EP3692586A1 - Electrode comprising elemental lithium, and manufacturing process - Google Patents

Electrode comprising elemental lithium, and manufacturing process

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EP3692586A1
EP3692586A1 EP18780035.4A EP18780035A EP3692586A1 EP 3692586 A1 EP3692586 A1 EP 3692586A1 EP 18780035 A EP18780035 A EP 18780035A EP 3692586 A1 EP3692586 A1 EP 3692586A1
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EP
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active material
lithium
electrode
binder
material composition
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Withdrawn
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EP18780035.4A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Heiko Graebe
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • Electrode comprising elemental lithium and manufacturing process
  • the invention relates to an electrode for an electrochemical cell, in particular a solid-state cell, which in addition to an active material elemental lithium and was prepared without the addition of solvents.
  • the subject matter is also the manufacturing process and the use of the electrode in a solid state cell.
  • Lithium-ion batteries often use graphite as an anode active material, which is characterized by good Coloumb efficiency and low
  • Charge loss in the first charge cycle is characterized. During operation of such an electrochemical cell is formed on the surface of the
  • SEI solid-electrolyte interphase
  • Impurities such as traces of water
  • by-products e.g., LiOH
  • the invention relates to an electrode for an electrochemical cell, comprising at least one current collector and at least one
  • An active material composition wherein the active material composition comprises at least one active material, elemental lithium and at least one
  • Binder comprises and was prepared without the use of solvents.
  • the current collector consists of an electrically conductive material. Suitable materials from which the current collector may be formed are, for example, aluminum, copper, nickel or even alloys of these metals. Particularly preferred are aluminum and / or copper.
  • the layer thickness of the current collector is not particularly limited and ranges for example from 1 to 500 ⁇ , in particular from 5 to 200 ⁇ . Preferably, the current collector is designed flat.
  • the active material composition comprises at least one active material, elemental lithium and at least one binder and is arranged on at least one surface of the at least one current collector and electrically conductively connected thereto.
  • any active material which is suitable as the active material of an electrode of an electrochemical cell and optionally undergoes an irreversible reaction with the lithium contained in the cell to form a solid electrolyte interphase (SEI) and the lithium may be used as the active material so that
  • SEI solid electrolyte interphase
  • the active material comprises a carbon-based active material.
  • the active material comprises graphite or consists of graphite.
  • Graphite is particularly suitable as an active material for negative electrodes (anodes) of electrochemical cells and is characterized by a good Coloumb efficiency and low charge loss in the first charge cycle. During the first charge cycles, however, irreversible reactions with lithium lead to SEI formation on the surface of the graphite. This is a loss of lithium, which is available for energy storage in the electrochemical cell connected.
  • the graphite is used in the form of particles. These preferably have an average particle size of> 0.1 nm and ⁇ 100 ⁇ m, more preferably in a range of> 1 nm and ⁇ 1 ⁇ m, in particular in a range of> 10 nm and ⁇ 100 nm.
  • the active material composition additionally comprises elemental (metallic) lithium.
  • the lithium may in principle be in any form within the active material composition, e.g. in the form of particles, foils, strips, wires and / or pieces.
  • the lithium is distributed as homogeneously as possible in the active material composition, so that in a particularly preferred embodiment the lithium is in the form of particles in the active material composition.
  • Particles in the sense of this invention are particles of a uniform chemical composition which can be delimited from the environment by a surface and have an average particle diameter of less than 1 mm.
  • the smallest particle in the sense of this definition consists of at least two identical atoms or molecules, eg two lithium atoms.
  • the lithium particles according to the present invention have an average particle diameter of> 0.1 nm to ⁇ 100 ⁇ , more preferably from> 1 nm to ⁇ 1 ⁇ , in particular from> 10 nm to ⁇ 100 nm.
  • Films in the sense of this invention are planar structures of a uniform chemical composition, which is defined by a surface of the
  • Surrounding neighborhood and their greatest extent in two of the three spatial directions at least ten times, preferably at least one hundred times, especially at least one thousand times the extent to the third
  • lithium foils have a thickness (i.e., an extension in the third spatial direction) of> 0.1 nm to ⁇ 100 ⁇ m, more preferably from> 1 nm to ⁇ 1 ⁇ m, in particular from> 10 nm to ⁇ 100 nm.
  • Strips in the sense of this invention are flat structures of a uniform chemical composition which can be obtained by or from the surface of the
  • Surround boundaries and their largest extension in one of the three spatial directions at least ten times, preferably at least one hundred times, especially at least one thousand times the extent to the second
  • Lithium strips have, for example, a thickness (ie an extension in the second spatial direction) of> 0.1 nm to ⁇ 100 ⁇ m, more preferably from> 1 nm to ⁇ 1 ⁇ m, in particular from> 10 nm to ⁇ 100 nm and can be achieved, for example the cutting of films are obtained.
  • wires are three-dimensional structures of a uniform chemical composition that can be delimited from the environment by a surface and whose greatest extent is essentially equal in two of the three spatial directions and whose expansion in the third spatial direction is at least ten times, preferably at least
  • Lithium wires are preferred an extent in two of the three spatial directions of the second spatial direction of> 0.1 nm to ⁇ 1 mm, more preferably of> 1 ⁇ to ⁇ 1 mm,
  • Pieces in the sense of this invention are particles of a uniform chemical composition which can be delimited from the environment by a surface and have an average particle diameter of> 100 ⁇ m.
  • lithium pieces according to the present invention have an average particle diameter of> 0.5 mm to ⁇ 1 cm, more preferably from> 1 mm to ⁇ 10 mm, in particular from> 1 mm to ⁇ 5 mm.
  • the lithium is used in an amount sufficient to compensate for the loss of lithium through the formation of the SEI. This amount depends on the active material and the operating conditions of the
  • the lithium is used in an amount of 0.1 to 5 wt .-%, preferably 0.1 to 1 wt .-%, based on the total weight of the active material of the electrode.
  • the elemental (metallic) lithium preferably has a purity of at least 95%, more preferably at least 98%, and
  • the active material composition comprises at least one
  • the at least one binder comprises at least one polymer selected from polyethylene oxide (PEO), a
  • Polyoxalic acid esters in particular polyethylene oxide (PEO) and / or a copolymer of polyethylene oxide.
  • Polyethylene oxide (also polyethylene glycol) is a polymer which is composed of the repeating unit (-CH 2 -CH 2 -O-) and preferably comprises 10 to 1000, in particular 20 to 500 repeating units per molecule.
  • Copolymers of the polyethylene oxide include, in particular, block copolymers of at least one polyethylene oxide block and at least one block of an ionically or radically polymerizable monomer, in particular styrene or a styrene derivative (eg ⁇ -methylstyrene).
  • a particularly preferred copolymer is a polyethylene oxide / b7 polystyrene block copolymer.
  • Polymalonic acid esters include repeat units of the general formula
  • R 1 , R 2 H or F
  • R 3 organic radical, in particular alkyl radical of the formula - (Chbjm-, where m is an integer from 1 to 10, preferably 2 to 8, and
  • n 2 to 1000, in particular 10 to 500.
  • Polyoxalic acid esters include repeat units of the general formula
  • R 4 organic radical, in particular alkyl radical of the formula - (CH 2) q -, where q is an integer from 1 to 10, preferably 2 to 8; and
  • p 2 to 1000, in particular 10 to 500.
  • the active material composition may also contain conductive additives such as carbon black, carbon nanotubes (CNT) and / or carbon fibers
  • VGCF vapor-grown carbon fibers
  • ionic compounds in particular lithium salts.
  • Suitable lithium salts are in particular those which are also present in
  • Active material composition produced substantially without the use of solvents. That is, no solvents are added during the preparation of the active material composition and the active material composition is substantially free of solvents, i.
  • Solvents in this case are liquid compounds at room temperature which are capable of at least partially dissolving the at least one binder.
  • Active material composition is preferably done with the production method of the invention as more fully explained herein. This allows the substantially solvent-free production of a
  • Active material composition in particular in the form of a freestanding active material composition film, which is subsequently applied to the
  • the invention also relates to the use of an electrode according to the invention in an electrochemical solid-state cell, in particular as a negative electrode in a solid-state electrochemical cell.
  • Electrode furthermore at least one solid electrolyte and at least one positive electrode.
  • the solid electrolyte is characterized in that it comprises or consists of a material which is substantially solid at room temperature and at least at operating temperature has sufficient ionic conductivity to ensure the transport of ions, in particular lithium ions, between the electrodes.
  • the solid electrolyte is not electrically conductive. As a solid electrolyte can in principle all the
  • the solid-state electrochemical cell comprises at least one polymer electrolyte.
  • This preferably comprises at least one polymer and at least one conducting salt.
  • Suitable polymers include polyalkylene oxides such as polyethylene oxide (PEO) and polypropylene oxide (PPO) and copolymers thereof.
  • the polymer comprises a polyethylene oxide (PEO) and / or a copolymer of polyethylene oxide.
  • the polymer of the polymer electrolyte is identical to the at least one binder of the negative electrode of the electrochemical solid-state cell according to the invention.
  • Suitable conductive salts are in particular lithium salts.
  • the conductive salt may for example be selected from the group consisting of lithium perchlorate (L1CIO4),
  • LiPFe Lithium tetrafluoroborate
  • LiPFe lithium hexafluorophosphate
  • Lithium hexafluoroarsenate LiAsFe
  • Litrifluoromethanesulfonate Li1SO3CF3
  • LiN S02CF 3 lithium bis (trifluormethylsulphonyl) imide
  • Lithium bis (pentafluoroethylsulphonyl) imide LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2
  • Lithium bis (oxalato) borate LiBOB, LiB (C2C> 4) 2), lithium difluoro (oxalato) borate (LiBF 2 (C 2 C> 4)), lithium tris (pentafluoroethyl) trifluorophosphate (LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3) and combinations thereof.
  • LiBOB LiB (C2C> 4)
  • LiBF 2 (C 2 C> 4) lithium tris (pentafluoroethyl) trifluorophosphate
  • LiPF 3 C 2 F 5
  • Conducting salt a proportion of 1 to 5 wt .-%, in particular 2 to 3 wt .-% of the total weight of the polymer electrolyte.
  • Electrodes are used, which are used as positive electrodes in
  • Electrochemical solid-state cells especially in lithium-containing
  • electrochemical solid-state cells can be used. These usually comprise at least one current collector, as well as at least one
  • the active material composition disposed on and electrically connected to at least one surface of the at least one current collector.
  • the current collector is made of an electrically conductive material and may otherwise be formed like the current collector of the negative electrode according to the invention.
  • the active material composition comprises at least one active material and usually at least one
  • the positive active material usually includes compounds, which are able to reversibly take up and release lithium ions.
  • Typical positive active materials are mixed oxides which comprise lithium and at least one metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, manganese (so-called NCM mixed oxides). Examples include: L1C0O2, lithium-nickel-cobalt-aluminum oxides (eg LiNio.eCoo.isAlo.osCh;
  • Tavorite compounds eg LiVP0 4 F
  • Ü2Mn03 Li1.17Nio.17Coo.1Mno.56O2
  • Ü3V2 (P0 4 ) 3 are highlighted as suitable positive active materials.
  • Common positive electrode binders include styrene-butadiene copolymer (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethene (PTFE),
  • Carboxymethylcellulose CMC
  • PAA polyacrylic acid
  • PVA polyvinyl alcohol
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • Active material composition preferably still conductive additives, e.g. Conductive carbon black.
  • the solid-state electrochemical cell may optionally comprise at least one separator which is between the negative and the positive
  • Electrode is arranged.
  • the purpose of the separator is to protect the electrodes from direct contact with each other, thus preventing a short circuit.
  • the separator must ensure the transfer of ions from one electrode to another. It is therefore important that the separator is electrically non-conductive, but has the highest possible ion conductivity, in particular with respect to lithium ions.
  • Suitable materials are in particular polymers, such as polyolefins, polyesters and fluorinated polymers. Particularly preferred polymers are polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethene (PTFE) and Polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • PVDF Polyvinylidene fluoride
  • the solid electrolyte takes over the role of the separator, so that it is not necessary.
  • the invention also provides a process for solvent-free
  • PEO polyethylene oxide
  • steps (i) to (vi) use a solvent.
  • process steps (i), (ii) and (iii) can be carried out separately or simultaneously. Likewise, the process steps (iv) and (v) can be carried out separately or at the same time.
  • the elemental lithium is in a preferred embodiment of the
  • the at least one binder preferably comprises PEO and / or a copolymer of PEO.
  • the at least one binder is preferably used in the form of particles, in particular in the form of particles having an average particle diameter of> 0.1 nm and ⁇ 100 ⁇ , more preferably in a range of> 1 nm and ⁇ 1 ⁇ , in particular in a range of> 10 nm and ⁇ 100 nm.
  • a homogeneous mixture of the at least one active material, the elemental lithium and the at least one binder is prepared. This can be done by any mixing method known to those skilled in the art, provided that this mixing method is suitable for the preparation of homogeneous mixtures of particles of said particle sizes. Suitable mixing devices are: mixer with movable
  • Mixing tools e.g., screw mixers, paddle mixers,
  • Plowshare mixers Plowshare mixers
  • moving vessel mixers e.g., drum mixers, cone mixers
  • pneumatic mixers e.g., fluidized bed mixers
  • process step (v) kinetic and / or thermal energy is introduced into the homogeneous mixture obtained in process step (iv).
  • adhesive bonds are formed between the at least one active material, the elemental (metallic) lithium and the at least one binder.
  • the at least one binder comprises at least one polymer selected from polyethylene oxide (PEO), a copolymer of
  • Polyoxalklareester These polymers are characterized by being at Room temperature are comparatively soft, and have a low glass transition temperature and a low melting temperature. Binders are preferably used which have a glass transition temperature T g of ⁇ 20 ° C, in particular ⁇ 10 ° C and / or a melting temperature T m of ⁇ 150 ° C, in particular ⁇ 100 ° C. Particles of these binders can by the introduction of kinetic and / or thermal energy a
  • this adhesive bond is formed by subjecting the homogeneous mixture at least temporarily, i. for a period of at least 1 minute, preferably at least 5 minutes, to one
  • Temperature is heated, which is greater than or equal to the melting temperature of the at least one binder, while the homogeneous mixture is further, preferably continuously, mixed.
  • a mixing device for this purpose, one of the aforementioned mixing devices can be used.
  • the resulting active material composition is then cooled, preferably without further mixing. After cooling, a shapable, pasty, homogeneous active material composition is obtained.
  • the adhesive bond is formed by a kinetic energy is at least briefly entered into the homogeneous mixture, which allows at least partial plasticization of the binder. This can be done, for example, by accelerating and selectively colliding the particulate constituents of the homogeneous mixture from process step (iv).
  • the process step (v) is carried out in a jet mill or a ball mill. Particularly preferred is the use of a jet mill. This allows a speedy at least partially
  • a homogeneous mixture of active material and elemental lithium is first prepared in step (iv), wherein the elemental lithium is optionally comminuted by appropriate (kinetic) energy input in step (iv) into particles into the mixture if necessary. Only then is the binder added and by further energy input in the form of kinetic and / or thermal energy, the formation of
  • the method steps (iv) and (v) are carried out in the same mixing device, in particular in a jet mill. This allows a reduction in the number of process steps.
  • mixing of the components at low energy input i. be carried out at low power of the jet mill.
  • Jet mill instead, which allows at least a partial plasticization of at least one binder.
  • the at least one active material and the lithium can first be mixed alone in a jet mill and, if necessary, comminuted. Subsequently, the binder is added and the formation of the adhesive bonds takes place.
  • the moldable, pasty, homogeneous active material composition is then in a further process step (vi) to a
  • substrate surface applied.
  • the substrate surface in the sense of this invention, in particular the surface of a tool, the surface of a
  • Support material e.g., a plastic film
  • surface of a plastic film e.g., a plastic film
  • the substrate surface is the surface of a tool, eg, the surface of a treadmill. This is preferably made of plastic.
  • Active material composition can in this case at the end of the
  • Production process can be removed as a free-standing active material composition film. This may then be detached from the substrate surface and applied to a current collector, e.g. at a temperature above the
  • the substrate surface is the surface of a current collector. In this case, no free-standing active material film is produced, but an electrode is obtained.
  • the method steps (v) and (vi) are carried out together in a calender.
  • the homogeneous mixture of active material and elemental lithium prepared in step (iv) is added to the calender, processed by additions of thermal and kinetic energy to a homogeneous, preferably moldable (pasty) mass and applied to a substrate surface. This can be done by a pressing process, a calendering process or a combination thereof. This gives a freestanding active material composition.
  • the active material layer preferably at a temperature above the glass transition temperature T g of the at least one
  • Binder is compacted by a press, a punch or a roller.
  • the densification step may additionally be carried out under the action of heat in order to prevent the binder from adhering to the surface of the substrate
  • Support current collector and cause a permanent consolidation. If the substrate surface is not the current collector, preferably no heat is supplied.
  • Inertgasatmospreheat such as dried argon or nitrogen atmosphere.
  • the invention also provides the use of the method according to the invention for producing an active material composition film for an electrode according to the invention.
  • the electrode according to the invention and the electrochemical solid-state cell according to the invention find advantageous use in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), in a plug-in hybrid vehicle (PHEV), in a tool or in a consumer electronics product. Under tools are in particular home tools and garden tools to understand. Consumer electronics products are in particular mobile phones, tablet PCs or notebooks.
  • the electrode according to the invention makes it possible to introduce additional elemental lithium into an electrochemical cell, which can compensate for the loss of lithium in the electrochemical cell which occurs as a result of the formation of a solid electrolyte interphase.
  • the production process also makes it possible to minimize the occurrence of side reactions of the lithium with the solvent and any impurities contained therein and the associated loss of elemental lithium in the active material composition of the electrode.
  • Figure 1 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 1 the structure of a solid-state electrochemical cell 1 is shown schematically.
  • a negative electrode 21 comprising a current collector 31 and an active material composition 41 is connected to the negative terminal 11 via the current collector 31.
  • a positive electrode 22 which also comprises an active material composition 42 and a current collector 32, via which the positive electrode 22 is connected to the positive terminal 12 for discharge.
  • the negative electrode 21 and the positive electrode 22 are disposed in a cell case 2.
  • the solid electrolyte 15 mechanically separates the negative electrode 21 and the positive electrode 22 from each other and simultaneously makes an ion conductive bond between the negative electrode 21 and the positive electrode 22.
  • the solid electrolyte 15 thus also assumes the role of the separator.
  • the active material composition 41 of the negative electrode 21 includes, for example, graphite as the active material, elemental lithium, and
  • Polyethylene oxide as a binder Preferably, the polyethylene oxide additionally comprises a conductive additive, for example Li (CF 3 ) SO 2 NSO 2 (CF 3 ) (LiTFSI).
  • the current collector 31 is preferably made of a metal, for example of copper.
  • the active material composition 42 of the positive electrode 22 includes, for example, an N-CM mixed oxide as an active material and further at least one binder such as a binder. Carboxymethylcellulose (CMC), as well as a conductive additive, e.g. Conductive carbon black.
  • the current collector 32 is preferably made of a metal, e.g. made of aluminium.
  • a polymer electrolyte for example, a mixture of polyethylene oxide and Li (CF 3 ) SO 2 NSO 2 (CF 3 ) (LiTFSI) is used.

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Abstract

The invention relates to an electrode for an electrochemical cell, comprising at least one current collector and at least one active material composition which contains at least one active material, elemental lithium and at least one binder and which is made without using solvents.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Elektrode umfassend elementares Lithium und Herstellungsverfahren  Electrode comprising elemental lithium and manufacturing process
Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Festkörperzelle, welche neben einem Aktivmaterial elementares Lithium umfasst und ohne die Zugabe von Lösungsmitteln hergestellt wurde. Gegenstand ist auch das Herstellungsverfahren sowie die Verwendung der Elektrode in einer Festkörperzelle. The invention relates to an electrode for an electrochemical cell, in particular a solid-state cell, which in addition to an active material elemental lithium and was prepared without the addition of solvents. The subject matter is also the manufacturing process and the use of the electrode in a solid state cell.
Stand der Technik State of the art
Die Speicherung elektrischer Energie mittels elektrochemischer Primär- oder Sekundärbatterien ist seit vielen Jahren bekannt. Insbesondere The storage of electrical energy by means of electrochemical primary or secondary batteries has been known for many years. In particular
Sekundärbatterien auf Grundlage von Lithium in ionischer oder elementarer Form stehen im Fokus der Forschung. Durch die Entwicklung neuer Aktivmaterialien für die negative Elektrode (Anode) und die positive Elektrode (Kathode) können die Eigenschaften der einzelnen elektrochemischen Zellen und auch der daraus hergestellten Batterien stetig verbessert werden. Secondary batteries based on lithium in ionic or elemental form are the focus of research. Through the development of new active materials for the negative electrode (anode) and the positive electrode (cathode), the properties of the individual electrochemical cells and also of the batteries produced therefrom can be steadily improved.
Herkömmlichen elektrochemische Sekundärbatterien, wie beispielsweise Conventional electrochemical secondary batteries, such as
Lithium- Ionen Batterien, verwenden als Anodenaktivmaterial häufig Graphit, welches sich durch eine gute Coloumb- Effizienz und einen geringen Lithium-ion batteries, often use graphite as an anode active material, which is characterized by good Coloumb efficiency and low
Ladungsverlust im ersten Ladungszyklus auszeichnet. Während des Betriebs einer solche elektrochemischen Zelle bildet sich auf der Oberfläche des Charge loss in the first charge cycle is characterized. During operation of such an electrochemical cell is formed on the surface of the
Aktivmaterials eine sogenannte Solid-Elektrolyte-Interphase (SEI). Diese entsteht durch die Reaktion des Aktivmaterials mit den übrigen Bestandteilen der elektrochemischen Zelle, beispielsweise dem Lithium. Während die Bildung einer (möglichst definierten) SEI teilweise gewünscht ist, ist der Verlust an Lithium aus der elektrochemischen Zelle in der Regel unerwünscht. Das Lithium wird dadurch der elektrochemischen Reaktion zur Energiespeicherung entzogen. Dies beeinflusst die Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Zelle negativ. Im Stand der Technik werden daher Verfahren beschreiben, welche dazu dienen zusätzliches Lithium in die elektrochemische Zelle einzubringen. Das zusätzliche Lithium soll beim späteren Betrieb der elektrochemischen Zelle den durch die Bildung der SEI eintretenden Verlust an Lithium kompensieren. Dazu werden z.B. elementares Lithium oder lithiumorganische Verbindung in den das Active material a so-called solid-electrolyte interphase (SEI). This is due to the reaction of the active material with the remaining components of the electrochemical cell, such as lithium. While the formation of a (as defined) SEI is sometimes desired, the loss of lithium from the electrochemical cell is generally undesirable. The lithium is thereby removed from the electrochemical reaction for energy storage. This adversely affects the performance of the electrochemical cell. The prior art therefore describes processes which serve to introduce additional lithium into the electrochemical cell. The additional lithium is intended to compensate for the loss of lithium occurring during the later operation of the electrochemical cell due to the formation of the SEI. For this example, elemental lithium or organolithium compound in the
Aktivmaterial eingebracht. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass beide Verbindungen hochreaktiv sind und bei der Herstellung der Elektrode auch mit den üblicherweise verwendeten Lösungsmitteln oder darin enthaltenen  Active material introduced. These processes have the disadvantage that both compounds are highly reactive and in the preparation of the electrode with the commonly used solvents or contained therein
Verunreinigungen (wie Spuren von Wasser) reagieren können. So kommt es zu weiterem Verlust an Lithium, sowie zur Bildung von Nebenprodukten (z.B. LiOH,Impurities (such as traces of water) can react. Thus, there is further loss of lithium, as well as the formation of by-products (e.g., LiOH,
H2), die die Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Zelle gegebenenfalls negativ beeinflussen können. H2), which may negatively affect the performance of the electrochemical cell.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens einen Stromsammler und mindestens eine The invention relates to an electrode for an electrochemical cell, comprising at least one current collector and at least one
Aktivmaterialzusammensetzung, wobei die Aktivmaterialzusammensetzung mindestens ein Aktivmaterial, elementares Lithium und mindestens ein An active material composition, wherein the active material composition comprises at least one active material, elemental lithium and at least one
Bindemittel umfasst und ohne die Verwendung von Lösungsmitteln hergestellt wurde. Binder comprises and was prepared without the use of solvents.
Der Stromsammler besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Geeignete Materialien, aus denen der Stromsammler gebildet sein kann sind beispielsweise Aluminium, Kupfer, Nickel oder auch Legierungen dieser Metalle. Besonders bevorzugt sind Aluminium und/oder Kupfer. Die Schichtdicke des Stromsammlers ist nicht speziell eingeschränkt und reicht beispielsweise von 1 bis 500 μηη, insbesondere von 5 bis 200 μηη. Vorzugsweise ist der Stromsammler flächig ausgestaltet. The current collector consists of an electrically conductive material. Suitable materials from which the current collector may be formed are, for example, aluminum, copper, nickel or even alloys of these metals. Particularly preferred are aluminum and / or copper. The layer thickness of the current collector is not particularly limited and ranges for example from 1 to 500 μηη, in particular from 5 to 200 μηη. Preferably, the current collector is designed flat.
Die Aktivmaterialzusammensetzung umfasst erfindungsgemäß mindestens ein Aktivmaterial, elementares Lithium und mindestens ein Bindemittel und ist auf mindestens einer Oberfläche des mindestens einen Stromsammlers angeordnet und mit diesem elektrisch leitend verbunden. Als Aktivmaterial kann prinzipiell jedes Aktivmaterial eingesetzt werden, welches als Aktivmaterial einer Elektrode einer elektrochemischen Zelle geeignet ist und während des Betriebs der elektrochemischen Zelle gegebenenfalls mit dem in der Zelle enthaltenen Lithium unter Bildung einer Solid Electrolyte Interphase (SEI) eine irreversible Reaktion eingehen und das Lithium so dem According to the invention, the active material composition comprises at least one active material, elemental lithium and at least one binder and is arranged on at least one surface of the at least one current collector and electrically conductively connected thereto. In principle, any active material which is suitable as the active material of an electrode of an electrochemical cell and optionally undergoes an irreversible reaction with the lithium contained in the cell to form a solid electrolyte interphase (SEI) and the lithium may be used as the active material so that
Stromspeicherungsprozess entziehen kann. In einer bevorzugten Can remove electricity storage process. In a preferred
Ausführungsform umfasst das Aktivmaterial ein Aktivmaterial auf Basis von Kohlenstoff. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Aktivmaterial Graphit oder besteht aus Graphit. Graphit ist insbesondere als Aktivmaterial für negative Elektroden (Anoden) von elektrochemischen Zellen geeignet und zeichnet sich durch eine gute Coloumb- Effizienz und einen geringen Ladungsverlust im ersten Ladungszyklus aus. Während der ersten Ladungszyklen kommt es jedoch durch irreversible Reaktionen mit Lithium zu einer SEI-Bildung auf der Oberfläche des Graphits. Damit ist ein Verlust an Lithium, welches für die Energiespeicherung in der elektrochemischen Zelle zu Verfügung steht, verbunden. Embodiment, the active material comprises a carbon-based active material. In a particularly preferred embodiment, the active material comprises graphite or consists of graphite. Graphite is particularly suitable as an active material for negative electrodes (anodes) of electrochemical cells and is characterized by a good Coloumb efficiency and low charge loss in the first charge cycle. During the first charge cycles, however, irreversible reactions with lithium lead to SEI formation on the surface of the graphite. This is a loss of lithium, which is available for energy storage in the electrochemical cell connected.
Vorzugsweise wird das Graphit in Form von Partikeln eingesetzt. Dies weisen vorzugsweise ein mittlere Teilchengröße von > 0.1 nm und < 100 μηη, stärker bevorzugt in einem Bereich von > 1 nm und < 1 μηη, insbesondere in einem Bereich von > 10 nm und < 100 nm. Preferably, the graphite is used in the form of particles. These preferably have an average particle size of> 0.1 nm and <100 μm, more preferably in a range of> 1 nm and <1 μm, in particular in a range of> 10 nm and <100 nm.
Um den Verlust an Lithium durch die irreversible Reaktion mit dem Aktivmaterial auszugleichen, umfasst die Aktivmaterialzusammensetzung zusätzlich elementares (metallisches) Lithium. Das Lithium kann prinzipiell in jeder beliebigen Form innerhalb der Aktivmaterialzusammensetzung vorliegen, z.B. in Form von Partikeln, Folien, Streifen, Drähten und/oder Stücken. Vorzugsweise ist das Lithium jedoch möglichst homogen in der Aktivmaterialzusammensetzung verteilt, sodass das Lithium in einer besonders bevorzugten Ausführungsform in Form von Partikeln in der Aktivmaterialzusammensetzung vorliegt. In order to compensate for the loss of lithium by the irreversible reaction with the active material, the active material composition additionally comprises elemental (metallic) lithium. The lithium may in principle be in any form within the active material composition, e.g. in the form of particles, foils, strips, wires and / or pieces. Preferably, however, the lithium is distributed as homogeneously as possible in the active material composition, so that in a particularly preferred embodiment the lithium is in the form of particles in the active material composition.
Partikel im Sinne dieser Erfindung sind Teilchen einer einheitlichen chemischen Zusammensetzung, die sich durch eine Oberfläche von der Umgebung abgrenzen lassen und einen mittleren Teilchendurchmesser von weniger als 1 mm aufweisen. Der kleinste Partikel im Sinne dieser Definition besteht aus mindestens zwei identischen Atomen oder Molekülen, z.B. zwei Lithiumatomen. Vorzugsweise weisen die Lithium- Partikel gemäß der vorliegenden Erfindung einen mittleren Teilchendurchmesser von > 0.1 nm bis < 100 μηη, stärker bevorzugt von > 1 nm bis < 1 μηη, insbesondere von > 10 nm bis < 100 nm auf. Particles in the sense of this invention are particles of a uniform chemical composition which can be delimited from the environment by a surface and have an average particle diameter of less than 1 mm. The smallest particle in the sense of this definition consists of at least two identical atoms or molecules, eg two lithium atoms. Preferably, the lithium particles according to the present invention have an average particle diameter of> 0.1 nm to <100 μηη, more preferably from> 1 nm to <1 μηη, in particular from> 10 nm to <100 nm.
Folien im Sinne dieser Erfindung sind flächige Gebilde einer einheitlichen chemischen Zusammensetzung, die sich durch eine Oberfläche von der Films in the sense of this invention are planar structures of a uniform chemical composition, which is defined by a surface of the
Umgebung abgrenzen lassen und deren größten Ausdehnung in zwei der drei Raumrichtungen mindestens zehnmal, vorzugsweise mindestens einhundertmal, insbesondere mindestens eintausendmal der Ausdehnung in die dritte Surrounding neighborhood and their greatest extent in two of the three spatial directions at least ten times, preferably at least one hundred times, especially at least one thousand times the extent to the third
Raumrichtung entspricht. Lithium- Folien weisen beispielweise eine Dicke (d.h. eine Ausdehnung in der dritten Raumrichtung) von > 0.1 nm bis < 100 μηη, stärker bevorzugt von > 1 nm bis < 1 μηη, insbesondere von > 10 nm bis < 100 nm auf.  Spatial direction corresponds. For example, lithium foils have a thickness (i.e., an extension in the third spatial direction) of> 0.1 nm to <100 μm, more preferably from> 1 nm to <1 μm, in particular from> 10 nm to <100 nm.
Streifen im Sinne dieser Erfindung sind flächige Gebilde einer einheitlichen chemischen Zusammensetzung, die sich durch bzw. Oberfläche von der Strips in the sense of this invention are flat structures of a uniform chemical composition which can be obtained by or from the surface of the
Umgebung abgrenzen lassen und deren größten Ausdehnung in einer der drei Raumrichtungen mindestens zehnmal, vorzugsweise mindestens einhundertmal, insbesondere mindestens eintausendmal der Ausdehnung in die zweite Surround boundaries and their largest extension in one of the three spatial directions at least ten times, preferably at least one hundred times, especially at least one thousand times the extent to the second
Raumrichtung, sowie mindestens zehnmal, vorzugsweise mindestens fünfzigmal, insbesondere mindestens einhundertmal der Ausdehnung in die dritte  Direction of space, as well as at least ten times, preferably at least fifty times, in particular at least one hundred times the extent to the third
Raumrichtung entspricht. Lithium-Streifen weisen beispielweise eine Dicke (d.h. eine Ausdehnung in der zweiten Raumrichtung) von > 0.1 nm bis < 100 μηη, stärker bevorzugt von > 1 nm bis < 1 μηη, insbesondere von > 10 nm bis < 100 nm auf und können beispielsweise durch das Schneiden von Folien erhalten werden. Spatial direction corresponds. Lithium strips have, for example, a thickness (ie an extension in the second spatial direction) of> 0.1 nm to <100 μm, more preferably from> 1 nm to <1 μm, in particular from> 10 nm to <100 nm and can be achieved, for example the cutting of films are obtained.
Drähte sind im Sinne dieser Erfindung sind dreidimensionale Gebilde einer einheitlichen chemischen Zusammensetzung, die sich durch eine Oberfläche von der Umgebung abgrenzen lassen und deren größten Ausdehnung in zwei der drei Raumrichtungen im Wesentlichen gleich ist und deren Ausdehnung in die dritte Raumrichtung mindestens zehnmal, vorzugsweise mindestens For the purposes of this invention, wires are three-dimensional structures of a uniform chemical composition that can be delimited from the environment by a surface and whose greatest extent is essentially equal in two of the three spatial directions and whose expansion in the third spatial direction is at least ten times, preferably at least
einhundertmal, insbesondere mindestens eintausendmal der Ausdehnung in die erste und zweite Raumrichtung entspricht. Lithium-Drähte weisen vorzugsweise eine Ausdehnung in zwei der drei Raumrichtungen von zweiten Raumrichtung von > 0.1 nm bis < 1 mm, stärker bevorzugt von > 1 μηη bis < 1 mm, one hundred times, in particular at least one thousand times the extent in the first and second spatial direction corresponds. Lithium wires are preferred an extent in two of the three spatial directions of the second spatial direction of> 0.1 nm to <1 mm, more preferably of> 1 μηη to <1 mm,
insbesondere von > 100 μηη bis < 0,5 mm auf und weichen in ihrer Ausdehnung in diese beiden Raumrichtungen um nicht mehr als 50% voneinander ab. in particular of> 100 μηη to <0.5 mm and in their extension in these two spatial directions by not more than 50% from each other.
Stücke im Sinne dieser Erfindung sind Teilchen einer einheitlichen chemischen Zusammensetzung, die sich durch eine Oberfläche von der Umgebung abgrenzen lassen und einen mittleren Teilchendurchmesser von > 100 μηη aufweisen. Vorzugsweise weisen Lithium-Stücke gemäß der vorliegenden Erfindung einen mittleren Teilchendurchmesser von > 0,5 mm bis < 1 cm, stärker bevorzugt von > 1 mm bis < 10 mm, insbesondere von > 1 mm bis < 5 mm auf. Pieces in the sense of this invention are particles of a uniform chemical composition which can be delimited from the environment by a surface and have an average particle diameter of> 100 μm. Preferably, lithium pieces according to the present invention have an average particle diameter of> 0.5 mm to <1 cm, more preferably from> 1 mm to <10 mm, in particular from> 1 mm to <5 mm.
Vorzugsweise wird das Lithium in einer Menge eingesetzt, die ausreichend ist um den Verlust an Lithium durch die Bildung der SEI zu kompensieren. Diese Menge ist vom jeweiligen Aktivmaterial und den Betriebsbedingungen der Preferably, the lithium is used in an amount sufficient to compensate for the loss of lithium through the formation of the SEI. This amount depends on the active material and the operating conditions of the
elektrochemischen Zelle während der ersten Ladungszyklen abhängig. Allgemein wird das Lithium in einer Menge von 0.1 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0.1 bis 1 Gew.-%., bezogen auf das Gesamtgewicht des Aktivmaterials der Elektrode, eingesetzt. Das elementare (metallische) Lithium hat vorzugsweise eine Reinheit von mindestens 95 %, stärker bevorzugt von mindestens 98 %, und electrochemical cell during the first charge cycles dependent. Generally, the lithium is used in an amount of 0.1 to 5 wt .-%, preferably 0.1 to 1 wt .-%, based on the total weight of the active material of the electrode. The elemental (metallic) lithium preferably has a purity of at least 95%, more preferably at least 98%, and
insbesondere von mindestens 99 %. Als Verunreinigungen können beispielswese Spuren andere Alkalimetalle, insbesondere Natrium, enthalten sein. in particular of at least 99%. As impurities example traces of other alkali metals, especially sodium, may be included.
Schließlich umfasst die Aktivmaterialzusammensetzung mindesten ein Finally, the active material composition comprises at least one
Bindemittel. Dieses dient dazu die übrigen Bestandteile der Binder. This serves the remaining components of the
Aktivmaterialzusammensetzung zusammenzuhalten. Prinzipiell ist jedes dem Fachmann bekannt Bindemittel, insbesondere jedes polymere Bindemittel geeignet. Vorzugsweise umfasst das mindestens eine Bindemittel jedoch mindestens ein Polymer, ausgewählt aus Polyethylenoxid (PEO), einem  Active material composition together. In principle, any binder known to the person skilled in the art, in particular any polymeric binder, is suitable. Preferably, however, the at least one binder comprises at least one polymer selected from polyethylene oxide (PEO), a
Copolymer von Polyethylenoxid, einem Polymalonsäureester und/oder einemCopolymer of polyethylene oxide, a Polymalonsäureester and / or a
Polyoxalsäureester, insbesondere Polyethylenoxid (PEO) und/oder einem Copolymer von Polyethylenoxid. Polyoxalic acid esters, in particular polyethylene oxide (PEO) and / or a copolymer of polyethylene oxide.
Polyethylenoxid (auch Polyethylenglykol) ist ein Polymer, welches aus der Wiederholungseinheit (-CH2-CH2-O-) aufgebaut ist und vorzugsweise 10 bis 1000, insbesondre 20 bis 500 Wiederholungseinheiten pro Molekül umfasst. Copolymere des Polyethylenoxids umfassen insbesondere Blockcopolymere aus mindestens einem Polyethylenoxid-Block und mindestens einem Block eines ionisch oder radikalisch polymerisierbaren Monomers, insbesondere Styrol oder einem Styrolderivat (z.B. α-Methylstyrol). Ein besonders bevorzugtes Copolymer ist ein Polyethylenoxid-/b7-Polystyrol-Blockcopolymer. Polyethylene oxide (also polyethylene glycol) is a polymer which is composed of the repeating unit (-CH 2 -CH 2 -O-) and preferably comprises 10 to 1000, in particular 20 to 500 repeating units per molecule. Copolymers of the polyethylene oxide include, in particular, block copolymers of at least one polyethylene oxide block and at least one block of an ionically or radically polymerizable monomer, in particular styrene or a styrene derivative (eg α-methylstyrene). A particularly preferred copolymer is a polyethylene oxide / b7 polystyrene block copolymer.
Polymalonsäureester umfassen Wiederholungseinheiten der allgemeinen Formel Polymalonic acid esters include repeat units of the general formula
mit R1, R2 = H oder F; with R 1 , R 2 = H or F;
R3 = organischer Rest, insbesondere Alkylrest der Formel -(Chbjm-, wobei m eine ganze Zahl von 1 bis 10, vorzugsweise 2 bis 8, darstellt; und R 3 = organic radical, in particular alkyl radical of the formula - (Chbjm-, where m is an integer from 1 to 10, preferably 2 to 8, and
n = 2 bis 1000, insbesondere 10 bis 500. n = 2 to 1000, in particular 10 to 500.
Polyoxalsäureester umfassen Wiederholungseinheiten der allgemeinen FormelPolyoxalic acid esters include repeat units of the general formula
OD: OD:
mit R4 = organischer Rest, insbesondere Alkylrest der Formel -(CH2)q-, wobei q eine ganze Zahl von 1 bis 10, vorzugsweise 2 bis 8, darstellt; und with R 4 = organic radical, in particular alkyl radical of the formula - (CH 2) q -, where q is an integer from 1 to 10, preferably 2 to 8; and
p = 2 bis 1000, insbesondere 10 bis 500. p = 2 to 1000, in particular 10 to 500.
Darüber hinaus kann die Aktivmaterialzusammensetzung auch noch Leitadditive wie Ruß, Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) und /oder Kohlenstofffasern In addition, the active material composition may also contain conductive additives such as carbon black, carbon nanotubes (CNT) and / or carbon fibers
(insbesondere dampfgewachsene Kohlenstofffasern (vapor-grown carbon fibres, VGCF)) oder ionische Verbindungen, insbesondere Lithiumsalze, umfassen. Geeignete Lithiumsalze sind insbesondere solche, die auch in (in particular vapor-grown carbon fibers (VGCF)) or ionic compounds, in particular lithium salts. Suitable lithium salts are in particular those which are also present in
Polymerelektrolyten Verwendung finden. Diese werden nachfolgend erläutert. Auch die bevorzugten eingesetzten Mengen entsprechen den in Polymer electrolytes find use. These are explained below. The preferred amounts used correspond to those in
Polymerelektrolyten eingesetzten Mengen. Polymeric amounts used.
Um eine Reaktion des elementaren (metallischen) Lithiums mit Lösungsmitteln oder darin gegebenenfalls enthaltenen Verunreinigungen zu vermeiden, wird dieIn order to avoid a reaction of the elemental (metallic) lithium with solvents or any impurities contained therein, the
Aktivmaterialzusammensetzung im Wesentlichen ohne die Verwendung von Lösungsmitteln hergestellt. Das bedeutet, dass den während der Herstellung der Aktivmaterialzusammensetzung keine Lösungsmittel zugegeben werden und die Aktivmaterialzusammensetzung im Wesentlichen keine Lösungsmittel, d.h. Active material composition produced substantially without the use of solvents. That is, no solvents are added during the preparation of the active material composition and the active material composition is substantially free of solvents, i.
weniger als 1 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-%, bezogen auf dasless than 1 wt .-%, in particular less than 1 wt .-%, based on the
Gesamtgewicht der Aktivmaterialzusammensetzung, an Lösungsmitteln umfasst. Lösungsmittel sind in diesem Fall bei Raumtemperatur flüssige Verbindungen, die in der Lage sind das mindestens eine Bindemittel wenigstens teilweise aufzulösen. Die im Wesentlichen lösungsmittelfreie Herstellung der Total weight of the active material composition, comprising of solvents. Solvents in this case are liquid compounds at room temperature which are capable of at least partially dissolving the at least one binder. The essentially solvent-free production of
Aktivmaterialzusammensetzung geschieht vorzugsweise mit dem hierin näher erläuterten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren. Dieses ermöglicht die im Wesentlichen lösungsmittelfreie Herstellung einer Active material composition is preferably done with the production method of the invention as more fully explained herein. This allows the substantially solvent-free production of a
Aktivmaterialzusammensetzung, insbesondere auch in Form einer freistehenden Aktivmaterialzusammensetzungsfolie, welche anschließend auf den  Active material composition, in particular in the form of a freestanding active material composition film, which is subsequently applied to the
Stromsammler aufgebracht werden kann. Current collector can be applied.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektrode in einer elektrochemischen Festkörperzelle, insbesondere als negative Elektrode in einer elektrochemischen Festkörperzelle. Eine solche The invention also relates to the use of an electrode according to the invention in an electrochemical solid-state cell, in particular as a negative electrode in a solid-state electrochemical cell. Such
elektrochemische Festkörperzelle, umfasst neben der erfindungsgemäßenelectrochemical solid-state cell, in addition to the invention
Elektrode ferner mindestens einen Festelektrolyt und mindestens eine positive Elektrode. Electrode furthermore at least one solid electrolyte and at least one positive electrode.
Der Festelektrolyt zeichnet sich dadurch aus, dass er ein Material umfasst oder aus diesem besteht, welches bei Raumtemperatur im Wesentlichen fest ist, und wenigstens bei Betriebstemperatur eine ausreichende lonenleitfähigkeit aufweist, um den Transport von Ionen, insbesondere Lithiumionen, zwischen den Elektroden zu gewährleisten. Darüber hinaus ist der Festelektrolyt nicht elektrisch leitfähig. Als Festelektrolyt können prinzipiell sämtliche dem The solid electrolyte is characterized in that it comprises or consists of a material which is substantially solid at room temperature and at least at operating temperature has sufficient ionic conductivity to ensure the transport of ions, in particular lithium ions, between the electrodes. In addition, the solid electrolyte is not electrically conductive. As a solid electrolyte can in principle all the
Fachmann bekannte Festelektrolyte, wie z. B. keramische Festelektrolyte und/oder Polymerelektrolyte in der erfindungsgemäßen elektrochemischen Festkörperzelle eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektrochemische Festkörperzelle mindestens einen Polymerelektrolyt. Dieser umfasst vorzugsweise mindesten ein Polymer und mindestens ein Leitsalz. Als geeignete Polymere sind Polyalkylenoxide, wie Polyethylenoxid (PEO) und Polypropylenoxid (PPO) sowie Copolymere derselben zu nennen. Vorzugsweise umfasst das Polymer ein Polyethylenoxid (PEO) und/oder ein Copolymer von Polyethylenoxid. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Polymer des Polymerelektrolyten identisch mit dem mindestens einen Bindemittel der erfindungsgemäßen negativen Elektrode der elektrochemischen Festkörperzelle. Geeignete Leitsalze sind insbesondere Lithiumsalze. Das Leitsalz kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Lithiumperchlorat (L1CIO4), Professional known solid electrolytes such. As ceramic solid electrolytes and / or polymer electrolytes in the electrochemical invention Solid state cell can be used. In a preferred embodiment of the invention, the solid-state electrochemical cell comprises at least one polymer electrolyte. This preferably comprises at least one polymer and at least one conducting salt. Suitable polymers include polyalkylene oxides such as polyethylene oxide (PEO) and polypropylene oxide (PPO) and copolymers thereof. Preferably, the polymer comprises a polyethylene oxide (PEO) and / or a copolymer of polyethylene oxide. In a particularly preferred embodiment, the polymer of the polymer electrolyte is identical to the at least one binder of the negative electrode of the electrochemical solid-state cell according to the invention. Suitable conductive salts are in particular lithium salts. The conductive salt may for example be selected from the group consisting of lithium perchlorate (L1CIO4),
Lithiumtetrafluoroborat (L1BF4), Lithiumhexafluorophosphat (LiPFe), Lithium tetrafluoroborate (L1BF4), lithium hexafluorophosphate (LiPFe),
Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsFe), Lithiumtrifluormethansulfonat (L1SO3CF3), Lithiumbis(trifluormethylsulphonyl)imid (LiN(S02CF3)2), Lithium hexafluoroarsenate (LiAsFe), lithium trifluoromethanesulfonate (L1SO3CF3), lithium bis (trifluormethylsulphonyl) imide ((LiN S02CF 3) 2),
Lithiumbis(pentafluorethylsulphonyl)imid (LiN(S02C2F5)2), Lithium bis (pentafluoroethylsulphonyl) imide (LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2),
Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB, LiB(C2C>4)2), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF2(C2C>4)), Lithium-tris(pentafluorethyl)trifluorophosphat (LiPF3(C2F5)3) und Kombinationen davon. Diese könne jeweils einzeln, oder in Kombination miteinander verwendet werden. Vorzugsweise macht das mindestens eineLithium bis (oxalato) borate (LiBOB, LiB (C2C> 4) 2), lithium difluoro (oxalato) borate (LiBF 2 (C 2 C> 4)), lithium tris (pentafluoroethyl) trifluorophosphate (LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3) and combinations thereof. These can each be used individually or in combination with each other. Preferably, this makes at least one
Leitsalz einen Anteil von 1 bis 5 Gew.-%, insbesondere 2 bis 3 Gew.-% des Gesamtgewichts des Polymerelektrolyts aus. Conducting salt a proportion of 1 to 5 wt .-%, in particular 2 to 3 wt .-% of the total weight of the polymer electrolyte.
Als positive Elektrode der können sämtliche dem Fachmann bekannten As a positive electrode all known in the art
Elektroden eingesetzt werden, welche als positive Elektroden in Electrodes are used, which are used as positive electrodes in
elektrochemischen Festkörperzellen, insbesondere in lithiumhaltigen Electrochemical solid-state cells, especially in lithium-containing
elektrochemischen Festkörperzellen eingesetzt werden können. Diese umfassen üblicherweise mindestens einen Stromsammler, sowie mindestens eine electrochemical solid-state cells can be used. These usually comprise at least one current collector, as well as at least one
Aktivmaterialzusammensetzung, welche auf mindestens einer Oberfläche des mindestens einen Stromsammlers angeordnet und mit diesem elektrisch leitend verbunden ist. Der Stromsammler ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt und kann im Übrigen wie der Stromsammler der erfindungsgemäßen negativen Elektrode ausgebildet sein. Die Aktivmaterialzusammensetzung umfasst mindestens ein Aktivmaterial und in der Regel mindestens ein An active material composition disposed on and electrically connected to at least one surface of the at least one current collector. The current collector is made of an electrically conductive material and may otherwise be formed like the current collector of the negative electrode according to the invention. The active material composition comprises at least one active material and usually at least one
Bindemittel. Das positive Aktivmaterial umfasst dabei in der Regel Verbindungen, welche in der Lage sind Lithium-Ionen reversibel aufzunehmen und freizusetzen. Typische positive Aktivmaterialien sind dabei Mischoxide, welche Lithium sowie mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Kobalt, Mangan (sog. NCM-Mischoxide), umfassen. Als Beispiele zu nennen sind: L1C0O2, Lithium-Nickel- Kobalt-Aluminium-Oxide (z. B. LiNio.eCoo.isAlo.osCh;Binder. The positive active material usually includes compounds, which are able to reversibly take up and release lithium ions. Typical positive active materials are mixed oxides which comprise lithium and at least one metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, manganese (so-called NCM mixed oxides). Examples include: L1C0O2, lithium-nickel-cobalt-aluminum oxides (eg LiNio.eCoo.isAlo.osCh;
NCA) und Lithium-Nickel-Mangan- Kobalt-Oxide (z. B. LiNio,8Mno,iCoo,i02 (NMC (811)), LiNio,33Mn0,33Co0,3302 (NMC (111)), LiNi0,6Mno,2Coo,202 (NMC (622)), LiNio,5Mno,3Coo,202 (NMC (532)) oder LiNio,4Mno,3Coo,302 (NMC (433)), überlithiierte Schichtoxide der allgemeinen Formel n(Ü2Mn03) 1-n (L1 MO2) mit M = Co, Ni, Mn, Cr und 0 < n < 1, Spinelle der allgemeinen Formel NCA) and lithium nickel-manganese-cobalt oxides (z. B. LiNiO, 8Mno, ICOO, i0 2 (NMC (811)), LiNiO, 33Mn 0, 33Co 0, 330 2 (NMC (111)), LiNi 0 , 6Mno, 2Coo, 2 0 2 (NMC (622)), LiNio, 5Mno, 3Coo, 20 2 (NMC (532)) or LiNio, 4Mno, 3Coo, 30 2 (NMC (433)), overlaid layer oxides of the general Formula n (U2MnO3) 1-n (L1 MO2) with M = Co, Ni, Mn, Cr and 0 <n <1, spinels of the general formula
n(Li2Mn03) 1-n (LiM20 ) mit M=Co, Ni, Mn, Cr und 0 < n < 1. Ferner sind insbesondere Spinellverbindungen der Formel LiMxMn2-x04 mit M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe (z.B. LiMn204, LiNio.5Mni.s04), Olivinverbindungen der Formel LiM P04 mit M = Mn, Ni, Co, Cu, Cr, Fe (z. B. LiFeP0 , LiMnP0 ), Silikatverbindungen der Formel Li2MSi0 mit M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe, Mn (z. B. Li2FeSi0 ), n (Li 2 MnO 3 ) 1-n (LiM 2 O) with M = Co, Ni, Mn, Cr and 0 <n <1. Furthermore, in particular spinel compounds of the formula LiM x Mn 2- x 0 4 with M = Ni , Co, Cu, Cr, Fe (eg LiMn20 4 , LiNio.5Mni.s0 4 ), olivine compounds of the formula LiM P0 4 where M = Mn, Ni, Co, Cu, Cr, Fe (eg LiFeP0, LiMnP0) , Silicate compounds of the formula Li 2 MSiO with M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe, Mn (eg Li 2 FeSiO),
Tavoritverbindungen (z.B. LiVP04F), Ü2Mn03, Li1.17Nio.17Coo.1Mno.56O2 und Ü3V2(P04)3 als geeignete positive Aktivmaterialien hervorzuheben. Übliche Bindemittel für die positive Elektrode umfassen Styrol-Butadien-Copolymer (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethen (PTFE), Tavorite compounds (eg LiVP0 4 F), Ü2Mn03, Li1.17Nio.17Coo.1Mno.56O2 and Ü3V2 (P0 4 ) 3 are highlighted as suitable positive active materials. Common positive electrode binders include styrene-butadiene copolymer (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethene (PTFE),
Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylsäure (PAA), Polyvinylalkohol (PVA) und Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM). Ferner umfasst die Carboxymethylcellulose (CMC), polyacrylic acid (PAA), polyvinyl alcohol (PVA) and ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM). Furthermore, the
Aktivmaterialzusammensetzung vorzugweise noch Leitadditive, z.B. Leitruß. Active material composition preferably still conductive additives, e.g. Conductive carbon black.
Weiterhin kann die elektrochemische Festkörperzelle gegebenenfalls mindestens einen Separator umfassen, welcher zwischen der negativen und der positivenFurthermore, the solid-state electrochemical cell may optionally comprise at least one separator which is between the negative and the positive
Elektrode angeordnet ist. Der Separator dient der Aufgabe, die Elektroden von einem direkten Kontakt miteinander zu schützen und so einen Kurzschluss zu unterbinden. Gleichzeitig muss der Separator den Transfer der Ionen von einer Elektrode zur anderen gewährleisten. Es ist daher wichtig, dass der Separator elektrisch nicht leitfähig ist, jedoch eine möglichst hohe lonenleitfähigkeit, insbesondere gegenüber Lithium-Ionen aufweist. Geeignete Materialien sind insbesondere Polymere, wie Polyolefine, Polyester und fluorierte Polymere. Besonders bevorzugte Polymere sind Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polytetrafluorethen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF). Häufig übernimmt der Festelektrolyt die Rolle des Separators, sodass dieser nicht notwendig ist. Electrode is arranged. The purpose of the separator is to protect the electrodes from direct contact with each other, thus preventing a short circuit. At the same time, the separator must ensure the transfer of ions from one electrode to another. It is therefore important that the separator is electrically non-conductive, but has the highest possible ion conductivity, in particular with respect to lithium ions. Suitable materials are in particular polymers, such as polyolefins, polyesters and fluorinated polymers. Particularly preferred polymers are polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethene (PTFE) and Polyvinylidene fluoride (PVDF). Frequently, the solid electrolyte takes over the role of the separator, so that it is not necessary.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur lösungsmittelfreien The invention also provides a process for solvent-free
Herstellung einer Aktivmaterialzusammensetzung, welche elementares Preparation of an active material composition which is elemental
(metallisches) Lithium umfasst, insbesondere in Form einer freistehenden Aktivmaterialzusammensetzungsfolie. Das Verfahren umfasst dabei mindestens die folgenden Schritte: (Metallic) lithium, in particular in the form of a free-standing active material composition film. The method comprises at least the following steps:
(i) Bereitstellen mindestens eines Aktivmaterials, insbesondere eines  (i) providing at least one active material, in particular one
Graphit umfassenden Aktivmaterials,  Graphite-containing active material,
(ii) Bereitstellen von elementarem (metallischem) Lithium, insbesondere in Form von Partikeln, Folien, Streifen, Drähten, und/oder Stücken;  (ii) providing elemental (metallic) lithium, especially in the form of particles, films, strips, wires, and / or pieces;
(iii) Bereitstellen von mindestens einem Bindemittel, insbesondere  (Iii) providing at least one binder, in particular
ausgewählt aus Polyethylenoxid (PEO), einem Copolymer von  selected from polyethylene oxide (PEO), a copolymer of
Polyethylenoxid, einem Polymalonsäureester und/oder einem  Polyethylene oxide, a Polymalonsäureester and / or a
Polyoxalsäureester;  Polyoxalsäureester;
(iv) Herstellen eines homogenen Gemisches aus dem mindestens einen Aktivmaterial, dem elementaren (metallischen) Lithium und dem mindestens einen Bindemittel;  (iv) preparing a homogeneous mixture of the at least one active material, the elemental (metallic) lithium and the at least one binder;
(v) Einbringen von kinetischer und/oder thermischer Energie in das  (v) introducing kinetic and / or thermal energy into the
homogene Gemisch, um die Ausbildung von Haftverbindungen zwischen dem mindestens einem Aktivmaterial, dem elementarem (metallischem) Lithium und dem mindestens einem Bindemittel zu bewirken;  homogeneous mixture to effect the formation of adhesive bonds between the at least one active material, the elemental (metallic) lithium and the at least one binder;
(vi) Aufbringen der erhaltenen, gegebenenfalls pastösen Masse auf  (vi) applying the resulting, optionally pasty mass
mindestens eine Substratoberfläche;  at least one substrate surface;
wobei in keinem der Schritte (i) bis (vi) ein Lösungsmittel eingesetzt wird. wherein none of steps (i) to (vi) use a solvent.
Die zuvor getroffenen Definitionen und bevorzugten Ausführungsformen für das Aktivmaterial, das elementare (metallische) Lithium und das Bindemittel gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend. The previously made definitions and preferred embodiments for the active material, the elemental (metallic) lithium and the binder also apply correspondingly to the process according to the invention.
Die Verfahrensschritte (i), (ii) und (iii) können getrennt voneinander oder zeitgleich erfolgen. Ebenso können die Verfahrensschritte (iv) und (v) können getrennt voneinander oder zeitgleich erfolgen. Das elementare Lithium wird in einer bevorzugten Ausführungsform der The process steps (i), (ii) and (iii) can be carried out separately or simultaneously. Likewise, the process steps (iv) and (v) can be carried out separately or at the same time. The elemental lithium is in a preferred embodiment of the
Erfindung in Form von Lithium- Partikeln in Verfahrensschritt (ii) eingesetzt. Es ist allerdings auch möglich andere Formen, wie z.B. Folien, Streifen, Drähten, und/oder Stücke zu wählen. Aufgrund der Weichheit des elementaren Lithiums kann dieses in den nachfolgenden Verfahrensschritten (iv) und/oder (v) zuInvention in the form of lithium particles used in step (ii). However, it is also possible to use other shapes, e.g. Choose transparencies, strips, wires, and / or pieces. Due to the softness of the elemental lithium this can in the following process steps (iv) and / or (v) to
Lithium- Partikeln zerkleinert werden. Be crushed lithium particles.
Das mindestens eine Bindemittel umfasst vorzugsweise PEO und oder ein Copolymer von PEO. Das mindestens eine Bindemittel wird vorzugsweise in Form von Partikeln eingesetzt, insbesondere in Form von Partikeln mit einem mittleren Teilchendurchmesser von > 0.1 nm und < 100 μηη, stärker bevorzugt in einem Bereich von > 1 nm und < 1 μηη, insbesondere in einem Bereich von > 10 nm und < 100 nm. Gemäß Verfahrensschritt (iv) wird ein homogenes Gemisch aus dem mindestens einem Aktivmaterial, dem elementaren Lithium und dem mindestens einen Bindemittel hergestellt. Dies kann mithilfe jedes dem Fachmann bekannten Mischverfahrens erfolgen, sofern dieses Mischverfahren für die Herstellung homogener Gemische aus Partikeln der genannten Teilchengrößen geeignet ist. Als geeignete Mischvorrichtungen sind zu nennen: Mischer mit beweglichenThe at least one binder preferably comprises PEO and / or a copolymer of PEO. The at least one binder is preferably used in the form of particles, in particular in the form of particles having an average particle diameter of> 0.1 nm and <100 μηη, more preferably in a range of> 1 nm and <1 μηη, in particular in a range of> 10 nm and <100 nm. According to process step (iv), a homogeneous mixture of the at least one active material, the elemental lithium and the at least one binder is prepared. This can be done by any mixing method known to those skilled in the art, provided that this mixing method is suitable for the preparation of homogeneous mixtures of particles of said particle sizes. Suitable mixing devices are: mixer with movable
Mischwerkzeugen (z.B. Schneckenmischer, Schaufelmischer, Mixing tools (e.g., screw mixers, paddle mixers,
Pflugscharmischer), Mischer mit bewegtem Behälter (z.B. Trommelmischer, Konusmischer), pneumatische Mischer (z.B. Wirbelschichtmischer, Plowshare mixers), moving vessel mixers (e.g., drum mixers, cone mixers), pneumatic mixers (e.g., fluidized bed mixers,
Gasstrahlmischer), Freifallmischer, Schubmischer, Wurfmischer und/oder Schleudermischer. Gas jet mixer), free fall mixer, shear mixer, litter mixer and / or centrifugal mixer.
Gemäß Verfahrensschritt (v) wird kinetische und/oder thermische Energie in das homogene Gemisch, welches in Verfahrensschritt (iv) erhalten wurde, eingebracht. Dadurch werden Haftverbindungen zwischen dem mindestens einem Aktivmaterial, dem elementarem (metallischem) Lithium und dem mindestens einem Bindemittel ausgebildet. In einer bevorzugten According to process step (v), kinetic and / or thermal energy is introduced into the homogeneous mixture obtained in process step (iv). As a result, adhesive bonds are formed between the at least one active material, the elemental (metallic) lithium and the at least one binder. In a preferred
Ausführungsform umfasst das mindestens eine Bindemittel mindestens ein Polymer, ausgewählt aus Polyethylenoxid (PEO), einem Copolymer von Embodiment, the at least one binder comprises at least one polymer selected from polyethylene oxide (PEO), a copolymer of
Polyethylenoxid, einem Polymalonsäureester und/oder einem Polyethylene oxide, a Polymalonsäureester and / or a
Polyoxalsäureester. Diese Polymere zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei Raumtemperatur vergleichsweise weich sind, und eine niedrige Glasübergangstemperatur und eine niedrige Schmelztemperatur aufweisen. Vorzugsweise werden Bindemittel eingesetzt, die eine Glasübergangstemperatur Tg von < 20°C, insbesondere < 10°C und/oder eine Schmelztemperatur Tm von < 150°C, insbesondere < 100°C aufweisen. Partikel dieser Bindemittel können durch die Einbringung kinetischer und/oder thermischer Energie eine Polyoxalsäureester. These polymers are characterized by being at Room temperature are comparatively soft, and have a low glass transition temperature and a low melting temperature. Binders are preferably used which have a glass transition temperature T g of <20 ° C, in particular <10 ° C and / or a melting temperature T m of <150 ° C, in particular <100 ° C. Particles of these binders can by the introduction of kinetic and / or thermal energy a
Haftverbindung zu den Partikeln der anderen Bestandteile des homogenen Gemischs ausbilden, sofern diese miteinander kollidieren. In einer Ausführungsform der Erfindung wird diese Haftverbindung ausgebildet, indem das homogene Gemisch wenigstens kurzzeitig, d.h. für einen Zeitraum von mindestens 1 Minute, vorzugsweise mindestens 5 Minuten, auf eine Form adhesive bond to the particles of the other components of the homogeneous mixture, as long as they collide with each other. In one embodiment of the invention, this adhesive bond is formed by subjecting the homogeneous mixture at least temporarily, i. for a period of at least 1 minute, preferably at least 5 minutes, to one
Temperatur erwärmt wird, die größer oder gleich der Schmelztemperatur des mindestens einen Bindemittels ist, während das homogene Gemisch weiterhin, vorzugsweise fortlaufend, durchmischt wird. Als Mischvorrichtung kann hierzu eine der zuvor genannten Mischvorrichtungen eingesetzt werden. Durch die Einbringung der thermischen Energie wird so wenigstens teilweise ein Erweichen des mindestens einen Bindemittels, insbesondere an der Oberfläche der Bindemittelpartikel, erreicht. Bei einer Kollision der Bindemittelpartikel mit dem Aktivmaterial und/oder dem Lithium werden so Haftverbindungen ausgebildet.Temperature is heated, which is greater than or equal to the melting temperature of the at least one binder, while the homogeneous mixture is further, preferably continuously, mixed. As a mixing device for this purpose, one of the aforementioned mixing devices can be used. By introducing the thermal energy, a softening of the at least one binder, in particular on the surface of the binder particles, is thus at least partially achieved. In a collision of the binder particles with the active material and / or the lithium so adhesive bonds are formed.
Die erhaltene Aktivmaterialzusammensetzung wird danach abgekühlt, vorzugsweise ohne diese weiterhin zu durchmischen. Nach dem Abkühlen erhält man eine formbare, pastöse, homogene Aktivmaterialzusammensetzung. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die Haftverbindung ausgebildet, indem in das homogene Gemisch wenigstens kurzzeitig eine kinetische Energie eingetragen wird, die eine wenigstens teilweise Plastifizierung des Bindemittels ermöglicht. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die partikelförmigen Bestandteile des homogenen Gemisches aus Verfahrensschritt (iv) beschleunigt und gezielt miteinander zur Kollision gebracht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Verfahrensschritt (v) in einer Strahlmühle oder einer Kugelmühle durchgeführt. Besonders bevorzug ist die Verwendung einer Strahlmühle. Dies ermöglicht eine zügige wenigstens teilweise The resulting active material composition is then cooled, preferably without further mixing. After cooling, a shapable, pasty, homogeneous active material composition is obtained. In an alternative embodiment of the invention, the adhesive bond is formed by a kinetic energy is at least briefly entered into the homogeneous mixture, which allows at least partial plasticization of the binder. This can be done, for example, by accelerating and selectively colliding the particulate constituents of the homogeneous mixture from process step (iv). In a preferred embodiment, the process step (v) is carried out in a jet mill or a ball mill. Particularly preferred is the use of a jet mill. This allows a speedy at least partially
Plastifizierung des Bindemittels ohne eine zu starke Zerkleinerung der Plastification of the binder without too much comminution of the
Aktivmaterialpartikel zu erreichen. Im Gegenzug kann das elementare Lithium, sofern es nicht in Form von Partikeln sondern in Form von Folien, Streifen, Drähten, und/oder Stücken eingesetzt wurde, aufgrund der geringen Härte des Lithiums in diesem Verfahrensschritt zu Partikeln zerkleinert werden. Man erhält eine formbare, pastöse, homogene Aktivmaterialzusammensetzung. To reach active material particles. In return, elemental lithium, if it was not used in the form of particles but in the form of films, strips, wires, and / or pieces, due to the low hardness of lithium in this process step to particles are comminuted. This gives a moldable, pasty, homogeneous active material composition.
In einer alternativen Ausführungsform wird zunächst in Schritt (iv) ein homogenes Gemisch aus Aktivmaterial und elementarem Lithium hergestellt, wobei das elementare Lithium ggf. durch geeigneten (kinetischen) Energieeintrag in Schritt (iv) in das Gemisch zu Partikeln zerkleinert wird sofern diese notwendig ist. Erst dann wird das Bindemittel zugegeben und durch weiteren Energieeintrag in Form von kinetischer und/oder thermischer Energie die Ausbildung von In an alternative embodiment, a homogeneous mixture of active material and elemental lithium is first prepared in step (iv), wherein the elemental lithium is optionally comminuted by appropriate (kinetic) energy input in step (iv) into particles into the mixture if necessary. Only then is the binder added and by further energy input in the form of kinetic and / or thermal energy, the formation of
Haftverbindungen erzielt. Man erhält eine formbare, pastöse, homogene Bonding achieved. This gives a shapable, pasty, homogeneous
Aktivmaterialzusammensetzung. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Verfahrensschritte (iv) und (v) in derselben Mischvorrichtung durchgeführt, insbesondere in einer Strahlmühle. Dies ermöglicht eine Reduktion der Anzahl der Verfahrensschritte. Vorzugsweise kann in diesem Fall zunächst eine Durchmischung der Bestandteile bei niedrigem Energieeintrag, d.h. bei geringer Leistung der Strahlmühle durchgeführt werden. Anschließend findet die Ausbildung der Haftverbindungen bei einer Leistung derActive material composition. In a preferred embodiment, the method steps (iv) and (v) are carried out in the same mixing device, in particular in a jet mill. This allows a reduction in the number of process steps. Preferably, in this case, mixing of the components at low energy input, i. be carried out at low power of the jet mill. Subsequently, the formation of the adhesive joints in a performance of
Strahlmühle statt, die wenigstens eine teilweise Plastifizierung des mindestens einen Bindemittels erlaubt. Alternativ können zunächst das mindestens eine Aktivmaterial und das Lithium zunächst allein in einer Strahlmühle vermischt und dabei sofern notwendig zerkleinert werden. Anschließend wird das Bindemittel zugegeben und die Ausbildung der Haftverbindungen erfolgt. Jet mill instead, which allows at least a partial plasticization of at least one binder. Alternatively, the at least one active material and the lithium can first be mixed alone in a jet mill and, if necessary, comminuted. Subsequently, the binder is added and the formation of the adhesive bonds takes place.
Die formbare, pastöse, homogene Aktivmaterialzusammensetzung wird anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt (vi) auf eine The moldable, pasty, homogeneous active material composition is then in a further process step (vi) to a
Substratoberfläche aufgebracht. Die Substratoberfläche kann im Sinne dieser Erfindung insbesondere die Oberfläche eines Werkzeugs, die Oberfläche einesSubstrate surface applied. The substrate surface in the sense of this invention, in particular the surface of a tool, the surface of a
Trägermaterials (z.B. einer Kunststofffolie) oder die Oberfläche eines Support material (e.g., a plastic film) or the surface of a
Stromsammlers sein. Be a current collector.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei der Substratoberfläche um die Oberfläche eines Werkzeugs, z.B. um die Oberfläche eines Laufbandes. Vorzugsweise ist dieses aus Kunststoff gefertigt. Die In one embodiment, the substrate surface is the surface of a tool, eg, the surface of a treadmill. This is preferably made of plastic. The
Aktivmaterialzusammensetzung kann in diesem Fall am Ende des Active material composition can in this case at the end of the
Herstellungsprozesses als freistehender Aktivmaterialzusammensetzungsfilm entnommen werden. Dieser kann dann von dem Substratoberfläche abgelöst und auf einen Stromsammler, z.B. bei einer Temperatur oberhalb der Production process can be removed as a free-standing active material composition film. This may then be detached from the substrate surface and applied to a current collector, e.g. at a temperature above the
Glasübergangstemperatur Tg des Bindemittels, laminiert werden. Glass transition temperature T g of the binder to be laminated.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Substratoberfläche die Oberfläche eines Stromsammlers. In diesem Fall wird kein freistehender Aktivmaterialfilm hergestellt, sondern gleich eine Elektrode erhalten. In a preferred embodiment of the invention, the substrate surface is the surface of a current collector. In this case, no free-standing active material film is produced, but an electrode is obtained.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform werden die Verfahrensschritte (v) und (vi) gemeinsam in einem Kalander durchgeführt. Das in Schritt (iv) hergestellte homogene Gemisch aus Aktivmaterial und elementarem Lithium wird dazu in den Kalander gegeben, durch Zuführungen thermischer und kinetischer Energie zu einer homogenen, vorzugsweise formbaren (pastösen) Masse verarbeitetet und auf eine Substratoberfläche aufgebracht. Dies kann durch einen Pressvorgang, einen Kalandriervorgang oder einer Kombination daraus erfolgen. Man erhält so eine freistehende Aktivmaterialzusammensetzung. In a further alternative embodiment, the method steps (v) and (vi) are carried out together in a calender. The homogeneous mixture of active material and elemental lithium prepared in step (iv) is added to the calender, processed by additions of thermal and kinetic energy to a homogeneous, preferably moldable (pasty) mass and applied to a substrate surface. This can be done by a pressing process, a calendering process or a combination thereof. This gives a freestanding active material composition.
Anschließend kann die Aktivmaterialschicht, vorzugsweise bei einer Temperatur, die oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg des mindestens einen Subsequently, the active material layer, preferably at a temperature above the glass transition temperature T g of the at least one
Bindemittels liegt, durch eine Presse, einen Stempel oder eine Walze verdichtet werden. Der Verdichtungsschritt kann zusätzlich unter Einwirkung von Wärme erfolgen, um ein Anhaften des Bindemittels an der Oberfläche des Binder is compacted by a press, a punch or a roller. The densification step may additionally be carried out under the action of heat in order to prevent the binder from adhering to the surface of the substrate
Stromsammlers zu unterstützen und eine dauerhafte Verdichtung zu bewirken. Handelt es sich bei der Substratoberfläche nicht um den Stromsammler, so wird vorzugsweise keine Wärme zugeführt. Support current collector and cause a permanent consolidation. If the substrate surface is not the current collector, preferably no heat is supplied.
Vorzugsweise wird jeder der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Preferably, each of the method steps of the invention
Verfahrens, in welchem elementares Lithium vorliegt oder eingesetzt wird unter Ausschluss von Wasser oder andere aciden Verbindungen durchgeführt, insbesondere unter getrockneter Gasatmosphäre, insbesondere Process in which elemental lithium is present or used is carried out with the exclusion of water or other acidic compounds, in particular under a dried gas atmosphere, in particular
Inertgasatmosphäre wie z.B. getrockneter Argon- oder Stickstoffatmosphäre. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich eine Elektrode ohne die Verwendung eines Lösungsmittels herzustellen. Die erhaltene Elektrode ist im Wesentlichen frei von Lösungsmitteln. Inertgasatmosphäre such as dried argon or nitrogen atmosphere. By the method according to the invention it is possible to produce an electrode without the use of a solvent. The obtained electrode is substantially free of solvents.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Aktivmaterialzusammensetzungsfolie für eine erfindungsgemäße Elektrode. Die erfindungsgemäße Elektrode sowie die erfindungsgemäße elektrochemische Festkörperzelle finden findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einem Werkzeug oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Werkzeugen sind dabei insbesondere Heimwerkzeuge sowie Gartenwerkzeuge zu verstehen. Unter Consumer- Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen. The invention also provides the use of the method according to the invention for producing an active material composition film for an electrode according to the invention. The electrode according to the invention and the electrochemical solid-state cell according to the invention find advantageous use in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), in a plug-in hybrid vehicle (PHEV), in a tool or in a consumer electronics product. Under tools are in particular home tools and garden tools to understand. Consumer electronics products are in particular mobile phones, tablet PCs or notebooks.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die erfindungsgemäße Elektrode ermöglicht die Einbringung von zusätzlichem elementarem Lithium in eine elektrochemischen Zellen, welches den durch die Bildung einer Solid- Electrolyte-Interphase auftretenden Verlust an Lithium in der elektrochemischen Zelle kompensieren kann. Das erfindungsgemäße The electrode according to the invention makes it possible to introduce additional elemental lithium into an electrochemical cell, which can compensate for the loss of lithium in the electrochemical cell which occurs as a result of the formation of a solid electrolyte interphase. The invention
Herstellungsverfahren ermöglicht es durch den Verzicht auf Lösungsmittel zudem, das Auftreten von Nebenreaktionen des Lithiums mit dem Lösungsmittel sowie ggf. darin enthaltenen Verunreinigungen und den damit verbundenen Verlust an elementarem Lithium in der Aktivmaterialzusammensetzung der Elektrode zu minimieren. In addition, by eliminating solvents, the production process also makes it possible to minimize the occurrence of side reactions of the lithium with the solvent and any impurities contained therein and the associated loss of elemental lithium in the active material composition of the electrode.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Es zeigt: It shows:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Figure 1 is a schematic representation of an inventive
elektrochemischen Zelle.  electrochemical cell.
Ausführungsformen der Erfindung In Figur 1 ist der Aufbau einer elektrochemischen Festkörperzelle 1 schematisch dargestellt. Eine negative Elektrode 21, umfassend einen Stromsammler 31 und eine Aktivmaterialzusammensetzung 41, ist über den Stromsammler 31 mit dem negativen Terminal 11 verbunden. Gegenüberliegend befindet sich eine positive Elektrode 22, die ebenfalls eine Aktivmaterialzusammensetzung 42 und einen Stromsammler 32 umfasst, über welchen die positive Elektrode 22 zur Ableitung mit dem positiven Terminal 12 verbunden ist. Die negative Elektrode 21 und die positive Elektrode 22 sind in einem Zellgehäuse 2 angeordnet. Der Festelektrolyt 15 trennt die negative Elektrode 21 und die positive Elektrode 22 mechanisch voneinander und stellt gleichzeitig eine ionenleitfähige Verbindung zwischen der negativen Elektrode 21 und der positiven Elektrode 22 her. Der Festelektrolyt 15 übernimmt so auch die Aufgabe des Separators. Embodiments of the invention In Figure 1, the structure of a solid-state electrochemical cell 1 is shown schematically. A negative electrode 21 comprising a current collector 31 and an active material composition 41 is connected to the negative terminal 11 via the current collector 31. Opposite there is a positive electrode 22, which also comprises an active material composition 42 and a current collector 32, via which the positive electrode 22 is connected to the positive terminal 12 for discharge. The negative electrode 21 and the positive electrode 22 are disposed in a cell case 2. The solid electrolyte 15 mechanically separates the negative electrode 21 and the positive electrode 22 from each other and simultaneously makes an ion conductive bond between the negative electrode 21 and the positive electrode 22. The solid electrolyte 15 thus also assumes the role of the separator.
Die Aktivmaterialzusammensetzung 41 der negativen Elektrode 21 umfasst beispielsweise Graphit als Aktivmaterial, elementares Lithium, und The active material composition 41 of the negative electrode 21 includes, for example, graphite as the active material, elemental lithium, and
Polyethylenoxid als Bindemittel. Vorzugsweise umfasst das Polyethylenoxid zusätzlich ein Leitadditiv, z.B. Li(CF3)S02NS02(CF3) (LiTFSI). Der Stromsammler 31 ist vorzugsweise aus einem Metall gefertigt, z.B. aus Kupfer. Polyethylene oxide as a binder. Preferably, the polyethylene oxide additionally comprises a conductive additive, for example Li (CF 3 ) SO 2 NSO 2 (CF 3 ) (LiTFSI). The current collector 31 is preferably made of a metal, for example of copper.
Die Aktivmaterialzusammensetzung 42 der positiven Elektrode 22 umfasst beispielsweise ein N CM -Mischoxid als Aktivmaterial und ferner mindestens ein Bindemittel, wie z.B. Carboxymethylcellulose (CMC), sowie ein Leitadditiv, z.B. Leitruß. Der Stromsammler 32 ist vorzugsweise aus einem Metall gefertigt, z.B. aus Aluminium. The active material composition 42 of the positive electrode 22 includes, for example, an N-CM mixed oxide as an active material and further at least one binder such as a binder. Carboxymethylcellulose (CMC), as well as a conductive additive, e.g. Conductive carbon black. The current collector 32 is preferably made of a metal, e.g. made of aluminium.
Als Festelektrolyt 15 wird ein Polymerelektrolyt, beispielsweise ein Gemisch aus Polyethylenoxid und Li(CF3)S02NS02(CF3) (LiTFSI) eingesetzt. As the solid electrolyte 15, a polymer electrolyte, for example, a mixture of polyethylene oxide and Li (CF 3 ) SO 2 NSO 2 (CF 3 ) (LiTFSI) is used.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

Claims

Ansprüche claims
1. Elektrode für eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens einen Stromsammler und mindestens eine Aktivmaterialzusammensetzung, wobei die Aktivmaterialzusammensetzung mindestens ein Aktivmaterial, elementares Lithium und mindestens ein Bindemittel umfasst und ohne die Verwendung von Lösungsmitteln hergestellt wurde. An electrode for an electrochemical cell, comprising at least one current collector and at least one active material composition, wherein the active material composition comprises at least one active material, elemental lithium and at least one binder and was prepared without the use of solvents.
2. Elektrode nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Aktivmaterial Graphit umfasst. The electrode of claim 1, wherein the at least one active material comprises graphite.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine 3. An electrode according to claim 1 or 2, wherein the at least one
Bindemittel ein Polymer, ausgewählt aus Polyethylenoxid (PEO), einem Copolymer von Polyethylenoxid, einem Polymalonsäureester und/oder einem Polyoxalsäureester, umfasst.  Binder is a polymer selected from polyethylene oxide (PEO), a copolymer of polyethylene oxide, a Polymalonsäureester and / or a polyoxalic acid ester.
4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die 4. An electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the
Aktivmaterialzusammensetzung in Form einer freistehenden  Active material composition in the form of a freestanding
Aktivmaterialzusammensetzungsfolie bereitgestellt wird.  Active material composition film is provided.
5. Verwendung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als negative Elektrode (21) in einer elektrochemischen Festkörperzelle (1). 5. Use of an electrode according to one of claims 1 to 4 as a negative electrode (21) in a solid-state electrochemical cell (1).
6. Elektrochemische Festkörperzelle (1), umfassend mindestens einen 6. Electrochemical solid-state cell (1) comprising at least one
Festelektrolyt (15), mindestens eine positive Elektrode (22) und mindestens eine negative Elektrode (21), wobei die mindestens eine negative Elektrode (21) eine Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.  A solid electrolyte (15), at least one positive electrode (22) and at least one negative electrode (21), wherein the at least one negative electrode (21) is an electrode according to any one of claims 1 to 4.
7. Elektrochemische Festkörperzelle (1) nach Anspruch 6, wobei der 7. Electrochemical solid state cell (1) according to claim 6, wherein the
mindestens eine Festelektrolyt (15) Polyethylenoxid (PEO) und/oder ein Copolymer von Polyethylenoxid umfasst. Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer at least one solid electrolyte (15) comprises polyethylene oxide (PEO) and / or a copolymer of polyethylene oxide. Process for the solvent-free production of a
Aktivmaterialzusammensetzung, welche elementares Lithium umfasst, insbesondere in Form einer freistehenden Active material composition comprising elemental lithium, in particular in the form of a free-standing
Aktivmaterialzusammensetzungsfolie, umfassend mindestens die folgenden Verfahrensschritte: Active material composition film comprising at least the following process steps:
(i) Bereitstellen mindestens eines Aktivmaterials,  (i) providing at least one active material,
(ii) Bereitstellen von elementarem Lithium;  (ii) providing elemental lithium;
(iii) Bereitstellen von mindestens einem Bindemittel, insbesondere ausgewählt aus Polyethylenoxid (PEO), einem Copolymer von Polyethylenoxid, einem Polymalonsäureester und/oder einem Polyoxalsäureester;  (iii) providing at least one binder, in particular selected from polyethylene oxide (PEO), a copolymer of polyethylene oxide, a polymalonic acid ester and / or a polyoxalic acid ester;
(iv) Herstellen eines homogenen Gemisches aus dem mindestens einem Aktivmaterial, dem elementaren Lithium und dem mindestens einem Bindemittel;  (iv) preparing a homogeneous mixture of the at least one active material, the elemental lithium and the at least one binder;
(v) Einbringen von kinetischer Energie in das homogene Gemisch, um die Ausbildung von Haftverbindungen zwischen dem mindestens einem Aktivmaterial, dem elementarem Lithium und dem mindestens einem Bindemittel zu bewirken;  (v) introducing kinetic energy into the homogeneous mixture to effect the formation of adhesive bonds between the at least one active material, the elemental lithium and the at least one binder;
(vi) Aufbringen der erhaltenen Masse auf mindestens eine  (vi) applying the resulting composition to at least one
Substratoberfläche;  Substrate surface;
wobei in keinem der Schritte (i) bis (vi) ein Lösungsmittel eingesetzt wird. wherein none of steps (i) to (vi) use a solvent.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Substratoberfläche die The method of claim 8, wherein the substrate surface is the
Oberfläche eines Stromsammlers ist. Surface of a current collector is.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 8 oder 9 zur Herstellung einer Aktivmaterialzusammensetzungsfolie für eine Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4. Use of the method according to claim 8 or 9 for producing an active material composition film for an electrode according to any one of claims 1 to 4.
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