WO2012117005A1 - Spiralförmig gewickelte elektrode, batterie und herstellung derselben - Google Patents

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David ENSLING
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Varta Microbattery Gmbh
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a spirally wound electrode, a battery having at least one such electrode, and a method of manufacturing such a battery.
  • the term "battery” originally meant several galvanic cells connected in series in one housing, but today also individual galvanic cells are often referred to as “battery.”
  • an energy-supplying chemical reaction occurs, consisting of two electrically coupled,
  • the negative electrode electrons are released in an oxidation process, resulting in an electron current via an external load to the positive electrode, from which a corresponding amount of electrons is taken in.
  • a reduction process takes place.
  • the electrodes are usually named according to their discharge function.
  • the negative electrode is in such cells so the anode, the positive electrode, the cathode.
  • Lithium-ion batteries often contain a stack of cells that consists of several single cells. Also Skeletal cells are frequently used. Both the wound cells and the individual cells of the cell stack are usually a composite of electrodes and separator foils with the sequence positive electrode / separator / negative electrode.
  • the electrodes usually comprise metallic current conductors as well as electrochemically active components and electrochemically inactive components. In winding cells, the electrodes together with the associated current conductors are usually present in a spirally wound form.
  • electrochemically active components (often referred to as active materials) come for secondary lithium-ion batteries, all materials in question, which can absorb lithium ions and release again.
  • the negative electrode in particular carbon-based particles such as graphitic carbon or for the intercalation of lithium capable non-graphitic carbon materials. Furthermore, it is also possible to use metallic and semi-metallic materials that can be alloyed with lithium or composites of such materials with, for example, carbon-based materials.
  • the positive electrode in particular lithium metal oxide compounds and lithium metal phosphate compounds such as L1C0O2 and LiFeP0 4 in question.
  • Electrochemically inactive components are first and foremost electrode binders and the abovementioned current conductors.
  • the current arresters are used to supply or remove electrons from the electrodes.
  • the electrode binders ensure the mechanical stability of the electrodes and ensure contact between the particles of electrochemically active material with each other and with the current conductor.
  • pastes comprising electrochemically active and inactive components are usually applied in layers to electrical arresters, dried and brought into the desired fit. Usually, they are rolled and pressed and optionally subsequently combined in lamination processes with separators and counterelectrodes. It comes to problems often in the production of winding electrodes. The electrodes are subjected to enormous mechanical loads during winding, especially with small winding radii.
  • the electrodes frequently flake off the electrical conductor and thus render the electrodes useless.
  • the ampacity of a uniformly thick electrode is also uneven across the winding length. This is especially true at high currents and a contact of the coil in the outer area and increasing resistance to the winding core. Ultimately, this results in uneven aging of the electrode or its components.
  • the object of the present invention was to provide electrodes which are particularly suitable for cells with a spiral structure.
  • electrodes according to the invention are also present in spirally wound form and comprise a spirally wound band-shaped Abieiter with two flat sides and at least one band-shaped layer of electrode material on at least one of the flat sides.
  • electrodes according to the invention are characterized in that the thickness of the band-shaped layer of electrode material varies in the longitudinal direction. It starts from the inside of the roll, starting from the outside. Thus, preferably, the thickness of the electrode increases in this direction.
  • a strip is a flat article whose length exceeds its width by a multiple and which preferably has a substantially uniform width over its entire length. This is also the case here.
  • band-shaped Abieitern usually between 10 cm and 1000 cm, their width is preferably between 0.2 cm and 60 cm. Identical or similar dimensions usually also have the at least one band-shaped layer of electrode material.
  • the electrodes according to the invention can be both positive and negative electrodes. Suitable active materials for positive and negative electrodes of lithium-ion batteries have already been mentioned. However, the present invention is not limited to lithium-based electrochemical systems.
  • the Abieiter the electrode according to the invention are preferably made of a metallic material. If the electrode according to the invention is the negative electrode of a lithium-ion battery, the Abieiter is preferably made of copper. In the case of a positive electrode for a lithium-ion battery, aluminum is preferred as the material for the Abieiter.
  • a metal foil may be used as a band-shaped conductor of an electrode according to the invention, but the ablators of electrodes according to the invention may also be formed in mesh or lattice fashion.
  • the thickness of the layer of electrode material increases over its entire length, in particular with an essentially constant gradient. That is, in preferred embodiments, the smallest thickness of the electrode material layer is measured at a longitudinal end of the drain located inside the electrode coil and the largest thickness at the other end.
  • the thickness of the layer only in sections, ie not over the entire length of the band-shaped electrode layer, increases.
  • the thickness initially increases starting from the longitudinal end of the band-shaped section located in the interior of the electrode coil and remains constant over a second section which adjoins directly to the first section. This would also be the case if the thickness of the layer increases discontinuously, as would be the case, for example, with a staircase-shaped rise.
  • the thickness of the layer of electrode material initially increases in a first subregion, in particular an initial region starting from the longitudinal end of the ribbon-shaped section located in the interior of the electrode coil, and increases in a second subregion, in particular one to the outer longitudinal end reaching end area, then again.
  • a central region is still arranged, in which the thickness of the electrode layer is constant.
  • the first subregion or the initial region can extend over 5% to 99%, preferably over 25% and 95%, of the total length of the Abieiters, the second subarea or the end region over 1% to 25%, preferably over 1% to 10 %, the middle range over 5% to 75%, preferably over 10% to 50%, whereby the percentages of the respectively relevant ranges add up to 100%.
  • the thickness of the layer is preferably constant in the transverse direction. It is preferably measured perpendicular to the flat side (s) on which it is applied. In a preferred procedure for the exact determination of the thickness, the electrodes are cut once in the transverse direction and then subdivided along the cutting edge into two equal-length regions, in the middle of each of which the measurement of the electrode thickness takes place. The values obtained are then averaged.
  • both flat sides of the arrester of an electrode according to the invention are covered with a band-shaped layer of electrode material. It is quite possible that one of the flat sides is covered with a layer of Elektrodenma- material whose thickness varies in the longitudinal direction, while the other flat side is covered with a layer of electrode material whose thickness is constant in the longitudinal direction.
  • both flat sides of the arrester preferably each have a layer of electrode material with a thickness gradient. The thickness of the layers in this case preferably increases in the same direction, so that the total thickness of the electrode also increases in this direction.
  • the layers of the electrode material are arranged in mirror image relative to one another through the (unwound) Abieiter plane, so behave congruent to each other and cover each the same area on the Abieiter or on the two flat sides of the arrester. It is preferred that the flat sides of the arrester be substantially completely covered by the layer of electrode material, if necessary except for areas which serve to electrically contact the Abieiter and therefore must remain free of electrode material.
  • the thickness of the band-shaped arrester is preferably in a range between 5 ⁇ and 30 ⁇ , in particular between 7 ⁇ and 20 ⁇ .
  • the minimum thickness of the layer of electrode material with varying thickness is preferably in the range between 10 ⁇ and 500 ⁇ . Within this range values between 30 ⁇ and 200 ⁇ are further preferred.
  • the maximum thickness of the electrode layer is preferably in the range between 30 ⁇ and 3000 ⁇ . Within this range, values between 60 ⁇ and 500 ⁇ are particularly preferred. Between these minimum and maximum values, the thickness of the layer of electrode material, as mentioned above, varies continuously or discontinuously.
  • the information relating to the thickness of the layer of electrode material in the present application relates in particular to ready-to-use electrodes, that is to say in particular to electrodes which no longer contain any process solvent and have optionally been rolled and pressed.
  • Such an electrode can be produced by applying and drying a preferably offset with a process solvent electrode material, for example comprising the aforementioned electrochemically active and inactive components, on one or both flat sides of a Abieiters, as described above.
  • the arrester may, for example, be provided as a quasi-endless belt which passes through a coating device in which an application of a tape-shaped layer of the electrode material, e.g. by means of doctoring, takes place.
  • the application is effected in particular by means of modern coating devices, in which the application of the electrode material can be controlled with micrometer precision and in particular can still be varied during a running coating, in which thickness the electrode material is applied.
  • the application of the layer of electrode material preferably takes place in particular such that the thickness of the layer increases in the longitudinal direction at least in sections.
  • areas deposited on a stripper provided as a quasi-endless strip may be sequentially deposited by deposited coating, with a varying layer thickness, separated by a non-coated area, wherein in each of the areas the thickness increases in the longitudinal direction.
  • the coating of the Abieiters preferably takes place on both sides. After application of the electrode material, the resulting electrode is usually dried and optionally subjected to the mentioned optional but preferred rolling or pressing steps.
  • the finished Abieiter with the layer thereon of the electrode material is then rolled up in a spiral in the longitudinal direction, for example by means of a winding mandrel, starting with the end of the Abieiters, from which increases the thickness of the layer.
  • the thickness of the electrode layer correspondingly preferably increases from the inside to the outside or approaches a constant value.
  • the thickness to the outer end of the coil according to the preferred embodiments described above also decrease again.
  • the electrode be combined with one or more separators and one or more oppositely poled electrodes to form an electrode-separator assembly prior to the helical winding step.
  • the combining can be done, for example, by lamination or gluing.
  • the spiral winding is not performed in this case with a separately present electrode but with the mentioned electrode-separator composite.
  • the electrode according to the invention described above is in preferred embodiments part of an electrode-separator composite, in particular with the sequence positive electrode / separator / negative electrode. In this case, either the positive electrode or the negative electrode or even both electrodes can be electrodes according to the invention.
  • both electrodes are electrodes whose thickness increases (due to at least one of the layers of the electrode material having a thickness varying in the longitudinal direction) in the longitudinal direction, and that both electrodes are arranged within the composite such that their thickness increases in the same direction.
  • the composite comprises the sequence
  • Suitable separators for batteries e.g., films, polymer or printable separators
  • Suitable separators for batteries are known to those skilled in the art and need not be further explained in the context of the present application.
  • microporous polyethylene films can be used.
  • a battery which has at least one electrode according to the invention is also an object of the present invention.
  • the battery according to the invention is an electrode-separator composite with at least one electrode according to the invention, in particular one of the abovementioned electrode-separator composites.
  • the galvanic element according to the invention is particularly preferably a lithium-ion battery, ie a battery, in which the ion stream mentioned in the introduction is carried inside the cell by lithium ions.
  • the use of the electrodes described offers, as mentioned above, a whole series of advantages.
  • the mechanical loads occurring during winding of the electrodes are significantly lower than in the case of conventional electrodes with a thickness which is constant in the longitudinal direction. This is especially true for small winding radii.
  • this also increases the capacitance of the electrodes of a galvanic element according to the invention.
  • the electrodes have an improved winding behavior and thus a significantly improved te processability. This makes it possible, even with small winding radii, to use thicker electrodes on average and thus to increase the energy density of the battery in total.
  • thermal and electrical conductivity gradients are better compensated over the winding length, resulting in significant advantages in terms of cell stability and safety.
  • electrodes according to the invention cut better in current-carrying capacity tests than comparable electrodes of the prior art.
  • the kinetic influence of the increasing electrical resistance towards the winding core is compensated by a decreasing electrode thickness (in part).
  • the electrodes are loaded uniformly, which in addition to the performance and the stability is improved.
  • Another advantage is a better compensation of the gradient in the thermal conductivity of the winding composite similar to that of the electrical resistance. Relative to the amount of Abieiters located in the winding core less active material, thus arises in orientationspp. Failure less heat, which can also be better discharged to the outside. This improves safety-related aspects of the battery (lower temperature, better temperature dissipation).
  • Fig. 1 shows an electrode for a galvanic element according to the invention in plan view (schematic representation).
  • Fig. 1A shows the longitudinal section of the electrode shown in Fig. 1 (schematic representation).
  • FIG. 1 B shows in longitudinal section a further electrode for a galvanic element according to the invention (schematic representation).
  • FIG. 1C shows in longitudinal section a further electrode for a galvanic element according to the invention (schematic representation).
  • FIG. 1 D shows in longitudinal section a further electrode for a galvanic element according to the invention (schematic representation).
  • Fig. 1 E shows in longitudinal section a further electrode for a galvanic element according to the invention (schematic representation).
  • FIG. 1F shows in longitudinal section a further electrode for a galvanic element according to the invention (schematic representation).
  • FIG. 2A shows a longitudinal section of an intermediate product of a galvanic element according to the invention (schematic representation).
  • FIG. 2B shows the longitudinal section of an intermediate product of a further embodiment of a galvanic element according to the invention (schematic representation).
  • FIG. 2C shows a galvanic element according to the invention in plan view (schematic representation).
  • FIG. 1 shows an electrode 100 for a galvanic element according to the invention.
  • This comprises a band-shaped Abieiter 101. This has two flat sides. On the visible flat side is a band-shaped layer of electrode material 102. The thickness the layer 102 varies in the longitudinal direction, ie along the axis A.
  • FIG. 1A A section through the electrode 100 along the axis A is shown schematically in Fig. 1A.
  • a second layer of electrode material 102 'arranged on the flat side not visible in FIG. 1 is shown on the Abieiter 101.
  • Both the layer 102 and the layer 102 ' have varying thickness along the cutting axis A.
  • FIG. 1B as an alternative embodiment 100 'to the electrode 100 shown in FIG. 1A, a further possible section along the axis A is depicted. Only on a flat side of the Abieiters 101 here is a layer of electrode material 102 with varying thickness in the longitudinal direction. On the other flat side of the Abieiters a layer of electrode material 104 'is shown with a constant thickness in the longitudinal direction.
  • FIG. 1C as an alternative embodiment 100 'to the electrode 100 shown in FIG. 1A, a further possible section along the axis A is depicted.
  • a layer of electrode material 102 and 102 ' with varying thickness in the longitudinal direction and with a minimum thickness at a longitudinal end of the Abieiters.
  • FIG. 1 D as an alternative embodiment 100 'to the electrode 100 shown in FIG. 1A, a further possible section along the axis A is depicted.
  • a layer of electrode material 102 and 102 'with varying thickness in the longitudinal direction is located on both flat sides of the Abieiters 101. In the edge region, however, the layer thickness decreases.
  • Fig. 1 E is shown as an alternative embodiment 100 'to the electrode 100 shown in Fig. 1A, another possible section along the axis A.
  • a layer of electrode material 102 and 102 'of varying thickness in the longitudinal direction which approaches a constant value.
  • FIG. 1F as an alternative embodiment 100 'to the electrode 100 shown in FIG. 1A, a further possible section along the axis A is depicted.
  • This configuration is a combination of the embodiments shown in FIG. 1C-E.
  • the thickness of the layers of electrode material 102 and 102 'initially increases in an initial region starting from the right-hand longitudinal end of the band-shaped section and decreases again in an end region reaching to the left longitudinal end. Between the initial and the end region, a central region is arranged, in which the thickness of the electrode layer is constant
  • FIG. 2A illustrates an embodiment of an electrode-separator composite 200 which can be used to produce a galvanic element according to the invention.
  • the electrode-separator composite 200 comprises a first electrode (having the features of the electrode shown in FIG. 1A) consisting of the arrester 201 and the layers of electrode material 202 and 202 'arranged on the two flat sides, a second electrode (likewise with the features of the electrode shown in Fig. 1A) consisting of the arrester 203 and arranged on the two flat sides layers of electrode material 204 and 204 'and a separator 205 which is arranged between the first and the second electrode.
  • the first and the second electrode have opposite polarities. They are preferably connected to the separator 205 via lamination.
  • FIG. 2B shows an alternative embodiment 200 'to the electrode-separator assembly 200 shown in FIG. 2A.
  • the composite shown in FIG. 2B has only one electrode (consisting of the absorber 201 and the layers of electrode material 202 and 202 'arranged on the two flat sides) with longitudinally varying electrode thicknesses, which likewise have the features of FIGS Fig. 1 A electrode shown.
  • the second electrode has substantially equal thickness electrode layers 206 and 206 'over its entire length.
  • FIG. 2C shows a galvanic element 209 according to the invention, as can be produced by spirally winding up an electrode-separator composite such as that shown in FIG. 2A.
  • the first electrode of Abieiter 201 and arranged on the two flat sides of the Abieiters 201 layers 202 of electrode material and the oppositely poled second electrode consisting of the Abieiter 203 and arranged on the two flat sides of the Abieiters 203 layers
  • Electrode material 204 and 204 ' Separated are the two electrodes through the separators 205 and 208, which enclose the first electrode on both sides.
  • the separator 208 prevents shorting during winding. All of the electrode layers 202, 202 ', 204 and 204' have a thickness varying in the longitudinal direction. This rises from the inside of the electrode coil to the outside.

Abstract

Beschrieben wird eine spiralförmig gewickelte Elektrode umfassend einen spiralförmig gewickelten, bandförmigen Ableiter mit zwei Flachseiten und einer bandförmigen Schicht aus Elektrodenmaterial auf mindestens einer der Flachseiten. Die Dicke der bandförmigen Schicht nimmt dabei in Längsrichtung, ausgehend vom Wickelinneren, nach außen hin zu. Des Weiteren wird eine Batterie beschrieben, die eine solche Elektrode umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterie.

Description

Beschreibung
Spiralförmig gewickelte Elektrode, Batterie
und Herstellung derselben
Die vorliegende Erfindung betrifft eine spiralförmig gewickelte Elektrode, eine Batterie mit mindestens einer solchen Elektrode und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Batterie. Der Begriff „Batterie" meinte ursprünglich mehrere in Serie geschaltete galvanische Zellen in einem Gehäuse. Heute werden jedoch auch einzelne galvanische Zellen häufig als Batterie bezeichnet. Bei der Entladung einer galvanischen Zelle findet eine energieliefernde chemische Reaktion statt, welche sich aus zwei elektrisch miteinander gekoppelten, aber räumlich voneinander getrennten Teilreaktionen zusammensetzt. An der negativen Elektrode werden in einem Oxidationsprozess Elektronen freigesetzt, resultierend in einem Elektronenstrom über einen äußeren Verbraucher zur positiven Elektrode, von der eine entsprechende Menge an Elektronen aufgenommen wird. An der positiven Elektrode findet also ein Reduktionsprozess statt. Zeitgleich kommt es zu einem der Elektrodenreaktion entsprechenden lonenstrom innerhalb der Zelle. Dieser lonenstrom wird durch einen ionisch leitenden Elektrolyten gewährleistet. In sekundären Zellen und Batterien ist diese Entladereaktion reversibel. Es besteht also die Möglichkeit, die bei der Entladung erfolg- te Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie umzukehren. Werden in diesem Zusammenhang die Begriffe Anode und Kathode benutzt, benennt man die Elektroden in der Regel entsprechend ihrer Entladefunktion. Die negative Elektrode ist in solchen Zellen also die Anode, die positive Elektrode die Kathode.
Unter den bekannten sekundären Zellen und Batterien werden vergleichsweise hohe Energiedichten insbesondere von Lithium-Ionen- Batterien erreicht. Lithium-Ionen-Batterien enthalten in vielen Fällen einen Zellstapel (Stack), der aus mehreren Einzelzellen besteht. Auch Wi- ckelzellen kommen häufig zum Einsatz. Sowohl bei den Wickelzellen als auch bei den Einzelzellen des Zellstapels handelt es sich in der Regel um einen Verbund aus Elektroden und Separatorfolien mit der Sequenz positive Elektrode/Separator/negative Elektrode. Die Elektroden umfas- sen dabei üblicherweise metallische Stromableiter sowie elektrochemisch aktive Komponenten und elektrochemisch inaktive Komponenten. In Wickelzellen liegen die Elektroden samt den dazugehörigen Stromableitern üblicherweise in spiralförmig gewickelter Form vor. Als elektrochemisch aktive Komponenten (oft auch als Aktivmaterialien bezeichnet) kommen für sekundäre Lithium-Ionen-Batterien sämtliche Materialien in Frage, die Lithium-Ionen aufnehmen und wieder abgeben können. Stand der Technik sind diesbezüglich für die negative Elektrode insbesondere Partikel auf Kohlenstoffbasis wie graphitischer Kohlenstoff oder zur Interkalation von Lithium befähigte nicht-graphitische Kohlenstoffmaterialien. Weiterhin können auch metallische und halbmetallische Materialien zum Einsatz kommen, die mit Lithium legierbar sind oder Komposite aus solchen Materialien mit beispielsweise kohlenstoff basierten Materialien. Für die positive Elektrode kommen insbesondere Lithi- um-Metalloxid-Verbindungen und Lithium-Metallphosphat-Verbindungen wie L1C0O2 und LiFeP04 in Frage.
Als elektrochemisch inaktive Komponenten sind an erster Stelle Elektrodenbinder und die erwähnten Stromableiter zu nennen. Über die Strom- ableiter werden Elektronen aus den Elektroden zu- oder abgeführt. Die Elektrodenbinder gewährleisten die mechanische Stabilität der Elektroden und sorgen für die Kontaktierung der Partikel aus elektrochemisch aktivem Material untereinander sowie zum Stromableiter. Zur Herstellung von Elektroden werden üblicherweise Pasten umfassend elektrochemisch aktive und inaktive Komponenten in Schichten auf elektrische Ableiter aufgebracht, getrocknet und in die gewünschte Passform gebracht. Üblicherweise werden sie gewalzt und gepresst sowie gegebenenfalls anschließend in Laminationsprozessen mit Separa- toren und Gegenelektroden kombiniert. Zu Problemen kommt es dabei häufig bei der Herstellung von Wickelelektroden. Die Elektroden sind beim Wickeln vor allem bei kleinen Wickelradien enormen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Damit einhergehend kommt es häufig zum Abblättern der Elektroden vom elektrischen Abieiter und somit zur Unbrauchbarkeit der Elektroden. Die Strombelastbarkeit einer gleichförmig dicken Elektrode ist, über die Wickellänge gesehen, zudem ungleichmäßig. Dies gilt insbesondere bei hohen Strömen sowie einer Kontaktierung des Wickels im Außenbereich und zunehmenden Widerstand zum Wickelkern hin. Letztendlich resultiert dies in einer ungleich- mäßigen Alterung der Elektrode bzw. deren Komponenten.
Der vorliegend beschriebenen Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Elektroden bereitzustellen, die sich besonders gut für Zellen mit spiralförmigem Aufbau eignen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Elektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Auch die Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie das Verfahren zur Herstellung einer Batterie nach Anspruch 6 sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Bevorzugte Ausführungs- formen der erfindungsgemäßen Elektrode und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 sowie 7 angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Wie die Elektroden von aus dem Stand der Technik bekannten Elektrodenwickeln liegen auch erfindungsgemäße Elektroden in spiralförmig gewickelter Form vor und umfassen einen spiralförmig gewickelten, bandförmigen Abieiter mit zwei Flachseiten und mindestens einer bandförmigen Schicht aus Elektrodenmaterial auf mindestens einer der Flachseiten. Im Gegensatz zu diesen zeichnen sich erfindungsgemäße Elektroden allerdings dadurch aus, dass die Dicke der bandförmigen Schicht aus Elektrodenmaterial in Längsrichtung variiert. Sie nimmt nämlich vom Wickelinneren ausgehend nach außen hin zu. Damit nimmt bevorzugt auch die Dicke der Elektrode in diese Richtung zu. Bei einem Band handelt es sich bekanntlich um einen flachen Gegenstand, dessen Länge seine Breite um ein Mehrfaches übersteigt und der dabei bevorzugt im Wesentlichen über seine gesamte Länge eine im Wesentlichen gleichmäßige Breite aufweist. Dies ist auch vorliegend der Fall. So liegt die Länge von im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren bandförmigen Abieitern in der Regel zwischen 10 cm und 1000 cm, ihre Breite liegt bevorzugt zwischen 0,2 cm und 60 cm. Gleiche oder ähnliche Dimensionen weist üblicherweise auch die mindestens eine bandförmige Schicht aus Elektrodenmaterial auf.
Bei den erfindungsgemäßen Elektroden kann es sich grundsätzlich sowohl um positive als auch um negative Elektroden handeln. Geeignete Aktivmaterialien für positive und negative Elektroden von Lithium-Ionen- Batterien wurden bereits erwähnt. Die vorliegende Erfindung ist aller- dings nicht auf lithiumbasierte elektrochemische Systeme beschränkt.
Die Abieiter der erfindungsgemäßen Elektrode bestehen bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff. Wenn es sich bei der erfindungsgemäßen Elektrode um die negative Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie han- delt, so besteht der Abieiter bevorzugt aus Kupfer. Im Falle einer positiven Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie ist als Werkstoff für den Abieiter Aluminium bevorzugt.
Als bandförmiger Abieiter einer erfindungsgemäßen Elektrode kann bei- spielsweise eine Metallfolie dienen, ebenso können die Abieiter erfindungsgemäßer Elektroden aber auch netz- oder gitterartig ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt nimmt die Dicke der Schicht aus Elektrodenmate- rial über ihre gesamte Länge zu, insbesondere mit im Wesentlichen konstanter Steigung. Das bedeutet, dass in bevorzugten Ausführungsformen die geringste Dicke der Schicht aus Elektrodenmaterial an einem, dem im Inneren des Elektrodenwickels befindlichen Längsende des Abieiters gemessen wird und die größte Dicke am anderen Ende. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Dicke der Schicht nur abschnittsweise, also nicht über die gesamte Länge der bandförmigen Elektrodenschicht, zunimmt. So ist es zum Beispiel denkbar, dass die Dicke ausgehend von dem im Inneren des Elektrodenwickels befindlichen Längsende des bandförmigen Abschnitts zunächst zunimmt und über einen zweiten Abschnitt, der sich direkt an den ersten Abschnitt anschließt, konstant bleibt. Dies wäre auch der Fall, wenn die Dicke der Schicht diskontinuierlich zunimmt, wie es beispielsweise bei einem trep- penförmigen Anstieg der Fall wäre. In einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen nimmt die Dicke der Schicht aus Elektrodenmaterial in einem ersten Teilbereich, insbesondere einem Anfangsbereich ausgehend von dem im Inneren des Elektrodenwickels befindlichen Längsende des bandförmigen Abschnitts, zunächst zu und nimmt in einem zweiten Teilbereich, insbe- sondere einem bis zum außenliegenden Längsende reichenden Endbereich, dann wieder ab. Gegebenenfalls ist zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbereich, insbesondere zwischen Anfangs- und dem Endbereich, noch ein Mittelbereich angeordnet, in dem die Dicke der Elektrodenschicht konstant ist. Der ersten Teilbereich oder der Anfangs- bereich kann sich über 5 % bis 99 %, bevorzugt über 25 % und 95 %, der Gesamtlänge des Abieiters erstrecken, der zweite Teilbereich oder der Endbereich über 1 % bis 25 %, bevorzugt über 1 % bis 10 %, der Mittelbereich über 5 % bis 75 %, bevorzugt über 10 % bis 50 %, wobei sich die Prozentzahlen der jeweils relevanten Bereiche auf 100 % addie- ren.
Die Dicke der Schicht ist in Querrichtung bevorzugt konstant. Gemessen wird sie bevorzugt senkrecht zu der oder den Flachseiten, auf denen sie aufgebracht ist. Bei einer bevorzugten Vorgehensweise zur exakten Be- Stimmung der Dicke werden die Elektroden einmal in Querrichtung zerschnitten und anschließend entlang der Schnittkante in zwei gleich lange Bereiche unterteilt, in deren Mitte jeweils die Messung der Elektrodendicke erfolgt. Die erhaltenen Werte werden anschließend gemittelt. In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind beide Flachseiten des Ableiters einer erfindungsgemäßen Elektrode mit einer bandförmigen Schicht aus Elektrodenmaterial bedeckt. Dabei ist es durchaus möglich, dass eine der Flachseiten mit einer Schicht aus Elektrodenma- terial bedeckt ist, deren Dicke in Längsrichtung variiert, während die andere Flachseite mit einer Schicht aus Elektrodenmaterial bedeckt ist, deren Dicke in Längsrichtung konstant ist. Bevorzugt weisen jedoch beide Flachseiten des Ableiters jeweils eine Schicht aus Elektrodenmaterial mit einem Dickegradienten auf. Die Dicke der Schichten nimmt in die- sem Fall bevorzugt in die gleiche Richtung zu, so dass die Gesamtdicke der Elektrode ebenfalls in diese Richtung ansteigt.
Besonders bevorzugt sind die Schichten des Elektrodenmaterials in Bezug auf eine durch den (nicht gewickelten) Abieiter verlaufende Ebene spiegelbildlich zueinander angeordnet, verhalten sich also deckungsgleich zueinander und bedecken jeweils die gleiche Fläche auf dem Abieiter bzw. auf den beiden Flachseiten des Ableiters. Es bevorzugt, dass die Flachseiten des Ableiters im Wesentlichen vollständig von der Schicht aus Elektrodenmaterial bedeckt sind, gegebenfalls abgesehen von Bereichen, die dazu dienen, den Abieiter elektrisch zu kontaktieren und deshalb frei von Elektrodenmaterial bleiben müssen.
Die Dicke des bandförmigen Ableiters liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 5 μιτι und 30 μιτι, insbesondere zwischen 7 μιτι und 20 μιτι.
Die Mindestdicke der Schicht aus Elektrodenmaterial mit variierender Dicke liegt bevorzugt im Bereich zwischen 10 μιτι und 500 μιτι. Innerhalb dieses Bereiches sind Werte zwischen 30 μιτι und 200 μιτι weiter bevorzugt.
Die maximale Dicke der Elektrodenschicht liegt bevorzugt im Bereich zwischen 30 μιτι und 3000 μιτι. Besonders bevorzugt sind innerhalb dieses Bereiches Werte zwischen 60 μιτι und 500 μιτι. Zwischen diesen Minimal- und Maximalwerten variiert die Dicke der Schicht aus Elektrodenmaterial, wie oben erwähnt, kontinuierlich oder diskontinuierlich. In diesem Zusammenhang sei explizit hervorgehoben, dass sich die Angaben zur Dicke der Schicht aus Elektrodenmaterial in der vorliegenden Anmeldung insbesondere auf gebrauchsfertige Elektroden beziehen, also insbesondere auf Elektroden, die kein Prozesslösungsmittel mehr enthalten und gegebenenfalls gewalzt und gepresst wurden.
Herstellen lässt sich eine solche Elektrode, indem ein bevorzugt mit einem Prozesslösungsmittel versetztes Elektrodenmaterial, beispielsweise umfassend die eingangs genannten elektrochemisch aktiven und inaktiven Komponenten, auf eine oder auf beide Flachseiten eines Abieiters, wie er oben beschrieben wurde, aufgetragen und getrocknet wird. Der Ableiter kann beispielsweise als quasi-endloses Band bereitgestellt werden, welches eine Beschichtungseinrichtung durchläuft, in der ein Auftrag einer bandförmigen Schicht aus dem Elektrodenmaterial, z.B. mittels Rakeln, erfolgt. Das Aufbringen erfolgt dabei insbesondere mit- tels moderner Beschichtungseinrichtungen, bei denen der Auftrag des Elektrodenmaterials mikrometergenau gesteuert und insbesondere noch während einer laufenden Beschichtung variiert werden kann, in welcher Dicke das Elektrodenmaterial aufgetragen wird. Erfindungsgemäß bevorzugt erfolgt das Aufbringen der Schicht aus Elektrodenmaterial insbesondere derart, dass die Dicke der Schicht in Längsrichtung zumindest abschnittsweise zunimmt.
Insbesondere können dazu auf einen als quasi-endloses Band bereit- gestellten Ableiter durch abgesetztes Beschichten sequentiell Bereiche mit variierender Schichtdicke aufgebracht werden, getrennt durch einen nicht beschichteten Bereich, wobei in jedem der Bereiche die Dicke in Längsrichtung zunimmt. Die Beschichtung des Abieiters erfolgt bevorzugt beidseitig. Nach dem Aufbringen des Elektrodenmaterials wird die resultierende Elektrode in der Regel getrocknet und gegebenenfalls den erwähnten fakultativen aber bevorzugten Walz- oder Pressschritten unterzogen.
Der fertig gestellte Abieiter mit der darauf befindlichen Schicht aus dem Elektrodenmaterial wird anschließend in Längsrichtung spiralförmig aufgerollt, beispielsweise mittels eines Wickeldorns, beginnend mit dem Ende des Abieiters, von dem aus die Dicke der Schicht ansteigt. Im re- sultierenden Wickel nimmt die Dicke der Elektrodenschicht entsprechend bevorzugt von innen nach außen hin zu bzw. nähert sich einem konstanten Wert an. Alternativ kann die Dicke zum äußeren Ende des Wickels entsprechend den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auch wieder abnehmen.
Es ist bevorzugt, dass die Elektrode vor dem Schritt des spiralförmigen Aufwickeins mit einem oder mehreren Separatoren und einer oder mehreren entgegengesetzt gepolten Elektroden zu einem Elektroden- Separator-Verbund kombiniert wird. Das Kombinieren kann beispiels- weise über Lamination oder Verklebung erfolgen. Das spiralförmige Aufwickeln wird in diesem Fall nicht mit einer separat vorliegenden Elektrode vollzogen sondern mit dem erwähnten Elektroden-Separator- Verbund. Entsprechend ist auch die oben beschriebene erfindungsgemäße Elektrode in bevorzugten Ausführungsformen Bestandteil eines Elektroden-Separator-Verbundes, insbesondere mit der Sequenz positive Elektrode / Separator / negative Elektrode. Dabei kann es sich entweder bei der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode oder auch bei beiden Elektroden um erfindungsgemäße Elektroden handeln. Im letzteren Fall ist es bevorzugt, dass es sich bei beiden Elektroden um Elektroden handelt, deren Dicke (aufgrund mindestens einer der Schichten aus dem Elektrodenmaterial mit in Längsrichtung variierender Dicke) in Längsrichtung zunimmt, und dass beide Elektroden innerhalb des Verbundes derart angeordnet sind, dass ihre Dicke in die gleiche Richtung zunimmt. Besonders bevorzugt umfasst der Verbund die Sequenz
- positive Elektrode / Separator / negative Elektrode / Separator / positive Elektrode oder
- negative Elektrode / Separator / positive Elektrode / Separator / negative Elektrode
Geeignete Separatoren für Batterien (z.B. Folien, Polymer- oder druckbare Separatoren), insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien, sind dem Fachmann bekannt und müssen im Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht näher erläutert werden. Eingesetzt werden können beispiels- weise mikroporöse Polyethylenfolien.
Auch eine Batterie, die mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode aufweist, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Batterie um einen Elektro- den-Separator-Verbund mit mindestens einer erfindungsgemäßen Elektrode, insbesondere um einen der oben genannten Elektroden- Separator-Verbünde. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen galvanischen Element um eine Lithium-Ionen- Batterie, also um eine Batterie, bei der der eingangs erwähnte lonen- ström innerhalb der Zelle durch Lithium-Ionen getragen wird.
Die Verwendung der beschriebenen Elektroden bietet, wie eingangs erwähnt, eine ganze Reihe von Vorteilen. Insbesondere sind die beim Wickeln der Elektroden auftretenden mechanischen Belastungen deutlich geringer als bei klassischen Elektroden mit in Längsrichtung konstanter Dicke. Dies gilt insbesondere bei kleinen Wickelradien. Grundsätzlich ist es möglich, Elektrodenwickel herzustellen, deren innere Wicklungen engere Wicklungsradien aufweisen, als dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Damit steigt natürlich auch die Kapazität der Elektroden ei- nes erfindungsgemäßen galvanischen Elements. Die Elektroden weisen ein verbessertes Wickelverhalten auf und damit eine deutlich verbesser- te Prozessierbarkeit. Dadurch wird es möglich auch bei kleinen Wickelradien im Mittel dickere Elektroden zu verwenden und damit die Energiedichte der Batterie in Summe zu erhöhen. Gradienten in der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit werden darüber hinaus, über die Wickellänge gesehen, besser kompensiert, was zu erheblichen Vorteilen in Bezug auf Stabilität und Sicherheit der Zelle führt.
Weiterhin schneiden erfindungsgemäße Elektroden bei Strombelastbarkeitstests besser ab als vergleichbare Elektroden aus dem Stand der Technik. Der kinetische Einfluss des zunehmenden elektrischen Widerstands zum Wickelkern hin wird durch eine abnehmende Elektrodendicke (zum Teil) kompensiert. Damit werden die Elektroden gleichförmiger belastet, wodurch neben der Leistung auch die Stabilität verbessert wird. Ein weiterer Vorteil ist eine bessere Kompensation des Gradienten in der thermischen Leitfähigkeit des Wickelverbundes ähnlich dem des elektrischen Widerstandes. Relativ zur Menge des Abieiters befindet sich im Wickelkern weniger Aktivmaterial, somit entsteht im Belastungsbzw. Versagensfall weniger Wärme, die zudem besser nach außen ab- geführt werden kann. Hierdurch werden sicherheitsrelevante Aspekte der Batterie verbessert (niedrigere Temperatur, bessere Temperaturableitung).
Näher erläutert werden die erfindungsgemäßen Gegenstände und das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnungen. Es sei an dieser Stelle explizit betont, dass sämtliche in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen fakultativen Aspekte der erfindungsgemäßen Gegenstände oder des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils für sich allein oder in Kombination mit einem oder mehreren der weiteren beschriebenen fa- kultativen Aspekte bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein können. Die nachfolgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen dient lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen. Figurenbeschreibung
Fig. 1 zeigt eine Elektrode für ein erfindungsgemäßes galvanisches Element in der Draufsicht (schematische Darstellung).
Fig. 1A zeigt den Längsschnitt der in Fig. 1 dargestellten Elektrode (schematische Darstellung).
Fig. 1 B zeigt im Längsschnitt eine weitere Elektrode für ein erfindungs- gemäßes galvanisches Element (schematische Darstellung).
Fig. 1C zeigt im Längsschnitt eine weitere Elektrode für ein erfindungsgemäßes galvanisches Element (schematische Darstellung). Fig. 1 D zeigt im Längsschnitt eine weitere Elektrode für ein erfindungsgemäßes galvanisches Element (schematische Darstellung).
Fig. 1 E zeigt im Längsschnitt eine weitere Elektrode für ein erfindungsgemäßes galvanisches Element (schematische Darstellung).
Fig. 1 F zeigt im Längsschnitt eine weitere Elektrode für ein erfindungsgemäßes galvanisches Element (schematische Darstellung).
Fig. 2A zeigt einen Längsschnitt eines Zwischenprodukts eines erfin- dungsgemäßen galvanischen Elements (schematische Darstellung).
Fig. 2B zeigt den Längsschnitt eines Zwischenprodukts einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements (schematische Darstellung).
Fig. 2C zeigt ein erfindungsgemäßes galvanisches Element in der Draufsicht (schematische Darstellung).
In Fig. 1 ist eine Elektrode 100 für ein erfindungsgemäßes galvanisches Element dargestellt. Diese umfasst einen bandförmigen Abieiter 101. Dieser weist zwei Flachseiten auf. Auf der sichtbaren Flachseite befindet sich eine bandförmige Schicht aus Elektrodenmaterial 102. Die Dicke der Schicht 102 variiert dabei in Längsrichtung, also entlang der Achse A.
Ein Schnitt durch die Elektrode 100 entlang der Achse A ist schematisch in Fig. 1A dargestellt. Auf dem Abieiter 101 ist neben der auf der einen Flachseite angeordneten Schicht aus Elektrodenmaterial 102 noch eine auf der in Fig. 1 nicht sichtbaren Flachseite angeordnete zweite Schicht aus Elektrodenmaterial 102' dargestellt. Sowohl die Schicht 102 als auch die Schicht 102' weisen entlang der Schnittachse A variierende Dicken auf. Die Dicke beider Elektrodenschichten 102 und 102' steigt kontinuierlich ausgehend von einem Ende 103 des Abieiters 101 in Richtung des anderen Endes 104 an.
In Fig. 1 B ist als alternative Ausführungsform 100' zu der in Fig. 1A dar- gestellten Elektrode 100 ein weiterer möglicher Schnitt entlang der Achse A abgebildet. Lediglich auf einer Flachseite des Abieiters 101 befindet sich hier eine Schicht aus Elektrodenmaterial 102 mit in Längsrichtung variierender Dicke. Auf der anderen Flachseite des Abieiters ist eine Schicht aus Elektrodenmaterial 104' mit in Längsrichtung konstanter Dicke dargestellt.
In Fig. 1C ist als alternative Ausführungsform 100' zu der in Fig. 1 A dargestellten Elektrode 100 ein weiterer möglicher Schnitt entlang der Achse A abgebildet. In dieser Konfiguration befindet sich auf beiden Flach- Seiten des Abieiters 101 eine Schicht aus Elektrodenmaterial 102 und 102' mit in Längsrichtung variierender Dicke und mit einer Mindestdicke an einem Längsende des Abieiters.
In Fig. 1 D ist als alternative Ausführungsform 100' zu der in Fig. 1A dar- gestellten Elektrode 100 ein weiterer möglicher Schnitt entlang der Achse A abgebildet. In dieser Konfiguration befindet sich auf beiden Flachseiten des Abieiters 101 eine Schicht aus Elektrodenmaterial 102 und 102' mit in Längsrichtung variierender Dicke. Im Randbereich nimmt die Schichtdicke jedoch ab. In Fig. 1 E ist als alternative Ausführungsform 100' zu der in Fig. 1A dargestellten Elektrode 100 ein weiterer möglicher Schnitt entlang der Achse A abgebildet. In dieser Konfiguration befindet sich auf beiden Flachseiten des Abieiters 101 eine Schicht aus Elektrodenmaterial 102 und 102' mit in Längsrichtung variierender Dicke, die sich einem konstanten Wert annähert.
In Fig. 1 F ist als alternative Ausführungsform 100' zu der in Fig. 1A dargestellten Elektrode 100 ein weiterer möglicher Schnitt entlang der Ach- se A abgebildet. Bei dieser Konfiguration handelt es sich um eine Kombination aus den in Fig. 1 C-E dargestellten Ausführungsformen. Die Dicke der Schichten aus Elektrodenmaterial 102 und 102' nimmt hier in einem Anfangsbereich ausgehend vom rechten Längsende des bandförmigen Abschnitts zunächst zu und nimmt in einem bis zum linken Längsende reichenden Endbereich wieder ab. Zwischen dem Anfangsund dem Endbereich ist ein Mittelbereich angeordnet, in dem die Dicke der Elektrodenschicht konstant ist
Fig. 2A illustriert eine Ausführungsform eines Elektroden-Separator- Verbundes 200, der zur Herstellung eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements dienen kann. Der Elektroden-Separator-Verbund 200 umfasst dabei eine erste Elektrode (mit den Merkmalen der in Fig. 1A dargestellten Elektrode) bestehend aus dem Ableiter 201 und den auf den beiden Flachseiten angeordneten Schichten aus Elektrodenmaterial 202 und 202', eine zweite Elektrode (ebenfalls mit den Merkmalen der in Fig. 1A dargestellten Elektrode) bestehend aus dem Ableiter 203 und den auf den beiden Flachseiten angeordneten Schichten aus Elektrodenmaterial 204 und 204' und einen Separator 205, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die erste und die zwei- te Elektrode weisen dabei entgegengesetzte Polaritäten auf. Sie sind mit dem Separator 205 bevorzugt über Lamination verbunden. Die Dicke sämtlicher Elektrodenschichten 202, 202', 204 und 204' steigt kontinuierlich ausgehend von einem Ende der Ableiter 201 und 203 in Richtung des anderen Endes an. In Fig. 2B ist eine alternative Ausführungsform 200' zu dem in Fig. 2A dargestellten Elektroden-Separator-Verbund 200 dargestellt. Im Gegensatz zu diesem weist der in Fig. 2B dargestellte Verbund lediglich eine Elektrode (bestehend aus dem Abieiter 201 und den auf den beiden Flachseiten angeordneten Schichten aus Elektrodenmaterial 202 und 202') mit in Längsrichtung variierenden Elektrodendicken auf, diese ebenfalls mit den Merkmalen der in Fig. 1 A dargestellten Elektrode. Die zweite Elektrode weist über ihre gesamte Länge im Wesentlichen gleich dicke Elektrodenschichten 206 und 206' auf.
In Fig. 2C ist ein erfindungsgemäßes galvanisches Element 209 dargestellt, wie es durch spiralförmiges Aufwickeln eines Elektroden- Separator- Verbundes wie dem in Fig. 2A dargestellten produziert wer- den kann. Zu erkennen ist die erste Elektrode aus dem Abieiter 201 und den auf den beiden Flachseiten des Abieiters 201 angeordneten Schichten 202 und 202' aus Elektrodenmaterial und die entgegengesetzt gepolte zweite Elektrode bestehend aus dem Abieiter 203 und den auf den beiden Flachseiten des Abieiters 203 angeordneten Schichten aus Elektrodenmaterial 204 und 204'. Getrennt sind die beiden Elektroden durch die Separatoren 205 und 208, die die erste Elektrode beidseitig umschließen. Der Separator 208 verhindert einen Kurzschluß beim Wickeln. Sämtliche Elektrodenschichten 202, 202', 204 und 204' weisen eine in Längsrichtung variierende Dicke auf. Diese steigt ausgehend vom Inneren des Elektrodenwickels nach außen hin an.

Claims

Patentansprüche
1. Spiralförmig gewickelte Elektrode umfassend einen spiralförmig gewickelten, bandförmigen Abieiter mit zwei Flachseiten und einer bandförmigen Schicht aus Elektrodenmaterial auf mindestens einer der Flachseiten, wobei die Dicke der bandförmigen Schicht in Längsrichtung ausgehend vom Wickelinneren nach außen hin zunimmt.
2. Elektrode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der bandförmigen Elektrodenschicht abschnittsweise, vorzugsweise über ihre gesamte Länge, zunimmt.
3. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Elektrodenschicht mit konstanter Steigung zunimmt.
4. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschicht eine Mindestdicke im Bereich zwischen 10 μιτι und 500 μιτι, bevorzugt zwischen 30 μιτι und 200 μιτι, aufweist.
5. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dicke der Elektrodenschicht zwischen 30 μιτι und 3000 μιτι, bevorzugt zwischen 60 μιτι und 500 μιτι, beträgt.
6. Verfahren zur Herstellung eines Galvanischen Elements, umfassend die Schritte:
A: Bereitstellen eines bandförmigen Abieiters mit zwei Flachseiten,
B: Aufbringen einer bandförmigen Schicht aus Elektrodenmaterial auf mindestens eine der Flachseiten, wobei die Elekt- rodenschicht derart aufgebracht wird, dass ihre Dicke in Längsrichtung zunimmt,
C: Spiralförmiges Aufwickeln des mit dem Elektrodenmaterial beschichteten Abieiters, derart, dass im resultierenden Wickel die Dicke der Elektrodenschicht von innen nach außen hin zunimmt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Produkt aus Schritt B vor dem Aufwickeln in Schritt C mit mindestens einem Separator und mindestens einer Gegenelektrode kombiniert wird.
8. Batterie, umfassend mindestens eine Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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