EP2764562A1 - Batterie mit faser- oder fadenförmiger elektrode - Google Patents

Batterie mit faser- oder fadenförmiger elektrode

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Publication number
EP2764562A1
EP2764562A1 EP12772261.9A EP12772261A EP2764562A1 EP 2764562 A1 EP2764562 A1 EP 2764562A1 EP 12772261 A EP12772261 A EP 12772261A EP 2764562 A1 EP2764562 A1 EP 2764562A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
layer
thread
fiber
electrically conductive
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12772261.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Jürgen LINDNER
Martin Krebs
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.)
VARTA Microbattery GmbH
Original Assignee
VARTA Microbattery GmbH
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 VARTA Microbattery GmbH filed Critical VARTA Microbattery GmbH
Publication of EP2764562A1 publication Critical patent/EP2764562A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404—Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
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    • H01M4/64—Carriers or collectors
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • 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

  • the present invention relates to batteries of novel construction.
  • batteries in various embodiments.
  • Crucial for the design and size of batteries is the particular application.
  • heavy-duty batteries have been developed as an emergency power supply for industrial applications.
  • batteries with weights of a few grams or even just a few milligrams are found.
  • the batteries described in DE 10 2005 017 682 were developed, which are characterized by a particularly low height.
  • the batteries described can be produced in particular by pressure and are suitable, for example, for supplying smart tags or smart labels with electrical energy.
  • the present invention also initially had the object of producing particularly flat batteries.
  • batteries which are characterized by further properties such as a high current-carrying capacity or particularly flexible processable electrodes.
  • This object is achieved by the battery having the features of claim 1 and the method having the features of claim 13.
  • Preferred embodiments of the battery according to the invention are specified in the dependent claims 2 to 12.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention can be found in claim 14. The wording of all claims is hereby incorporated by reference into the content of this description.
  • Electrodes are conventionally made in the form of laminar layers or as ground electrodes, but not in the form of a thin, elongated structure, as are fibers and filaments.
  • a fiber in the present case is to be understood as an integral, elongated structure, whereas a thread may well be in several pieces, namely consisting of several interconnected / twisted fibers.
  • both fibers and filaments come into question, both variants have their advantages and disadvantages.
  • a battery according to the invention has, in addition to the described one, at least one further fiber or thread-like electrode, which comprises the following components,
  • a battery according to the invention comprises exclusively as electrodes
  • a fiber or thread-like electrode having a core of the first electrically conductive material and a layer of the first electrode material enclosing the same and
  • a fiber or thread-like electrode having a core of the second electrically conductive material and a layer of the second electrode material enclosing the latter.
  • an energy-supplying chemical reaction which consists of two electrically coupled but spatially separated partial reactions, wherein it comes at one of the electrodes to a release of electrons, which flow via an external load to the other electrode.
  • an ion current corresponding to the electrode reaction must occur between the electrodes. This is ensured by an ionic electrolyte, through which the electrodes are connected to each other. Also in the present is such Electrolyte between the electrodes with the oppositely poled electrode material needed.
  • the at least one fiber or thread-like electrode with the first electrode material and the at least one fiber or thread-like electrode with the second electrode material are at least partially embedded in a matrix which consists of an ion-conducting separator material.
  • a matrix which consists of an ion-conducting separator material.
  • this is easily realizable in practice. So it would be e.g. conceivable to arrange electrodes of different polarity in different levels in the matrix of the ion-conducting separator material.
  • two fiber or thread-like electrodes of different polarity can be deposited side by side on a non-conductive substrate and covered with an electrolyte layer.
  • the battery according to the invention is characterized in that it comprises at least one electrode, which in addition to the above under (a) and (b) listed components additionally comprises a component (c), namely a layer of an ion-conducting Separator material which encloses the layer of the first electrode material like a jacket.
  • a fiber or thread-like electrode has the advantage that it can be processed without problems, without short circuits having to be feared.
  • it can be embedded directly in a matrix which consists of a second electrode material, which is polarized in the opposite direction to the first electrode material. This makes it possible to produce batteries with a very high current-carrying capacity, since the contact area between the oppositely poled electrode materials is very large.
  • a further (second) arrester is required, via which electrons can be removed from the second electrode material or supplied to it.
  • the matrix is in direct contact with a planar, serving as a second arrester substrate made of the second electrically conductive material.
  • the matrix of the second electrode material together with the electrode embedded therein can be arranged on a metallic arrester foil or be formed thereon.
  • the matrix of the second electrode material in addition to the at least one fiber or thread-like electrode comprising components (a), (b) and (c) at least one or a second arrester or serving as a fiber or thread embedded from a second electrically conductive material.
  • This measure can have a very positive effect on the performance of the resulting battery.
  • the battery according to the invention has at least one further electrode which comprises at least the above-mentioned components (aa) and (bb), optionally also comprises a component (cc) of the ion-conducting separator material, which encloses the layer of the second electrode material like a jacket.
  • these electrodes can be easily processed into a winding, which can be incorporated, for example after impregnation with a suitable electrolyte, for example, in a button cell housing. But more on that later.
  • the battery according to the invention has at least one fiber or thread-like electrode which, in addition to the abovementioned components (a) to (c), comprises the following components: (d) a layer of a second electrode material which is oppositely poled to the first electrode material and which encloses the layer of the ion-conducting separator material like a jacket,
  • a serving as Abieiter layer of a second electrically conductive material which surrounds the layer of the second electrode material like a shell, and in preferred embodiments also
  • the battery according to the invention has a coaxial construction in which the first and the second electrode material, the ion-conducting separator material, the second electrically conductive material and possibly the cladding layer of the electrically insulating material concentrically around the fiber or thread-like core of the first electrically conductive material are arranged.
  • the coat-like layers thus each have a hollow-cylinder-like or tubular structure, with their inner and outer diameters differing.
  • the soul itself could basically also be hollow, but is preferably solid.
  • this embodiment differs in particular in that not only at least one electrode is formed in a fiber or thread, but instead the battery itself is formed in a fiber or thread.
  • the core and the shell-like layers arranged around it form, without requiring further components, a galvanic cell in which, in the charged state, a voltage exists between the layer of the first and the layer of the second electrode material.
  • the battery according to the invention is characterized in that it is itself (in the embodiment with the features (a) to (e) or (a) to (f)) as a textile fabric, in particular in a felt-like or in a woven Structure, or that it has at least one fiber or thread-like electrode, which is present as a textile fabric or part thereof, optionally in combination with the described at least one further fiber or thread-like electrode or with the / at least one serving as a second Abieiter Thread / fiber of the second electrically conductive material.
  • a fabric is known to be a textile fabric in which at least two thread systems, the warp and the weft, are crossed at right angles or nearly at right angles.
  • a felt-like structure is characterized by a disordered, difficult-to-separate fiber material, in which the individual fibers are intertwined with one another.
  • the fibrous or filamentary electrode or filamentary battery according to the present invention can be processed into both a woven and a nonwoven fabric:
  • a fibrous or thread-like electrode present as a tissue with the features (a) and (b) together with at least one other present as a tissue fibrous or thread-like electrode having the features (aa) and (bb) in a Embed the matrix from the ion-conducting separator material.
  • care must be taken that the oppositely poled electrodes do not touch each other in the matrix. This can be ensured, for example, by arranging a tissue of one or more electrodes with the features (a) and (b) in a plane of the matrix and a tissue of one or more electrodes having the features (aa) and (bb) in FIG another eve ne.
  • the space between the planes is connected to the ion-conducting separator material, which spatially separates the oppositely poled tissues, but at the same time connects them in an ion-conducting manner.
  • one or more fiber or thread-like electrodes having the features (a), (b) and (c) are embedded in a matrix of the second electrode material.
  • the fibrous or filamentary electrode can be woven or unwoven, for example, as a multi-layered fabric.
  • the matrix of the second electrode material may, for example, be in direct contact with the already mentioned planar second-arrester substrate.
  • the at least one fiber or thread-shaped electrode having the features (a), (b) and (c), of course, together with the / at least one serving as a second arrester thread / fiber of the second electrically conductive material, woven or unwoven, be embedded in the matrix of the second electrode material.
  • a planar, serving as a second arrester substrate in contact with the matrix is not mandatory in this embodiment, its function is performed by serving as a second arrester threads / fibers.
  • a fabric of the at least one fibrous or filamentary electrode and / or the at least one second arrester / fiber can be manufactured without problem, for example by using the electrode filament as the warp and the arrester as the weft or vice versa.
  • the electrode filament as the warp and the arrester as the weft or vice versa.
  • the described fiber or filamentary batteries comprising the components (a) to (e) or (a) to (f).
  • Individual threads with these features, each of which forms a galvanic cell for itself, can for example be processed into a fabric and be connected in parallel or serially within this fabric by appropriate contacting of the Abieiter. This makes it possible to produce batteries with defined voltages in almost any shape and size.
  • the physical nature of the Abieiter a battery according to the invention is basically not essential to the invention.
  • the first and / or the second electrically conductive material is a metal or an electrically conductive synthetic material.
  • the choice of material depends largely on which electrode materials are selected for the battery according to the invention. Suitable examples would be copper for the negative side and aluminum for the positive side of a lithium-ion battery.
  • the first and second electrically conductive materials may differ, but not necessarily.
  • Carbon nanotubes (CNTs) or surface-modified carbon nanotubes can also be used as first and / or second electrically conductive material.
  • the first and / or the second electrode material each comprise an electrochemical active material as well as frequently also a binder and optionally a conductivity-improving and / or another additive.
  • Electrochemical active materials are the components of an electrode that contribute significantly to the above-mentioned energy, from two electrically coupled but spatially separated partial reactions participate chemical reaction and thereby oxidized or reduced. If the active materials are particulate, then the binder is usually required to ensure the cohesion of the electrode. Via additives, properties of an electrode, such as its flexibility (by means of plasticizers) or its internal resistance (by means of the conductivity-improving additives) can be improved.
  • Electrochemical active materials and binders as well as additives for electrodes are known in principle to the person skilled in the art and need not be explained in more detail in the context of the present invention.
  • the battery according to the invention is characterized primarily by a structure and not by a special combination of electrochemical active materials.
  • the separator material may be a porous matrix made of a plastic comprising an electrolyte of a solvent and a conductive salt dissolved therein.
  • a separator material for example, a mixture of block copolymers having a different solubility can be used.
  • a porous structure can be formed which can accommodate a suitable electrolyte.
  • a mixture of a polymer such as polyvinylidene fluoride and a plasticizer such as butyl phthalate may also be used. Butyl phthalate can be extracted, for example, with n-hexane.
  • solid electrolytes such as polymer electrolyte membranes can be used.
  • the electrically insulating material is, for example, a plastic or a ceramic material. Insulators are also well known in the art.
  • the fibrous or filamentary battery according to the invention or the fiber or filamentary electrodes comprising a battery according to the invention preferably have a length in the range between 5 mm and 10 m, their diameter is preferably in the range between 0.5 mm and 5 mm. Both the hollow diameter and length can basically be chosen arbitrarily, depending on the particular application.
  • a method for producing a battery, in particular a battery, as described above, is the subject of the present invention.
  • Such a method always comprises forming a sheath-like layer of a first electrode material on a fiber or a thread of a first electrically conductive material.
  • a jacket-like layer of an ion-conducting separator material is formed on the jacket-like layer of the first electrode material.
  • this is followed by the formation of a sheath-like layer of a second electrode material on the sheath-like layer of the ion-conducting separator material and the formation of a sheath-like layer of a second electrically conductive material on the sheath-like layer of the second electrode material.
  • the latter step may in turn be followed by the formation of a sheath-like layer of an electrically insulating material on the sheath-like layer of the second electrically conductive material.
  • first and second electrode material Both in terms of nature and properties of the first and second electrode material, the first and the second electrically conductive material, the ion-conducting separator material and the electrically insulating material, reference is made to the above statements on the battery according to the invention.
  • the electrodes or batteries thus produced can be further processed in subsequent steps, for example in weaving, to the batteries described above.
  • the thread / fiber of the first electrically conductive material coated with the jacket-like layer of the first electrode material is introduced into a matrix of the ion-conducting separator material.
  • the thread / fiber of the first electrically conductive material coated with the jacket-like layer of the first electrode material and the jacket-like layer of the ion-conducting separator material is introduced into a matrix of the second electrode material.
  • the battery 100 according to the invention has as a conductor a fiber-shaped core 101 made of a first electrically conductive material. This is wrapped like a shell of the layer 102 of a first electrode material.
  • a layer 103 of an ion-conducting separator material arranged concentrically around the layer 102 separates the first electrode material from the sheath-like layer 104, which consists of a second electrode material having the opposite polarity to the first electrode material. This in turn is enclosed by a serving as arrester layer 105 of a second electrically conductive material.
  • FIG. 200 schematically shows the structure of an embodiment of a battery 200 according to the invention, in which a plurality of fibrous electrodes 201, each consisting of a serving as a discharge fibrous soul of a first electrically conductive material and the soul coat-like enclosing layer of a first electrode material, together with several further fibrous electrodes 202, each consisting of a serving as a conductor fibrous core of a second electrically conductive material and the soul coat-like enclosing layer of a second electrode material in a matrix of the ion-conducting separator material 203 are embedded.
  • the fibrous electrodes 202 and the fibrous electrodes 203 are each in the form of a tissue in the matrix.
  • FIG. 1 schematically shows the construction of an embodiment of a battery 300 according to the invention.
  • This comprises a plurality of fibrous electrodes 301, each consisting of a fibrous core serving as a diverter made of a first electrically conductive material, a layer of a first electrode material enclosing the core like a sheath and the layer The layer of an ion-conducting separator material surrounding the first electrode material in a sheath-like manner.
  • the electrodes 301 are present in woven form (alternatively also in unwoven form, for example felt-like or fleece-like) and are embedded in a matrix 302 made of a second electrode material.
  • the matrix 302 together with the electrodes 301 embedded therein is in direct contact with the metal foil 303, which serves as a conductor for the second electrode material.
  • 1 schematically shows the construction of an embodiment of a battery 400 according to the invention. It comprises a plurality of fibrous electrodes 401, each consisting of a fibrous core serving as a diverter made of a first electrically conductive material, a layer of a first electrode material enclosing the core like a sheath Layer of the first electrode material sheath enclosing layer of an ion-conducting separator material.
  • the battery 400 comprises the second arrester fibers 402 made of a second electrically conductive material.
  • Both the fibers 402 and the electrodes 401 are embedded in a matrix 403 of a second electrode material and are in this in woven form.
  • the electrode fibers 401 were used as warp threads and the drain fibers 402 as weft threads.
  • the electrodes 401 and the fibers 402 may be present in a non-woven, eg felt-like or fleece-like structure in the matrix.
  • 1 schematically shows the construction of an embodiment of a battery 500 according to the invention. It comprises the electrode 501, which consists of a fibrous core serving as a conductor of a first electrically conductive material, one of which Soul sheath enclosing layer of a first electrode material and a layer of the first electrode material like a jacket enclosing layer of an ion-conducting separator material.
  • the electrode 502 comprises the electrode 502, consisting of a fibrous core serving as a Abieiter from a second electrically conductive material, a soul surrounding the sheath like a layer of a second electrode material and a layer of the second electrode material sheath enclosing layer of the same ion-conducting separator material , which is also part of the electrode 501.
  • the two electrodes are wound on the bobbin 503, which consists of an electrically insulating material, such as polypropylene.
  • the end plates 504 and 505 At its two longitudinal ends of the bobbin 503, the end plates 504 and 505 on. These consist of an electrically conductive material, for example made of sheet steel.
  • the cores of electrodes 501 and 502 are coupled to end plates 504 and 505, for example, by welding or soldering.
  • Such a battery in coil form can be soaked, for example, with a suitable electrolyte and inserted into a button cell housing so that the negatively charged face plate is in electrical contact with the button cell lid and the positively charged face plate is in electrical contact with the button cell cup.
  • a suitable electrolyte is particularly suitable, as described in WO 2010/089152.
  • an aluminum fiber with a diameter of about 1 mm is used.
  • this core For coating this core with a jacket made of a first electrode material, it can be passed through a first container which is filled with a suspension of 90% by weight of lithium cobalt oxide particles, 5% by weight of a PVDF polymer serving as an electrode binder and 5% by weight.
  • -% carbon black in N-methyl-pyrrolidone (NMP) is filled (all weights are based on the solids content of the suspension).
  • the first container is, for example, a drawing nozzle.
  • Drawing nozzles are known in the art, they are used for example in the coating of optical conductors.
  • the nozzles and devices described in DE 698 01 730 T2 can be used to coat the core 101. It is important in selecting suitable nozzles that the diameter of the nozzle outlet is greater than the diameter of the core 101. The difference in diameter determines the thickness of the jacket of the first electrode material.
  • the core emerging from the container has a solvent-containing jacket 102 made of the first electrode material. Upon subsequent drying of the coated core, the NMP is removed.
  • a nozzle with a star-shaped nozzle outlet can also be used, so that a jacket 102 with a star-shaped cross-section and a correspondingly much larger surface results.
  • the core coated according to (1) is passed through a second container which is heated with a solution of polyvinylidene difluoride (PVdF) in a Mi heated to 50 ° C. - is filled from acetone and a small proportion of Dibutylphtalat.
  • PVdF polyvinylidene difluoride
  • a drawing nozzle as used e.g. DE 698 01 730 T2 is described.
  • Dibutyl phthalate contained in the PVdF jacket is extracted with n-hexane after a short drying time.
  • the now doubly sheathed core is passed through a third container, ideally again a drawing die.
  • This is filled with a suspension of 90 wt .-% graphite particles, 5 wt .-% serving as an electrode binder PVDF polymer and 5 wt .-% carbon black in acetone with small amounts of dibutyl phthalate.
  • a thin film of the second electrode material forms on the layer 103 of the ion-conducting separator material.
  • Dibutyl phthalate contained in the film is also extracted by n-hexane after a short drying time.
  • the layers 103 and 104 are then impregnated with a 1 molar solution of LiPF 6 in a mixture of ethylene carbonate.
  • an electrically conductive paste comprising silver particles is applied to the now sheathed core, for example likewise by means of a drawing die, as already mentioned.
  • the core 100 For making electrical contact with the battery 100, it is necessary to place the core 100 in a partial region, for example at an end piece, to stripping. An electrical load can then be connected between the core 100 and the layer 105.
  • a coating layer of an electrically insulating material is finally applied to the layer 105, for example by extrusion.
  • electrically insulating material can serve for example PVC or polypropylene.
  • the electrodes 501 and 502 were produced similarly to the steps (1) to (3) of manufacturing the battery (1).
  • a core made of a first electrically conductive material was coated with a jacket made of a first electrode material, which was then coated with an ion-conducting separator material.
  • a core of a second electrically conductive material was coated with a jacket of a second electrode material, which was then coated with the same ion-conducting separator material.

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Abstract

Beschrieben wird eine Batterie, die sich durch mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode auszeichnet, die als Ableiter eine faser- oder fadenförmige Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material umfasst sowie eine die Seele mantelartig umschließende Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial. Weiterhin wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterie beschrieben.

Description

Batterie mit faser- oder fadenförmiger Elektrode
Die vorliegende Erfindung betrifft Batterien mit neuartigem Aufbau.
Batterien gibt es in den verschiedensten Ausführungsformen. Entscheidend für die Bauform und die Größe von Batterien ist der jeweilige Anwendungsfall. So wurden beispielsweise tonnenschwere Batterien als Notstromversorgung für industrielle Anwendungen entwickelt. Im Consu- mer-Bereich findet man dagegen Batterien mit Gewichten von wenigen Gramm oder sogar nur wenigen Milligramm. Insbesondere die Konstruktion besonders kleiner und flacher Batterien, wie sie von miniaturisierten elektronischen Komponenten und Geräten häufig benötigt werden, stellt Batteriebauer immer wieder vor Herausforderungen.
Von der Anmelderin wurden beispielsweise die in DE 10 2005 017 682 beschriebenen Batterien entwickelt, die sich durch eine besonders geringe Bauhöhe auszeichnen. Die beschriebenen Batterien lassen sich insbesondere durch Druck herstellen und eignen sich beispielsweise dazu, Smart Tags oder Smart Labels mit elektrischer Energie zu versorgen.
Weitere von der Anmelderin entwickelte besonders flache Batterien sind in der DE 101 62 832 A1 und in der DE 102 19 424 A1 beschrieben. Beide eignen sich speziell für den Einsatz in sogenannten „active smart cards".
Auch der vorliegenden Erfindung lag zunächst die Aufgabe zugrunde, besonders flache Batterien herzustellen. Im Laufe der Entwicklungen wurde dann zusätzlich auch das Augenmerk auf die Bereitstellung von Batterien gerichtet, die sich durch weitere Eigenschaften wie z.B. eine hohe Strombelastbarkeit oder besonders flexibel verarbeitbare Elektroden auszeichnen. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterie sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 angegeben. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet sich in Anspruch 14. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße Batterie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode aufweist, die die folgenden Komponenten umfasst:
(a) eine als Abieiter dienende faser- oder fadenförmige Seele aus einem ersten elektrisch leitendem Material und
(b) eine die Seele mantelartig umschließende Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial.
Faser- oder fadenförmige Elektroden sind aus dem Stand der Technik bislang nicht bekannt. Elektroden werden klassisch in Form von flächigen Schichten oder als Masseelektroden gefertigt, nicht jedoch in Form eines dünnen, länglichen Gebildes, wie es Fasern und Fäden darstellen. Zur Klarstellung, unter einer Faser soll vorliegend ein einstückiges längliches Gebilde verstanden werden, wohingegen ein Faden durchaus mehrstückig, nämlich bestehend aus mehreren miteinander verbundenen / verdrehten Fasern, sein kann. Als Seele einer Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung kommen sowohl Fasern als auch Fäden in Frage, beide Varianten haben ihre Vor- und Nachteile. So lassen sich aus einzelnen Fasern dünnere Elektroden herstellen als aus Fäden, letztere besitzen dafür in der Regel robustere mechanische Eigenschaften, was bei der Verarbeitung der Elektroden durchaus vorteilhaft sein kann. Besonders bevorzugt weist eine erfindungsgemäße Batterie neben der beschriebenen noch mindestens eine weitere faser- oder fadenförmige Elektrode auf, die die folgenden Komponenten umfasst,
(aa) eine als Abieiter dienende faser- oder fadenförmige Seele aus einem zweiten elektrisch leitenden Material und
(bb) eine die Seele mantelartig umschließende Schicht aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial.
Der Begriff Batterie meinte ursprünglich mehrere in Serie geschaltete galvanische Zellen. Heute werden aber auch einzelne galvanische Zellen häufig als Batterie bezeichnet. Dies soll auch vorliegend gelten. In ihrer einfachsten Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Batterie als Elektroden ausschließlich
• eine faser- oder fadenförmige Elektrode mit einer Seele aus dem ersten elektrisch leitenden Material und einer diese umschließenden Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial sowie
• eine faser- oder fadenförmige Elektrode mit einer Seele aus dem zweiten elektrisch leitenden Material und einer diese umschließenden Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial.
Bei der Entladung dieser beiden Elektroden findet eine energieliefernde chemische Reaktion statt, welche sich aus zwei elektrisch miteinander gekoppelten aber räumlich voneinander getrennten Teilreaktionen zusammensetzt, wobei es an einer der Elektroden zu einer Freisetzung von Elektronen kommt, die über eine externe Last zur anderen Elektrode fließen. Zeitgleich muss es zu einem der Elektrodenreaktion entsprechenden lonenstrom zwischen den Elektroden kommen. Dieser wird durch einen ionisch leitenden Elektrolyten gewährleistet, über den die E- lektroden miteinander verbunden sind. Auch vorliegend wird ein solcher Elektrolyt zwischen den Elektroden mit dem entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial benötigt.
In einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform sind die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode mit dem ersten Elektrodenmaterial und die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode mit dem zweiten Elektrodenmaterial mindestens teilweise in eine Matrix eingebettet, die aus einem ionenleitenden Separatormaterial besteht. Ein unmittelbarer Kontakt zwischen den Elektroden mit den entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterialien darf nicht bestehen, dies muss durch das Separatormaterial unterbunden werden. Dies ist in der Praxis natürlich ohne weiteres realisierbar. So wäre es z.B. denkbar, Elektroden unterschiedlicher Polarität in verschiedenen Ebenen in der Matrix aus dem ionenleitenden Separatormaterial anzuordnen. Alternativ können, in Analogie zur eingangs erwähnten DE 10 2005 017 682, zwei faser- oder fadenförmige Elektroden unterschiedlicher Polarität nebeneinander auf einem nicht leitenden Substrat abgelegt und mit einer Elektrolytschicht bedeckt werden.
In einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich die erfindungsgemäße Batterie dadurch aus, dass sie mindestens eine Elektrode umfasst, die neben den oben unter (a) und (b) angeführten Komponenten zusätzlich noch eine Komponente (c) umfasst, nämlich eine Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial, die die Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial mantelartig umschließt. Eine solche Ausführungsform einer faser- oder fadenförmigen Elektrode bietet den Vorteil, dass sie problemlos verarbeitbar ist, ohne dass Kurzschlüsse zu befürchten sind. So lässt sie sich beispielsweise direkt in eine Matrix einbetten, die aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial besteht. So lassen sich Batterien mit einer sehr hohen Strombelastbarkeit herstellen, da die Kontaktfläche zwischen den entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterialien sehr groß ist. Natürlich wird bei einer solchen Ausführungsform ein weiterer (zweiter) Ableiter benötigt, über den Elektronen aus dem zweiten Elektroden mate- rial abgeführt oder diesem zugeführt werden können. Im einfachsten Fall steht die Matrix in direktem Kontakt zu einem flächigen, als zweiter Ableiter dienenden Substrat aus dem zweiten elektrisch leitenden Material. Beispielsweise kann die Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial samt der darin eingebetteten Elektrode auf einer metallischen Ableiterfolie angeordnet werden oder darauf gebildet werden.
In einer dritten besonders bevorzugten Ausführungsform wird in die Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial neben der mindestens einen faser- oder fadenförmigen Elektrode umfassend die Komponenten (a), (b) und (c) mindestens eine oder ein als zweiter Ableiter dienende oder dienender Faser oder Faden aus einem zweiten elektrisch leitenden Material eingebettet. Diese Maßnahme kann sich sehr positiv auf die Performance der resultierenden Batterie auswirken.
In einer vierten besonders bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Batterie neben der mindestens einen Elektrode umfassend die Komponten (a), (b) und (c) mindestens eine weitere Elektrode auf, die mindestens die oben bereits genannten Komponenten (aa) und (bb), gegebenenfalls auch eine Komponente (cc) aus dem ionenleitenden Separatormaterial umfasst, die die Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial mantelartig umschließt. Diese Elektroden lassen sich zu problemlos zu einem Wickel verarbeiten, der, gegebenenfalls nach Tränken mit einem geeigneten Elektrolyten, beispielsweise in ein Knopfzellengehäuse eingearbeitet werden kann. Aber hierzu später noch mehr.
In einer fünften besonders bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Batterie mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode auf, die neben den oben genannten Komponenten (a) bis (c) die folgenden Komponenten umfasst: (d) eine Schicht aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial, die die Schicht aus dem ionenleitenden Separatormaterial mantelartig umschließt,
(e) eine als Abieiter dienende Schicht aus einem zweiten elektrisch leitenden Material, die die Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial mantelartig umschließt, sowie in bevorzugten Ausführungsformen auch
(f) eine Hüllschicht aus einem elektrisch isolierenden Material, die die Schicht aus dem zweiten elektrisch leitenden Material mantelartig umschließt.
In dieser Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Batterie einen koaxialen Aufbau auf, bei dem das erste und das zweite Elektrodenmaterial, das ionenleitende Separatormaterial, das zweite elektrisch leitende Material sowie gegebenenfalls die Hüllschicht aus dem elektrisch isolierenden Material konzentrisch um die faser- oder fadenförmige Seele aus dem ersten elektrisch leitenden Material angeordnet sind. Die mantelartigen Schichten weisen also jeweils einen hohlzylinderartigen oder schlauchartigen Aufbau auf, wobei sich ihre Innen- und Außendurchmesser unterscheiden. Die Seele selbst könnte grundsätzlich auch hohl ausgebildet sein, ist jedoch bevorzugt massiv.
Von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen unterscheidet sich diese Ausführungsform insbesondere dadurch, dass nicht nur mindestens eine Elektrode faser- oder fadenförmig ausgebildet ist, statt dessen ist die Batterie selbst faser- oder fadenförmig ausgebildet. Die Seele und die darum angeordneten mantelartigen Schichten bilden, ohne dass es weiterer Komponenten bedarf, eine galvanische Zelle aus, bei der im geladenen Zustand eine Spannung zwischen der Schicht aus dem ersten und der Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial besteht. In bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Batterie dadurch aus, dass sie selbst (in der Ausführungsform mit den Merkmalen (a) bis (e) oder (a) bis (f)) als textiles Flächengebilde vorliegt, insbesondere in einer filzartigen oder in einer gewebten Struktur, oder dass sie zumindest eine faser- oder fadenförmige Elektrode aufweist, die als textiles Flächengebilde vorliegt oder Teil eines solchen ist, gegebenenfalls in Kombination mit der beschriebenen mindestens einen weiteren faser- oder fadenförmigen Elektrode oder mit dem/der mindestens einen als zweiter Abieiter dienenden Faden/Faser aus dem zweiten elektrisch leitenden Material.
Bei einem Gewebe handelt es sich bekanntlich um ein textiles Flächengebilde, bei dem mindestens zwei Fadensysteme, die Kette (Kettfaden) und der Schuss (Schussfaden), rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig miteinander verkreuzt werden. Eine filzartige Struktur zeichnet sich im Gegensatz dazu durch ein ungeordnetes, nur schwer zu trennendes Fasergut aus, bei dem die einzelnen Fasern ungeordnet miteinander verschlungen sind. Die faser- oder fadenförmige Elektrode bzw. die faser- oder fadenförmige Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich sowohl zu einem gewebten als auch einem nicht gewebten Flächengebilde verarbeiten:
• Es ist z.B. möglich, eine als Gewebe vorliegende faser- oder fadenförmige Elektrode mit den Merkmalen (a) und (b) gemeinsam mit mindestens einer weiteren als Gewebe vorliegenden faser- oder fadenförmigen Elektrode mit den Merkmalen (aa) und (bb) in eine Matrix aus dem ionenleitenden Separatormaterial einzubetten. Dabei muss natürlich darauf geachtet werden, dass die entgegengesetzt gepolten Elektroden sich in der Matrix nicht berühren. Dies kann z.B. gewährleistet werden, indem ein Gewebe aus einer oder mehreren Elektroden mit den Merkmalen (a) und (b) in einer Ebene der Matrix angeordnet ist und ein Gewebe aus einer oder mehreren Elektroden mit den Merkmalen (aa) und (bb) in einer anderen Ebe- ne. Der Raum zwischen den Ebenen ist mit dem ionenleitenden Separatormaterial verbunden, das die die entgegengesetzt gepolten Gewebe räumlich trennt, aber gleichzeitig ionenleitend verbindet.
• In einer weiteren Variante ist es möglich, dass eine oder mehrere faser- oder fadenförmigen Elektroden mit den Merkmalen (a), (b) und (c) in eine Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial eingebettet sind. Innerhalb der Matrix kann die faser- oder fadenförmige Elektrode gewebt oder ungewebt vorliegen, beispielsweise auch als mehrlagiges Gewebe. Potentielle Kurzschlussprobleme gibt es in dieser Ausführungsform nicht. Allerdings ist es erforderlich, auch die Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial mit einem Ableiter zu versehen. Zu diesem Zweck kann die Matrix beispielsweise in direktem Kontakt zu dem bereits erwähnten flächigen, als zweiter Ableiter dienenden Substrat stehen.
• Alternativ kann die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode mit den Merkmalen (a), (b) und (c) natürlich auch gemeinsam mit dem/der mindestens einen als zweiter Ableiter dienenden Faden/Faser aus dem zweiten elektrisch leitenden Material, gewebt oder ungewebt, in die Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial eingebettet sein. Ein flächiges, als zweiter Ableiter dienendes Substrat in Kontakt zu der Matrix ist in dieser Ausführungsform nicht zwingend erforderlich, seine Funktion wird durch die als zweiter Ableiter dienenden Fäden/Fasern wahrgenommen.
Ein Gewebe aus der mindestens einen faser- oder fadenförmigen Elektrode und dem/der mindestens einen als zweiter Ableiter dienenden Faden/Faser kann ohne Problem gefertigt werden, indem beispielsweise der Elektrodenfaden als Kettfaden und der Ableiter als Schussfaden verwendet wird oder umgekehrt. Natürlich ist es a- ber auch möglich, in die Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial ein erstes Gewebe aus einer oder mehreren faser- oder fadenförmigen Elektroden und ein zweites Gewebe nur aus Abieitern in die Matrix zu integrieren.
• Vielseitig verwendbar sind insbesondere auch die beschriebenen faser- oder fadenförmigen Batterien umfassend die Komponenten (a) bis (e) oder (a) bis (f). Einzelne Fäden mit diesen Merkmalen, von denen jeder für sich eine galvanische Zelle bildet, können beispielsweise zu einem Gewebe verarbeitet werden und innerhalb dieses Gewebes durch entsprechende Kontaktierung der Abieiter parallel oder seriell verschaltet werden. So lassen sich Batterien mit definierten Spannungen in nahezu jeder Form und jeder Größe herstellen.
Die materielle Beschaffenheit der Abieiter einer erfindungsgemäßen Batterie ist grundsätzlich nicht erfindungswesentlich. Es ist allerdings bevorzugt, dass es sich bei dem ersten und/oder dem zweiten elektrisch leitenden Material um ein Metall oder ein elektrisch leitendes Synthetik- material handelt. Die Materialauswahl hängt maßgeblich davon ab, welche Elektrodenmaterialien für die erfindungsgemäße Batterie gewählt werden. Geeignet wären beispielsweise Kupfer für die negative Seite und Aluminium für die positive Seite einer Lithium-Ionen-Batterie. Das erste und das zweite elektrisch leitende Material können sich unterscheiden, müssen aber nicht unbedingt. Auch Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) oder oberflächenmodifizierten Kohlenstoffnanoröhrchen können als erstes und/oder zweites elektrisch leitendes Material verwendet werden.
Das erste und/oder das zweite Elektrodenmaterial umfassen jeweils ein elektrochemisches Aktivmaterial sowie häufig auch einen Binder und gegebenenfalls ein leitfähigkeitsverbessererndes und/oder ein sonstiges Additiv. Elektrochemische Aktivmaterialien sind die Komponenten einer Elektrode, die maßgeblich an der oben erwähnten energieliefernden, aus zwei elektrisch miteinander gekoppelten aber räumlich voneinander getrennten Teilreaktionen zusammengesetzten chemischen Reaktion teilnehmen und dabei oxidiert oder reduziert werden. Wenn die Aktivmaterialien partikulär vorliegen, so wird in der Regel der Binder benötigt, um den Zusammenhalt der Elektrode zu gewährleisten. Über Additive können Eigenschaften einer Elektrode wie etwa ihre Flexibilität (mittels Weichmachern) oder ihr Innenwiderstand (mittels den leitfähigkeitsver- bessernden Additiven) verbessert werden. Elektrochemische Aktivmaterialien und Binder sowie Additive für Elektroden sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und müssen im Rahmen der vorliegende Erfindung nicht näher erläutert werden. Die erfindungsgemäße Batterie zeichnet sich schließlich primär durch einen Aufbau aus und nicht durch eine spezielle Kombination elektrochemischer Aktivmaterialien.
Analoges gilt auch für das ionenleitende Separatormaterial. Geeignete Separatormaterialien für die unterschiedlichsten elektrochemischen Systeme sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann es sich bei dem Separatormaterial um eine poröse Matrix aus einem Kunststoff handeln, die einen Elektrolyten aus einem Lösungsmittel und einem darin gelösten Leitsalz umfasst. Zur Herstellung eines solchen Separatormaterials kann beispielsweise eine Mischung aus Block-Copolymeren, die eine unterschiedliche Löslichkeit besitzen, verwendet werden. Durch Extraktion des leichter löslichen Polymers kann eine poröse Struktur entstehen, die einen geeigneten Elektrolyten aufnehmen kann. Auch eine Mischung aus einem Polymer wie Polyvinylidenfluorid und einem Weichmacher wie Butylphtalat kann verwendet werde. Butylphtalat lässt sich beispielsweise mit n-Hexan extrahieren. Alternativ können als Separatormaterial beispielsweise auch Festelektrolyte wie Polymerelektrolyt- Membranen verwendet werden.
Bei dem elektrisch isolierenden Material handelt es sich beispielsweise um einen Kunststoff oder ein keramisches Material. Isolatoren sind aus dem Stand der Technik ebenfalls hinreichend bekannt. Die erfindungsgemäße faser- oder fadenförmige Batterie oder die faser- oder fadenförmigen Elektroden, die eine erfindungsgemäße Batterie um- fasst, weisen bevorzugt eine Länge im Bereich zwischen 5 mm und 10 m auf, ihr Durchmesser liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 mm und 5 mm. Sowohl Hohldurchmesser als auch Länge können im Grunde beliebig gewählt werden, abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall.
Auch ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie, insbesondere einer Batterie, wie sie oben beschrieben ist, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Ein solches Verfahren umfasst stets die Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial auf einer Faser oder einem Faden aus einem ersten elektrisch leitenden Material.
Anschließend wird gegebenenfalls eine mantelartige Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial auf der mantelartigen Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial gebildet.
In bevorzugten Ausführungsformen schließt sich daran die Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem zweiten Elektrodenmaterial auf der mantelartigen Schicht aus dem ionenleitenden Separatormaterial an sowie die Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem zweiten elektrisch leitenden Material auf der mantelartigen Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial.
An letzteren Schritt kann sich wiederum die Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf der mantelartigen Schicht aus dem zweiten elektrisch leitenden Material anschließen.
Sowohl in Bezug auf Beschaffenheit und Eigenschaften des ersten und des zweiten Elektrodenmaterials, des ersten und des zweiten elektrisch leitenden Materials, des ionenleitenden Separatormaterials und des elektrisch isolierenden Materials wird auf die obigen Ausführungen zur erfindungsgemäßen Batterie verwiesen. Die so hergestellten Elektroden oder Batterien können in Folgeschritten, beispielsweise in Webschritten, zu den oben beschriebenen Batterien weiterverarbeitet werden.
Beispielsweise wird in besonders bevorzugten Ausführungsformen der / die mit der mantelartigen Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial beschichtete Faden / Faser aus dem ersten elektrisch leitenden Material in eine Matrix aus dem ionenleitenden Separatormaterial eingebracht.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird der / die mit der mantelartigen Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial und der mantelartigen Schicht aus dem ionenleitenden Separatormaterial beschichtete Faden / Faser aus dem ersten elektrisch leitenden Material in eine Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial eingebracht wird.
Auch diesbezüglich wird auf die obigen Ausführungen Bezug genommen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung der Zeichnungen sowie bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können einzelne Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
Figurenbeschreibung
Fig.1 zeigt schematisch den Querschnitt einer faserförmigen erfindungsgemäßen Batterie 100 mit koaxialem Aufbau. Die erfindungsgemäße Batterie 100 weist als Ableiter eine faser- förmige Seele 101 aus einem ersten elektrisch leitenden Material auf. Diese wird mantelartig von der Schicht 102 aus einem ersten Elektrodenmaterial umschlossen. Eine um die Schicht 102 konzentrisch angeordnete Schicht 103 aus einem ionenleitenden Separatormaterial trennt das erste Elektrodenmaterial von der mantelartigen Schicht 104, die aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial besteht. Diese ist wiederum von einer als Ableiter dienenden Schicht 105 aus einem zweiten elektrisch leitenden Material umschlossen. zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsfrom einer erfindungsgemäßen Batterie 200, bei der mehrere faserförmige Elektroden 201 , jeweils bestehend aus einer als Ableiter dienenden fa- serförmigen Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material und einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial, gemeinsam mit mehreren weiteren faserförmigen Elektroden 202, jeweils bestehend aus einer als Ableiter dienenden faserförmigen Seele aus einem zweiten elektrisch leitenden Material und einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem zweiten Elektrodenmaterial in eine Matrix aus dem ionenleitenden Separatormaterial 203 eingebettet sind. Die faserförmigen Elektroden 202 und die faserförmigen Elektroden 203 liegen in der Matrix jeweils in Form eines Gewebes vor. Die entgegengepolten Gewebe sind in unterschiedlichen Ebenen der Matrix angeordnet und berühren sich nicht. zeigt zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsfrom einer erfindungsgemäßen Batterie 300. Diese umfasst mehrere faserförmige Elektroden 301 , jeweils bestehend aus einer als Ableiter dienenden faserförmigen Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material, einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial und einer die Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial mantelartig umschließenden Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial. Die Elektroden 301 liegen in gewebter Form vor (alternativ auch in ungeweb- te Form, beispielsweise filz- oder vliesartig) und sind in eine Matrix 302 aus einem zweiten Elektrodenmaterial eingebettet. Die Matrix 302 samt den darin eingebetteten Elektroden 301 steht dabei in direktem Kontakt zu der Metallfolie 303, die als Ableiter für das zweite Elektrodenmatrial dient. zeigt zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsfrom einer erfindungsgemäßen Batterie 400. Diese umfasst mehrere faser- förmige Elektroden 401 , jeweils bestehend aus einer als Ableiter dienenden faserförmigen Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material, einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial und einer die Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial mantelartig umschließenden Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial. Weiterhin umfasst die Batterie 400 die als zweiter Ableiter dienenden Fasern 402 aus einem zweiten elektrisch leitenden Material. Sowohl die Fasern 402 als auch die Elektroden 401 sind in eine Matrix 403 aus einem zweiten Elektrodenmaterial eingebettet und liegen in dieser in gewebter Form vor. Zur Herstellung des Gewebes 404 wurden die Elektrodenfasern 401 als Kettfäden und die Ableiterfasern 402 als Schussfäden verwendet.
Alternativ ist es möglich, dass die Elektroden 401 und die Fasern 402 in einer ungewebten, z.B. filz- oder vliesartigen Struktur in der Matrix vorliegen. zeigt zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsfrom einer erfindungsgemäßen Batterie 500. Diese umfasst die Elektrode 501 , bestehend aus einer als Ableiter dienenden faserförmigen Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material, einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial und einer die Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial mantelartig umschließenden Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial. Weiterhin umfasst sie die Elektrode 502, bestehend aus einer als Abieiter dienenden faser- förmigen Seele aus einem zweiten elektrisch leitenden Material, einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem zweiten Elektrodenmaterial und einer die Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial mantelartig umschließenden Schicht aus dem gleichen ionenleitenden Separatormaterial, das auch Bestandteil der Elektrode 501 ist. Die beiden Elektroden sind auf dem Spulenkörper 503 aufgewickelt, der aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Polypropylen, besteht. An seinen beiden Längsenden weist der Spulenkörper 503 die Stirnplatten 504 und 505 auf. Diese bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Stahlblech. An den Punkten 506 und 507 sind die Seelen der Elektroden 501 und 502 an die Stirnplatten 504 und 505 gekoppelt, beispielsweise durch Verschweißung oder Verlötung.
Eine solche Batterie in Spulenform kann beispielsweise mit einem geeigneten Elektrolyten getränkt und in ein Knopfzellengehäuse eingesetzt werden, so dass die negativ geladene Stirnplatte in elektrischem Kontakt mit dem Knopfzellendeckel und die positiv geladene Stirnplatte in elektrischem Kontakt mit mit dem Knopfzellenbecher steht. Geeignet sind insbesondere Knopfzellengehäuse, wie sie in der WO 2010/089152 beschrieben sind.
Ausführungsbeispiele
Herstellung der erfindungsgemäßen Batterie 100 Als Seele 101 dient z.B. eine Aluminiumfaser mit einem Durchmesser von ca. 1 mm. Zur Beschichtung dieser Seele mit einem Mantel aus einem ersten Elektrodenmaterial kann sie durch einen ersten Behälter geführt werden, der mit einer Suspension von 90 Gew.-% Lithiumkobaltoxid-Partikeln, 5 Gew.-% eines als Elektrodenbinder dienenden PVDF-Polymers und 5 Gew.-% Ruß in N- Methyl-Pyrrolidon (NMP) befüllt ist (sämtliche Gewichtsangaben beziehen sich auf den Feststoffanteil der Suspension). Bei dem ersten Behälter handelt es sich beispielsweise um eine Ziehdüse.
Ziehdüsen sind dem Fachmann bekannt, sie kommen beispielsweise bei der Beschichtung von optischen Leitern zum Einsatz. So lassen sich zur Beschichtung der Seele 101 beispielsweise die in der DE 698 01 730 T2 beschriebenen Düsen und Vorrichtungen einsetzen. Wichtig ist bei der Auswahl geeigneter Düsen, dass der Durchmesser des Düsenauslasses größer ist als der Durchmesser der Seele 101. Die Differenz der Durchmesser bestimmt die Dicke des Mantels aus dem ersten Elektrodenmaterial.
Die aus dem Behälter austretende Seele weist einen lösungsmit- telhaltigen Mantel 102 aus dem ersten Elektrodenmaterial auf. Bei der nachfolgenden Trocknung der beschichteten Seele wird das NMP entfernt.
Gegebenenfalls kann auch eine Düse mit sternförmigem Düse- nauslass verwendet werden, so dass ein Mantel 102 mit sternförmigem Querschnitt und einer entsprechend sehr viel größeren Oberfläche resultiert.
Um um die aufgebrachte Schicht 102 aus dem ersten Elektrodenmaterial einen Mantel 103 aus einem ionenleitenden Separatormaterial aufzubringen, wird die gemäß (1 ) beschichtete Seele durch einen zweiten Behälter geführt, der mit einer auf 50 °C erwärmten Lösung aus Polyvinylidendifluorid (PVdF) in einer Mi- schung aus Aceton und einem geringen Anteil an Dibutylphtalat befüllt ist. Es bildet sich ein dünner PVdF-Mantel auf der die Seele ummantelnden Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial.
Auch als zweiter Behälter eignet sich insbesondere eine Ziehdüse, wie sie z.B. in der DE 698 01 730 T2 beschrieben ist.
Im PVdF-Mantel enthaltenes Dibutylphtalat wird nach einer kurzen Trockenzeit mittels n-Hexan extrahiert.
Zur Ummantelung der gemäß (2) gebildeten Schicht 103 aus dem ionenleitenden Separatormaterial wird die nun zweifach ummantelte Seele durch einen dritten Behälter geführt, idealerweise wieder eine Ziehdüse. Dieser ist befüllt mit einer Suspension von 90 Gew.-% Graphit-Partikeln, 5 Gew.-% eines als Elektrodenbinder dienenden PVDF-Polymers und 5 Gew.-% Ruß in Aceton mit geringen Anteilen Dibutylphtalat. Es bildet sich ein dünner Film aus dem zweiten Elektrodenmaterial auf der Schicht 103 aus dem ionenleitenden Separatormaterial.
Im Film enthaltenes Dibutylphtalat wird nach einer kurzen Trockenzeit ebenfalls mittels n-Hexan extrahiert. Die Schichten 103 und 104 werden anschließend mit einer 1 -molaren Lösung von LiPF6 in einer Mischung aus Ethylencarbonat getränkt.
Zur Ummantelung der gemäß (3) gebildeten Schicht 104 aus dem zweiten Elektrodenmaterial mit einer als zweiter Abieiter dienenden Schicht 105 wird auf die nun dreifach ummantelte Seele eine elektrisch leitfähige Paste enthaltend Silberpartikel aufgebracht, beispielsweise ebenfalls mittels einer Ziehdüse, wie sie bereits erwähnt wurde.
Zur elektrischen Kontaktierung der Batterie 100 ist es erforderlich, die Seele 100 in einem Teilbereich, beispielsweise an einem End- stück, zu entmanteln. Zwischen die Seele 100 und die Schicht 105 kann dann ein elektrischer Verbraucher geschaltet werden.
(5) Auf die Schicht 105 wird gegebenenfalls abschließend eine Hüllschicht aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht, beispielsweise durch Extrusion. Als elektrisch isolierenden Material kann beispielsweise PVC oder Polypropylen dienen.
Herstellung der erfindungsgemäßen Batterie 500
(1 ) Die Elektroden 501 und 502 wurden analog zu den Schritten (1 ) bis (3) der Herstellung der Batterie (1 ) produziert. Zur Herstellung der Elektrode 501 wurde dabei eine Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material mit einem Mantel aus einem ersten Elektrodenmaterial beschichtet, der anschließend mit einem ionenleitenden Separatormaterial überzogen wurde. Zur Herstellung der Elektrode 502 wurde eine Seele aus einem zweiten elektrisch leitenden Material mit einem Mantel aus einem zweiten Elektrodenmaterial beschichtet, der anschließend mit dem gleichen ionenleitenden Separatormaterial überzogen wurde.
(2) Jeweils ein Endstück der so gewonnenen Elektrodenfasern 501 und 502, in dem die Seele freilag, wurde durch Verschweißung mit den aus Stahlblech bestehenden Stirnplatten 504 und 505 verschweißt. Anschließend wurden die Elektrodenfasern auf dem Spulenkörper 503 aufgewickelt.

Claims

Patentansprüche
Batterie, gekennzeichnet durch mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode, die die folgenden Komponenten umfasst:
(a) Eine als Abieiter dienende faser- oder fadenförmige Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material und
(b) eine die Seele mantelartig umschließende Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial.
Batterie nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch mindestens eine weitere faser- oder fadenförmige Elektrode, die die folgenden Komponenten umfasst:
(aa) Eine als Abieiter dienende faser- oder fadenförmige Seele aus einem zweiten elektrisch leitenden Material und
(bb) eine die Seele mantelartig umschließende Schicht aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial.
Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode und die mindestens eine weitere faser- oder fadenförmige Elektrode mindestens teilweise in eine Matrix eingebettet sind, die aus einem ionenleitenden Separatormaterial besteht.
Batterie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine fadenförmige Elektrode folgende Komponenten umfasst:
(a) Die als erster Abieiter dienende faser- oder fadenförmige Seele aus dem ersten elektrisch leitenden Material,
(b) die die Seele mantelartig umschließende Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial und (c) eine die Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial mantelartig umschließende Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial.
Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode mindestens teilweise in eine Matrix eingebettet ist, die aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial besteht.
Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrix neben der mindestens einen faser- oder fadenförmigen E- lektrode mindestens ein / eine als zweiter Abieiter dienende(r) Faden / Faser aus einem zweiten elektrisch leitendem Material eingebettet ist und/oder dass die Matrix in direktem Kontakt zu einem flächigen, als zweiter Abieiter dienenden Substrat aus dem zweiten elektrisch leitenden Material steht.
Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
(d) eine Schicht aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial die Schicht aus dem ionenleitenden Separatormaterial mantelartig umschließt,
(e) eine als zweiter Abieiter dienende Schicht aus einem zweiten elektrisch leitenden Material die Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial mantelartig umschließt, und gegebenenfalls
(f) eine Hüllschicht aus einem elektrisch isolierenden Material die Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial mantelartig umschließt.
8. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie oder die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode, letztere gegebenenfalls in Kombination mit
• der mindestens einen weiteren faser- oder fadenförmigen E- lektrode oder mit
• dem / der mindestens einen als zweiter Abieiter dienenden Faden / Faser aus dem zweiten elektrisch leitendem Material als textiles Flächengebilde vorliegt, insbesondere in einer filzartigen oder in einer gewebten Struktur.
9. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite elektrisch leitende Material ein Metall oder ein elektrisch leitendes Synthetik- material ist.
10. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Elektrodenmaterial ein elektrochemisches Aktivmaterial, einen Binder und gegebenenfalls ein leitfähigkeitsverbesserndes und/oder ein sonstiges Additiv umfasst.
1 1. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Separatormaterial eine poröse Matrix, beispielsweise eine Kunststoffmatrix, umfasst sowie einen Elektrolyten aus einem Lösungsmittel und darin gelöstem Leitsalz.
12. Batterie nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material ein Kunststoff ist.
13. Verfahren zur Herstellung einer Batterie, insbesondere einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte
(a) Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial auf einer Faser oder einem Faden aus einem ersten elektrisch leitenden Material, sowie gegebenenfalls
(b) Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial auf der mantelartigen Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial sowie gegebenenfalls
(c) Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem zweiten Elektrodenmaterial auf der mantelartigen Schicht aus dem ionenleitenden Separatormaterial sowie
(d) Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem zweiten elektrisch leitenden Material auf der mantelartigen Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial sowie gegebenenfalls
(e) Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf der mantelartigen Schicht aus dem zweiten elektrisch leitenden Material.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass
• der / die gemäß (a) beschichtete Faden / Faser in eine Matrix aus einem ionenleitenden Separatormaterial eingebracht wird oder dass • der / die gemäß (a) und (b) beschichtete Faden / Faser in eine Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial eingebracht wird.
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