EP4305683A1 - Verfahren zum trennen oder wiedergewinnen von materialien von elektroden, verfahren zur herstellung einer elektrode sowie elektrode - Google Patents

Verfahren zum trennen oder wiedergewinnen von materialien von elektroden, verfahren zur herstellung einer elektrode sowie elektrode

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EP4305683A1
EP4305683A1 EP22706791.5A EP22706791A EP4305683A1 EP 4305683 A1 EP4305683 A1 EP 4305683A1 EP 22706791 A EP22706791 A EP 22706791A EP 4305683 A1 EP4305683 A1 EP 4305683A1
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EP
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electrode
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carrier
storage cell
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Desiree GRIESSL
Martin Hiller
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Bayerische Motoren Werke AG
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Definitions

  • the present invention relates to a method for separating or recovering materials from electrodes, a method for manufacturing an electrode, and an electrode.
  • a method for separating or recovering materials from electrodes comprises the steps of: Providing a substrate, in particular a carrier material of an electrode, on which a coating is applied on one or both sides;
  • the coating is removed by means of snow jets.
  • Snow blasting is a compressed air blasting process that uses carbon dioxide as the blasting medium. It is therefore also referred to as CC> 2 snow jets.
  • CC> 2 snow jets Two process variants can be distinguished.
  • the liquid carbon dioxide is expanded to ambient temperature at the nozzle outlet.
  • the resulting CC> 2 snow particles are bundled and accelerated by a jacket jet of supersonic compressed air. Due to the low kinetic energy of the particles, this variant of the process is less abrasive.
  • the second CC> 2 snow jet principle the liquid carbon dioxide is metered into the compressed air flow in an expansion space, the so-called agglomeration chamber.
  • the substrate is, in particular, a carrier material for an electrode of an electrical energy storage cell, in this case, for example, an aluminum or copper foil, such as is used in lithium-ion batteries, for example.
  • the carrier material can be coated on one or both sides.
  • the coating material includes, for example, active material, conductive carbon black, solvent binder and additives.
  • the coated carrier materials are compressed, for example in a calender.
  • the snow jet cleaning can expediently be carried out before and/or after the compaction of the coating.
  • the removal rate can be individually adjusted. For example, this must be higher if the carrier material has already been compacted, since the adhesion of the coating may then be higher. It is also necessary to consider whether the coating has already dried or not. Even then, the adhesion may be greater and the snow removal rate adjusted accordingly.
  • this is advantageously possible flexibly by setting the system parameters.
  • the method comprises the step:
  • a chamber or the like in which means for snow jet cleaning are arranged or provided.
  • the chamber is expediently closed or lockable to the outside in an airtight manner.
  • cleaning is carried out within the chamber.
  • the material removed can expediently be collected via a suitably designed suction system.
  • the substrates to be cleaned are fed continuously to the chamber.
  • several rows of jet nozzles can be arranged in front of and/or behind one another, possibly stationary.
  • one or more jet nozzles are also attached to a robotic arm so that their movement/alignment can be flexibly controlled.
  • the substrates or the substrate itself can be in motion or stand still.
  • the method is used in the production of electrical energy storage cells, in particular, for example, in electrical energy storage cells, in particular lithium ion cells, such as are used for motor vehicles.
  • electrical energy storage cells in particular lithium ion cells, such as are used for motor vehicles.
  • the scrap rates can be successfully reduced.
  • the coating is removed over the entire surface. This is particularly expedient if the or an electrode as such is to be broken down into its components.
  • the material is removed partially.
  • a coating or a region of a coating can advantageously be contoured or shaped.
  • Coating material can advantageously be applied to the entire surface of the carrier film, for example.
  • two coating strips can be produced by centrally introduced material removal along a web direction of the carrier foil, alternatively also several.
  • the material can also be removed transversely to the direction of the web in order to produce an intermittent coating, comprising a large number of coating areas or sections, along the direction of the web.
  • the material can be removed after the carrier film, which is coated in particular over the entire surface, has been compressed in order to subsequently produce the aforementioned strips or areas or sections. This can facilitate the compaction process.
  • the method comprises the steps:
  • the removed coating is reused as a whole.
  • the coating for example, includes the materials: active material, conductive carbon black, solvents, binders and additives. If necessary, the removed coating material is subjected to a cleaning process if necessary. Additionally or alternatively, the coating material can also be processed.
  • Processing means for example, material separation. This means that some of the above-mentioned materials, which are only listed as examples, can be separated so that they can be used separately and separately.
  • the processing includes crushing, in particular pulverizing, of (coating) material.
  • the method comprises the step:
  • the aforementioned pulverulent components are returned to the mixing process.
  • the method comprises the step:
  • the carrier material can (also) be reused. According to one embodiment of the method, it is used to produce the same energy storage cell, that is to say to produce an energy storage cell of the same type.
  • the carrier material can also be used for another type of battery, for example for a type of battery on which lower performance requirements are made.
  • use for a battery type of different size can also be preferred, so that the carrier material can or must still be cut, for example, whereby damaged areas or areas that could not be completely freed from coating material can be removed.
  • the invention also relates to methods of manufacturing an electrode for an energy storage cell using the method of the invention to separate or recover materials.
  • the method is used as part of the production or manufacture of an electrode for an energy storage cell in order to break down electrodes that have been declared scrap into their components.
  • the invention also relates to an electrode comprising a carrier film and/or coating material which has been produced using the production method according to the invention.
  • the method can expediently be used both for classic recycling, for example battery cells, ie for used battery cells. However, the method can also be used to advantage during production, to reduce reject rates and/or to optimize the production process.
  • Fig. 1 a sketch to illustrate an embodiment of the method.
  • Fig. 1 shows a schematic view of an electrode 10 comprising a substrate 20, in particular a carrier material, such as aluminum or copper foil, with a coating 30 arranged thereon Substrate 20 removed.
  • the schematic spray lance which has the reference number 40 .
  • the carrier material 20 is moved along a conveying direction F.
  • the spray lance 40 is arranged in a stationary manner, for example. If necessary, the angle of the spray lance 40 relative to the carrier material 20 can be adjusted. According to one embodiment, several such spray lances are provided along the conveying direction F. Additionally or alternatively, several spray lances 40 are provided side by side.
  • such a spray lance 40 can also be attached to an industrial robot, so that its alignment and position relative to the carrier material 20 can be adjusted as desired.
  • the carrier material 20 can also be transported along the conveying direction F in this case. Alternatively, it can also rest.

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Abstract

Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien von Elektroden, umfassend die Schritte: − Bereitstellen eines Substrats, insbesondere eines Trägermaterials einer Elektrode, auf welchem eine Beschichtung aufgebracht ist; − Zumindest bereichsweise Abtragen der Beschichtung mittels Schneestrahlen.

Description

Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien von Elektroden, Verfahren zur Herstellung einer Elektrode sowie Elektrode
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien von Elektroden, ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode sowie eine Elektrode.
Für die Herstellung elektrischer Energiespeicherzellen kommen hochwertige Materi alien zum Einsatz. Umso wichtiger ist es, Lösungen zu finden, um diese wiederzu verwenden oder wiederzuverwerten. Bereits im Rahmen der Produktion fällt mit un ter Ausschuss an, welcher aus Kosten- und Umweltgesichtspunkten nicht verloren sein darf. Problematisch ist in diesem Zusammenhang allerdings, dass die Wieder gewinnung der einzelnen Materialien/Werkstoffe oftmals schwierig ist, da die unter schiedlichen Werkstoffe fest miteinander verbunden sind. So sind beispielsweise die Trägerfolien von elektrischen Energiespeicherzellen mit einer Beschichtung verse hen, welche stark auf diesen haftet und nicht ohne weiteres entfernt werden kann. Für die Trennung von Elektrodensubstratblechen und der Beschichtung schlägt die DE 699 05 134 T2 vor, die Beschichtung durch Biegen des beschichteten Substrats mit einem ausreichend kleinen Biegeradius zu lösen. Außerdem wird dort das Arbei ten mit Lösungsmitteln etc. vorgeschlagen. Ein Biegen führt bei flexiblen Beschich tungen aber nicht zum Erfolg. Der Einsatz von Lösungsmitteln etc. zieht einen ho hen Anlagenaufwand nach sich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, insbesondere ein Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien, insbesondere im Bereich der Batterietechnik, anzugeben, welches flexibel anzuwenden und in seiner Umsetzung aufwandsarm ist und damit auch Vorteile für die Elektrodenfertigung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 , ein Verfahren gemäß Anspruch 9 sowie durch eine Elektrode gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der beigefügten Figur.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien von Elektroden die Schritte: Bereitstellen eines Substrats, insbesondere eines Trägermaterials einer Elektrode, auf welchem eine Beschichtung, ein- oder beidseitig, aufgebracht ist;
Zumindest bereichsweise Abtragen der Beschichtung mittels Schneestrah len.
Das Schneestrahlen ist ein Druckluftstrahlverfahren, bei dem als Strahlmittel Koh lenstoffdioxid eingesetzt wird. Es wird daher auch als CC>2-Schneestrahlen bezeich net. Es können im Wesentlichen zwei Verfahrensvarianten unterschieden werden. Bei der Zweistoffringdüse wird das flüssige Kohlenstoffdioxid am Düsenaustritt auf Umgebungstemperatur entspannt. Die entstehenden CC>2-Schneepartikel werden durch einen Mantelstrahl aus überschallschneller Druckluft gebündelt und beschleu nigt. Durch die geringe kinetische Energie der Partikel ist diese Verfahrensvariante weniger abrasiv. Beim zweiten CC>2-Schneestrahlprinzip wird das flüssige Kohlen stoffdioxid dem Druckluftstrom in einem Entspannungsraum, der sogenannten Ag glomerationskammer, zudosiert. Im Vergleich zur Zweistoffringdüse entstehen grö ßere Schneepartikel, die mit der Druckluft in einer nachfolgenden Düse beschleu nigt, zu einer (deutlich) höheren Abrasivität führen. Vorliegend können beide Varian ten, ggf. auch in Kombination, zum Einsatz kommen. Beim Schneestrahlen handelt es sich um ein äußerst umweit- und resourcenschonendes Reinigungsverfahren.
Bei dem Substrat handelt es sich insbesondere um ein Trägermaterial einer Elekt rode einer elektrischen Energiespeicherzelle, vorliegend insbesondere beispiels weise um eine Aluminium- oder Kupferfolie, wie sie beispielsweise in Lithiumionen batterien verwendet wird. Das Trägermaterial kann ein- oder beidseitig beschichtet sein. Das Beschichtungsmaterial umfasst beispielswiese jeweils Aktivmaterial, Leitruß, Lösungsmittelbinder und Additive. Zum Einstellen einer Porosität der Be schichtung werden die beschichteten Trägermaterialien, beispielsweise in einem Kalander, verdichtet. Zweckmäßigerweise kann die Schneestrahlreinigung vor und/oder nach der Verdichtung der Beschichtung durchgeführt werden. Zweckmäßi gerweise kann die Abtragsleistung individuell angepasst werden. So muss diese beispielsweise höher sein, wenn das Trägermaterial bereits verdichtet wurde, da dann die Haftung der Beschichtung ggf. höher ist. Berücksichtigt werden muss auch, ob die Beschichtung bereits getrocknet ist oder nicht. Auch dann ist ggf. die Haftung größer und die Abtragsleistung beim Schneestrahlen entsprechend anzu passen. Mit Vorteil ist dies allerdings flexibel über die Einstellung der Anlagenpara meter möglich. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
Entfernen und/oder Sammeln von Materialabtrag mittels Absaugen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kammer oder dergleichen vor gesehen, in welcher Mittel zum Schneestrahlreinigen angeordnet oder vorgesehen sind. Zweckmäßigerweise ist die Kammer nach außen hin luftdicht abgeschlossen oder abschließbar. Mit Vorteil wird die Reinigung innerhalb der Kammer durchge führt. Zweckmäßigerweise kann der Materialabtrag über eine geeignet ausgebildete Absaugung gesammelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform werden die zu reinigenden Substrate kontinuierlich der Kammer zugeführt. Dort können mehrere Reihen von Strahldüsen vor und/oder hintereinander, ggf. ortsfest, angeordnet sein. Alternativ ist eine oder sind mehrere Strahldüsen auch an einem Roboterarm befestigt, sodass deren Bewegung/Ausrich tung flexibel gesteuert werden kann. Die Substrate oder das Substrat können/kann beim Reinigungsprozess selbst in Bewegung sein oder auch still stehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren im Rahmen der Produktion von elektrischen Energiespeicherzellen eingesetzt, insbesondere bei spielsweise bei elektrischen Energiespeicherzellen, insbesondere Lithiumionenzel len, wie sie für Kraftfahrzeuge verwendet werden. Hierbei können insbesondere die Ausschussraten erfolgreich reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Beschichtung vollflächig entfernt. Dies ist insbesondere dann zielführend, wenn die oder eine Elektrode als solches in seine Bestandteile zerlegt werden soll.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt der Materialabtrag partiell. Mit Vorteil kann beispielsweise eine Beschichtung oder ein Bereich einer Beschichtung konturiert bzw. geformt werden. Mit Vorteil kann Beschichtungsmaterial beispielsweise vollflä chig auf die Trägerfolie aufgebracht werden. Durch einen mittig eingebrachten Mate rialabtrag entlang einer Bahnrichtung der Trägerfolie können beispielsweise zwei Beschichtungsstreifen erzeugt werden, alternativ auch mehrere. Der Materialabtrag kann auch quer zur Bahnrichtung erfolgen, um eine intermittierende Beschichtung, umfassend eine Vielzahl von Beschichtungsbereichen oder -Abschnitten, entlang der Bahnrichtung zu erzeugen. Weiter alternativ kann der Materialabtrag nach einem Verdichten der insbesondere vollflächig beschichteten Trägerfolie erfolgen, um im Anschluss die vorgenannten Streifen oder Bereiche bzw. Abschnitte zu erzeugen. Dies kann den Verdichtungs prozess erleichtern.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
Reinigen und Aufbereiten der abgetragenen Beschichtung bzw. des Be schichtungsmaterials;
Zumindest teilweise Verwenden des gereinigten und/oder aufbereiteten Be schichtungsmaterials zur Beschichtung eines Trägermaterials zur Herstel lung, insbesondere einer elektrischen Energiespeicherzelle.
Gemäß einer Ausführungsform wird die abgetragene Beschichtung als Ganzes wei terverwendet. Wie bereits erwähnt, umfasst beispielsweise die Beschichtung die Werkstoffe oder Materialien: Aktivmaterial, Leitruß, Lösungsmittel, Binder und Addi tive. Gegebenenfalls wird das abgetragene Beschichtungsmaterial, falls nötig, noch einem Reinigungsverfahren unterzogen. Zusätzlich oder alternativ kann der Be schichtungswerkstoff auch aufbereitet werden.
Unter Aufbereitung ist beispielsweise eine Materialtrennung zu verstehen. Damit können einzelne der vorgenannten Materialien, wobei diese Aufzählung nur bei spielhaft zu verstehen ist, separiert werden, um diese gesondert und getrennt weiter verwenden zu können.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Aufbereiten ein Zerkleinern, insbeson dere ein Pulverisieren, von (Beschichtungs-)Material.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
Zuführen von aufbereitetem Material einem neuen Mischprozess zum Erzeu gen von Beschichtungsmaterial, insbesondere für eine Elektrode einer Lithi umionenzelle.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die vorgenannten pulverförmi gen Bestandteile erneut dem Mischprozess zugeführt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
Verwenden des entschichteten Trägermaterials zur Herstellung, insbeson dere einer elektrischen Energiespeicherzelle. Mit Vorteil kann also (auch) das Trägermaterial erneut verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird es zur Herstellung der gleichen Ener giespeicherzelle verwendet, also zur Herstellung einer Energiespeicherzelle des gleichen Typs. Alternativ kann das Trägermaterial auch für einen anderen Batterie typ verwendet werden, beispielsweise für einen Batterietyp, an welchen geringere Leistungsanforderungen gestellt sind. Alternativ kann auch die Verwendung für ei nen Batterietyp unterschiedlicher Größe bevorzugt sein, sodass das Trägermaterial beispielsweise noch zugeschnitten werden kann oder muss, wodurch ggf. beschä digte Bereiche oder Bereiche, welche nicht vollständig von Beschichtungsmaterial befreit werden konnten, entfernt werden können.
Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Ener giespeicherzelle, wobei das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung oder Wie dergewinnung von Materialien verwendet wird.
Das Verfahren umfasst mit Vorteil den Schritt:
Partielles Abtragen der Beschichtung zu dessen Formgebung.
Die Vorteile und Möglichkeiten im Zusammenhang mit dem partiellen Abtragen wur den bereits beschrieben. Alternativ wird das Verfahren im Rahmen der Produktion oder Herstellung einer Elektrode für eine Energiespeicherzelle dazu verwendet, um als Ausschuss deklarierte Elektroden in seine Bestanteile zu zerlegen.
Die Erfindung betrifft auch eine Elektrode, umfassend eine Trägerfolie und/oder Be schichtungsmaterial, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstel lung hergestellt wurde. Das Verfahren kann zweckmäßigerweise sowohl zum klassi schen Recycling, beispielsweise von Batteriezellen, verwendet werden, also bei ge brauchten Batteriezellen. Mit Vorteil kann das Verfahren aber auch bereits im Rah men der Produktion, zur Verringerung der Ausschussraten und/oder zur Optimie rung des Produktionsprozesses, zum Einsatz kommen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens mit Bezug auf die beigefügte Figur.
Es zeigt:
Fig. 1 : eine Skizze zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des Ver fahrens. Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Elektrode 10 umfassend ein Sub strat 20, insbesondere ein Trägermaterial, wie eine Aluminium- oder eine Kupferfo lie, mit einer darauf angeordneten Beschichtung 30. Die Beschichtung 30 wird mit tels CC>2-Schneestrahlen von dem Substrat 20 entfernt. Dies ist über die schemati- sehe Sprühlanze angedeutet, welche das Bezugszeichen 40 aufweist. Vorliegend ist gezeigt, dass das Trägermaterial 20 entlang einer Förderrichtung F verfahren wird. Die Sprühlanze 40 ist beispielsweise ortsfest angeordnet. Gegebenenfalls kann der Winkel der Sprühlanze 40 relativ zum Trägermaterial 20 eingestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform sind entlang der Förderrichtung F mehrere derartige Sprühlanzen vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ sind mehrere Sprühlanzen 40 nebeneinander vorgesehen. Weiter alternativ kann eine derartige Sprühlanze 40 auch an einem Industrieroboter befestigt sein, sodass deren Ausrichtung und Stel lung relativ zum Trägermaterial 20 beliebig angepasst werden kann. Auch in diesem Fall kann das Trägermaterial 20 entlang der Förderrichtung F transportiert werden. Alternativ kann es auch ruhen.
Bezugszeichenliste
10 Elektrode
20 Substrat, Trägermaterial 30 Beschichtung
40 Sprühlanze
F Förderrichtung

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Trennen oder Wiedergewinnen von Materialien von Elektro den, umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats (20), insbesondere eines Trägermaterials ei ner Elektrode, auf welchem eine Beschichtung (30) aufgebracht ist; Zumindest bereichsweise Abtragen der Beschichtung (30) mittels Schnee strahlen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Verfahren vor oder nach dem Verdichten der Beschichtung (30) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend den Schritt:
Entfernen und/oder Sammeln von Materialabtrag mittels Absaugen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:
Reinigen und Aufbereiten des abgetragenen Beschichtungsmaterials; Zumindest teilweise Verwenden des gereinigten und/oder aufbereiteten Beschichtungsmaterials zur Beschichtung eines Trägermaterials (20) zur Herstellung, insbesondere einer elektrischen Energiespeicherzelle.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Aufbereiten eine Materialtrennung umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-5, wobei das Aufbereiten ein Zerkleinern, insbesondere Pulverisieren, von Mate rial umfasst.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-6, umfassend den Schritt: Zuführen von aufbereitetem Material einem neuen Mischprozess zum Er zeugen von Beschichtungswerkstoff.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt:
Verwenden des entschichteten Trägermaterials (20) zur Herstellung, ins besondere einer elektrischen Energiespeicherzelle.
9. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Energiespeicherzelle, wobei ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, umfassend den Schritt: - Partielles Abtragen der Beschichtung zu dessen Formgebung.
11. Elektrode, umfassend eine T rägerfolie und/oder Beschichtungsmaterial, wel ches nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10 hergestellt wurde.
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