WO2011060982A1 - Verfahren zur kontinuierlichen elektrodenherstellung - Google Patents

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WO2011060982A1
WO2011060982A1 PCT/EP2010/064032 EP2010064032W WO2011060982A1 WO 2011060982 A1 WO2011060982 A1 WO 2011060982A1 EP 2010064032 W EP2010064032 W EP 2010064032W WO 2011060982 A1 WO2011060982 A1 WO 2011060982A1
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WO
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applicator roll
electrodes
outlet opening
suspension
active material
Prior art date
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PCT/EP2010/064032
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English (en)
French (fr)
Inventor
Armin Modlinger
Andre Mecklenburg
Siiri Hentschel
Björn LAZAR
Henrik Hahn
Original Assignee
Evonik Litarion Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
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    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
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    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • 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 present invention relates to a method for the continuous production of electrodes of electrochemical cells, in particular of electrodes for lithium-ion batteries, in which by means of a rotating applicator roll containing a suspension of the electrode active material on an endless, guided by a rotating mating roll on the applicator roll over Carrier film is applied.
  • electrochemical cell is understood to mean an electrical energy store which can be both rechargeable and non-rechargeable.
  • the application text does not distinguish between the terms “accumulator / secondary battery” on the one hand and “battery / primary battery” on the other hand
  • the term “electrochemical cell” within the meaning of the application also includes a capacitor.
  • An electrochemical cell is further understood as the minimum functional unit of the energy storage. In the art, often a plurality of electrochemical cells are connected in series to increase the total energy capacity of the memory, so-called multiple cells. An engineered battery may therefore have one or a plurality of series connected electrochemical cells. Since this is not relevant to the present invention, the terms “battery” and “electrochemical cell” will henceforth be used synonymously.
  • a high-performance battery is a memory that gives off its electrical energy in a particularly short time, it develops high
  • a high-energy battery has a particularly large storage capacity based on its weight or its volume (energy density).
  • the electrochemical cell as an elementary functional unit comprises two opposite-pole electrodes, namely the negative anode and the positive cathode. Both electrodes are opposed by the separator arranged between the electrodes Short circuit isolated from each other.
  • the cell is filled with an electrolyte - ie a liquid, gel or sometimes solid ion conductor.
  • the separator is ion-permeable and thus allows an exchange of ions between the anode and cathode in the charging or Endladezyklus.
  • the electrodes within the cell must be very close to each other. Fast loading and unloading is ensured by a large transition area.
  • two constructive solutions for the design of electrochemical cells have prevailed, namely flat cells and wound cells.
  • Flat cells have a substantially cuboidal layering of electrodes and separator. In winding cells, such a layer is additionally wound, so that a substantially
  • Such an electrode is based on a metal foil which acts as a support and is coated on at least one side with active material.
  • the electrodes therefore consist of a carrier material and of an active material.
  • the carrier material does not participate in the electrochemical reaction within the cell and serves primarily to decrease the voltage or to dissipate the current.
  • ions are incorporated or removed during the charge / discharge of the cell.
  • a typical combination of materials for current lithium-ion batteries is: nickel-manganese-cobalt mixture as active material on aluminum support for the cathode; Graphite as active material on copper carrier for the anode.
  • the active materials are mixed with a binder such as polyvinylidene fluoride and applied as a firmly adhering coating on the support.
  • the coating of the carrier film is done according to the prior art as follows:
  • a suspension containing the active material and the binder is applied in a solvent.
  • the binder dissolves in the solvent, the solid
  • Active material does not dissolve as a disperse phase in solution.
  • An applicator roll rotates in a bath filled with the suspension. This is determined by the lateral surface of the
  • Application roller entrained The layer thickness of the suspension on the applicator roll is adjusted by a scraper which can be adjusted radially to the applicator roll.
  • the thus wetted applicator roll rolls on the carrier film which is passed by an endless parallel to the applicator roller counter roller on the applicator roll endlessly.
  • the suspension is transferred to the carrier film.
  • the freshly coated carrier film then enters a continuous oven, in which the solvent evaporates; the binder binds off and fixes the coating on the film. Individual electrodes are then punched out of the continuously coated foil strip.
  • FIG. 1 shows how from a continuously coated carrier tape 11
  • Electrodes 9 are punched out with protruding Abieiter 12 along the dashed line (prior art).
  • FIG. 2 shows how electrodes 1 9 with protruding conductor 12 are punched out of a discontinuously coated carrier strip 1 1 along the dashed line.
  • Coating methods are therefore only usable films with low starch tolerance. These are correspondingly expensive.
  • the present invention based on the object to provide a method of the type mentioned, which minimizes waste in the separation of the electrodes from the belt, a
  • Carrier film avoids. This is solved by the fact that the application roller executed hollow and in their
  • Mantle surface is provided with at least one outlet opening, that the suspension is entered axially into the applicator roll and exits radially from the outlet opening again, and that the applicator roll rolls continuously with its lateral surface on the carrier film.
  • the invention therefore relates to a process for the continuous production of electrodes of electrochemical cells, in particular of electrodes for lithium-ion batteries and in particular of such electrodes, in which an uncoated piece of carrier film protrudes as Abieiter, in which by means of a rotating applicator roll containing a suspension Electrode active material is applied to an endless, guided by a rotating mating roll on the applicator roll over carrier sheet in which the applicator roll is hollow and provided in its lateral surface with at least one outlet opening, in which the suspension is entered axially into the applicator roll and radially out of the Exit outlet again, and in which the applicator roll rolls continuously with its lateral surface on the carrier film.
  • a basic idea of the present invention is to predetermine the geometry of the surface coated with active material on the carrier film not only in the stamping process, but already during the application of the suspension by means of the applicator roll. This geometry is dictated by the design of the exit opening through which the suspension passes outwardly from the interior of the applicator roll.
  • the jacket surface of the applicator roll is not continuously wetted, but only in those areas whose unwinding corresponds to the coated areas on the film.
  • the coated surface is already largely fixed before the electrodes are separated from the strip, cuts through the active material are unnecessary and waste is minimized.
  • the method according to the invention works without a radially moved roller, so that the tension in the carrier foil is constant and is controllable. In this way, the invention combines
  • coated surface is determined not only largely by the outlet opening, but exactly.
  • the following design rule has to be observed:
  • the outlet opening is to be delimited by an edge line, wherein the edge line in the development of the applicator roll describes the area of the individual electrode produced in accordance with the method according to the method. Then it is also possible to create new, optimized coating geometries that could not be produced by a conventional coating process.
  • essentially punctiform does not mean that the perforation must necessarily have a circular cross section, but rather that the cross section of a perforation can also be hexagonal, which is appropriate because a honeycomb structure composed of hexagonal perforations achieves the greatest possible hole density Penetration of the suspension from the outlet is thereby disturbed least.
  • the passage of the suspension from the outlet opening can be further improved if the perforations taper in the outlet direction.
  • Rejuvenation increases namely the pressure exiting suspension, so that the detachment of the suspension is improved by the applicator roll.
  • the cross-sectional area of a single perforation is preferably less than 1 mm 2 , more preferably less than 0.5 mm 2 .
  • a particularly homogeneous coating density is achieved if, within the applicator roll, a stationary one on the inside of the lateral surface
  • the applicator roll is preferably made of a nickel material, since abrasion of ferrous materials can lead to short circuits within the cell. Abrasion is to be feared because common active materials such as nickel-manganese-cobalt mixtures contain very abrasive particles. Under a nickel material is understood in this
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a coating method according to the invention.
  • FIG. 4 development of the applicator roll
  • FIG. 5 tape coated according to the invention
  • FIG. 6 electrode produced according to the invention.
  • FIG. 3 shows the production of the electrodes according to the invention in a side view: an endless support film 1 (for example aluminum in the production of cathodes, copper for anodes) is continuously conveyed via a rotating mating roll 2, for example made of rubber. Axially parallel to the counter roll 2 rotates an applicator roll 3. The center distance is constant. The peripheral speeds of the rollers 2, 3 are selected such that the application roller 3 rolls on the carrier film 1; a rolling is to be avoided. This is achieved, for example, by coupling both rollers via a
  • the applicator roll 3 is hollow. She is quite thin-walled; the thickness of the lateral surface is less than 2 mm.
  • the application roller is axially with a
  • the suspension 4 comprises a liquid phase containing a solvent such as NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) and a binder dissolved therein such as PVDF (polyvinylidene fluoride).
  • the suspended solid phase comprises the actual
  • Active material such as graphite for anodes or nickel-manganese-cobalt mixed crystals.
  • the same suspensions can be used as in the conventional production of electrodes.
  • the suspension 4 per se is known in this respect.
  • the collecting at the bottom of the applicator roll 3 suspension 4 is at the
  • the scraper 5 extends for this purpose in the direction of the rolling point.
  • an outlet opening 6 is provided through which the suspension 4 exits radially from the applicator roll 3 immediately before the scraper 5 and adheres to the carrier film 1.
  • the outlet opening 6 is bounded by an edge line 7, wherein the edge line in the development of the applicator roll describes the surface 8 coated with active material of the individual electrode 9 produced in accordance with the method; see. FIGS. 4, 5, 6.
  • the outlet opening 6 is formed from a multiplicity of substantially punctiform perforations 10 arranged at a constant pitch relative to each other. For example, a 40% perforation
  • Passage area are provided. With a cross - sectional area of 0.04 mm 2 per perforation and a total area bounded by the edge line 7
  • Outlet opening 6 of about 82500 mm 2 the outlet opening is composed of about 825 000 individual perforations.
  • the development of the applicator roll can also contain a plurality of outlet openings, so that a plurality of coating fields are generated on the carrier foil or electrodes per revolution of the roller.
  • a ready-coated belt 1 1 is shown in FIG. 5. It consists of the endless carrier film 1 with a large number of individual coated surfaces 8
  • a two-sided circumscribed arrester 12 (uncoated carrier film) is to be prepared with conventional coating method (Fig. 1, Fig. 2) only with large waste.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Elektroden (9) elektrochemischer Zellen, insbesondere von Elektroden für Lithium-Ionen-Battehen, bei welchem mittels einer rotierenden Auftragswalze (3) eine Suspension (4) enthaltend das Elektroden-Aktivmaterial auf eine endlose, mittels einer rotierenden Gegenwalze (2) an der Auftragswalze (3) vorbei geführte Trägerfolie aufgetragen (1) wird. Ihr liegt die Aufgabe zu Grunde, ein derartiges Verfahren so weiterzubilden, dass bei der Vereinzelung der Elektroden (9) Verschnitt minimiert wird und sich eine Schnittführung durch das Aktivmaterial umgehen lässt. Gelöst wird dies dadurch, dass die Auftragswalze (3) hohl ausgeführt und in ihrer Mantelfläche mit mindestens einer Austrittsöffnung (7) versehen wird, dass die Suspension (4) axial in die Auftragswalze (3) eingegeben und radial aus der Austrittsöffnung (7) wieder austritt, und dass die Auftragswalze (3) mit ihrer Mantelfläche kontinuierlich auf der Trägerfolie (1 ) abrollt.

Description

VERFAHREN ZUR KONTINUIERLICHEN ELEKTRODENHERSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Elektroden elektrochemischer Zellen, insbesondere von Elektroden für Lithium-Ionen- Batterien, bei welchem mittels einer rotierenden Auftragswalze eine Suspension enthaltend das Elektroden-Aktivmaterial auf eine endlose, mittels einer rotierenden Gegenwalze an der Auftragswalze vorbei geführte Trägerfolie aufgetragen wird.
Unter dem Begriff„elektrochemische Zelle" im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein elektrischer Energiespeicher zu verstehen, der sowohl wiederaufladbar als auch nicht wiederaufladbar sein kann. Insoweit unterscheidet der Anmeldungstext nicht zwischen den Begriffen„Akkumulator / Sekundärbatterie" einerseits und„Batterie / Primärbatterie" andererseits. Unter dem Begriff„elektrochemische Zelle" im Sinne der Anmeldung fällt auch ein Kondensator. Eine elektrochemische Zelle versteht sich weiter als die minimale Funktionseinheit des Energiespeichers. In der technischen Praxis werden häufig eine Vielzahl elektrochemischer Zellen in Reihe geschaltet, um die Gesamt-Energiekapazität des Speichers zu erhöhen, so genannte Mehrfachzellen. Eine technisch ausgeführte Batterie kann deswegen eine oder eine Vielzahl in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen aufweisen. Da dies für die vorliegende Erfindung nicht relevant ist, werden die Begriffe„Batterie" und„elektrochemische Zelle" fortan synonym gebraucht.
Hinsichtlich des Charakters einer Batterie wird zwischen Hochleistungsbatterien und Hochenergiebatterien unterschieden. Eine Hochleistungsbatterie ist ein Speicher, der seine elektrische Energie in besonders kurzer Zeit abgibt, er entwickelt hohe
Entladungsströme. Eine Hochenergiebatterie hat auf ihr Gewicht bzw. ihr Volumen bezogen eine besonders große Speicherkapazität (Energiedichte).
Die elektrochemische Zelle als elementare Funktionseinheit umfasst zwei gegenpolige Elektroden, nämlich die negative Anode und die positive Kathode. Beide Elektroden werden durch den zwischen den Elektroden angeordneten Separator gegen Kurzschluss voneinander isoliert. Die Zelle ist mit einem Elektrolyten - also einem flüssigen, gelartigen oder mitunter festen lonenleiter - gefüllt. Der Separator ist ionendurchlässig und gestattet so einen Austausch von Ionen zwischen Anode und Kathode im Lade- bzw. Endladezyklus.
Um eine besonders hohe Energiedichte zu erreichen, müssen die Elektroden innerhalb der Zelle sehr eng zueinander benachbart werden. Eine rasche Be- und Entladung wird durch eine große Übergangsfläche gewährleistet. Um beides umzusetzen haben sich zwei konstruktive Lösungen zur Gestaltung von elektrochemischen Zellen durchgesetzt, nämlich Flachzellen und gewickelte Zellen. Flachzellen weisen eine im Wesentlichen quaderförmige Schichtung von Elektroden und Separator auf. Bei Wickelzellen wird eine solche Schichtung zusätzlich aufgewickelt, sodass eine im Wesentlichen
zylindrische Zelle entsteht.
Beiden Bauweisen gemein sind ihre im Wesentlichen ebenen Elektroden. Eine solche Elektrode basiert auf einer als Träger fungierende Metallfolie, die zumindest auf einer Seite mit Aktivmaterial beschichtet ist.
Die Elektroden bestehen mithin aus einem Trägermaterial und aus einem Aktivmaterial. Das Trägermaterial nimmt an der elektrochemischen Reaktion innerhalb der Zelle nicht teil und dient vornehmlich zur Abnahme der Spannung bzw. zur Ableitung des Stroms. In dem Aktivmaterial werden bei der Ladung- / Entladung der Zelle Ionen ein- bzw. ausgelagert.
Eine typische Werkstoffkombination für derzeit gängige Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist: Nickel-Mangan-Kobalt-Mischung als Aktivmaterial auf Aluminium-Träger für die Kathode; Graphit als Aktivmaterial auf Kupfer-Träger für die Anode. Die Aktivmaterialen werden mit einem Binder wie Polyvinylidenfluorid gemischt und als fest anhaftende Beschichtung auf den Träger aufgebracht. Das Beschichten der Trägerfolie geschieht nach dem Stand der Technik wie folgt:
Zunächst wird eine Suspension enthaltend das Aktivmaterial und den Binder in einem Lösungsmittel angelegt. Der Binder löst sich dabei im Lösungsmittel, das feste
Aktivmaterial geht als disperse Phase nicht in Lösung über. Eine Auftragswalze rotiert in einem Bad gefüllt mit der Suspension. Diese wird von der Mantelfläche der
Auftragswalze mitgeschleppt. Die Schichtdicke der Suspension auf der Auftragswalze wird durch einen radial zur Auftragswalze verstellbaren Abstreifer eingestellt. Die so benetzte Auftragswalze wälzt auf der Trägerfolie ab, die mittels einer parallel zur Auftragswalze rotierenden Gegenwalze an der Auftragswalze endlos vorbeigeführt wird. Durch den Abwälzvorgang wird die Suspension auf die Trägerfolie übertragen. Die frisch beschichtete Trägerfolie gelangt sodann in einen Durchlaufofen, in welchem das Lösungsmittel verdampft; der Binder bindet dadurch ab und fixiert die Beschichtung auf der Folie. Aus dem kontinuierlich beschichteten Folienband werden anschließend einzelne Elektroden ausgestanzt.
Beim Ausstanzen der Elektroden fällt Verschnitt an, insbesondere dann, wenn die Elektroden ein unbeschichtet hervorragendes Stück Trägerfolie als Abieiter aufweisen.
Figur 1 zeigt, wie aus einem kontinuierlich beschichteten Trägerband 1 1
Elektroden 9 mit hervorstehendem Abieiter 12 entlang der gestrichelten Linie ausgestanzt werden (Stand der Technik).
Nachteil dieses Verfahrens ist, dass beim Stanzen durch das spröde Aktivmaterial geschnitten werden muss. An der Grenzfläche zum deutlich duktileren Trägermetall kann es zu Ablösungen kommen.
Um eine Schnittführung durch das Aktivmaterial zu vermeiden ist es möglich, die Beschichtung der Folie intermittierend auszuführen, indem der Kontakt zwischen Auftragswalze und Folie durch kurzzeitiges Abrücken der Gegenwalze unterbrochen wird. Auf der Folie werden dann voneinander beabstandete Beschichtungsfelder abgebildet. Diese können ohne Schnittführung durch das Aktivmaterial zu Elektroden mit hervorstehendem Abieiter ausgestanzt werden.
Figur 2 zeigt, wie aus einem diskontinuierlich beschichteten Trägerband 1 1 Elektroden 9 mit hervorstehendem Abieiter 12 entlang der gestrichelten Linie ausgestanzt werden.
Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Handhabung der Trägerfolie durch das ständige Versetzen der Achse der Gegenwalze erschwert wird. In der Folie treten Spannungen auf, die nach Austreiben des Binders unter dem Aktivmaterial konserviert werden. Auf diese Weise eingefrorene Spannungen können über die Lebensdauer der Zelle zu Ablösungen des Aktivmaterials führen. Da die Trägerfolien sehr geringe
Materialstärken aufweisen (etwa 10 μιτι), muss das Trägermaterial in der
intermittierenden Beschichtungsfahrweise hohe Spannungen ertragen. Geringe
Stärkenabweichungen führen schon zu Folienrissen. Für intermittierende
Beschichtungsweisen sind daher nur Folien mit geringer Stärketoleranz verwendbar. Diese sind entsprechend kostspielig.
Die diskutierten herkömmlichen Beschichtungsverfahren weisen wechselseitige
Nachteile auf: Die kontinuierliche Beschichtung (Fig.1 ) vermeidet
Spannungsschwankungen in der Folie ist deshalb toleranter gegenüber
Stärkeabweichungen im Trägermaterial. Dafür bedingt die kontinuierliche Beschichtung Schnitte durch das Aktivmaterial beim Vereinzeln der Elektroden. Letzteres Problem tritt bei der intermittierenden Beschichtung (Fig. 2) kaum auf; dieser Vorteil wird aber durch besagte Spannungsschwankungen erkauft.
In Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der der eingangs genannten Gattung anzugeben, welches bei der Vereinzelung der Elektroden aus dem Band Verschnitt minimiert, eine
Schnittführung durch das Aktivmaterial umgehen lässt und Spannungen in der
Trägerfolie vermeidet. Gelöst wird dies dadurch, dass die Auftragswalze hohl ausgeführt und in ihrer
Mantelfläche mit mindestens einer Austrittsöffnung versehen wird, dass die Suspension axial in die Auftragswalze eingegeben und radial aus der Austrittsöffnung wieder austritt, und dass die Auftragswalze mit ihrer Mantelfläche kontinuierlich auf der Trägerfolie abrollt.
Gegenstand der Erfindung ist mithin ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Elektroden elektrochemischer Zellen, insbesondere von Elektroden für Lithium-Ionen- Batterien und insbesondere von solchen Elektroden, bei denen ein unbeschichtetes Stück Trägerfolie als Abieiter hervorsteht, bei welchem mittels einer rotierenden Auftragswalze eine Suspension enthaltend das Elektroden-Aktivmaterial auf eine endlose, mittels einer rotierenden Gegenwalze an der Auftragswalze vorbei geführte Trägerfolie aufgetragen wird, bei welchem die Auftragswalze hohl ausgeführt und in ihrer Mantelfläche mit mindestens einer Austrittsöffnung versehen ist, bei welchem die Suspension axial in die Auftragswalze eingegeben und radial aus der Austrittsöffnung wieder austritt, und bei welchem die Auftragswalze mit ihrer Mantelfläche kontinuierlich auf der Trägerfolie abrollt.
Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Geometrie der mit Aktivmaterial beschichteten Fläche auf der Trägerfolie nicht erst im Stanzprozess, sondern bereits beim Auftragen der Suspension mittels der Auftragswalze vorzugeben. Diese Geometrie wird durch die Gestaltung der Austrittsöffnung vorgegeben, durch welche die Suspension aus dem Innern der Auftragswalze nach Außen tritt. Anders als beim diskutierten Stand der Technik wird die Mantelfläche der Auftragswalze nicht durchgehend benetzt, sondern lediglich in solchen Bereichen, deren Abwicklung den beschichteten Flächen auf der Folie entspricht. Da durch diese Maßnahme die beschichtete Fläche bereits vor dem Vereinzeln der Elektroden aus dem Band weitestgehend festgelegt ist, erübrigen sich Schnitte durch das Aktivmaterial und Verschnitt wird minimiert. Des Weiteren kommt das erfindungsgemäße Verfahren ohne eine radial bewegte Walze aus, sodass die Spannung in der Trägerfolie konstant und beherrschbar ist. Auf diese Weise kombiniert das erfindungsgemäße
Herstellungsverfahren die Vorteile beider bekannten Beschichtungsverfahren.
Bevorzugt wird beschichtete Fläche nicht nur weitestgehend durch die Austrittsöffnung bestimmt, sondern genau. Hierzu ist folgende Gestaltungsregel zu beachten: Die Austrittsöffnung ist von einer Randlinie zu umgrenzen, wobei die Randlinie in der Abwicklung der Auftragswalze die mit Aktivmaterial beschichtete Fläche der einzelnen, verfahrensgemäß hergestellten Elektrode beschreibt. Dann ist es auch möglich neue, optimierte Beschichtungsgeometrien zu erzeugen, die über einen herkömmlichen Beschichtungsprozess nicht herstellbar waren.
Der Austritt durch eine sehr große Austrittsöffnung kann dazu führen, dass die
Beschichtungsdichte inhomogen gerät, da die flächenbezogene Austrittsmenge nicht über die gesamte Fläche der großen Austrittsöffnung konstant ist. Um dem zu begegnen, empfiehlt es sich die Austrittsöffnung aus einer Vielzahl von im Wesentlichen punktförmiger, in einem konstanten Rastermaß zueinander angeordneter Perforationen auszubilden. Im„Wesentlichen punktförmig" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Querschnittsfläche einer Perforation sehr viel kleiner ist als die Gesamtfläche der Austrittsöffnung.
Im„Wesentlichen punktförmig" bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass die Perforation zwingend einen kreisförmigen Querschnitt haben muss. Vielmehr kann der Querschnitt einer Perforation auch hexagonal sein. Dies bietet sich an, da eine aus hexagonalen Perforationen zusammengesetzte Bienenwabenstruktur die größt mögliche Lochdichte erreicht. Der Durchtritt der Suspension aus der Austrittsöffnung wird dadurch am wenigsten gestört.
Der Durchtritt der Suspension aus der Austrittsöffnung kann weiter dadurch verbessert werden, wenn sich die Perforationen in Austrittsrichtung verjüngen. Durch die
Verjüngung steigt nämlich der Druck austretenden Suspension, sodass die Ablösung der Suspension von der Auftragswalze verbessert wird. Die Querschnittsfläche einer einzelnen Perforation beträgt vorzugsweise weniger als 1 mm2, besonders bevorzugt weniger als 0.5 mm2.
Eine besonders homogene Beschichtungsdichte wird erreicht, wenn innerhalb der Auftragswalze ein an der Innenseite der Mantelfläche anliegender, unbewegter
Abstreifer angeordnet ist.
Die Auftragswalze wird bevorzugt aus einem Nickel Werkstoff gefertigt, da Abrieb aus Eisenwerkstoffen zu Kurzschlüssen innerhalb der Zelle führen kann. Abrieb ist zu befürchten, da übliche Aktivmaterialen wie Nickel-Mangan-Kobalt-Mischungen sehr abrasive Partikel enthalten. Unter einem Nickelwerkstoff versteht sich in diesem
Zusammenhang eine Metalllegierung, die überwiegend Nickel enthält.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels näherer erläutert werden. Hierfür zeigen:
Figur 3: Prinzipskizze erfindungsgemäßes Beschichtungsverfahren;
Figur 4: Abwicklung der Auftragswalze;
Figur 5: erfindungsgemäß beschichtetes Band;
Figur 6: erfindungsgemäß hergestellte Elektrode.
Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Herstellung der Elektroden in der Seitenansicht: Eine endlose Trägerfolie 1 (zum Beispiel Aluminium bei der Herstellung von Kathoden, Kupfer für Anoden) wird über eine rotierende Gegenwalze 2 beispielsweise aus Gummi kontinuierlich gefördert. Achsparallel zur Gegenwalze 2 rotiert eine Auftragswalze 3. Der Achsabstand ist konstant. Die Umfangsgeschwindigkeiten der Walzen 2,3 ist so gewählt, dass die Auftragswalze 3 auf der Trägerfolie 1 abrollt; ein Wälzen ist zu vermeiden. Dies gelingt zum Beispiel durch Kopplung beider Walzen über ein
Synchrongetriebe und/oder dadurch, dass beide Walzen gegeneinander vorgespannt werden, sodass die Auftragswalze 3 auf der Folie 1 schlupffrei abrollt. Die Auftragswalze 3 ist hohl ausgeführt. Sie ist recht dünnwandig; die Stärke der Mantelfläche beträgt weniger als 2 mm. Die Auftragswalze axial wird mit einer
Suspension 4 befüllt. Die Suspension 4 umfasst eine flüssige Phase enthaltend ein Lösungsmittel wie NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon) und ein darin gelöster Binder wie PVDF (Polyvinylidenfluorid). Die suspendierte feste Phase umfasst das eigentliche
Aktivmaterial wie Graphit für Anoden oder Nickel-Mangan-Kobalt-Mischkristalle. Es können dieselben Suspensionen verwendet werden, wie bei der herkömmlichen Produktion von Elektroden. Die Suspension 4 an sich ist insoweit bekannt.
Die sich am Boden der Auftragswalze 3 sammelnde Suspension 4 wird an der
Innenseite der Auftragswalze 3 mitgeschleppt und staut sich im Bereich des
Wälzpunktes der beiden Walzen 2, 3 vor einem in der Auftragswalze 3 angeordneten, fest stehenden Abstreifer 5 aus Polyurethan. Der Abstreifer 5 erstreckt sich zu diesem Zwecke in Richtung des Wälzpunktes.
In der Mantelfläche der Auftragswalze 3 ist eine Austrittsöffnung 6 vorgesehen, durch welche die Suspension 4 unmittelbar vor dem Abstreifer 5 radial aus der Auftragswalze 3 austritt und auf der Trägerfolie 1 aufhaftet. Die Austrittsöffnung 6 ist von einer Randlinie 7 umgrenzt, wobei die Randlinie in der Abwicklung der Auftragswalze die mit Aktivmaterial beschichtete Fläche 8 der einzelnen, verfahrensgemäß hergestellten Elektrode 9 beschreibt; vgl. Figuren 4, 5, 6.
In Figur 4 ist zu erkennen, dass die Austrittsöffnung 6 sich aus einer Vielzahl von im Wesentlichen punktförmiger, in einem konstanten Rastermaß zueinander angeordneter Perforationen 10 gebildet ist. Beispielsweise kann eine Perforation mit 40%
Durchlassfläche vorgesehen werden. Bei einer Querschnittsfläche von 0.04 mm2 pro Perforation und einer von der Randlinie 7 umgrenzten Gesamtfläche der
Auslassoffnung 6 von etwa 82500 mm2 setzt sich die Auslassoffnung aus rund 825 000 einzelnen Perforationen zusammen. Die Abwicklung der Auftragswalze kann auch mehrere Austrittsöffnungen enthalten, sodass pro Umdrehung der Walze mehrere Beschichtungsfelder auf der Trägerfolie bzw. Elektroden erzeugt werden.
Ein fertig beschichtetes Band 1 1 zeigt Figur 5. Dieses besteht aus der endlosen Trägerfolie 1 mit einer Vielzahl von einzelnen beschichteten Flächen 8 aus
Aktivmaterial. Die Geometrie der beschichteten Flächen 8 ist durch die Randlinie 7 der Austrittsöffnung 6 vorgegeben. Die dargstellte Elektrodenform ist optimiert: Ein zweiseitig umgrenzter Ableiter 12 (unbeschichtete Trägerfolie) ist mit herkömmlichen Beschichtungsverfahren (Fig. 1 , Fig. 2) nur mit großem Verschnitt herzustellen.
Nach dem Aushärten der Suspension - hierzu wird das Lösungsmittel in einem
Durchlaufofen ausgetrieben - werden aus dem Band 1 1 einzelne Elektroden 9 ausgestanzt. Da die Geometrie der beschichteten Flächen 8 bereits einen als Ableiter verwendbaren unbeschichteten Abschnitt 12 der Trägerfolie 1 vorsieht, kann eine Schnittführung durch das Aktivmaterial vermieden werden.
Bezugszeichenliste
1 Trägerfolie
2 Gegenwalze
3 Auftragswalze
4 Suspension
5 Abstreifer
6 Austrittsöffnung
7 Randlinie
8 beschichtete Fläche
9 Elektrode
10 Perforationen
1 1 Band
12 unbeschichteter Abschnitt (als Abieiter)

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Elektroden (9) elektrochemischer Zellen, insbesondere von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien, bei welchem mittels einer rotierenden Auftragswalze (3) eine Suspension (4) enthaltend das Elektroden-Aktivmaterial auf eine endlose, mittels einer rotierenden Gegenwalze (2) an der Auftragswalze (3) vorbei geführte Trägerfolie aufgetragen (1 ) wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Auftragswalze (3) hohl ausgeführt und in ihrer Mantelfläche mit
mindestens einer Austrittsöffnung (7) versehen ist, dass die Suspension (4) axial in die Auftragswalze (3) eingegeben und radial aus der Austrittsöffnung (7) wieder austritt, und dass die Auftragswalze (3) mit ihrer Mantelfläche kontinuierlich auf der Trägerfolie (1 ) abrollt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Austrittsöffnung (3) von einer Randlinie (7) umgrenzt ist, wobei die Randlinie (7) in der Abwicklung der Auftragswalze (3) die mit Aktivmaterial beschichtete Fläche (8) der einzelnen, verfahrensgemäß hergestellten Elektrode (9) beschreibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Austrittsöffnung (3) aus einer Vielzahl von im Wesentlichen
punktförmiger, in einem konstanten Rastermaß zueinander angeordneter
Perforationen (10) gebildet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Perforationen (10) einen hexagonalen Querschnitt aufweisen.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Perforationen (10) sich in Austrittsrichtung verjüngen.
6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Perforationen (10) eine Querschnittsfläche von weniger als 1 mm2, insbesondere von weniger als 0.5 mm2 aufweisen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb der Auftragswalze (3) ein an der Innenseite der Mantelfläche anliegender, unbewegter Abstreifer (5) angeordnet ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mantelfläche der Auftragswalze (3) überwiegend aus Nickel besteht.
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