WO2013050284A1

WO2013050284A1 - Batterie mit faser- oder fadenförmiger elektrode

Info

Publication number: WO2013050284A1
Application number: PCT/EP2012/069011
Authority: WO
Inventors: Hans Jürgen LINDNER; Martin Krebs
Original assignee: Varta Microbattery Gmbh
Priority date: 2011-10-05
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-04-11
Also published as: EP2764562A1; DE102011084019A1

Abstract

Beschrieben wird eine Batterie, die sich durch mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode auszeichnet, die als Ableiter eine faser- oder fadenförmige Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material umfasst sowie eine die Seele mantelartig umschließende Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial. Weiterhin wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterie beschrieben.

Description

Batterie mit faser- oder fadenförmiger Elektrode

Die vorliegende Erfindung betrifft Batterien mit neuartigem Aufbau.

Batterien gibt es in den verschiedensten Ausführungsformen. Entscheidend für die Bauform und die Größe von Batterien ist der jeweilige Anwendungsfall. So wurden beispielsweise tonnenschwere Batterien als Notstromversorgung für industrielle Anwendungen entwickelt. Im Consu- mer-Bereich findet man dagegen Batterien mit Gewichten von wenigen Gramm oder sogar nur wenigen Milligramm. Insbesondere die Konstruktion besonders kleiner und flacher Batterien, wie sie von miniaturisierten elektronischen Komponenten und Geräten häufig benötigt werden, stellt Batteriebauer immer wieder vor Herausforderungen.

Von der Anmelderin wurden beispielsweise die in DE 10 2005 017 682 beschriebenen Batterien entwickelt, die sich durch eine besonders geringe Bauhöhe auszeichnen. Die beschriebenen Batterien lassen sich insbesondere durch Druck herstellen und eignen sich beispielsweise dazu, Smart Tags oder Smart Labels mit elektrischer Energie zu versorgen.

Weitere von der Anmelderin entwickelte besonders flache Batterien sind in der DE 101 62 832 A1 und in der DE 102 19 424 A1 beschrieben. Beide eignen sich speziell für den Einsatz in sogenannten „active smart cards".

Auch der vorliegenden Erfindung lag zunächst die Aufgabe zugrunde, besonders flache Batterien herzustellen. Im Laufe der Entwicklungen wurde dann zusätzlich auch das Augenmerk auf die Bereitstellung von Batterien gerichtet, die sich durch weitere Eigenschaften wie z.B. eine hohe Strombelastbarkeit oder besonders flexibel verarbeitbare Elektroden auszeichnen. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterie sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 angegeben. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet sich in Anspruch 14. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.

Eine erfindungsgemäße Batterie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode aufweist, die die folgenden Komponenten umfasst:

(a) eine als Abieiter dienende faser- oder fadenförmige Seele aus einem ersten elektrisch leitendem Material und

(b) eine die Seele mantelartig umschließende Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial.

Faser- oder fadenförmige Elektroden sind aus dem Stand der Technik bislang nicht bekannt. Elektroden werden klassisch in Form von flächigen Schichten oder als Masseelektroden gefertigt, nicht jedoch in Form eines dünnen, länglichen Gebildes, wie es Fasern und Fäden darstellen. Zur Klarstellung, unter einer Faser soll vorliegend ein einstückiges längliches Gebilde verstanden werden, wohingegen ein Faden durchaus mehrstückig, nämlich bestehend aus mehreren miteinander verbundenen / verdrehten Fasern, sein kann. Als Seele einer Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung kommen sowohl Fasern als auch Fäden in Frage, beide Varianten haben ihre Vor- und Nachteile. So lassen sich aus einzelnen Fasern dünnere Elektroden herstellen als aus Fäden, letztere besitzen dafür in der Regel robustere mechanische Eigenschaften, was bei der Verarbeitung der Elektroden durchaus vorteilhaft sein kann. Besonders bevorzugt weist eine erfindungsgemäße Batterie neben der beschriebenen noch mindestens eine weitere faser- oder fadenförmige Elektrode auf, die die folgenden Komponenten umfasst,

(aa) eine als Abieiter dienende faser- oder fadenförmige Seele aus einem zweiten elektrisch leitenden Material und

(bb) eine die Seele mantelartig umschließende Schicht aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial.

Der Begriff Batterie meinte ursprünglich mehrere in Serie geschaltete galvanische Zellen. Heute werden aber auch einzelne galvanische Zellen häufig als Batterie bezeichnet. Dies soll auch vorliegend gelten. In ihrer einfachsten Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Batterie als Elektroden ausschließlich

• eine faser- oder fadenförmige Elektrode mit einer Seele aus dem ersten elektrisch leitenden Material und einer diese umschließenden Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial sowie

• eine faser- oder fadenförmige Elektrode mit einer Seele aus dem zweiten elektrisch leitenden Material und einer diese umschließenden Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial.

Bei der Entladung dieser beiden Elektroden findet eine energieliefernde chemische Reaktion statt, welche sich aus zwei elektrisch miteinander gekoppelten aber räumlich voneinander getrennten Teilreaktionen zusammensetzt, wobei es an einer der Elektroden zu einer Freisetzung von Elektronen kommt, die über eine externe Last zur anderen Elektrode fließen. Zeitgleich muss es zu einem der Elektrodenreaktion entsprechenden lonenstrom zwischen den Elektroden kommen. Dieser wird durch einen ionisch leitenden Elektrolyten gewährleistet, über den die E- lektroden miteinander verbunden sind. Auch vorliegend wird ein solcher Elektrolyt zwischen den Elektroden mit dem entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial benötigt.

In einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform sind die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode mit dem ersten Elektrodenmaterial und die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode mit dem zweiten Elektrodenmaterial mindestens teilweise in eine Matrix eingebettet, die aus einem ionenleitenden Separatormaterial besteht. Ein unmittelbarer Kontakt zwischen den Elektroden mit den entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterialien darf nicht bestehen, dies muss durch das Separatormaterial unterbunden werden. Dies ist in der Praxis natürlich ohne weiteres realisierbar. So wäre es z.B. denkbar, Elektroden unterschiedlicher Polarität in verschiedenen Ebenen in der Matrix aus dem ionenleitenden Separatormaterial anzuordnen. Alternativ können, in Analogie zur eingangs erwähnten DE 10 2005 017 682, zwei faser- oder fadenförmige Elektroden unterschiedlicher Polarität nebeneinander auf einem nicht leitenden Substrat abgelegt und mit einer Elektrolytschicht bedeckt werden.

In einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich die erfindungsgemäße Batterie dadurch aus, dass sie mindestens eine Elektrode umfasst, die neben den oben unter (a) und (b) angeführten Komponenten zusätzlich noch eine Komponente (c) umfasst, nämlich eine Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial, die die Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial mantelartig umschließt. Eine solche Ausführungsform einer faser- oder fadenförmigen Elektrode bietet den Vorteil, dass sie problemlos verarbeitbar ist, ohne dass Kurzschlüsse zu befürchten sind. So lässt sie sich beispielsweise direkt in eine Matrix einbetten, die aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial besteht. So lassen sich Batterien mit einer sehr hohen Strombelastbarkeit herstellen, da die Kontaktfläche zwischen den entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterialien sehr groß ist. Natürlich wird bei einer solchen Ausführungsform ein weiterer (zweiter) Ableiter benötigt, über den Elektronen aus dem zweiten Elektroden mate- rial abgeführt oder diesem zugeführt werden können. Im einfachsten Fall steht die Matrix in direktem Kontakt zu einem flächigen, als zweiter Ableiter dienenden Substrat aus dem zweiten elektrisch leitenden Material. Beispielsweise kann die Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial samt der darin eingebetteten Elektrode auf einer metallischen Ableiterfolie angeordnet werden oder darauf gebildet werden.

In einer dritten besonders bevorzugten Ausführungsform wird in die Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial neben der mindestens einen faser- oder fadenförmigen Elektrode umfassend die Komponenten (a), (b) und (c) mindestens eine oder ein als zweiter Ableiter dienende oder dienender Faser oder Faden aus einem zweiten elektrisch leitenden Material eingebettet. Diese Maßnahme kann sich sehr positiv auf die Performance der resultierenden Batterie auswirken.

In einer vierten besonders bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Batterie neben der mindestens einen Elektrode umfassend die Komponten (a), (b) und (c) mindestens eine weitere Elektrode auf, die mindestens die oben bereits genannten Komponenten (aa) und (bb), gegebenenfalls auch eine Komponente (cc) aus dem ionenleitenden Separatormaterial umfasst, die die Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial mantelartig umschließt. Diese Elektroden lassen sich zu problemlos zu einem Wickel verarbeiten, der, gegebenenfalls nach Tränken mit einem geeigneten Elektrolyten, beispielsweise in ein Knopfzellengehäuse eingearbeitet werden kann. Aber hierzu später noch mehr.

In einer fünften besonders bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Batterie mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode auf, die neben den oben genannten Komponenten (a) bis (c) die folgenden Komponenten umfasst: (d) eine Schicht aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial, die die Schicht aus dem ionenleitenden Separatormaterial mantelartig umschließt,

(e) eine als Abieiter dienende Schicht aus einem zweiten elektrisch leitenden Material, die die Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial mantelartig umschließt, sowie in bevorzugten Ausführungsformen auch

(f) eine Hüllschicht aus einem elektrisch isolierenden Material, die die Schicht aus dem zweiten elektrisch leitenden Material mantelartig umschließt.

In dieser Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Batterie einen koaxialen Aufbau auf, bei dem das erste und das zweite Elektrodenmaterial, das ionenleitende Separatormaterial, das zweite elektrisch leitende Material sowie gegebenenfalls die Hüllschicht aus dem elektrisch isolierenden Material konzentrisch um die faser- oder fadenförmige Seele aus dem ersten elektrisch leitenden Material angeordnet sind. Die mantelartigen Schichten weisen also jeweils einen hohlzylinderartigen oder schlauchartigen Aufbau auf, wobei sich ihre Innen- und Außendurchmesser unterscheiden. Die Seele selbst könnte grundsätzlich auch hohl ausgebildet sein, ist jedoch bevorzugt massiv.

Von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen unterscheidet sich diese Ausführungsform insbesondere dadurch, dass nicht nur mindestens eine Elektrode faser- oder fadenförmig ausgebildet ist, statt dessen ist die Batterie selbst faser- oder fadenförmig ausgebildet. Die Seele und die darum angeordneten mantelartigen Schichten bilden, ohne dass es weiterer Komponenten bedarf, eine galvanische Zelle aus, bei der im geladenen Zustand eine Spannung zwischen der Schicht aus dem ersten und der Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial besteht. In bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Batterie dadurch aus, dass sie selbst (in der Ausführungsform mit den Merkmalen (a) bis (e) oder (a) bis (f)) als textiles Flächengebilde vorliegt, insbesondere in einer filzartigen oder in einer gewebten Struktur, oder dass sie zumindest eine faser- oder fadenförmige Elektrode aufweist, die als textiles Flächengebilde vorliegt oder Teil eines solchen ist, gegebenenfalls in Kombination mit der beschriebenen mindestens einen weiteren faser- oder fadenförmigen Elektrode oder mit dem/der mindestens einen als zweiter Abieiter dienenden Faden/Faser aus dem zweiten elektrisch leitenden Material.

Bei einem Gewebe handelt es sich bekanntlich um ein textiles Flächengebilde, bei dem mindestens zwei Fadensysteme, die Kette (Kettfaden) und der Schuss (Schussfaden), rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig miteinander verkreuzt werden. Eine filzartige Struktur zeichnet sich im Gegensatz dazu durch ein ungeordnetes, nur schwer zu trennendes Fasergut aus, bei dem die einzelnen Fasern ungeordnet miteinander verschlungen sind. Die faser- oder fadenförmige Elektrode bzw. die faser- oder fadenförmige Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich sowohl zu einem gewebten als auch einem nicht gewebten Flächengebilde verarbeiten:

• Es ist z.B. möglich, eine als Gewebe vorliegende faser- oder fadenförmige Elektrode mit den Merkmalen (a) und (b) gemeinsam mit mindestens einer weiteren als Gewebe vorliegenden faser- oder fadenförmigen Elektrode mit den Merkmalen (aa) und (bb) in eine Matrix aus dem ionenleitenden Separatormaterial einzubetten. Dabei muss natürlich darauf geachtet werden, dass die entgegengesetzt gepolten Elektroden sich in der Matrix nicht berühren. Dies kann z.B. gewährleistet werden, indem ein Gewebe aus einer oder mehreren Elektroden mit den Merkmalen (a) und (b) in einer Ebene der Matrix angeordnet ist und ein Gewebe aus einer oder mehreren Elektroden mit den Merkmalen (aa) und (bb) in einer anderen Ebe- ne. Der Raum zwischen den Ebenen ist mit dem ionenleitenden Separatormaterial verbunden, das die die entgegengesetzt gepolten Gewebe räumlich trennt, aber gleichzeitig ionenleitend verbindet.

• In einer weiteren Variante ist es möglich, dass eine oder mehrere faser- oder fadenförmigen Elektroden mit den Merkmalen (a), (b) und (c) in eine Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial eingebettet sind. Innerhalb der Matrix kann die faser- oder fadenförmige Elektrode gewebt oder ungewebt vorliegen, beispielsweise auch als mehrlagiges Gewebe. Potentielle Kurzschlussprobleme gibt es in dieser Ausführungsform nicht. Allerdings ist es erforderlich, auch die Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial mit einem Ableiter zu versehen. Zu diesem Zweck kann die Matrix beispielsweise in direktem Kontakt zu dem bereits erwähnten flächigen, als zweiter Ableiter dienenden Substrat stehen.

• Alternativ kann die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode mit den Merkmalen (a), (b) und (c) natürlich auch gemeinsam mit dem/der mindestens einen als zweiter Ableiter dienenden Faden/Faser aus dem zweiten elektrisch leitenden Material, gewebt oder ungewebt, in die Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial eingebettet sein. Ein flächiges, als zweiter Ableiter dienendes Substrat in Kontakt zu der Matrix ist in dieser Ausführungsform nicht zwingend erforderlich, seine Funktion wird durch die als zweiter Ableiter dienenden Fäden/Fasern wahrgenommen.

Ein Gewebe aus der mindestens einen faser- oder fadenförmigen Elektrode und dem/der mindestens einen als zweiter Ableiter dienenden Faden/Faser kann ohne Problem gefertigt werden, indem beispielsweise der Elektrodenfaden als Kettfaden und der Ableiter als Schussfaden verwendet wird oder umgekehrt. Natürlich ist es a- ber auch möglich, in die Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial ein erstes Gewebe aus einer oder mehreren faser- oder fadenförmigen Elektroden und ein zweites Gewebe nur aus Abieitern in die Matrix zu integrieren.

• Vielseitig verwendbar sind insbesondere auch die beschriebenen faser- oder fadenförmigen Batterien umfassend die Komponenten (a) bis (e) oder (a) bis (f). Einzelne Fäden mit diesen Merkmalen, von denen jeder für sich eine galvanische Zelle bildet, können beispielsweise zu einem Gewebe verarbeitet werden und innerhalb dieses Gewebes durch entsprechende Kontaktierung der Abieiter parallel oder seriell verschaltet werden. So lassen sich Batterien mit definierten Spannungen in nahezu jeder Form und jeder Größe herstellen.

Die materielle Beschaffenheit der Abieiter einer erfindungsgemäßen Batterie ist grundsätzlich nicht erfindungswesentlich. Es ist allerdings bevorzugt, dass es sich bei dem ersten und/oder dem zweiten elektrisch leitenden Material um ein Metall oder ein elektrisch leitendes Synthetik- material handelt. Die Materialauswahl hängt maßgeblich davon ab, welche Elektrodenmaterialien für die erfindungsgemäße Batterie gewählt werden. Geeignet wären beispielsweise Kupfer für die negative Seite und Aluminium für die positive Seite einer Lithium-Ionen-Batterie. Das erste und das zweite elektrisch leitende Material können sich unterscheiden, müssen aber nicht unbedingt. Auch Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) oder oberflächenmodifizierten Kohlenstoffnanoröhrchen können als erstes und/oder zweites elektrisch leitendes Material verwendet werden.

Das erste und/oder das zweite Elektrodenmaterial umfassen jeweils ein elektrochemisches Aktivmaterial sowie häufig auch einen Binder und gegebenenfalls ein leitfähigkeitsverbessererndes und/oder ein sonstiges Additiv. Elektrochemische Aktivmaterialien sind die Komponenten einer Elektrode, die maßgeblich an der oben erwähnten energieliefernden, aus zwei elektrisch miteinander gekoppelten aber räumlich voneinander getrennten Teilreaktionen zusammengesetzten chemischen Reaktion teilnehmen und dabei oxidiert oder reduziert werden. Wenn die Aktivmaterialien partikulär vorliegen, so wird in der Regel der Binder benötigt, um den Zusammenhalt der Elektrode zu gewährleisten. Über Additive können Eigenschaften einer Elektrode wie etwa ihre Flexibilität (mittels Weichmachern) oder ihr Innenwiderstand (mittels den leitfähigkeitsver- bessernden Additiven) verbessert werden. Elektrochemische Aktivmaterialien und Binder sowie Additive für Elektroden sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und müssen im Rahmen der vorliegende Erfindung nicht näher erläutert werden. Die erfindungsgemäße Batterie zeichnet sich schließlich primär durch einen Aufbau aus und nicht durch eine spezielle Kombination elektrochemischer Aktivmaterialien.

Analoges gilt auch für das ionenleitende Separatormaterial. Geeignete Separatormaterialien für die unterschiedlichsten elektrochemischen Systeme sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann es sich bei dem Separatormaterial um eine poröse Matrix aus einem Kunststoff handeln, die einen Elektrolyten aus einem Lösungsmittel und einem darin gelösten Leitsalz umfasst. Zur Herstellung eines solchen Separatormaterials kann beispielsweise eine Mischung aus Block-Copolymeren, die eine unterschiedliche Löslichkeit besitzen, verwendet werden. Durch Extraktion des leichter löslichen Polymers kann eine poröse Struktur entstehen, die einen geeigneten Elektrolyten aufnehmen kann. Auch eine Mischung aus einem Polymer wie Polyvinylidenfluorid und einem Weichmacher wie Butylphtalat kann verwendet werde. Butylphtalat lässt sich beispielsweise mit n-Hexan extrahieren. Alternativ können als Separatormaterial beispielsweise auch Festelektrolyte wie Polymerelektrolyt- Membranen verwendet werden.

Bei dem elektrisch isolierenden Material handelt es sich beispielsweise um einen Kunststoff oder ein keramisches Material. Isolatoren sind aus dem Stand der Technik ebenfalls hinreichend bekannt. Die erfindungsgemäße faser- oder fadenförmige Batterie oder die faser- oder fadenförmigen Elektroden, die eine erfindungsgemäße Batterie um- fasst, weisen bevorzugt eine Länge im Bereich zwischen 5 mm und 10 m auf, ihr Durchmesser liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 mm und 5 mm. Sowohl Hohldurchmesser als auch Länge können im Grunde beliebig gewählt werden, abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall.

Auch ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie, insbesondere einer Batterie, wie sie oben beschrieben ist, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Ein solches Verfahren umfasst stets die Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial auf einer Faser oder einem Faden aus einem ersten elektrisch leitenden Material.

Anschließend wird gegebenenfalls eine mantelartige Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial auf der mantelartigen Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial gebildet.

In bevorzugten Ausführungsformen schließt sich daran die Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem zweiten Elektrodenmaterial auf der mantelartigen Schicht aus dem ionenleitenden Separatormaterial an sowie die Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem zweiten elektrisch leitenden Material auf der mantelartigen Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial.

An letzteren Schritt kann sich wiederum die Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf der mantelartigen Schicht aus dem zweiten elektrisch leitenden Material anschließen.

Sowohl in Bezug auf Beschaffenheit und Eigenschaften des ersten und des zweiten Elektrodenmaterials, des ersten und des zweiten elektrisch leitenden Materials, des ionenleitenden Separatormaterials und des elektrisch isolierenden Materials wird auf die obigen Ausführungen zur erfindungsgemäßen Batterie verwiesen. Die so hergestellten Elektroden oder Batterien können in Folgeschritten, beispielsweise in Webschritten, zu den oben beschriebenen Batterien weiterverarbeitet werden.

Beispielsweise wird in besonders bevorzugten Ausführungsformen der / die mit der mantelartigen Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial beschichtete Faden / Faser aus dem ersten elektrisch leitenden Material in eine Matrix aus dem ionenleitenden Separatormaterial eingebracht.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird der / die mit der mantelartigen Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial und der mantelartigen Schicht aus dem ionenleitenden Separatormaterial beschichtete Faden / Faser aus dem ersten elektrisch leitenden Material in eine Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial eingebracht wird.

Auch diesbezüglich wird auf die obigen Ausführungen Bezug genommen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung der Zeichnungen sowie bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können einzelne Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.

Figurenbeschreibung

Fig.1 zeigt schematisch den Querschnitt einer faserförmigen erfindungsgemäßen Batterie 100 mit koaxialem Aufbau. Die erfindungsgemäße Batterie 100 weist als Ableiter eine faser- förmige Seele 101 aus einem ersten elektrisch leitenden Material auf. Diese wird mantelartig von der Schicht 102 aus einem ersten Elektrodenmaterial umschlossen. Eine um die Schicht 102 konzentrisch angeordnete Schicht 103 aus einem ionenleitenden Separatormaterial trennt das erste Elektrodenmaterial von der mantelartigen Schicht 104, die aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial besteht. Diese ist wiederum von einer als Ableiter dienenden Schicht 105 aus einem zweiten elektrisch leitenden Material umschlossen. zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsfrom einer erfindungsgemäßen Batterie 200, bei der mehrere faserförmige Elektroden 201 , jeweils bestehend aus einer als Ableiter dienenden fa- serförmigen Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material und einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial, gemeinsam mit mehreren weiteren faserförmigen Elektroden 202, jeweils bestehend aus einer als Ableiter dienenden faserförmigen Seele aus einem zweiten elektrisch leitenden Material und einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem zweiten Elektrodenmaterial in eine Matrix aus dem ionenleitenden Separatormaterial 203 eingebettet sind. Die faserförmigen Elektroden 202 und die faserförmigen Elektroden 203 liegen in der Matrix jeweils in Form eines Gewebes vor. Die entgegengepolten Gewebe sind in unterschiedlichen Ebenen der Matrix angeordnet und berühren sich nicht. zeigt zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsfrom einer erfindungsgemäßen Batterie 300. Diese umfasst mehrere faserförmige Elektroden 301 , jeweils bestehend aus einer als Ableiter dienenden faserförmigen Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material, einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial und einer die Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial mantelartig umschließenden Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial. Die Elektroden 301 liegen in gewebter Form vor (alternativ auch in ungeweb- te Form, beispielsweise filz- oder vliesartig) und sind in eine Matrix 302 aus einem zweiten Elektrodenmaterial eingebettet. Die Matrix 302 samt den darin eingebetteten Elektroden 301 steht dabei in direktem Kontakt zu der Metallfolie 303, die als Ableiter für das zweite Elektrodenmatrial dient. zeigt zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsfrom einer erfindungsgemäßen Batterie 400. Diese umfasst mehrere faser- förmige Elektroden 401 , jeweils bestehend aus einer als Ableiter dienenden faserförmigen Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material, einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial und einer die Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial mantelartig umschließenden Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial. Weiterhin umfasst die Batterie 400 die als zweiter Ableiter dienenden Fasern 402 aus einem zweiten elektrisch leitenden Material. Sowohl die Fasern 402 als auch die Elektroden 401 sind in eine Matrix 403 aus einem zweiten Elektrodenmaterial eingebettet und liegen in dieser in gewebter Form vor. Zur Herstellung des Gewebes 404 wurden die Elektrodenfasern 401 als Kettfäden und die Ableiterfasern 402 als Schussfäden verwendet.

Alternativ ist es möglich, dass die Elektroden 401 und die Fasern 402 in einer ungewebten, z.B. filz- oder vliesartigen Struktur in der Matrix vorliegen. zeigt zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsfrom einer erfindungsgemäßen Batterie 500. Diese umfasst die Elektrode 501 , bestehend aus einer als Ableiter dienenden faserförmigen Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material, einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial und einer die Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial mantelartig umschließenden Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial. Weiterhin umfasst sie die Elektrode 502, bestehend aus einer als Abieiter dienenden faser- förmigen Seele aus einem zweiten elektrisch leitenden Material, einer die Seele mantelartig umschließenden Schicht aus einem zweiten Elektrodenmaterial und einer die Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial mantelartig umschließenden Schicht aus dem gleichen ionenleitenden Separatormaterial, das auch Bestandteil der Elektrode 501 ist. Die beiden Elektroden sind auf dem Spulenkörper 503 aufgewickelt, der aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Polypropylen, besteht. An seinen beiden Längsenden weist der Spulenkörper 503 die Stirnplatten 504 und 505 auf. Diese bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Stahlblech. An den Punkten 506 und 507 sind die Seelen der Elektroden 501 und 502 an die Stirnplatten 504 und 505 gekoppelt, beispielsweise durch Verschweißung oder Verlötung.

Eine solche Batterie in Spulenform kann beispielsweise mit einem geeigneten Elektrolyten getränkt und in ein Knopfzellengehäuse eingesetzt werden, so dass die negativ geladene Stirnplatte in elektrischem Kontakt mit dem Knopfzellendeckel und die positiv geladene Stirnplatte in elektrischem Kontakt mit mit dem Knopfzellenbecher steht. Geeignet sind insbesondere Knopfzellengehäuse, wie sie in der WO 2010/089152 beschrieben sind.

Ausführungsbeispiele

Herstellung der erfindungsgemäßen Batterie 100 Als Seele 101 dient z.B. eine Aluminiumfaser mit einem Durchmesser von ca. 1 mm. Zur Beschichtung dieser Seele mit einem Mantel aus einem ersten Elektrodenmaterial kann sie durch einen ersten Behälter geführt werden, der mit einer Suspension von 90 Gew.-% Lithiumkobaltoxid-Partikeln, 5 Gew.-% eines als Elektrodenbinder dienenden PVDF-Polymers und 5 Gew.-% Ruß in N- Methyl-Pyrrolidon (NMP) befüllt ist (sämtliche Gewichtsangaben beziehen sich auf den Feststoffanteil der Suspension). Bei dem ersten Behälter handelt es sich beispielsweise um eine Ziehdüse.

Ziehdüsen sind dem Fachmann bekannt, sie kommen beispielsweise bei der Beschichtung von optischen Leitern zum Einsatz. So lassen sich zur Beschichtung der Seele 101 beispielsweise die in der DE 698 01 730 T2 beschriebenen Düsen und Vorrichtungen einsetzen. Wichtig ist bei der Auswahl geeigneter Düsen, dass der Durchmesser des Düsenauslasses größer ist als der Durchmesser der Seele 101. Die Differenz der Durchmesser bestimmt die Dicke des Mantels aus dem ersten Elektrodenmaterial.

Die aus dem Behälter austretende Seele weist einen lösungsmit- telhaltigen Mantel 102 aus dem ersten Elektrodenmaterial auf. Bei der nachfolgenden Trocknung der beschichteten Seele wird das NMP entfernt.

Gegebenenfalls kann auch eine Düse mit sternförmigem Düse- nauslass verwendet werden, so dass ein Mantel 102 mit sternförmigem Querschnitt und einer entsprechend sehr viel größeren Oberfläche resultiert.

Um um die aufgebrachte Schicht 102 aus dem ersten Elektrodenmaterial einen Mantel 103 aus einem ionenleitenden Separatormaterial aufzubringen, wird die gemäß (1 ) beschichtete Seele durch einen zweiten Behälter geführt, der mit einer auf 50 °C erwärmten Lösung aus Polyvinylidendifluorid (PVdF) in einer Mi- schung aus Aceton und einem geringen Anteil an Dibutylphtalat befüllt ist. Es bildet sich ein dünner PVdF-Mantel auf der die Seele ummantelnden Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial.

Auch als zweiter Behälter eignet sich insbesondere eine Ziehdüse, wie sie z.B. in der DE 698 01 730 T2 beschrieben ist.

Im PVdF-Mantel enthaltenes Dibutylphtalat wird nach einer kurzen Trockenzeit mittels n-Hexan extrahiert.

Zur Ummantelung der gemäß (2) gebildeten Schicht 103 aus dem ionenleitenden Separatormaterial wird die nun zweifach ummantelte Seele durch einen dritten Behälter geführt, idealerweise wieder eine Ziehdüse. Dieser ist befüllt mit einer Suspension von 90 Gew.-% Graphit-Partikeln, 5 Gew.-% eines als Elektrodenbinder dienenden PVDF-Polymers und 5 Gew.-% Ruß in Aceton mit geringen Anteilen Dibutylphtalat. Es bildet sich ein dünner Film aus dem zweiten Elektrodenmaterial auf der Schicht 103 aus dem ionenleitenden Separatormaterial.

Im Film enthaltenes Dibutylphtalat wird nach einer kurzen Trockenzeit ebenfalls mittels n-Hexan extrahiert. Die Schichten 103 und 104 werden anschließend mit einer 1 -molaren Lösung von LiPF₆ in einer Mischung aus Ethylencarbonat getränkt.

Zur Ummantelung der gemäß (3) gebildeten Schicht 104 aus dem zweiten Elektrodenmaterial mit einer als zweiter Abieiter dienenden Schicht 105 wird auf die nun dreifach ummantelte Seele eine elektrisch leitfähige Paste enthaltend Silberpartikel aufgebracht, beispielsweise ebenfalls mittels einer Ziehdüse, wie sie bereits erwähnt wurde.

Zur elektrischen Kontaktierung der Batterie 100 ist es erforderlich, die Seele 100 in einem Teilbereich, beispielsweise an einem End- stück, zu entmanteln. Zwischen die Seele 100 und die Schicht 105 kann dann ein elektrischer Verbraucher geschaltet werden.

(5) Auf die Schicht 105 wird gegebenenfalls abschließend eine Hüllschicht aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht, beispielsweise durch Extrusion. Als elektrisch isolierenden Material kann beispielsweise PVC oder Polypropylen dienen.

Herstellung der erfindungsgemäßen Batterie 500

(1 ) Die Elektroden 501 und 502 wurden analog zu den Schritten (1 ) bis (3) der Herstellung der Batterie (1 ) produziert. Zur Herstellung der Elektrode 501 wurde dabei eine Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material mit einem Mantel aus einem ersten Elektrodenmaterial beschichtet, der anschließend mit einem ionenleitenden Separatormaterial überzogen wurde. Zur Herstellung der Elektrode 502 wurde eine Seele aus einem zweiten elektrisch leitenden Material mit einem Mantel aus einem zweiten Elektrodenmaterial beschichtet, der anschließend mit dem gleichen ionenleitenden Separatormaterial überzogen wurde.

(2) Jeweils ein Endstück der so gewonnenen Elektrodenfasern 501 und 502, in dem die Seele freilag, wurde durch Verschweißung mit den aus Stahlblech bestehenden Stirnplatten 504 und 505 verschweißt. Anschließend wurden die Elektrodenfasern auf dem Spulenkörper 503 aufgewickelt.

Claims

Patentansprüche

Batterie, gekennzeichnet durch mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode, die die folgenden Komponenten umfasst:

(a) Eine als Abieiter dienende faser- oder fadenförmige Seele aus einem ersten elektrisch leitenden Material und

Batterie nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch mindestens eine weitere faser- oder fadenförmige Elektrode, die die folgenden Komponenten umfasst:

Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode und die mindestens eine weitere faser- oder fadenförmige Elektrode mindestens teilweise in eine Matrix eingebettet sind, die aus einem ionenleitenden Separatormaterial besteht.

Batterie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine fadenförmige Elektrode folgende Komponenten umfasst:

(a) Die als erster Abieiter dienende faser- oder fadenförmige Seele aus dem ersten elektrisch leitenden Material,

(b) die die Seele mantelartig umschließende Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial und (c) eine die Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial mantelartig umschließende Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial.

Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode mindestens teilweise in eine Matrix eingebettet ist, die aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial besteht.

Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrix neben der mindestens einen faser- oder fadenförmigen E- lektrode mindestens ein / eine als zweiter Abieiter dienende(r) Faden / Faser aus einem zweiten elektrisch leitendem Material eingebettet ist und/oder dass die Matrix in direktem Kontakt zu einem flächigen, als zweiter Abieiter dienenden Substrat aus dem zweiten elektrisch leitenden Material steht.

Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass

(d) eine Schicht aus einem zweiten, zum ersten Elektrodenmaterial entgegengesetzt gepolten Elektrodenmaterial die Schicht aus dem ionenleitenden Separatormaterial mantelartig umschließt,

(e) eine als zweiter Abieiter dienende Schicht aus einem zweiten elektrisch leitenden Material die Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial mantelartig umschließt, und gegebenenfalls

(f) eine Hüllschicht aus einem elektrisch isolierenden Material die Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial mantelartig umschließt.

8. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie oder die mindestens eine faser- oder fadenförmige Elektrode, letztere gegebenenfalls in Kombination mit

• der mindestens einen weiteren faser- oder fadenförmigen E- lektrode oder mit

• dem / der mindestens einen als zweiter Abieiter dienenden Faden / Faser aus dem zweiten elektrisch leitendem Material als textiles Flächengebilde vorliegt, insbesondere in einer filzartigen oder in einer gewebten Struktur.

9. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite elektrisch leitende Material ein Metall oder ein elektrisch leitendes Synthetik- material ist.

10. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Elektrodenmaterial ein elektrochemisches Aktivmaterial, einen Binder und gegebenenfalls ein leitfähigkeitsverbesserndes und/oder ein sonstiges Additiv umfasst.

1 1. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Separatormaterial eine poröse Matrix, beispielsweise eine Kunststoffmatrix, umfasst sowie einen Elektrolyten aus einem Lösungsmittel und darin gelöstem Leitsalz.

12. Batterie nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material ein Kunststoff ist.

13. Verfahren zur Herstellung einer Batterie, insbesondere einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte

(a) Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem ersten Elektrodenmaterial auf einer Faser oder einem Faden aus einem ersten elektrisch leitenden Material, sowie gegebenenfalls

(b) Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem ionenleitenden Separatormaterial auf der mantelartigen Schicht aus dem ersten Elektrodenmaterial sowie gegebenenfalls

(c) Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem zweiten Elektrodenmaterial auf der mantelartigen Schicht aus dem ionenleitenden Separatormaterial sowie

(d) Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem zweiten elektrisch leitenden Material auf der mantelartigen Schicht aus dem zweiten Elektrodenmaterial sowie gegebenenfalls

(e) Bildung einer mantelartigen Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf der mantelartigen Schicht aus dem zweiten elektrisch leitenden Material.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass

• der / die gemäß (a) beschichtete Faden / Faser in eine Matrix aus einem ionenleitenden Separatormaterial eingebracht wird oder dass • der / die gemäß (a) und (b) beschichtete Faden / Faser in eine Matrix aus dem zweiten Elektrodenmaterial eingebracht wird.