EP4244913A2 - Verfahren zur herstellung einer elektrode für eine wässrige alkali-ionen batterie oder eine wässrige hybrid-ionen batterie - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer elektrode für eine wässrige alkali-ionen batterie oder eine wässrige hybrid-ionen batterie

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EP4244913A2
EP4244913A2 EP21801858.8A EP21801858A EP4244913A2 EP 4244913 A2 EP4244913 A2 EP 4244913A2 EP 21801858 A EP21801858 A EP 21801858A EP 4244913 A2 EP4244913 A2 EP 4244913A2
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EP
European Patent Office
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carbon
layer
ion battery
carrier film
paste
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21801858.8A
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Thomas DR. KRAUSSE
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Bluesky Energy Entwicklungs und Produktions GmbH
Original Assignee
Bluesky Energy Entwicklungs und Produktions GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
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    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M4/00—Electrodes
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    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electrode according to the preamble of claim 1.
  • a battery with an aqueous alkaline electrolyte is described in EP 2 826083 B1, for example. Electrodes are described there that are assembled from a stack of separate, plate-shaped parts.
  • This structure is complex and difficult to produce, particularly with regard to the contact between the individual parts.
  • this object is achieved by its characterizing features.
  • a method according to the invention is characterized in that a carbon-containing paste is applied to a conductive carrier film and this layered structure is then heated and pressed.
  • this measure enables a manufacturing process for a layered structure that is mounted as a unit in the battery, which simplifies the structure of the battery and thus its manufacture.
  • a metal foil can be used as the carrier foil, as in the case of collectors for batteries according to the prior art, with this foil now being able to be made thinner since it no longer has to be handled as a separate part.
  • Heating and pressing can be carried out simultaneously or sequentially.
  • Temporal overlapping in which the two method steps are only carried out at the same time from time to time, is also conceivable.
  • a porous surface and/or a porous carbon layer is formed on the side opposite the carrier film. This significantly increases the contact surface of the electrode, which is soaked in the battery with the aqueous electrolyte, which improves the storage, ie the so-called intercalation, of charge carriers such as alkali ions from the electrolyte and the capacity of the battery can be increased.
  • a carbon powder can be applied and bonded to the layer created by the carbonaceous paste. Depending on the amount of carbon powder, only the surface is made porous by this process step or a porous layer is applied with a certain layer thickness.
  • connection of the porous carbon powder can be carried out, for example, by sprinkling the carbon powder on the layer formed by heating and pressing the carbonaceous paste and heating and/or pressing again.
  • the carbon powder is applied to the carrier film after or when the carbon-containing paste is applied to this paste and is heated and pressed together with it.
  • connection to the carrier film and the formation of the porous surface and/or the porous carbon layer are carried out in one operation.
  • a further advantageous embodiment of the invention results from the fact that one or more of the above-mentioned method steps for constructing an electrode are carried out on both sides of the carrier film. This can cause a battery to build up
  • Contacting the carrier film serving as a collector can easily be used to connect two opposite battery cells in parallel. It has proven successful in experiments to use a temperature greater than 50 degrees Celsius during heating and/or a pressure greater than 1 kg/cm 2 during compression.
  • pastes made of carbon black or graphite or activated carbon can be used as the carbon-containing paste.
  • the connection to the carrier film can be improved if the paste contains one or more solvents.
  • the paste can thus be given a viscosity that is easy to process, with the solvent(s) then evaporating during heating and/or pressing.
  • the layer structure and the connection to the carrier film can be improved by using a carbon-containing paste with or without a solvent, which paste contains one or more polymers.
  • the polymer or polymers can form a bond with the carbon and thereby mechanically stabilize the layer.
  • Polymers can also produce improved adhesion to the carrier film.
  • the contact can thus be mechanically stable on a smooth contact surface. This also improves the electrical contact and thus further reduces the internal resistance. In particular, when using one or more electrically conductive polymers, the electrical contact is further improved.
  • the production of the electrodes according to the invention can be carried out with a carrier film strip running continuously through the various work stations, with the individual electrodes then being isolated, in particular punched or cut.
  • a wound electrode can be manufactured by winding the layered structure according to the claims. This structure is advantageous, for example, when using a cup-shaped counter electrode filled with electrolyte.
  • FIG. 1 shows a block diagram for the process sequence of a first exemplary embodiment
  • Fig. 2 is a block diagram for the process flow of a second embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a continuous process flow.
  • the method according to Figure 1 comprises three steps, i.e. that
  • Carrier film in particular made of metal, the sprinkling 2 of a
  • connection 3 takes place in two successive method steps, i.e. the heating 3a and the subsequent pressing 3b.
  • the schematic sequence according to FIG. 3 comprises the unrolling of a carrier film 4 with the subsequent application of a carbon-containing paste 5 from a slotted nozzle 6. Subsequently, a carbon powder 8 is scattered via a scattering nozzle 9, which is also in the form of a slot.
  • This layer structure is heated in a continuous furnace 9, then pressed over a press roller 10 and finally fed to a stamping die 11 for separating individual electrodes.
  • electrodes can of course also be individually layered, heated and pressed in the same sequence of process steps.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine wässrige Alkali-Ionen Batterie oder eine wässrige Hybrid-Ionen Batterie. Die Herstellung einer Elektrode zeichnet sich dadurch aus, dass eine kohlenstoffhaltige Paste (5) auf einer leitfähigen Trägerfolie (4) aufgetragen und dieser Schichtaufbau anschließend durch Erhitzen und Verpressen verbunden wird.

Description

"Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine wässrige
Alkali-Ionen Batterie oder eine wässrige Hybrid-Ionen Batterie"
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Batterie mit einem wässrigen alkalihaltigen Elektrolyten wird beispielsweise in der EP 2 826083 Bl beschrieben. Dort werden Elektroden beschrieben, die aus einem Stapel separater, plattenförmiger Teile zusammengelegt werden.
Dieser Aufbau ist aufwändig und insbesondere im Hinblick auf den Kontakt zwischen den einzelnen Teilen schwierig in der Herstellung .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine wässrige Alkali-Ionen Batterie oder eine wässrige Hybrid-Ionen Batterie vorzuschlagen, die zu einer Reduzierung des Aufwandes und einem verbesserten Kontakt zwischen den verschiedenen Bauelementen führt.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst .
Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch aus, dass eine kohlenstoffhaltige Paste auf einer leitfähigen Trägerfolie aufgetragen und dieser Schichtaufbau anschließend erhitzt und verpresst wird. Zum einen ist durch diese Maßnahme ein Herstellungsprozess eines Schichtaufbaus möglich, der als Einheit in die Batterie montiert wird, wodurch der Aufbau der Batterie und somit deren Herstellung vereinfacht wird.
Weiterhin wird eine glatte, flächig durchgehende Verbindung zwischen der Kohlenstoffschicht und der Trägerfolie erzeugt, wodurch sich eine gute elektrische Kontaktierung mit kleinem Innenwiderstand ergibt. Mit dem reduzierten Innenwiderstand wird die Verlustleitung der Batterie verringert und deren Wärmeentwicklung reduziert.
Als Trägerfolie kann eine Metallfolie wie bei Kollektoren für Batterien nach dem Stand der Technik verwendet werden, wobei diese Folie nunmehr dünner ausgeführt werden kann, da sie nicht mehr als separates Teil gehandhabt werden muss.
Je nach Auswahl des Materials und der Materialstärke kann das
Erhitzen und Verpressen gleichzeitig oder nacheinander vorgenommen werden. Auch ein zeitliches Überlappen, bei dem beide Verfahrensschritte nur zeitweise gleichzeitig vorgenommen werden, ist denkbar.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird auf der der Trägerfolie gegenüber liegenden Seite eine poröse Oberfläche und/oder eine poröse Kohlenstoffschicht ausgebildet. Dadurch wird die Kontaktoberfläche der Elektrode, die in der Batterie mit dem wässrigen Elektrolyten getränkt wird, signifikant vergrößert, wodurch die Einlagerung, d.h. die sogenannte Interkalation von Ladungsträgern, wie Alkali- Ionen aus dem Elektrolyten verbessert und die Kapazität der Batterie vergrößert werden kann. Zur Ausbildung der porösen Oberfläche und/oder der porösen Kohlenstoff schicht kann ein Kohlenstoffpulver aufgetragen und mit der durch die kohlenstoffhaltige Paste erzeugten Schicht verbunden werden. Je nach Menge des Kohlenstoffpulvers wird durch diesen Verfahrensschritt nur die Oberfläche porös ausgebildet oder eine poröse Schicht mit einer gewissen Schichtdicke aufgetragen.
Die Verbindung des porösen Kohlenstoffpulvers kann beispielsweise durch Aufstreuen des Kohlestoffpulvers auf die durch Erhitzen und Verpressen der kohlenstoffhaltigen Paste gebildete Schicht und erneutes Erhitzen und/oder Verpressen vorgenommen werden.
Hinsichtlich des Fertigungsaufwandes besonders vorteilhaft, ist jedoch, wenn zur Ausbildung der porösen Oberfläche und/oder der porösen Kohlenstoffschicht das Kohlenstoffpulver nach oder mit dem Auftragen der kohlenstoffhaltigen Paste auf die Trägerfolie auf diese Paste aufgebracht und gemeinsam mit dieser erhitzt und verpresst wird.
Bei dieser Vorgehensweise wird die Verbindung mit der Trägerfolie und die Ausbildung der porösen Oberfläche und/oder der porösen Kohlenstoffschicht Kohlenstoffschicht in einem Arbeitsgang durchgeführt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass einer oder mehrere der o.a. Verfahrensschritte zum Aufbau einer Elektrode beidseits der Trägerfolie vorgenommen werden. Dadurch kann beim Aufbau einer Batterie durch
Kontaktierung der als Kollektor dienenden Trägerfolie auf einfache Weise eine Parallelschaltung zweier gegenüber liegender Batteriezellen hergestellt werden. Es hat sich erfolgreichen Versuchen bewährt, beim Erhitzen eine Temperatur größer als 50 Grad Celsius und/oder beim Verpressen einen Druck größer 1kg/cm2 zu verwenden.
Als kohlenstoffhaltige Paste sind insbesondere Pasten aus Ruß oder Graphit oder aktiviertem Kohlenstoff verwendbar. Eine Verbesserung der Verbindung mit der Trägerfolie ist dadurch möglich, dass die Paste ein oder mehrere Lösungsmittel enthält. Die Paste kann somit eine gut zu verarbeitende Viskosität erhalten, wobei das oder die Lösungsmittel dann während des Erhitzens und/oder Verpressens verdampfen.
Eine Verbesserung des Schichtaufbaus und der Verbindung zur Trägerfolie kann dadurch erreicht werden, dass eine kohlenstoffhaltige Paste mit oder ohne Lösungsmittel verwendet wird, die ein oder mehrere Polymere enthält. Das oder die Polymere können mit dem Kohlenstoff einen Verbund bilden und dadurch die Schicht mechanisch stabilisieren. Durch das oder die
Polymere kann auch eine verbesserte Haftung an der Trägerfolie erzeugt werden. Der Kontakt kann so mechanisch stabil an einer glatten Kontaktfläche erfolgen. Dadurch wird auch die elektrische Kontaktierung verbessert und der Innenwiderstand somit weiter reduziert. Insbesondere bei Verwendung eines oder mehrerer elektrisch leitfähiger Polymere wird dabei der elektrische Kontakt weiter verbessert.
Zur Vereinfachung der Fertigung kann die erfindungsgemäße Herstellung der Elektroden mit einem kontinuierlich durch die verschiedenen Arbeitsstationen durchlaufenden Trägerfolienband durchgeführt werden, wobei die einzelnen Elektroden anschließend vereinzelt, insbesondere gestanzt oder geschnitten, werden. In einer weiteren Ausführung kann nach eine gewickelte Elektrode gefertigt werden, indem der anspruchsgemäße Herstellung des Schichtaufbaus aufgewickelt wird. Dieser Aufbau ist beispielsweise bei Verwendung einer becherförmigen, mit Elektrolyt gefüllten Gegenelektrode von Vorteil.
Eine andere aufgewickelte Variante ergibt sich dann, wenn der anspruchsgemäß hergestellte Schichtaufbau durch eine Separatorschicht und/oder eine weitere Elektrodenschicht ergänzt und anschließend aufgewickelt wird. Damit sind vollständige Batteriezellen in gewickelter Form möglich. Auch die Herstellung mehrerer verschalteter Batteriezellen in einem Wickel wäre auf diese Weise möglich.
Verschiedene Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden anhand der Figuren näher erläutert.
Im Einzelnen zeigen
Fig. 1 ein Blockdiagramm für den Verfahrensablauf eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 ein Blockdiagramm für den Verfahrensablauf eines zweiten Ausführungsbeispiels und
Fig. 3 eine schematische Veranschaulichung eines kontinuierlichen Verfahrensablaufes.
Das Verfahren gemäß Figur 1 umfasst drei Schritte, d.h. das
Auftragen 1 einer kohlenstoffhaltigen Paste auf eine leitfähige
Trägerfolie, insbesondere aus Metall, das Aufstreuen 2 eines
Kohlenstoffpulvers auf die durch die kohlenstoffhaltige Paste gebildeten Schicht und im Anschluss daran das Verbinden 3 durch gleichzeitiges Erhitzen und Verpressen.
Das Verfahren nach Figur 2 unterscheidet sich von dem vorbeschriebenen Verfahren dadurch, dass das Verbinden 3 in zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten, d.h. das Erhitzen 3a und das anschließende Verpressen 3b erfolgt.
Der schematische Ablauf nach Fig. 3 umfasst das Abrollen einer Trägerfolie 4 mit dem anschließenden Auftragen einer kohlenstoffhaltigen Paste 5 aus einer Schlitzdüse 6. Im Anschluss daran wird ein Kohlenstoffpulver 8 über eine ebenfalls schlitzförmige Streudüse 9 aufgestreut. Dieser Schichtaufbau wird in einem Durchlaufofen 9 erhitzt, dann über eine Presswalze 10 verpresst und schließlich einer Stanzform 11 zur Vereinzelung einzelner Elektroden zugeführt.
Abweichend von dieser Anordnung können natürlich in der gleichen Abfolge der Verfahrensschritte Elektroden auch einzeln geschichtet, erhitzt und verpresst werden.
Bezugszeichenliste :
1 Aufträgen
2 Aufstreuen
3 Verbinden
3a Erhitzen
3b Verpressen
4 Trägerfolie
5 Paste
6 Schlitzdüse
7 Kohlestoffpulver
8 Streudüse
9 Durchlaufofen
10 Presswalze
11 Stanzform

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine wässrige Alkali-Ionen Batterie oder eine wässrige Hybrid- Ionen Batterie dadurch gekennzeichnet, dass eine kohlenstoffhaltige Paste (5) auf einer leitfähigen Trägerfolie (4) aufgetragen und dieser Schichtaufbau anschließend durch Erhitzen (3a) und Verpressen (3b) verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als leitfähige Trägerfolie (4) eine Metallfolie verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden (3) durch Erhitzen und Verpressen gleichzeitig vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen (3a) zumindest teilweise zeitlich vor dem Verpressen (3b) vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Trägerfolie (4) gegenüber liegenden Seite eine poröse Oberfläche und/oder eine poröse Kohlenstoffschicht ausgebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der porösen Oberfläche und/oder der porösen Kohlenstoffschicht ein Kohlenstoffpulver (7) aufgetragen und mit der durch die kohlenstoffhaltige Paste (5) erzeugten Schicht verbunden wird .
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der porösen Oberfläche und/oder der porösen Kohlenstoffschicht das Kohlenstoffpulver (7) nach oder mit dem Auftragen der kohlenstoffhaltigen Paste (5) auf die Trägerfolie (4) auf diese Paste (5) aufgebracht und gemeinsam mit dieser erhitzt und verpresst wird.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anspruchsgemäßen Verfahrensschritte beidseits der Trägerfolie (4) vorgenommen werden.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erhitzen (3a) eine Temperatur größer als 50 Grad Celsius und/oder beim Verpressen (3b) ein Druck größer 1kg/cm2 verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kohlenstoffhaltige Paste (5) aus Ruß oder Graphit oder aktiviertem Kohlenstoff verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Paste (5) ein oder mehrere Lösungsmittel enthält.
12. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Paste (5) ein oder mehrere Polymere, insbesondere ein oder mehrere elektrisch leitfähige Polymere enthält.
13. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anspruchsgemäßen
Verfahrensschritte mit einer kontinuierlich durch die verschiedenen Arbeitsstationen durchlaufenden Trägerfolie (4) durchgeführt und die einzelnen Elektroden anschließend vereinzelt, insbesondere gestanzt oder geschnitten werden.
14. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der anspruchsgemäß hergestellte Schichtaufbau aufgewickelt wird.
15. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der anspruchsgemäß hergestellte Schichtaufbau durch eine Separatorschicht und/oder eine weitere Elektrodenschicht ergänzt und anschließend aufgewickelt wird.
16. Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere nach einem der vorgenannten Ansprüche gefertigten verwendet werden.
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