufweist als der Leiter (L). Die elektrochemische Zelle (Z) kann eine Primär- oder Sekundärzelle sein.
Vorzugsweise handelt es sich um eine Sekundärzelle. Unter Primärzellen versteht man elektrochemische Zellen die nicht wiederaufladbar sind, wohingegen
Sekundärzellen wiederaufladbar sind.
In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei der elektrochemischen Zelle (Z) um eine Lithium-Ion-Zelle, insbesondere um eine sekundäre Lithium-Ion- Zelle. Lithium-Ion-Zellen sind allgemein bekannt. Unter Anderem wird auf „Chemische Technik, Band 6b, Winnacker, et all., 5 Auflage, 2006" verwiesen.
Ein Leiter (L) nach vorliegender Anmeldung ist ein Leiter der elektrischen Strom transportieren kann.
Eine Folie (F) nach vorliegender Erfindung ist ein dünner, flächiger und flexibler elektrischer Leiter. Vorzugsweise besitzt die Folie (F) eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 7,5 x 106 S/m, noch mehr bevorzugt von mindestens 25,0 x 106 S/m, wie von mindestens 38,0 x 106 S/m. Insbesondere gelten diese elektrischen
Leitfähigkeiten für Folien (F) für den Einsatz als Anodenleiter. Das Flächengewicht der Folie (F) ist gegenüber herkömmlichen Stromleitern, insbesondere gegenüber Leitern für die Anode von elektrochemischen Zellen, wie Lithium-Ion-Zellen, gering. Demnach weißt die Folie (F) vorzugsweise ein
Flächengewicht von nicht mehr als 7,0 mg/cm2, noch mehr bevorzugt von nicht mehr als 5,0 mg/cm2, insbesondere von 2,5 bis 4,2 mg/cm2 auf.
Um den Gesamtaufbau der elektrochemischen Zelle, wie der Lithium-Ion-Zelle, relativ klein zu halten, sollte die Dicke der Folie (F) 20,0 μπι nicht überschreiten. Besonders günstige Ergebnisse werden mit Folien (F) erhalten dessen Dicke nicht mehr als 15,0 μηι betragen, insbesondere mit Folien dessen Dicke im Bereich von 10,0 bis 14,0 μπι, so wie von 11,5 bis 13,5 μηι, liegen.
Das Verhältnis der Schichtdicke [(L)/(T) in μιη] in der Folie (F) zwischen Leiter (L) und Träger (T) ist vorzugsweise von 0,05/12,00 bis 1,00/12,00, insbesondere zwischen 0,09/12,00 bis 0,50/12,00.
Insbesondere besteht die Folie (F) aus dem Träger (T) und dem Leiter (L). Wie oben ausgeführt umfasst die Folie (F) einen Träger (T). Dieser Träger (T) gewährleistet die mechanische Beständigkeit bei geringer Dichte. Folglich zeichnet sich der Träger (T) durch ein geringere spezifische Dicht (mg/cm3) als der Leiter (L) aus. Dem Träger (T) sind prinzipiell keinen Grenzen gesetzt, solange er mit einem Leiter (L) beschichtet werden kann. Des Weiteren kann der Träger (T) elektrisch leitend sein, muss aber nicht. Besonders bei elektrochemischen Zellen mit einer hohen spezifischen Leistung sind geringe Spannungsverluste bei hohen Stromdichten und eine gute thermische Leitfähigkeit des Trägermaterials gefordert, um eine Überhitzung des Inneren der Zelle durch die entstehende Verlustwärme zu verhindern. Für diesen Anwendungsfall bieten Leichtmetalle mit hoher spezifischer Wärme- und Stromleitfähigkeit, wie z.B. Aluminium, als Träger (T) gegenüber anderen Trägermaterialien einen Vorteil.
Wünschenswert ist, dass der Träger (T) ein Flächengewicht von nicht mehr als 4,5 mg/cm2, noch mehr bevorzugt von nicht mehr als 2,7 mg/cm2, insbesondere von nicht mehr als 1,7 mg/cm2 aufweist. Bevorzugte Bereiche für das Flächengewicht sind 1,4 bis 4,5 mg/cm2. Wie die Folie (F) sollte auch der Träger (T) eine gewisse Dicke nicht Überschreiten. Folglich ist es bevorzugt, dass der Träger (T) eine Dicke von nicht mehr als 14,0 μπι, noch mehr bevorzugt von nicht mehr wie 13,0 μιη hat. Vorzugsweise liegt die Dicke im Bereich von 10,0 bis 14,0 μπι, wie 11,0 bis 13,0 μιη.
Besonders bewährt haben sich daher Polymere, anorganische Materialien,
Legierungen und Metalle, sowie Verbundmaterialien aus diesen wie z.B.
faserverstärkte Kunststofffolien. Unter diesen sind besonders bevorzugt Polymere und Metalle zu nennen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Träger (T) ein Metall.
Im Fall, dass der Träger (T) ein Polymer ist wird dieses aus der Gruppe der
Thermoplaste ausgewählt. Diese können auch Faser- oder Gewebeverstärkt sein. Wenn ein Metall als Träger (T) Einsatz findet wird dieses aus der Gruppe der Leitmetalle mit einer spezifischen Dichte < 5 g/cm3 ausgewählt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Träger (T) Aluminium. So hat zum Beispiel ein 12 μπι dicker Träger (T) aus Aluminium ein Flächengewicht das vergleichbar ist mit einer 3,6 μπι dicken Kupferfolie. Kupferfolien solcher Dicke sind jedoch als Leiter in elektrochemischen Zellen wegen mangelnder mechanischer Stabilität bzw. Verarbeitbarkeit ungeeignet.
Nachdem der Träger (T) die nötige mechanische Festigkeit gewährleistet, kann der Leiter (L) dünn aufgebracht werden. Folglich trägt der Leiter (L), der eine höhere spezifische Dichte aufweist als der Träger (T), nicht in dem Maße zum
Gesamtgewicht der elektrochemischen Zelle bei, so dass sein Einfluss auf die Gesamtenergiedichte der elektrochemischen Zelle gering ist. Das Flächengewicht des Leiters (L) liegt vorwiegend im Bereich von 0,5 bis 6,0 mg/cm2, vorzugsweise im Bereich von 0,7 bis 4,0 mg/cm2, wie im Bereich von 1,0 bis 2,0 mg/cm2.
Die Dicke des Leiters (L) sollte nicht mehr wie 0,5 μηι, insbesondere nicht mehr wie 0,4 μπι sein. In einer besonderen Ausführungsform beträgt die Dicke 0, 1 bis 0,3 μιη.
Der Leiter (L) besitzt vorzugsweise eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens von 30,0 x 106 S/m, noch mehr bevorzugt von mindestens 50,0 x 106 S/m, wie von mindestens 55,0 x 106 S/m.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass der Leiter (L) für Anodenleiter aus einem Material ist, das mit Lithium keine Legierung bildet. Folglich wird der Leiter vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu und Ag.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Leiter (L) Kupfer. Das Aufbringen des Leiters (L) auf den Träger (T) kann über chemische oder physikalische Prozess erfolgen. Insbesondere bieten sich galvanische Prozesse, Sputter- oder CVD-Prozesse an. Im Falle eines Kupferleiters auf einem
Aluminiumträger biete sich die galvanische Abscheidung aus wässrigen
Elektrolytlösungen an (galvanische Beschichtung).
Der Ausdruck„beschichten" oder„Beschichtung" in vorliegender Erfindung verdeutlicht, dass der Leiter (L) die Oberfläche des Trägers (T) vollständig abdeckt. Die vorliegende Erfindung betrifft nicht nur die Verwendung der Folie (F) in elektrochemischen Zellen, wie Lithium-Ion-Zellen, als elektrischer Leiter (L), insbesondere als elektrischer Leiter für die Anode, sondern auch die
elektrochemischen Zellen, wie Lithium-Ion-Zellen, die als Leiter (L), insbesondere als Leiter für die Anode, die Folie (F) nach vorliegender Erfindung umfassen.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Beispiele genauer erläutert.
B E I S P I E L E
In einer Lithium-Ion-Zelle mit Graphitanode auf einer 8 μιη dicke Kupferfolie als Stromleiter ergibt sich für die Kupferfolie ein Flächengewicht von 7, 14 mg/cm2. 8μιη ist derzeit die geringste Material stärke für elektrolytisch hergestellte
Kupferfolien, mit der sich großtechnisch Graphitanoden für Li-Ion-Zellen herstellen lassen. Die Zugfestigkeit des reinen Kupfers beträgt ca. 200 N/mm2. Unter idealen Voraussetzungen ergibt sich daraus, dass eine Zugbeanspruchung von 16 N auf einen 10 mm breiten Folienstreifen zum Bruch dieser Folie führen würde. Der elektrische Widerstand eines 1 m langen und 10 mm breiten Folienstreifens beträgt ca. 0,2 Ohm.
Eine 12 μιη dicke Aluminiumfolie hat dagegen nur eine Flächengewicht von 3,24 mg/cm2, besitzt jedoch nicht die geforderte chemische Stabilität, da es bereits bei einem Potential von ca. 300 mV vs. Li/Li+ zur Li AI Legierungsbildung kommt, die zu einer mechanischen Zerstörung der Folie beim Laden der Li-Ion-Zelle führt.
Reines Aluminium besitzt gegenüber Kupfer eine wesentlich geringere Zugfestigkeit von ca. 50 N/mm2. Daraus ergibt sich für eine 10 mm breite und 12 μιη dicke Aluminiumfolie eine maximale Zugbelastung von ca. 6 N bis zum Bruch der Folie. Diese Zugfestigkeit ist für die Verarbeitung zu elektrochemischen Zelle für Li-Ion- Zellen j edoch noch ausreichend. Kathoden für Li-Ion-Zellen werden bereits großtechnisch auf solch dünnen Aluminiumfolien hergestellt. Der elektrische Widerstand eines 1 m langen und 10 mm breiten AI -Folienstreifens mit 12 μιη Dicke beträgt ca. 0,22 Ohm und ist damit vergleichbar mit dem der vorhergehend beschriebenen Kupferfolie mit 8 μιη Material stärke.
Wird eine solche 12 μιη dicke Aluminiumfolie auf beiden Seiten mit einer 0,2 μιη dicken Kupferschicht, die die gleiche chemische Stabilität hat, wie eine kompakte Kupferfolie, ergibt sich ein Flächengewicht von 3,60 mg/cm2. Durch die Kupferbeschichtung wird die Zugfestigkeit der Folie nicht negativ beeinflusst und ein solches Material kann als Anode für Li-Ion-Zellen verarbeitet werden. Durch die Kupferbeschichtung verbessert sich die Leitfähigkeit der Folie. Der elektrische Widerstand eines 1 m langen und 10 mm breiten, Cu beschichteten, zuvor beschriebenen Folienstreifens beträgt ca. 0,21 Ohm.
Das spezifische Flächengewicht hat sich durch die erfindungsgemäße
Mehrschichtfolie in dem angeführten Ausführungsbeispiel von 7,14mg/cm2 auf 3,60 mg/cm2 reduziert. Dies entspricht einer Gewichtsreduktion der Anodenableiterfolien von 50 %.
Bei einer kommerziell verfügbaren 4Ah-Lithium-Ion-Zelle beträgt zum Beispiel der Gewichtsanteil der aus Kupferfolie bestehende Stromleiter der Anode 20 % an der Gesamtmasse der Zelle. Wird die 8 μπι dicke Kupferfolie durch die
erfindungsgemäße Mehrschichtfolie aus 12 μπι Aluminiumfolie als Träger und einer 0,2 μπι dicken Kupferschicht auf beiden Seiten der Folie ersetzt, vermindert sich die Masse der Zelle um 10 % bei gleichem Energieinhalt und unveränderter
Performance. Auf der anderen Seite können in einer Batterie gleicher Masse ca. 11 % mehr Energie gespeichert und auch ca. 11 % mehr Leistung entnommen werden.

Claims

A N S P R Ü C H E
1. Verwendung einer Folie (F) als Stromleiter in einer elektrochemischen Zelle (Z), dadurch gekennzeichnet dass die Folie (F) einen Träger (T) umfasst der mit einem elektrischen Leiter (L) beschichtet ist und der Träger (T) eine geringere spezifische Dichte (mg/cm3) aufweist als der Leiter (L).
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass
(a) das Verhältnis der Schichtdicke [(L)/(T)] in μπι zwischen Leiter (L) und Träger (T) von 0,05/12,00 bis 1,00/12,00,
und/oder
(b) das Flächengewicht der Folie (F) nicht mehr wie 7,0 mg/cm2, und/oder
(c) die Dicke der Folie (F) nicht mehr wie 15,0 μπι
beträgt.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass der Träger (T)
(a) ein Flächengewicht von nicht mehr wie 4,5 mg/cm2,
und/oder
(b) eine Dicke von nicht mehr wie 14,0 μπι
hat.
Verwendung nach irgendeinen der vorhergehenden Ansprüchen
gekennzeichnet dass der Leiter (L)
(a) ein Flächengewicht im Bereich von 0,5 bis 6,0 mg/cm2,
und/oder
(b) eine Dicke von nicht mehr wie 0,5 μπι
hat. Verwendung nach irgendeinen der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet dass
(a) die elektrochemische Zelle (Z) eine Lithium-Ion-Zelle ist
und/oder
(b) die Folie (F) als Anodenleiter verwendet wird.
Verwendung nach irgendeinen der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet dass der Träger der Folie (F) ein Polymer (P) oder ein Metall (M) ist.
Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass
(a) das Polymer (P) ausgewählt ist aus der Gruppe der Thermoplaste und/oder
(b) das Metall (M) ausgewählt ist aus der Gruppe der Leichtmetalle.
Verwendung nach irgendeinen der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet dass
(a) die elektrochemische Zelle (Z) eine Lithium-Ion-Zelle ist und der Leiter (L) keine Legierung mit Lithium bildet.
und/oder
(b) der Leiter (L) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu und Ag.
Elektrochemische Zelle (Z) umfassend einen Kathodenleiter und einen Anodenleiter, dadurch gekennzeichnet dass entweder der Kathodenleiter oder der Anodenleiter eine Folie (F) nach irgendeinen der Ansprüche 1 bis 8 umfasst. Elektrochemische Zelle (Z) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass die elektrochemische Zelle eine Lithium-Ion-Zelle ist.
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