WO2017148653A1 - Verfahren zur herstellung einer elektrode, elektrode und batteriezelle - Google Patents

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Marcus Wegner
Matthias Martin Hanauer
Andreas Haeffelin
Felix Eberhard Hildebrand
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electrode for a battery cell.
  • the invention further relates to an electrode produced by the method according to the invention and to a battery cell comprising an electrode according to the invention.
  • Electrical energy can be stored by means of batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. Here are batteries.
  • Primary batteries and secondary batteries distinguished. Primary batteries are only functional once, while secondary batteries, also referred to as accumulators, are rechargeable.
  • a battery comprises one or more battery cells.
  • lithium-based battery cells are used in an accumulator. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge.
  • lithium-ion battery cells come in, inter alia
  • HEV Electric Vehicle
  • PHEV plug-in hybrid electric vehicles
  • Lithium-based battery cells have a positive electrode, also referred to as a cathode, and a negative electrode, also referred to as an anode.
  • the cathode and the anode each include one
  • the active material for the cathode is, for example, a metal oxide or a sulfur-containing material.
  • the active material for the anode is, for example, graphite or silicon or metallic lithium.
  • the document DE 10 2015 105 155 AI discloses a battery having a positive electrode and a negative electrode. Both electrodes comprise an active material. In the manufacture of the electrodes is the
  • Active material for the positive electrode as well as for the negative electrode dispersed by means of an ultrasonic homogenizer.
  • the document DE 11 2014 000 438 T5 discloses a battery and a method for manufacturing the battery.
  • the battery includes a positive
  • Electrode layer and a negative electrode layer Electrode layer and a negative electrode layer.
  • the active material for the positive electrode as well as for the negative electrode is thereby produced by the active material in question is stirred by means of a Ultraschalldispersers.
  • Document DE 10 2011 088 824 A1 discloses electrodes for lithium-ion batteries and methods for their production.
  • an electrically conductive collector belt is coated with the active material. Subsequently, uncoated areas of the collector belt are deformed by longitudinal expansion.
  • Document DE 10 2010 038 518 A1 discloses active material for use in electrodes, in particular of capacitors.
  • the active material produced according to this process has a high porosity and a low tortuosity.
  • a first method for producing an electrode for a battery cell is proposed. This may be a negative electrode, which is also referred to as an anode, or a positive electrode, which is also referred to as a cathode.
  • the first method according to the invention comprises the following steps:
  • a blank is produced, which is formed like a film, and which contains particles of an active material. If the blank is intended for the production of an anode, then the active material is, for example, graphite or silicon. When the blank is intended to be a cathode, the active material is, for example, a metal oxide.
  • the particles within the blank are aligned by mechanical action on the blank in a longitudinal direction.
  • the particles are arranged within the blank in a columnar or lamellar manner or in the form of a chain.
  • an active material layer is created from the blank by appropriate further treatment.
  • the type of further treatment depends on the material of the blank. The following are also suitable types of Further treatment described.
  • the active material layer is also formed like a film.
  • the active material layer is applied to a current collector.
  • the current conductor is electrically conductive and also foil-like
  • the current conductor is provided for producing an anode, it is made of copper, for example.
  • a cathode is provided, it is made for example of aluminum.
  • the active material layer forms the electrode together with the current conductor.
  • the active material layer is applied to the current collector such that the longitudinal direction in which the particles are aligned is oriented at least approximately at right angles to the current conductor.
  • a second method for producing an electrode for a battery cell is also proposed. Again, it can be a negative
  • Acting electrode which is also referred to as anode, or to a positive electrode, which is also referred to as a cathode.
  • the second method according to the invention comprises the following steps:
  • a blank is produced, which is formed like a film, and which contains particles of an active material. If the blank is intended to make an anode, then it is the active material
  • the active material is, for example, a metal oxide.
  • the blank is applied to a current conductor.
  • Current conductor is electrically conductive and also formed like a film. If the current conductor is provided for producing an anode, it is made of copper, for example. If the current conductor is provided for producing a cathode, it is made of aluminum, for example. Subsequently, the particles within the blank are aligned by mechanical action on the blank in a longitudinal direction. The particles are arranged within the blank in a columnar or lamellar manner or in the form of a chain. The longitudinal direction, in which the particles are aligned, is oriented at least approximately at right angles to the current conductor.
  • an active material layer is created from the blank by appropriate further treatment.
  • the type of further treatment depends on the material of the blank. The following also describes suitable types of further processing.
  • the active material layer is also formed like a film.
  • the active material layer then forms the electrode together with the current conductor.
  • the blank is as
  • the suspension contains a solvent or a suspending agent, in which the particles of the active material are contained. Furthermore, the suspension may contain a conductive additive such as carbon black or a polymer binder, in particular PVDF. According to another possible embodiment of the invention, the
  • Blank a polymer matrix.
  • the particles of the active material are embedded in the polymer matrix.
  • the blank can be designed as a suspension, wherein the suspension may contain a conductive additive such as carbon black.
  • the mechanical action on the blank to align the particles in the longitudinal direction preferably comprises irradiation of the blank by means of ultrasonic waves.
  • the irradiation of the blank by means of ultrasonic waves is relatively simple and inexpensive to carry out.
  • the irradiation of the blank takes place by means of standing ultrasonic waves.
  • Creation of the active material layer comprises, in particular, drying, as a result of which the solvent evaporates from the blank. This creates an active material layer in solid form. The drying can take place simultaneously with the ultrasonic treatment.
  • the mechanical action on the blank to align the particles longitudinal direction is preferably an elongation of the blank in
  • the blank is in front of the mechanical action to align the particles in the longitudinal direction over his
  • the further treatment of the blank for the preparation of the active material layer comprises in particular also a cooling under his
  • the electrode may be an anode as well as a cathode.
  • a battery cell which comprises at least one electrode produced by the method according to the invention.
  • the battery cell preferably comprises an anode according to the invention and a cathode according to the invention.
  • a battery cell according to the invention advantageously finds use in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (H EV), in a plug-in Hybrid vehicle (PHEV) or in a consumer electronics product. But other applications are conceivable.
  • the inventive method allows the production of an electrode for a battery cell, the active material layer has a relatively good ionic conductivity.
  • the orientation of the particles in the longitudinal direction results in a low tortuosity in the active material layer, which increases the ionic conductivity of the active material layer.
  • the orientation by means of ultrasound the following advantage is expected:
  • Reorganizing the particles into a lamellar or columnar structure means increasing the particle density or particle concentration within these lamellae or columns. This improves the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a battery cell
  • Figure 2 a schematic representation of steps for producing a
  • FIG. 3 shows a schematic representation of steps for production
  • a battery cell 2 is shown schematically in FIG.
  • the battery cell 2 comprises a cell housing 3, which is prismatic, in the present cuboid.
  • the battery cell 2 comprises a negative terminal 11 and a positive terminal 12. Via the terminals 11, 12, a voltage provided by the battery cell 2 can be tapped off. Furthermore, the battery cell 2 can also be charged via the terminals 11, 12.
  • an electrode coil is arranged, which has two electrodes, namely an anode 21 and a cathode 22.
  • the anode 21 and the cathode 22 are each made like a foil and wound with the interposition of a separator 23 to the electrode coil.
  • the anode 21 comprises an anodic active material layer 41 and a
  • the current conductor 31 of the anode 21 is made electrically conductive and made of a metal, such as copper, and electrically connected to the negative terminal 11 of the battery cell 2.
  • the cathode 22 comprises a cathodic active material layer 42 and a current conductor 32, which are laid flat against each other and connected to each other.
  • the current collector 32 of the cathode 22 is made electrically conductive and made of a metal, for example of aluminum, and electrically connected to the positive terminal 12 of the battery cell 2.
  • the anode 21 and the cathode 22 are separated by the separator 23, which is also formed like a film.
  • the separator 23 is here between the anodic active material layer 41 and the cathodic
  • the separator 23 is electrically insulating, but ionically conductive, so permeable to lithium ions.
  • Figure 2 shows a schematic representation of steps for producing an active material layer of an electrode according to a first embodiment.
  • this is the anodic active material layer 41 of the battery cell 2 from FIG. 1.
  • the cathodic active material layer 42 can be produced in the same way.
  • a blank 50 configured as a suspension contains a solvent in which particles 60 of an active material are contained.
  • the active material is graphite.
  • the particles 60 are distributed irregularly in the blank 50. In particular, the particles 60 have different and independent orientations within the blank 50.
  • the blank 50 is irradiated by standing ultrasonic waves.
  • Ultrasonic waves have an irradiation direction 70, which is shown in FIG. 2 as a corresponding arrow.
  • the irradiation of the blank 50 by means of standing ultrasonic waves represents a mechanical action on the blank 50 in the sense of the invention.
  • the blank 50 When irradiated by standing ultrasonic waves, the blank 50 may be arranged on a swinging table. Under a swinging table is a horizontal support surface to understand that can perform a variable-frequency and amplitude sinusoidal deflection in the horizontal direction.
  • the blank 50 can be fixed on the horizontal bearing surface, for example by means of a negative pressure and / or a clamping device.
  • the particles 60 are aligned in a longitudinal direction x.
  • the longitudinal direction x is at right angles to the direction of irradiation 70. After the irradiation of the blank 50 with standing ultrasonic waves, the particles 60 are thus aligned in the longitudinal direction x and parallel to one another.
  • Further processing comprises drying the blank 50, whereby the
  • Active material layer 41 is present, after evaporation of the solvent from the blank 50, in solid form.
  • the anodic active material layer 41 is applied to the current collector 31 of the anode 21.
  • the current conductor 31 of the anode 21 is designed like a foil and made of copper.
  • the anodic active material layer 41 is applied to the current collector 31 of the anode 21 in such a way that the
  • Longitudinal direction x, in which the particles 60 of the active material are aligned, is perpendicular to the current conductor 31 of the anode 21.
  • the blank 50 may also be first applied to the current conductor 31 of the anode 21. Subsequently, then the orientation of the particles 60 in the longitudinal direction x by irradiation by means of stationary
  • the further treatment of the blank 50 then takes place.
  • the further treatment comprises drying the blank 50, whereby the solvent evaporates from the blank 50.
  • the anodic active material layer 41 shown in FIG. 1 likewise arises.
  • the blank 50 Before the irradiation by means of standing ultrasonic waves, the blank 50 can be heated to a temperature which is higher than one
  • the particles 60 are shown oblong or oval.
  • the particles 60 can also be configured differently, for example spherically.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of steps for producing an active material layer of an electrode according to a second exemplary embodiment.
  • this is the cathodic active material layer 42 of the battery cell 2 from FIG. 1.
  • the anodic active material layer 41 can be produced in the same way.
  • a blank 50 comprises a polymer matrix.
  • particles 60 of an active material are embedded.
  • the active material in the present case is a metal oxide.
  • the particles 60 are distributed irregularly in the blank 50. In particular, the particles 60 have different and independent orientations within the polymer matrix of the blank 50.
  • the blank 50 is stretched in a stretching direction 80.
  • Strain direction 80 is shown by corresponding arrows in Figure 3.
  • the elongation of the blank 50 represents a mechanical action on the blank 50 in the sense of the invention.
  • the particles 60 Due to the elongation of the blanks 50 in the direction of elongation 80, the particles 60 are aligned in the direction of elongation 80.
  • the direction of elongation 80 runs parallel to the longitudinal direction x. After stretching the blank 50 in the direction of elongation 80, the particles 60 are thus in
  • the blank 50 is cut at cutting lines 85.
  • Cut lines 85 run parallel to each other and at right angles to the longitudinal direction x. This results in the cathodic shown in Figure 1
  • the cathodic active material layer 42 has, through the Cutting at the two cutting lines 85, a defined thickness, ie a defined extent in the longitudinal direction x.
  • the cathodic active material layer 42 is applied to the current collector 32 of the cathode 22.
  • the current collector 32 of the cathode 22 is designed like a foil and made of aluminum.
  • Active material layer 42 is applied to the current collector 32 of the cathode 22 in such a way that the longitudinal direction x, in which the particles 60 of the
  • Active material are aligned, perpendicular to the current collector 32 of the cathode 22 is.
  • the blank 50 Before stretching, the blank 50 can be heated to a temperature which is lower than a melting temperature of the blank 50.
  • the subsequent further treatment of the blank 50 then also comprises a cooling of the blank 50.
  • the blank 50 may also be first applied to the current conductor 32 of the cathode 22. Subsequently, the alignment of the particles 60 in the longitudinal direction x then takes place by the stretching of the blank 50 in the direction of elongation 80. The result is also that shown in FIG.
  • cathodic active material layer 42 is cathodic active material layer 42.
  • Suitable active materials for the anodic active material layer 41 include, inter alia, graphite, silicon and lithium metal in question.
  • Suitable active materials for the cathodic active material layer 42 are, for example, metal oxides (lithium cobalt oxide (LiCoO 2), lithium nickel cobalt aluminas
  • LiNixCoyMn (lxy) 02, NCM lithium iron phosphate
  • LiFePO4, LFP lithium iron phosphate
  • Sulfur-containing materials eg composite of polyacrylonitrile (PAN) and
  • Sulfur e.g. SPAN

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (21, 22) für eine Batteriezelle (2), umfassend folgende Schritte: - Erzeugen eines folienartigen Rohlings, welcher Partikel eines Aktivmaterials enthält; - Ausrichten der Partikel innerhalb des Rohlings in eine Längsrichtung durch mechanische Einwirkung auf den Rohling; - Erstellung einer Aktivmaterialschicht (41, 42) aus dem Rohling; - Aufbringen der Aktivmaterialschicht (41, 42) auf einen Stromableiter (31, 32), oder umfassend folgende Schritte: - Erzeugen eines folienartigen Rohlings (50), welcher Partikel (60) eines Aktivmaterials enthält; - Aufbringen der Rohlings (50) auf einen Stromableiter (31, 32); - Ausrichten der Partikel (60) innerhalb des Rohlings (50) in eine Längsrichtung (x) durch mechanische Einwirkung auf den Rohling (50); - Erstellung einer Aktivmaterialschicht (41, 42) aus dem Rohling (50). Die Erfindung betrifft ferner eine Elektrode (21, 22) für eine Batteriezelle (2), die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, sowie eine Batteriezelle (2), die mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode (21, 22) umfasst.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, Elektrode und Batteriezelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batteriezelle. Die Erfindung betrifft ferner eine Elektrode, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, sowie eine Batteriezelle, die eine erfindungsgemäße Elektrode umfasst.
Stand der Technik
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden
Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
In einem Akkumulator finden insbesondere Lithium-basierte Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
Insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in
Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, H EV) sowie Plug-In- Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
Lithium-basierte Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen
Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid oder ein schwefelhaltiges Material. Bei dem Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Graphit oder Silizium oder metallisches Lithium. Das Dokument DE 10 2015 105 155 AI offenbart eine Batterie, welche eine positive Elektrode und eine negative Elektrode aufweist. Beide Elektroden umfassen ein Aktivmaterial. Bei der Herstellung der Elektroden wird das
Aktivmaterial für die positive Elektrode ebenso wie für die negative Elektrode mittels eines Ultraschallhomogenisators dispergiert.
Das Dokument DE 11 2014 000 438 T5 offenbart eine Batterie und ein Verfahren zur Herstellung der Batterie. Die Batterie umfasst dabei eine positive
Elektrodenschicht und eine negative Elektrodenschicht. Das Aktivmaterial für die positive Elektrode ebenso wie für die negative Elektrode wird dabei hergestellt, indem das betreffende Aktivmaterial mithilfe eines Ultraschalldispersers gerührt wird.
Das Dokument DE 10 2011 088 824 AI offenbart Elektroden für Lithium-Ionen- Batterien sowie Verfahren zu deren Herstellung. Dabei wird ein elektrisch leitfähiges Kollektorband mit dem Aktivmaterial beschichtet. Anschließend werden unbeschichtete Bereiche des Kollektorbandes durch Längsdehnung verformt.
Das Dokument DE 10 2010 038 518 AI offenbart Aktivmaterial zur Anwendung in Elektroden, insbesondere von Kondensatoren. Das gemäß diesem Verfahren hergestellte Aktivmaterial weist eine hohe Porosität und eine geringe Tortuosität auf.
In dem Artikel " Particle column formation in a stationary ultrasonic field" aus dem Journal of the Acoustical Society of America, Jahrgang 1992, ist beschrieben, wie sich Partikel in einer Suspension bei Bestrahlung mit Ultraschallwellen anordnen.
Der Artikel "UNDERSTANDING THE LINKS BETWEEN MOLECULAR AND PARTICLE ORIENTATION IN CARBON NANOFIBRE REINFORCED POLYPROPYLENE" vom Physics Department, University of Leeds, beschreibt das Verhalten eines Verbundwerkstoffs, welcher Polystyrole und Karbonfasern enthält, unter Zugbelastung. Aus dem Artikel "Stretching-induced conductivity enhancement of Lil (PEO)- polymer electrolyte" der Electrochimica Acta, Volume 45, Januar 2000, ist bekannt, dass die ionische Leitfähigkeit von Polyethylenoxid durch Zugbelastung vergrößert wird.
Aus dem Artikel "Polymer chain Organization in tensile-stretched poly(ethylene oxide)-based polymer electrolytes" der Electrochimica Acta, Volume 57,
Dezember 2011, geht ebenfalls hervor, dass die ionische Leitfähigkeit von Polyethylenoxid durch Zugbelastung vergrößert wird.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein erstes Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Dabei kann es sich um eine negative Elektrode handeln, die auch als Anode bezeichnet wird, oder um eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird. Das erfindungsgemäße erste Verfahren umfasst folgende Schritte:
Zunächst wird ein Rohling erzeugt, welcher folienartig ausgebildet ist, und welcher Partikel eines Aktivmaterials enthält. Wenn der Rohling zur Herstellung einer Anode vorgesehen ist, so handelt es sich bei dem Aktivmaterial beispielsweise um Graphit oder Silizium. Wenn der Rohling zur Herstellung einer Kathode vorgesehen ist, so handelt es sich bei dem Aktivmaterial beispielsweise um ein Metalloxid.
Anschließend werden die Partikel innerhalb des Rohlings durch mechanische Einwirkung auf den Rohling in eine Längsrichtung ausgerichtet. Dabei werden die Partikel innerhalb des Rohlings säulenartig oder lamellar oder in Form einer Kette angeordnet.
Danach wird aus dem Rohling durch entsprechende Weiterbehandlung eine Aktivmaterialschicht erstellt. Die Art der Weiterbehandlung hängt dabei von dem Material des Rohlings ab. Im Folgenden werden auch geeignete Arten der Weiterbehandlung beschrieben. Die Aktivmaterialschicht ist dabei auch folienartig ausgebildet.
Anschließend wird die Aktivmaterialschicht auf einen Stromableiter aufgebracht. Der Stromableiter ist dabei elektrisch leitend und ebenfalls folienartig
ausgebildet. Wenn der Stromableiter zur Herstellung einer Anode vorgesehen ist, so ist er beispielsweise aus Kupfer gefertigt. Wenn der Stromableiter zur
Herstellung einer Kathode vorgesehen ist, so ist er beispielsweise aus Aluminium gefertigt.
Die Aktivmaterialschicht bildet gemeinsam mit dem Stromableiter die Elektrode. Die Aktivmaterialschicht wird derart auf den Stromableiter aufgebracht, dass die Längsrichtung, in welche die Partikel ausgerichtet sind, zumindest annähernd rechtwinklig zu dem Stromableiter orientiert ist.
Es wird auch ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Auch dabei kann es sich um eine negative
Elektrode handeln, die auch als Anode bezeichnet wird, oder um eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird. Das erfindungsgemäße zweite Verfahren umfasst folgende Schritte:
Zunächst wird ein Rohling erzeugt, welcher folienartig ausgebildet ist, und welcher Partikel eines Aktivmaterials enthält. Wenn der Rohling zur Herstellung einer Anode vorgesehen ist, so handelt es sich bei dem Aktivmaterial
beispielsweise um Graphit oder Silizium. Wenn der Rohling zur Herstellung einer Kathode vorgesehen ist, so handelt es sich bei dem Aktivmaterial beispielsweise um ein Metalloxid.
Anschließend wird der Rohling auf einen Stromableiter aufgebracht. Der
Stromableiter ist dabei elektrisch leitend und ebenfalls folienartig ausgebildet. Wenn der Stromableiter zur Herstellung einer Anode vorgesehen ist, so ist er beispielsweise aus Kupfer gefertigt. Wenn der Stromableiter zur Herstellung einer Kathode vorgesehen ist, so ist er beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Anschließend werden die Partikel innerhalb des Rohlings durch mechanische Einwirkung auf den Rohling in eine Längsrichtung ausgerichtet. Dabei werden die Partikel innerhalb des Rohlings säulenartig oder lamellar oder in Form einer Kette angeordnet. Die Längsrichtung, in welche die Partikel ausgerichtet werden, ist dabei zumindest annähernd rechtwinklig zu dem Stromableiter orientiert.
Danach wird aus dem Rohling durch entsprechende Weiterbehandlung eine Aktivmaterialschicht erstellt. Die Art der Weiterbehandlung hängt dabei von dem Material des Rohlings ab. Im Folgenden werden auch geeignete Arten der Weiterbehandlung beschrieben. Die Aktivmaterialschicht ist dabei auch folienartig ausgebildet.
Die Aktivmaterialschicht bildet dann gemeinsam mit dem Stromableiter die Elektrode. Der Schritt zur Ausrichtung der Partikel innerhalb des Rohlings durch mechanische Einwirkung auf den Rohling in die Längsrichtung und der Schritt zur
Weiterbehandlung zur Erstellung der Aktivmaterialschicht müssen nicht zwingend nacheinander ausgeführt werden sondern können auch gleichzeitig stattfinden.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist der Rohling als
Suspension ausgestaltet. Die Suspension enthält dabei ein Lösungsmittel oder ein Suspensionsmittel, in welchem die Partikel des Aktivmaterials enthalten sind. Weiterhin kann die Suspension einen Leitzusatz wie beispielsweise Carbon Black oder einen Polymer-Binder, insbesondere PVDF, enthalten. Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der
Rohling eine Polymer- Matrix. In die Polymermatrix sind dabei die Partikel des Aktivmaterials eingebettet. Der Rohling kann dabei als Suspension ausgestaltet sein, wobei die Suspension einen Leitzusatz wie beispielsweise Carbon Black enthalten kann.
Die mechanische Einwirkung auf den Rohling zur Ausrichtung der Partikel in die Längsrichtung umfasst dabei vorzugsweise eine Bestrahlung des Rohlings mittels Ultraschallwellen. Die Bestrahlung des Rohlings mittels Ultraschallwellen ist verhältnismäßig einfach und kostengünstig durchführbar. Vorteilhaft erfolgt die Bestrahlung des Rohlings dabei mittels stehender Ultraschallwellen. Die Weiterbehandlung des als Suspension ausgestalteten Rohlings zur
Erstellung der Aktivmaterialschicht umfasst dabei insbesondere eine Trocknung, wodurch das Lösungsmittel aus dem Rohling verdampft. Dadurch entsteht eine Aktivmaterialschicht in fester Form. Die Trocknung kann dabei gleichzeitig mit der Ultraschallbehandlung stattfinden.
Die mechanische Einwirkung auf den Rohling zur Ausrichtung der Partikel Längsrichtung ist dabei vorzugsweise eine Dehnung des Rohlings in
Längsrichtung.
Vorteilhaft wird der Rohling dabei vor der mechanischen Einwirkung zur Ausrichtung der Partikel in die Längsrichtung über seine
Glasübergangstemperatur erwärmt. Dadurch erhält der Rohling eine
Fließfähigkeit, wodurch die Ausrichtung der Partikel innerhalb der Polymermatrix unterstützt wird. Diese Erwärmung des Rohlings ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Ausrichtung der Partikel in die Längsrichtung mittels
Bestrahlung mit Ultraschallwellen erfolgt. Die Weiterbehandlung des Rohlings zur Erstellung der Aktivmaterialschicht umfasst dabei insbesondere auch eine Abkühlung unter seine
Glasübergangstemperatur. Dadurch entsteht eine Aktivmaterialschicht in fester Form. Es wird auch eine Elektrode für eine Batteriezelle vorgeschlagen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Bei der Elektrode kann es dabei um eine Anode ebenso wie um eine Kathode handeln.
Auch wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Elektrode umfasst. Bevorzugt umfasst die Batteriezelle dabei eine erfindungsgemäße Anode und eine erfindungsgemäße Kathode.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (H EV), in einem Plug-in- Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Aber auch andere Anwendungen sind denkbar.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung einer Elektrode für eine Batteriezelle, deren Aktivmaterialschicht eine verhältnismäßig gute ionische Leitfähigkeit aufweist. Durch die Ausrichtung der Partikel in Längsrichtung entsteht eine geringe Tortuosität in der Aktivmaterialschicht, wodurch die ionische Leitfähigkeit der Aktivmaterialschicht erhöht wird. Vor allem bei der Orientierung mittels Ultraschall wird folgender Vorteil erwartet: Die
Reorganisation der Partikel in eine lamellare oder säulenförmige Struktur bedeutet eine Erhöhung der Partikeldichte oder der Partikelkonzentration innerhalb dieser Lamellen oder Säulen. Dadurch verbessert sich die
Kontaktierung der Aktivpartikel untereinander bzw. mit den Leitzusatz-Partikeln, die sich ebenfalls bevorzugt in den Lamellen/Säulen anhäufen. Das führt zu einer verbesserten elektrischen Leitfähigkeit der Aktivmaterialschicht, ggfs. könnte dann auch die Menge an Leitzusatz etwas herabgesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
Figur 2: eine schematische Darstellung von Schritten zu Herstellung einer
Aktivmaterialschicht einer Elektrode gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
Figur 3: eine schematische Darstellung von Schritten zu Herstellung
Aktivmaterialschicht einer Elektrode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Eine Batteriezelle 2 ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 23 zu dem Elektrodenwickel gewickelt.
Die Anode 21 umfasst eine anodische Aktivmaterialschicht 41 und einen
Stromableiter 31, welche flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden sind. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer, und elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Kathode 22 umfasst eine kathodische Aktivmaterialschicht 42 und einen Stromableiter 32, welche flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden sind. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium, und elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Anode 21 und die Kathode 22 sind durch den Separator 23 voneinander getrennt, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Der Separator 23 ist dabei zwischen der anodischen Aktivmaterialschicht 41 und der kathodischen
Aktivmaterialschicht 42 angeordnet. Der Separator 23 ist elektrisch isolierend ausgebildet, aber ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung von Schritten zu Herstellung einer Aktivmaterialschicht einer Elektrode gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich vorliegend um die anodische Aktivmaterialschicht 41 der Batteriezelle 2 aus Figur 1. Die kathodische Aktivmaterialschicht 42 kann aber auf gleiche Art hergestellt werden.
Ein Rohling 50, der als Suspension ausgestaltet ist, enthält ein Lösungsmittel, in welchem Partikel 60 eines Aktivmaterials enthalten sind. Bei dem Aktivmaterial handelt es sich dabei vorliegend um Graphit. Die Partikel 60 sind dabei unregelmäßig in dem Rohling 50 verteilt. Insbesondere weisen die Partikel 60 unterschiedliche und voneinander unabhängige Ausrichtungen innerhalb des Rohlings 50 auf.
Der Rohling 50 wird mittels stehender Ultraschallwellen bestrahlt. Die
Ultraschallwellen weisen dabei eine Bestrahlungsrichtung 70 auf, welche in Figur 2 als entsprechender Pfeil dargestellt ist. Die Bestrahlung des Rohlings 50 mittels stehender Ultraschallwellen stellt eine mechanische Einwirkung auf den Rohling 50 im Sinne der Erfindung dar.
Bei der Bestrahlung mittels stehender Ultraschallwellen kann der Rohling 50 auf einem schwingenden Tisch angeordnet sein. Unter einem schwingenden Tisch ist dabei eine horizontale Auflagefläche zu verstehen, die mit variabler Frequenz und Amplitude eine sinusförmige Auslenkung in horizontaler Richtung vollziehen kann. Der Rohling 50 kann hierbei beispielsweise mittels eines Unterdrucks und/oder auch einer Klemmvorrichtung auf der horizontalen Auflagefläche fixiert werden.
Durch die Bestrahlung der Rohlings 50 mit stehenden Ultraschallwellen erfolgt eine Ausrichtung der Partikel 60 in eine Längsrichtung x. Die Längsrichtung x verläuft dabei rechtwinklig zu der Bestrahlungsrichtung 70. Nach der Bestrahlung des Rohlings 50 mit stehenden Ultraschallwellen sind die Partikel 60 somit in Längsrichtung x und parallel zueinander ausgerichtet.
Anschließend findet eine Weiterbehandlung des Rohlings 50 statt. Die
Weiterbehandlung umfasst eine Trocknung des Rohlings 50, wodurch das
Lösungsmittel aus dem Rohling 50 verdampft. Es entsteht die in Figur 1 dargestellte anodische Aktivmaterialschicht 41. Die anodische
Aktivmaterialschicht 41 liegt dabei, nach Verdampfen des Lösungsmittels aus dem Rohling 50, in fester Form vor.
Danach wird die anodische Aktivmaterialschicht 41 auf den Stromableiter 31 der Anode 21 aufgebracht. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist dabei folienartig ausgeführt und aus Kupfer gefertigt. Die anodische Aktivmaterialschicht 41 wird derart auf den Stromableiter 31 der Anode 21 aufgebracht, dass die
Längsrichtung x, in welche die Partikel 60 des Aktivmaterials ausgerichtet sind, rechtwinklig zu dem Stromableiter 31 der Anode 21 steht.
Alternativ kann der Rohling 50 auch zunächst auf den Stromableiter 31 der Anode 21 aufgebracht werden. Anschließend erfolgt dann die Ausrichtung der Partikel 60 in die Längsrichtung x durch Bestrahlung mittels stehender
Ultraschallwellen. Während oder nach der Bestrahlung mittels stehender Ultraschallwellen findet dann die Weiterbehandlung des Rohlings 50 statt. Die Weiterbehandlung umfasst die Trocknung des Rohlings 50, wodurch das Lösungsmittel aus dem Rohling 50 verdampft. Es entsteht ebenfalls die in Figur 1 dargestellte anodische Aktivmaterialschicht 41.
Vor der Bestrahlung mittels stehender Ultraschallwellen kann der Rohling 50 auf eine Temperatur erwärmt werden, welche höher ist als eine
Glasübergangstemperatur des Rohlings 50. Dadurch erhält der Rohling 50 eine Fließfähigkeit, wodurch die Ausrichtung der Partikel 60 unterstützt wird. Die anschließende Weiterbehandlung des Rohlings 50 umfasst dann eine Abkühlung des Rohlings 50 auf eine Temperatur, welche unterhalb der
Glasübergangstemperatur des Rohlings 50. Es ist denkbar, nachfolgend die anodische Aktivmaterialschicht 41 und/oder die Anode 21 danach zu kalandrieren.
In der in Figur 2 gezeigten Darstellung sind die Partikel 60 länglich oder oval dargestellt. Die Partikel 60 können auch anders ausgestaltet sein, beispielsweise kugelförmig.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung von Schritten zu Herstellung einer Aktivmaterialschicht einer Elektrode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich vorliegend um die kathodische Aktivmaterialschicht 42 der Batteriezelle 2 aus Figur 1. Die anodische Aktivmaterialschicht 41 kann aber auf gleiche Art hergestellt werden.
Ein Rohling 50 umfasst eine Polymer-Matrix. In die Polymermatrix sind Partikel 60 eines Aktivmaterials eingebettet. Bei dem Aktivmaterial handelt es sich vorliegend um ein Metalloxid. Die Partikel 60 sind dabei unregelmäßig in dem Rohling 50 verteilt. Insbesondere weisen die Partikel 60 unterschiedliche und voneinander unabhängige Ausrichtungen innerhalb der Polymer-Matrix des Rohlings 50 auf.
Der Rohling 50 wird in eine Dehnungsrichtung 80 gedehnt. Die
Dehnungsrichtung 80 ist dabei durch entsprechende Pfeile in Figur 3 dargestellt. Die Dehnung des Rohlings 50 stellt eine mechanische Einwirkung auf den Rohling 50 im Sinne der Erfindung dar.
Durch die Dehnung der Rohlings 50 in die Dehnungsrichtung 80 erfolgt eine Ausrichtung der Partikel 60 in die Dehnungsrichtung 80. Die Dehnungsrichtung 80 verläuft dabei parallel zu der Längsrichtung x. Nach der Dehnung des Rohlings 50 in die Dehnungsrichtung 80 sind die Partikel 60 somit in
Längsrichtung x und zumindest annähernd parallel zueinander ausgerichtet.
Anschließend wird der Rohling 50 an Schnittlinien 85 geschnitten. Die
Schnittlinien 85 verlaufen dabei parallel zueinander und rechtwinklig zu der Längsrichtung x. So entsteht die in Figur 1 dargestellte kathodische
Aktivmaterialschicht 42. Die kathodische Aktivmaterialschicht 42 weist, durch das Schneiden an den beiden Schnittlinien 85, eine definierte Dicke, also eine definierte Ausdehnung in Längsrichtung x auf.
Danach wird die kathodische Aktivmaterialschicht 42 auf den Stromableiter 32 der Kathode 22 aufgebracht. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist dabei folienartig ausgeführt und aus Aluminium gefertigt. Die kathodische
Aktivmaterialschicht 42 wird derart auf den Stromableiter 32 der Kathode 22 aufgebracht, dass die Längsrichtung x, in welche die Partikel 60 des
Aktivmaterials ausgerichtet sind, rechtwinklig zu dem Stromableiter 32 der Kathode 22 steht.
Vor der Dehnung kann der Rohling 50 auf eine Temperatur erwärmt werden, welche tiefer ist als eine Schmelztemperatur des Rohlings 50. Die anschließende Weiterbehandlung des Rohlings 50 umfasst dann auch eine Abkühlung des Rohlings 50.
Alternativ kann der Rohling 50 auch zunächst auf den Stromableiter 32 der Kathode 22 aufgebracht werden. Anschließend erfolgt dann die Ausrichtung der Partikel 60 in die Längsrichtung x durch die Dehnung der Rohlings 50 in die Dehnungsrichtung 80. Es entsteht ebenfalls die in Figur 1 dargestellte
kathodische Aktivmaterialschicht 42.
Es ist denkbar, nachfolgend die kathodische Aktivmaterialschicht 42 und/oder die Kathode 22 danach zu kalandrieren.
In der in Figur 3 gezeigten Darstellung sind die Partikel 60 länglich oder oval dargestellt. Die Partikel 60 können auch anders ausgestaltet sein, beispielsweise kugelförmig. Als Aktivmaterial für die anodische Aktivmaterialschicht 41 kommen unter anderem Graphit, Silizium sowie Lithium-Metall in Frage. Als Aktivmaterial für die kathodische Aktivmaterialschicht 42 eignen sich beispielsweise Metalloxide (Lithium-Cobaltoxid (LiCo02), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxide
(LiNixCoyAI(l-x-y)02, NCA), Lithium-Nickel-Cobalt-Manganoxide
(LiNixCoyMn(l-x-y)02, NCM), Lithiumeisenphosphat (LiFeP04, LFP)), schwefelhaltige Materialien (z.B. Komposit aus Polyacrylnitril (PAN) und
Schwefel, z.B. SPAN).
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die
Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (21, 22) für eine Batteriezelle (2), umfassend folgende Schritte:
- Erzeugen eines folienartigen Rohlings (50), welcher Partikel (60) eines Aktivmaterials enthält;
- Ausrichten der Partikel (60) innerhalb des Rohlings (50) in eine Längsrichtung (x) durch mechanische Einwirkung auf den Rohling (50);
- Erstellung einer Aktivmaterialschicht (41, 42) aus dem Rohling (50);
- Aufbringen der Aktivmaterialschicht (41, 42) auf einen Stromableiter (31, 32).
2. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (21, 22) für eine Batteriezelle (2), umfassend folgende Schritte:
- Erzeugen eines folienartigen Rohlings (50), welcher Partikel (60) eines Aktivmaterials enthält;
- Aufbringen der Rohlings (50) auf einen Stromableiter (31, 32);
- Ausrichten der Partikel (60) innerhalb des Rohlings (50) in eine Längsrichtung (x) durch mechanische Einwirkung auf den Rohling (50);
- Erstellung einer Aktivmaterialschicht (41, 42) aus dem Rohling (50).
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
der Rohling (50) als Suspension ausgestaltet ist, die ein Lösungsmittel enthält, in welchem die Partikel (60) des Aktivmaterials enthalten sind.
4. Verfahren nach einem der einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rohling (50) eine Polymer-Matrix umfasst, in welche die Partikel (60) des Aktivmaterials eingebettet sind.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
die mechanische Einwirkung eine Bestrahlung des Rohlings (50) mittels stehender Ultraschallwellen umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
die mechanische Einwirkung eine Dehnung des Rohlings (50) in Längsrichtung (x) ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
der Rohling (50) vor der mechanischen Einwirkung über seine
Glasübergangstemperatur erwärmt wird.
8. Elektrode (21, 22) für eine Batteriezelle (2), hergestellt nach einem
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
9. Batteriezelle (2), umfassend mindestens eine Elektrode (21, 22) nach Anspruch 8.
10. Verwendung der Batteriezelle (2) nach Anspruch 9 in einem
Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (H EV), in einem Plug-In- Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.
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