EP4200920A1 - Verfahren zur herstellung einer elektrode einer batteriezelle, batteriezelle und verwendung derselben - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer elektrode einer batteriezelle, batteriezelle und verwendung derselben

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EP4200920A1
EP4200920A1 EP21763298.3A EP21763298A EP4200920A1 EP 4200920 A1 EP4200920 A1 EP 4200920A1 EP 21763298 A EP21763298 A EP 21763298A EP 4200920 A1 EP4200920 A1 EP 4200920A1
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carbon nanotubes
electrode
battery cell
mixture
active material
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EP21763298.3A
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Younggeun Choi
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an electrode of a battery cell, a battery cell and a use thereof according to the preamble of the independent patent claims.
  • Lithium-ion batteries are particularly suitable for the implementation of electromobility due to their high energy density, thermal stability and low self-discharge.
  • a lithium-ion battery includes one or more lithium-ion battery cells.
  • a lithium-ion battery cell in turn comprises at least one electrode unit in the form of an electrode stack or an electrode coil.
  • the at least one electrode unit usually contains a positive electrode, a negative electrode and a separator arranged between them.
  • a positive electrode also referred to as a cathode, typically has a metallic conductor foil with an electrode material applied to it.
  • the electrode material is usually a composition of at least one electrode active material and a conductive additive.
  • the electrode-active material typically includes a plurality of electrode-active material particles.
  • the conductive additive is intended to increase electrical conductivity within the positive electrode. Carbon nanotubes are preferred as conductive additives because of their good electrical conductivity. So far, carbon nanotubes that have a uniform length have been used in cell production.
  • an electrode active material particle can be completely covered by such carbon nanotubes. This has the effect that an electrolyte is prevented from penetrating into individual electrode active material particles. This further leads to the electrical conductivity of the affected electrode being lowered and the characteristic properties of a lithium-ion battery being impaired.
  • a first proportion of carbon nanotubes and an electrode active material are mixed together in a mixer at a first speed to form a first mixture.
  • Carbon nanotubes and the first mixture in the mixer with a second RPM blended together to form a second mixture Carbon nanotubes and the first mixture in the mixer with a second RPM blended together to form a second mixture.
  • the first speed is greater than the second speed.
  • the advantage of the method according to the invention is that the carbon nanotubes of the first portion are broken for the most part during the first mixing step. As a result, the carbon nanotubes of the first portion are converted into individual carbon nanotubes that are shorter in length than before the first mixing step. These truncated carbon nanotubes are deposited on the surface of individual electrode active material particles of the electrode active material during the first mixing step. In contrast to the prior art, in which carbon nanotubes with a uniform length are used, this prevents the surface of the individual electrode active material particles from being covered by the carbon nanotubes for the most part or even completely.
  • a further advantage of the method according to the invention is that carbon nanotubes of the same length can be used as starting materials for the method. This avoids the additional material costs that would arise from the provision of carbon nanotubes of different lengths.
  • the first mixture is treated by means of a mechanical separation process.
  • the mechanical separation process carbon nanotubes that do not adhere to the electrode active material after the first mixing step are removed from the first mixture.
  • the aim of this measure is for the first mixture to contain predominantly carbon nanotubes which have been broken during the first mixing step and are of reduced length.
  • This provides a dispersion that can be applied relatively easily to a metallic conductor foil.
  • the present invention further relates to a battery cell with an electrode that is produced by the method according to the invention.
  • the electrode comprises an electrode active material and carbon nanotubes.
  • the carbon nanotubes of the electrode have different lengths.
  • the battery cell according to the invention is characterized by an electrode that has good electrical conductivity.
  • predominantly carbon nanotubes with a length that is equal to or smaller than the average length of the carbon nanotubes are arranged on the surface of the electrode active material.
  • the battery cell according to the invention can be used advantageously in lithium-ion batteries. These can in turn be used in electric vehicles, in hybrid vehicles, in plug-in hybrid vehicles or in stationary applications, such as for storing regenerative energy.
  • Figure 1 shows an exemplary process diagram of a method according to the invention
  • FIG. 2 shows a sectional view of an exemplary electrode active material particle of an electrode according to the invention.
  • FIG. 1 shows an exemplary process diagram of a method 10 according to the invention for producing an electrode of a battery cell. Method 10 may be performed in the order presented.
  • Carbon nanotubes and an electrode active material are mixed together in a mixer at a first speed to form a first mixture.
  • the electrode active material can contain lithium metal oxides, for example.
  • a processing step 104 the first mixture is treated by means of a mechanical separation process.
  • the mechanical separation process can be, for example, screening or air classification.
  • processing step 104 the carbon nanotubes that are not attached to the electrode active material are removed from the first mixture.
  • a second portion of carbon nanotubes and the first mixture are mixed together in the same mixer at a second speed to form a second mixture.
  • the second speed is advantageously set lower than the first speed.
  • the second speed is determined, for example, such that the Carbon nanotubes of the second portion are not broken during the second mixing step 106 .
  • a binder and a solvent are added to the second mixture to form a dispersion.
  • the binder can be polyvinylidene fluoride (PVDF), for example.
  • a suitable solvent is, for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
  • the dispersion is applied to a metallic conductor foil to form an electrode layer.
  • the metal conductor foil can include aluminum, for example.
  • FIG. 2 Illustrated schematically in FIG. 2 is a sectional view of an exemplary electrode active material particle 20 of an electrode made according to the method 10 of FIG.
  • the electrode active material particle 20 has a spherical shape, for example.
  • a first proportion of carbon nanotubes 204 is arranged on the surface 202 of the electrode active material particle 20 .
  • a second portion of carbon nanotubes 206 is provided on these 204 .
  • the carbon nanotubes 204 of the first portion have a shorter length than the carbon nanotubes 206 of the second portion. This has the advantage that a free space for accommodating an electrolyte is formed between the carbon nanotubes 204 of the first portion on the surface 202 of the electrode active material particle 20 .
  • the described electrode active material particle 20 is used, for example, in a positive electrode of a lithium ion battery cell.
  • the lithium-ion battery cell can have a prismatic, round, or foil-like housing. This in turn is used in e-bikes or motor vehicles as well as in the stationary storage of electrical energy.

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Abstract

Es wird ein Verfahren (10) zur Herstellung einer Elektrode einer Batteriezelle bereitgestellt, wobei in einem ersten Mischschritt (102) ein erster Anteil an Kohlenstoffnanoröhren und ein Elektrodenaktivmaterial in einem Mischgerät mit einer ersten Drehzahl zur Bildung eines ersten Gemisches zusammengemischt werden. Weiter werden in einem zweiten Mischschritt (104) ein zweiter Anteil an Kohlenstoffnanoröhren (206) und das erste Gemisch in dem Mischgerät mit einer zweiten Drehzahl zur Bildung eines zweiten Gemisches zusammengemischt, wobei die erste Drehzahl größer als die zweite Drehzahl ist.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einer Batteriezelle, Bateriezelle und Verwendung derselben
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einer Bateriezelle, eine Batteriezelle und eine Verwendung derselben gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Lithium-Ionen-Baterien sind aufgrund ihrer großen Energiedichte, thermischen Stabilität und einer geringen Selbstentladung zur Umsetzung der Elektromobilität besonders geeignet. Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Lithium-Ionen-Batteriezellen.
Eine Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst wiederum zumindest eine Elektrodeneinheit in Form eines Elektrodenstapels oder eines Elektrodenwickels. Dabei beinhaltet die zumindest eine Elektrodeneinheit üblicherweise eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Separator. Eine positive Elektrode, auch als Kathode bezeichnet, weist typischerweise eine metallische Ableiterfolie mit einem darauf aufgebrachten Elektrodenmaterial auf. Das Elektrodenmaterial ist in der Regel eine Zusammensetzung aus zumindest einem Elektrodenaktivmaterial und einem Leitadditiv. Das Elektrodenaktivmaterial umfasst typischerweise eine Vielzahl an Elektrodenaktivmaterialpartikeln. Das Leitadditiv ist dafür vorgesehen, die elektrische Leitfähigkeit innerhalb der positiven Elektrode zu erhöhen. Als Leitadditiv werden Kohlenstoffnanoröhren aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit bevorzugt. Bisher werden bei der Zellherstellung Kohlenstoffnanoröhren verwendet, die eine einheitliche Länge aufweisen. Die Oberfläche eines Elektrodenaktivmaterialpartikels kann von solchen Kohlenstoffnanoröhren vollständig bedeckt werden. Dadurch wird bewirkt, dass ein Eindringen eines Elektrolyten in einzelne Elektrodenaktivmaterialpartikel unterbunden wird. Dies führt weiter dazu, dass die elektrische Leitfähigkeit der betroffenen Elektrode verringert wird und die kennzeichnenden Eigenschaften einer Lithium-Ionen-Batterie beeinträchtigt werden.
Um diese Nachteile zu kompensieren, ist jeweils ein Verfahren zur Herstellung einer positiven Elektrode einer Batteriezelle aus den Dokumenten US 2013248772/A1 und US 2016293970/A1 bekannt, bei dem Kohlenstoffnanoröhren verwendet werden, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Jedoch verursacht diese Maßnahme hohe Herstellungskosten und lange Herstellungszeiten.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einer Batteriezelle mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem ersten Mischschritt ein erster Anteil an Kohlenstoffnanoröhren und ein Elektrodenaktivmaterial in einem Mischgerät mit einer ersten Drehzahl zur Bildung eines ersten Gemisches zusammengemischt.
Weiter werden in einem zweiten Mischschritt ein zweiter Anteil an
Kohlenstoffnanoröhren und das erste Gemisch in dem Mischgerät mit einer zweiten Drehzahl zur Bildung eines zweiten Gemisches zusammengemischt. Dabei ist die erste Drehzahl größer als die zweite Drehzahl.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Kohlenstoffnanoröhren des ersten Anteils während des ersten Mischschrittes zum größten Teil gebrochen werden. Dadurch entstehen aus den Kohlenstoffnanoröhren des ersten Anteils einzelne Kohlenstoffnanoröhren, die eine kürzere Länge als vor dem ersten Mischschritt aufweisen. Diese verkürzten Kohlenstoffnanoröhren werden während des ersten Mischschrittes auf der Oberfläche einzelner Elektrodenaktivmaterialpartikel des Elektrodenaktivmaterials aufgebracht. Dadurch wird im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem Kohlenstoffnanoröhren mit einer einheitlichen Länge verwendet werden, verhindert, dass die Oberfläche der einzelnen Elektrodenaktivmaterialpartikel von den Kohlenstoffnanoröhren zum größten Teil oder sogar vollständig bedeckt werden. Stattdessen wird auf der Oberfläche der einzelnen Elektrodenaktivmaterialpartikel ein größerer Freiraum zwischen den nebeneinander angeordneten Kohlenstoffnanoröhren ausgebildet, durch den ein Elektrolyt zur Oberfläche der Elektrodenaktivmaterialpartikel durchdringen kann. Damit wird sichergestellt, dass Ladungsträger in Form von Lithiumionen relativ schnell zu den Elektrodenaktivmaterialpartikeln gelangen können, wodurch der elektrische Widerstand der entsprechenden Batteriezelle sinkt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass für das Verfahren Kohlenstoffnanoröhren gleicher Länge als Ausgangsmaterialien verwendet werden können. Dadurch werden die zusätzlichen Materialkosten, welche durch die Bereitstellung unterschiedlich langer Kohlenstoffnanoröhren entstehen würden, vermieden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
So ist es von Vorteil, wenn nach dem ersten Mischschritt das erste Gemisch mittels eines mechanischen Trennverfahrens behandelt wird. Mittels des mechanischen Trennverfahrens werden Kohlenstoffnanoröhren, die nach dem ersten Mischschritt nicht an dem Elektrodenaktivmaterial haften, aus dem ersten Gemisch entfernt. Diese Maßnahme hat das Ziel, dass das erste Gemisch überwiegend Kohlenstoffnanoröhren enthält, die während des ersten Mischschrittes gebrochen worden sind und eine reduzierte Länge aufweisen.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn in dem zweiten Mischschritt dem zweiten Gemisch ein Binder und ein Lösungsmittel hinzugefügt werden.
Damit wird eine Dispersion bereitgestellt, die relativ einfach auf einer metallischen Ableiterfolie aufgetragen werden kann.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Batteriezelle mit einer Elektrode, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Dabei umfasst die Elektrode ein Elektrodenaktivmaterial und Kohlenstoffnanoröhren. Die Kohlenstoffnanoröhren der Elektrode weisen unterschiedliche Längen auf. Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist durch eine Elektrode gekennzeichnet, die eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Vorteilhafterweise sind auf der Oberfläche des Elektrodenaktivmaterials überwiegend Kohlenstoffnanoröhren mit einer Länge angeordnet, die gleich oder kleiner als die Durchschnittslänge der Kohlenstoffnanoröhren ist.
Dadurch wird es sichergestellt, dass die Oberfläche einzelner Elektrodenaktivmaterialpartikel des Elektrodenaktivmaterials für den Zutritt eines Elektrolyten freigehalten wird.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle lässt sich vorteilhaft in Lithium-Ionen- Batterien einsetzen. Diese können wiederum Anwendung in elektrischen Fahrzeugen, in Hybridfahrzeugen, in Plug-In-Hybridfahrzeugen oder in stationären Anwendungen wie beispielsweise zur Speicherung regenerativ gewonnener Energie finden. Kurze Beschreibung der Figuren
In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 ein beispielhaftes Prozessschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 2 eine Schnittansicht eines beispielhaften Elektrodenaktivmaterialpartikels einer erfindungsgemäßen Elektrode.
In Figur 1 ist ein beispielhaftes Prozessschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens 10 zur Herstellung einer Elektrode einer Batteriezelle dargestellt. Das Verfahren 10 kann in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden.
In einem ersten Mischschritt 102 werden ein erster Anteil an
Kohlenstoffnanoröhren und ein Elektrodenaktivmaterial in einem Mischgerät mit einer ersten Drehzahl zur Bildung eines ersten Gemisches zusammengemischt. Das Elektrodenaktivmaterial kann beispielsweise Lithium-Metalloxide enthalten.
Nach dem ersten Mischschritt 102 wird in einem Verarbeitungsschritt 104 das erste Gemisch mittels eines mechanischen Trennverfahrens behandelt. Das mechanische Trennverfahren kann beispielsweise ein Sieben oder Windsichten sein. In dem Verarbeitungsschritt 104 werden die Kohlenstoffnanoröhren, die nicht an dem Elektrodenaktivmaterial haften, aus dem ersten Gemisch entfernt.
Weiter werden in einem zweiten Mischschritt 106 ein zweiter Anteil an Kohlenstoffnanoröhren und das erste Gemisch in demselben Mischgerät mit einer zweiten Drehzahl zur Bildung eines zweiten Gemisches zusammengemischt. Dabei wird die zweite Drehzahl vorteilhafterweise kleiner als die erste Drehzahl eingestellt. Die zweite Drehzahl wird dabei beispielsweise derart bestimmt, dass die Kohlenstoffnanoröhren des zweiten Anteils währen des zweiten Mischschrittes 106 nicht gebrochen werden.
Darüber hinaus werden in dem zweiten Mischschritt 106 dem zweiten Gemisch ein Binder und ein Lösungsmittel zur Bildung einer Dispersion hinzugefügt. Dabei kann der Binder beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF) sein. Das geeignete Lösungsmittel ist beispielsweise N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP).
Weiterhin wird in einem Beschichtungsschritt 108 die Dispersion auf einer metallischen Ableiterfolie zur Bildung einer Elektrodenschicht aufgetragen. Die metallische Ableiterfolie kann beispielsweise Aluminium umfassen.
In Figur 2 ist eine Schnittansicht eines beispielhaften Elektrodenaktivmaterialpartikels 20 einer Elektrode, die gemäß dem Verfahren 10 in Figur 1 hergestellt ist, schematisch dargestellt.
Das Elektrodenaktivmaterialpartikel 20 ist beispielsweise kugelförmig ausgebildet. Auf der Oberfläche 202 des Elektrodenaktivmaterialpartikels 20 ist ein erster Anteil an Kohlenstoffnanoröhren 204 angeordnet. Auf diesen 204 ist ein zweiter Anteil an Kohlenstoffnanoröhren 206 vorgesehen. Dabei weisen die Kohlenstoffnanoröhren 204 des ersten Anteils eine kürzere Länge als die Kohlenstoffnanoröhren 206 des zweiten Anteils auf. Dies hat den Vorteil, dass ein Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten zwischen den Kohlenstoffnanoröhren 204 des ersten Anteils auf der Oberfläche 202 des Elektrodenaktivmaterialpartikels 20 ausgebildet wird.
Das beschriebene Elektrodenaktivmaterialpartikel 20 wird beispielsweise in einer positiven Elektrode einer Lithium-Ionen-Batteriezelle verwendet. Dabei kann die Lithium-Ionen-Batteriezelle ein prismatisches, ein rund ausgebildetes oder ein folienartiges Gehäuse umfassen. Diese findet wiederum Anwendungen in E- Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.

Claims

- 7 - Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einer Batteriezelle, wobei in einem ersten Mischschritt (102) ein erster Anteil an Kohlenstoffnanoröhren und ein Elektrodenaktivmaterial in einem Mischgerät mit einer ersten Drehzahl zur Bildung eines ersten Gemisches zusammengemischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Mischschritt (104) ein zweiter Anteil an Kohlenstoffnanoröhren (206) und das erste Gemisch in dem Mischgerät mit einer zweiten Drehzahl zur Bildung eines zweiten Gemisches zusammengemischt werden, wobei die erste Drehzahl größer als die zweite Drehzahl ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten Mischschritt (102) das erste Gemisch mittels eines mechanischen Trennverfahrens (104) behandelt wird, wobei Kohlenstoffnanoröhren, die nicht an dem Elektrodenaktivmaterial haften, aus dem ersten Gemisch entfernt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Mischschritt (106) dem zweiten Gemisch ein Binder und ein Lösungsmittel hinzugefügt werden.
4. Batteriezelle mit einer Elektrode, die nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 hergestellt ist, wobei die Elektrode ein Elektrodenaktivmaterial und Kohlenstoffnanoröhren (204, 206) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren (204, 206) unterschiedliche Längen aufweisen. - 8 - Batteriezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren (204, 206) eine Durchschnittslänge aufweisen, wobei auf der Oberfläche (202) des Elektrodenaktivmaterials überwiegend
Kohlenstoffnanoröhren (204) mit einer Länge, die gleich oder kleiner als die Durchschnittslänge ist, angeordnet sind. Verwendung einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 5 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-
In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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