WO2019219719A1 - Verfahren zur herstellung poröser elektroden für elektrochemische zellen - Google Patents

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Harald Bauer
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a porous electrode for an electrode, wherein the method for the use of
  • the subject matter is also the electrode produced by this method and the use thereof in an electrochemical cell.
  • Electrodes for electrochemical cells for example electrodes for electrochemical cells
  • Lithium-containing battery cells or electrodes for fuel cells typically comprise at least one particulate material (e.g., particulate matter)
  • Active materials and / or conductive additives which is bonded by means of at least one binder to an agglomerated electrode composition. It is crucial for the quality of the electrodes crucial homogeneous distribution of all components of the electrode composition, i. of all particulate materials as well as all
  • Binders to achieve The prior art describes two fundamentally different methods for this purpose.
  • the electrodes obtained by these methods differ primarily by their porosity. High porosity is desirable in view of rapid diffusion of charge carriers (e.g.
  • Lithium ions in the electrode.
  • an active material slurry is prepared in which the particulate materials are dispersed in a solution of a polymeric binder and a suitable solvent.
  • the slip is then applied to a current collector in a coating process.
  • the solvent is then removed by drying and obtained a porous layer of the particulate materials and the binder on the surface of the current collector.
  • US 2015/0357626 A1 and US 2010/0015327 A1 describe such methods, wherein the active material slurry is additionally admixed with a pore-forming agent which is dissolved out of the electrode in a later step. This further increases the porosity of the electrode.
  • a pore-forming agent is called ethylene carbonate.
  • the method provides an electrode composition in the form of a moldable composition comprising at least one electrode active material and at least one polymeric binder and optionally at least one conductive additive.
  • the moldable mass may e.g. be formed by means of an extruder and / or calender into a stable, free-standing electrode film and applied to a current collector. Alternatively, the moldable mass can also be applied directly to a current collector.
  • the obtained electrode is characterized by a comparatively low porosity, which is reduced by compression processes during the extrusion or calendering. This has the consequence that the active material for the charge carriers is less accessible. In addition, by the frequently used
  • Calendering at elevated temperatures deteriorates the otherwise homogeneous distribution of the active material particles and the binder. This often leads to agglomeration of polymer components from the
  • the invention relates to a method for producing electrochemical cell comprising at least one porous electrode, wherein the method
  • compact electrode comprising an electrode composition according to method step (a);
  • the electrode composition comprises at least one particulate
  • Active material at least one particulate binder and at least one particulate pore-forming agent.
  • the particulate components thus have an average particle diameter of from 1 nm to 1 mm, preferably from 100 nm to 100 ⁇ m, and in particular from 0.5 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • any material which is suitable as an active material for electrochemical cells is suitable as a particulate active material.
  • Lithium ion batteries This includes, for example, as an active material for the
  • Carbon compounds e.g. Graphite, as an active material for negative
  • Oxidic active materials for the negative electrode are also known to the person skilled in the art.
  • Li 4 Ti 5 0i 2 , T1O2 Li 4 Ti 5 0i 2 , T1O2
  • H2T112O25 As well as mixtures thereof.
  • the active material for the positive electrode of a lithium-ion battery for example, lithiated
  • the positive electrode active material may typically comprise a composite oxide and / or phosphate comprising at least one metal selected from the group consisting of
  • Cobalt, magnesium, nickel, and lithium Cobalt, magnesium, nickel, and lithium.
  • lithium-nickel-cobalt-aluminum oxides examples include lithium-nickel-cobalt-aluminum oxides (e.g.
  • Linio, 8Coo, i5Alo, o502; NCA) and lithium-nickel-manganese-cobalt oxides e.g.
  • the electrode composition comprises at least one
  • particulate binder in particular a polymeric binder.
  • Binder particles are all particulate polymers suitable which at least on a part of the surface of the binder particles by heating or by the addition of suitable additives, in particular solvents, are plasticizable. This allows so in the collision with other particulate components the Formation of an adhesive bond required for the desired agglomeration of the homogeneous mixture of the particulate components (i) to (iv).
  • thermoplastic polymers especially polyolefins (e.g., ethylene and / or propylene containing homo- and copolymers), polyesters (e.g., polyethylene terephthalate (PET)), polyvinylaromatics (e.g., polystyrene and
  • Polystyrene derivatives e.g., polymethyl (meth) acrylate.
  • CMC carboxymethyl cellulose
  • SBR styrene-butadiene copolymer
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • the electrode composition comprises at least one
  • particulate pore builder This is characterized by the fact that he
  • the particulate pore-forming agent is in particular a
  • melt through its expansion may open closed pores.
  • a particulate pore-forming agent or a compound Preferably, as a particulate pore-forming agent or a compound
  • Component of an electrolyte composition for an electrochemical cell can be used. This has the advantage that the pore-forming agent is thus not detrimental to the properties of the electrochemical cell
  • the pore-forming agent prefferably be an essential component for the function of the electrochemical cell.
  • the particulate pore former is selected from at least one lithium salt and / or at least one organic carbonate solid at room temperature. Furthermore, it is also possible to use additives which improve the properties of the electrolyte
  • SEI solid-electrolyte interphase
  • Preferred lithium salts are those which are typically used in electrolyte compositions of electrochemical cells as conductive salts.
  • Suitable lithium salts are preferably selected from the group consisting of lithium halides (LiCl, LiBr, Lil, LiF), lithium chlorate (LiClO 4 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPFe),
  • LiSbFe Lithium hexafluoroantimonate
  • LiAsFe lithium hexafluoroarsenate
  • Lithium bis (oxalato) borate LiB (C 2 O 4 ) 2, LiBOB
  • lithium difluoro (oxalato) borate Li [BF 2 (C 2 O 4 )], LiDFOB
  • LiPF 2 (C 2 F 5 ) 3 lithium difluoro-tri (pentafluoroethyl) phosphate
  • Particular preference is given to lithium salts which have a high solubility in aprotic, organic, polar solvents.
  • Preferred organic carbonates are those mentioned in the
  • the particulate pore-forming agent comprises at least one aprotic, cyclic organic carbonate.
  • Suitable cyclic carbonates are those having 3 to 20, preferably 3 to 10, and especially 3 to 5, carbon atoms mentioned.
  • Suitable further additives which can likewise be used as pore formers, if appropriate in mixtures with the abovementioned compounds, are in particular 1,3-propanesultone, vinylene carbonate (1,3-dioxolen-2-one), vinyl ethylene carbonate (4-vinyl- [1 , 3] dioxolan-2-one), and fluoroethylene carbonate (4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one).
  • the electrode composition may include other ingredients.
  • conductive additives such as graphite and / or Leitruß, which increase the electrical conductivity.
  • the electrode composition comprises a proportion of 1 to 60% by volume, preferably 10 to 50% by volume and in particular 15 to 45% by volume of particulate pore-forming agent, based on the
  • Total volume of the electrode composition comprising at least the components (i), (ii), (iii) and (iv).
  • the constituents of the electrode composition which are also to be present in the later porous electrode are preferably coordinated so that the proportion of at least one binder (ii) is sufficient, to ensure a stable, porous electrode and the proportion of active material (i) is as high as possible.
  • the electrode composition comprises from 80% to 99.9% by weight of active material (i), from 0.1% to 10% by weight of binder (ii), and from 0% to 10% by weight of conductive additive, based on the total amount Active material (i), binder (ii) and
  • the electrode composition comprises 85 to 95% by weight of active material (i), 2.5 to 7.5% by weight of binder (ii), and 2.5 to 7.5% by weight of conductive additives ( iv) based on the total amount of active material (i), binder (ii) and conductive additives (iv) in the electrode composition.
  • the electrode composition of the present invention is obtained by intimately mixing the ingredients (i), (ii), (iii) and (iv).
  • the electrode composition in process step (a) is provided in the form of a homogeneous, powdery composition.
  • This is converted in process step (b) into a moldable mass, which is obtained by the input of kinetic and / or thermal energy.
  • energy in particular shear forces fibrils are formed from the binder particles, which agglomeration of Effect electrode composition.
  • mechanical mills such as jet or ball mills.
  • the electrode composition is applied as a layer to the surface of a carrier material.
  • the substrate is the surface of a tool, eg, the surface of a treadmill. This is preferably made of plastic.
  • the layer can be removed in this case at the end of the manufacturing process as a freestanding, compact electrode film.
  • the process is preferably carried out at a temperature which is below the glass transition temperature T g of the at least one binder.
  • the layer can then be detached from the carrier material as a freestanding, compact electrode foil and applied to a current collector, for example at a temperature above the glass transition temperature of the
  • the carrier material may also be the surface of a current collector. In this case, no free-standing electrode film is produced, but equal to an electrode obtained.
  • the compact electrode can be compacted by a press, a punch, a roller or a calender.
  • the densification step may additionally be carried out under the action of heat in order to prevent adhesion of the
  • the temperature is not raised above the melting temperature of the at least one pore-forming agent.
  • Process step (c) a step in which the electrode composition is densified.
  • the resulting compact electrode is characterized by a high stability and low porosity and can be well processed due to the stability.
  • the compact electrode thus obtained is used in a next process step (d) to produce an electrochemical cell comprising at least one compact electrode obtained by the process according to the invention comprising the electrode composition according to process step (a). It is also possible to use a multiplicity of inventive, compact electrodes in an electrochemical cell.
  • the electrochemical cell comprises at least one negative electrode (anode), at least one positive electrode (cathode) and at least one separator which is arranged between the at least one negative electrode and the at least one positive electrode and separates the two electrodes from one another.
  • the process steps (a), (b), (c) and (d) are carried out at a temperature at which the particulate pore-forming agent is present as a solid.
  • the process temperature during the process steps (a), (b), (c) and (d) is usually below 60 ° C., more preferably below 35 ° C., and in particular below 20 ° C.
  • the compact electrode which is already installed in an electrochemical cell, is heated to liquefy the at least one particulate pore former.
  • the compact electrode is preferably heated to a temperature which is above the melting temperature of the at least one pore-forming agent.
  • the heating allows the release of the pores through the pore former.
  • the temperature in this process step (e) is above 20 ° C, more preferably above 35 ° C and especially above 60 ° C.
  • the temperature in this process step (e) is above 20 ° C, more preferably above 35 ° C and especially above 60 ° C.
  • Process step (e) carried out at a temperature which is at least 5 ° C, in particular at least 10 ° C, above the melting temperature of the at least one particulate pore-forming agent.
  • the compact electrode is additionally or alternatively to method step (e) with at least one liquid
  • the liquid composition thus obtained may remain in the electrochemical cell and serve as an electrolyte composition therein.
  • Electrolyte compositions as liquid ingredients usually commonly contain at least one aprotic, organic solvent. Examples which may be mentioned are aprotic nitriles, aprotic ethers, aprotic esters, aprotic carbonates, or a mixture comprising one of the solvents mentioned.
  • the heating of the compact electrode causes the opening of the optionally closed pores and also increases the
  • Solubility of the preferably molten pore-forming agent in the liquid electrolyte composition can be significantly reduced.
  • Process step (f) may be further assisted by charging the liquid electrolyte composition under reduced pressure.
  • gas inclusions and associated extended filling times can be avoided.
  • the pore-forming agent comprises at least one cyclic carbonate, in particular
  • Ethylene carbonate includes the liquid solvent of
  • Electrolyte composition at least one acyclic carbonate, in particular dimethyl carbonate.
  • the electrolyte composition used preferably comprises in sufficient quantity all constituents which can not be supplied to the electrolyte composition by the dissolution of the pore-forming agents used.
  • these are the already mentioned aprotic, organic cyclic carbonates, the said conductive salts, and the additives mentioned.
  • the amount of solvent relative to the electrode composition is preferably chosen so that the total amount of pore former can be dissolved therein without adversely affecting the properties of the electrolyte composition. Rather, the dissolved pore formers have a positive influence on the properties of the electrolyte composition, in particular on the stability against high temperatures, the ion conductivity and / or the formation of the solid-electrolyte interphase.
  • Electrolyte composition or the liquid component thereof is so in situ on the one hand the porous electrode and on the other the actual
  • Electrolytic composition of the electrochemical cell formed.
  • the invention also provides a porous electrode for a
  • porous electrode according to the invention can be used advantageously as an electrode in an electrochemical cell, preferably in one
  • Vehicle especially in a vehicle with a conventional one
  • ICE Internal combustion engine
  • EV electric vehicle
  • Hybrid vehicle HEV
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • the inventive method allows the production of electrodes of electrochemical cells without the use of solvents, wherein the
  • Electrodes have a comparatively high porosity, which can be varied over a wide range. By dispensing with solvents, additional drying steps can be dispensed with.
  • the electrode obtained according to the invention in an electrochemical cell can the last step of the method of manufacturing the porous electrode is advantageously carried out in the already finished electrochemical cell.
  • FIG. 1 shows a schematic section of a compact electrode produced according to the invention before dissolution of the pore formers
  • FIG. 2 shows a schematic section of a porous electrode produced according to the invention after dissolution of the pore formers.
  • FIG. 1 shows a schematic section of an invention
  • the compact electrode 2 is applied to a surface of a substrate 1, in the present case a current collector made of aluminum.
  • the compact electrode 2 comprises at least one particulate active material 3 (e.g., a NCM mixed oxide), at least one particulate pore-forming agent 4 (e.g.
  • particulate conductive additives 6 eg conductive carbon black
  • the particulate components are interconnected by fibrils of binder 5 (eg PVDF) and thus form a compact mass.
  • binder 5 eg PVDF
  • the compact electrode 2 was produced by homogeneously mixing particulate active material 3, particulate pore former 4, particulate binder 5 and conductive additives 6. Subsequently, the binder 5 was fibrillated by the introduction of shear energy into the mixture. The fibrils from binder 5 hold the particulate components together to form a moldable mass that has been calendered onto the surface of a substrate 1.
  • FIG. 2 shows a schematic section of the porous electrode 2 'shown in FIG. 1 after the particles of the pore formers 4 have been dissolved. At the sites concerned, pores 7 have formed.
  • the dissolution takes place by first bringing the porous electrode 2 'to a temperature above the melting temperature of the pore-forming agent 4 and then bringing it into contact with a solvent at this temperature.
  • a mixture of dimethyl carbonate and LiPF 6 was used as the solvent.
  • the resulting composition of dimethyl carbonate, ethylene carbonate and LiPF 6 can be used directly as an electrolyte composition in the
  • electrochemical cell in which the compact electrode 2 is used can be used.
  • Comparative Example describes a conventional electrode composition.
  • a conventional electrode composition usually comprises 90.0 g of active material (NCM mixed oxide)
  • This electrode composition is processed in a jet mill or ball mill at 20 ° C to 100 ° C, preferably at 50 ° C to 70 ° C to form a moldable mass, applied to a current collector and compressed.
  • the electrode thus obtained is in an electrochemical cell with a
  • Electrolyte composition brought under vacuum having the following composition:
  • the electrode is characterized by a low porosity.
  • the electrode composition according to the invention comprises, for example: 90.0 g of active material (NCM mixed oxide)
  • This electrode composition is processed in a jet mill at 20 ° C to 50 ° C to form a moldable mass, applied to a current collector and compressed.
  • the thus obtained compact electrode 2 ' is in a
  • electrochemical cell contacted with an electrolyte composition under vacuum having the following composition:
  • the properties of the electrolyte composition are improved by the addition of ethylene carbonate in terms of heat stability.
  • the porous electrode 2 ' is characterized by a high porosity as compared with the conventional electrode according to the comparative example.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung elektrochemischen Zelle umfassend mindestens eine poröse Elektrode (2'), wobei das Verfahren mindestens die folgenden Verfahrensschritte umfasst: (a) Bereitstellen einer Elektrodenzusammensetzung in Form eines homogenen Gemisches umfassend (i) mindestens ein partikelförmiges Aktivmaterial (3); (ii) mindestens ein partikelförmiges Bindemittel (5); (iii) mindestens einen partikelförmigen Porenbildner (4); und (iv) optional mindestens ein Leitadditiv (6); (b) Bilden einer, formbaren Masse aus der Elektrodenzusammensetzung; (c) Aufbringen der Elektrodenzusammensetzung auf mindestens einer Oberfläche eines Substrats (1), um eine kompakte Elektrode (2) zu erhalten; (d) Herstellen einer elektrochemischen Zelle umfassend mindestens eine kompakte Elektrode (2), welche die Elektrodenzusammensetzung gemäß Verfahrensschritt (a) umfasst; und (e) Erwärmen der mindestens einen kompakten Elektrode (2), um den mindestens einen partikelförmigen Porenbildner (4) zu verflüssigen; und/oder (f) Inkontaktbringen der kompakten Elektrode (2) mit mindestens einer flüssigen Elektrolytzusammensetzung oder mindestens einem flüssigen Bestandteil einer Elektrolytzusammensetzung für eine elektrochemische Zelle, welche(r) in der Lage ist, den mindestens einen partikelförmigen Porenbildner (4) wenigstens teilweise zu lösen, um so eine poröse Elektrode (2') zu erhalten, wobei die Verfahrensschritte (a), (b), (c), (d) und (e) im Wesentlichen frei von Lösungsmitteln durchgeführt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung poröser Elektroden für elektrochemische Zellen
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Elektrode für eine Elektrode, wobei das Verfahren auf den Einsatz von
Lösungsmittel soweit wie möglich verzichtet. Gegenstand ist auch die mit diesem Verfahren hergestellte Elektrode sowie die Verwendung derselben in einer elektrochemischen Zelle.
Stand der Technik
Elektroden für elektrochemische Zellen, beispielsweise Elektroden für
lithiumhaltige Batteriezellen oder Elektroden für Brennstoffzellen, umfassen in der Regel mindestens ein partikelförmiges Material (z.B. partikelförmige
Aktivmaterialien und/oder Leitadditive), welches mit Hilfe mindestens eines Bindemittels zu einer agglomerierten Elektrodenzusammensetzung verbunden wird. Dabei ist es für die Qualität der Elektroden entscheidend eine möglichst homogene Verteilung sämtlicher Bestandteile der Elektrodenzusammensetzung, d.h. sowohl sämtlicher partikelförmiger Materialien als auch sämtlicher
Bindemittel, zu erreichen. Im Stand der Technik werden hierzu zwei grundlegend verschiedene Verfahren beschrieben. Die mittels dieser Verfahren erhaltenen Elektroden unterscheiden sich in erster Linie durch deren Porosität. Eine hohe Porosität ist in Hinblick auf eine rasche Diffusion der Ladungsträger (z.B.
Lithiumionen) in der Elektrode vorteilhaft.
Beim sogenannten Slurry-Verfahren wird ein Aktivmaterialschlicker hergestellt, in dem die partikelförmigen Materialien in einer Lösung aus einem polymeren Bindemittel und einem geeigneten Lösungsmittel dispergiert sind. Der Schlicker wird anschließend in einem Beschichtungsverfahren auf einem Stromsammler aufgebracht. Das Lösungsmittel wird nun durch Trocknen entfernt und man erhält eine poröse Schicht aus den partikelförmigen Materialien und dem Bindemittel auf der Oberfläche des Stromsammlers.
US 2015/0357626 A1 und US 2010/0015327 A1 beschreiben solche Verfahren, wobei der Aktivmaterialschlicker zusätzlich ein Porenbildner beigemischt wird, welcher in einem späteren Schritt aus der Elektrode herausgelöst wird. So wird die Porosität der Elektrode weiter erhöht. Als bevorzugter Porenbildner wird Ethylencarbonat genannt.
Als Alternative hierzu wurde ein Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer Elektrodenzusammensetzung z.B. in US 2015/303481 beschrieben, welche auf die Oberfläche eines Stromsammlers aufgebracht oder zu
freistehenden Elektrodenfolien verarbeitet werden kann. In dem Verfahren wird eine Elektrodenzusammensetzung in Form einer formbaren Masse bereitgestellt, umfassend mindestens ein Elektrodenaktivmaterial und mindestens ein polymeres Bindemittel sowie ggf. mindestens ein Leitadditiv. Durch die
Einbringung von Scherkräften (z.B. durch die Verwendung mechanischer Mühlen wie Strahl- oder Kugelmühlen) werden aus den Bindemittelpartikeln Fibrillen ausgebildet, welche eine Agglomeration der Elektrodenzusammensetzung bewirken. Die formbare Masse kann z.B. mithilfe eines Extruders und/oder Kalanders zu einer stabilen, freistehenden Elektrodenfolie geformt und auf einen Stromsammler aufgebracht werden. Alternativ kann die formbare Masse auch direkt auf einen Stromsammler aufgebracht werden. Die erhaltene Elektrode zeichnet sich durch eine vergleichsweise geringe Porosität aus, welche durch Komprimierungsprozesse während des Extrudierens bzw. Kalandrierens verringert wird. Dies hat zur Folge, dass das Aktivmaterial für die Ladungsträger schlechter zugängig ist. Außerdem wird durch die häufig eingesetzten
Kalandrierverfahren bei erhöhten Temperaturen die andernfalls homogene Verteilung der Aktivmaterialpartikel und des Bindemittels verschlechtert. Dies führt häufig zu einer Agglomeration von Polymerbestandteilen aus dem
Bindemittel auf der Oberfläche der Elektrode, wodurch die Zugänglichkeit für die Ladungsträger weiter sinkt. Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung elektrochemischen Zelle umfassten mindestens eine poröse Elektrode, wobei das Verfahren
mindestens die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
(a) Bereitstellen einer Elektrodenzusammensetzung in Form eines homogenen Gemisches umfassend
(i) mindestens ein partikelförmiges Aktivmaterial;
(ii) mindestens ein partikelförmiges Bindemittel;
(iii) mindestens einen partikelförmigen Porenbildner; und
(iv) optional mindestens ein Leitadditiv;
(b) Bilden einer formbaren Masse aus der Elektrodenzusammensetzung;
(c) Aufbringen der Elektrodenzusammensetzung auf mindestens einer
Oberfläche eines Substrats, um eine kompakte Elektrode zu erhalten;
(d) Herstellen einer elektrochemischen Zelle, umfassend mindestens eine
kompakte Elektrode, welche eine Elektrodenzusammensetzung gemäß Verfahrensschritt (a) umfasst; und
(e) Erwärmen der mindestens einen kompakten Elektrode, um den mindestens einen partikelförmigen Porenbildner zu verflüssigen; und/oder
(f) Inkontaktbringen der kompakten Elektrode mit mindestens einer flüssigen Elektrolytzusammensetzung oder mindestens einem flüssigen Bestandteil einer Elektrolytzusammensetzung für eine elektrochemische, welche(r) in der Lage ist, den mindestens einen partikelförmigen Porenbildner
wenigstens teilweise zu lösen, um so eine poröse Elektrode zu erhalten, wobei die Verfahrensschritte (a), (b), (c), (d) und (e) im Wesentlichen frei von Lösungsmitteln durchgeführt werden.
Die Elektrodenzusammensetzung umfasst mindestens ein partikelförmiges
Aktivmaterial, mindestens ein partikelförmiges Bindemittel sowie mindestens einen partikelförmigen Porenbildner. Allgemein weisen die partikelförmigen Komponenten somit einen mittleren Teilchendurchmesser von 1 nm bis zu 1 mm, vorzugsweise 100 nm bis 100 pm und insbesondere 0,5 pm bis 30 pm auf. Als partikelförmiges Aktivmaterial ist prinzipiell jedes Material geeignet, welches als Aktivmaterial für elektrochemische Zellen geeignet ist. Besonders bevorzugt sind Aktivmaterialien für negative Elektroden und / oder positive Elektrode für
Lithiumionen-Batterien. Dazu gehört beispielsweise als Aktivmaterial für die
negative Elektrode einer Lithiumionen-Batterie amorphes Silizium, welches
Legierungsverbindungen mit Lithium-Atomen bilden kann. Aber auch
Kohlenstoffverbindungen, wie z.B. Graphit, sind als Aktivmaterial für negative
Elektroden zu nennen. Auch oxidische Aktivmaterialien für die negative Elektrode sind dem Fachmann bekannt. Zu nennen sind insbesondere Li4Ti50i2, T1O2,
H2T112O25, sowie Gemische davon. Als Aktivmaterial für die positive Elektrode einer Lithiumionen-Batterie kann beispielsweise lithiierte
Interkalationsverbindungen, welche in der Lage sind Lithiumionen reversibel aufzunehmen und freizusetzen. Das Aktivmaterial der positiven Elektrode kann typischerweise ein zusammengesetztes Oxid und/oder Phosphat umfassen, welches mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Kobalt, Magnesium, Nickel, sowie Lithium, enthält. Als bevorzugte Beispiele sind insbesondere LiMn204, LiFeP04, LhMnOß, Li1.17Ni0.17Co0.1 Mn0.56O2, L1C0O2 und
L1N1O2 hervorzuheben. Ferner sind Verbindungen der Formel LiNii-xM‘x02 zu nennen, wobei M‘ ausgewählt ist aus Co, Mn, Cr und AI und 0 < x < 1 ist.
Beispiele umfassen Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxide (z.B.
LiNio,8Coo,i5Alo,o502; NCA) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide (z.B.
LiNio,8Mno,iCoo,i02; NCM (81 1 ) oder LiNio,33Mno,33Coo,3302! NCM (1 1 1 )).
Verbindungen der Formel Lii+xMn2-yMy04 mit x < 0,8, y < 2; Lin-xCoi-yMy02 mit x <
0,8, y < 1 ; Lii+xNii-y-zCoyMz04 mit x < 0,8, y < 1 , z < 1 und y+z < 1 , wobei M
ausgewählt sein aus AI, Mg und/oder Mn. Verbindungen der Formel
n(LhMn03) : n-1 (LiNii-xM‘x02) wobei M‘ ausgewählt ist aus Co, Mn, Cr und AI und 0 < n < 1 ist und 0 < x < 1 ist
Darüber hinaus umfasst die Elektrodenzusammensetzung mindestens ein
partikelförmiges Bindemittel, insbesondere ein polymeres Bindemittel. Als
Bindemittelpartikel sind sämtliche partikelförmige Polymere geeignet, welche wenigstens an einem Teil der Oberfläche der Bindemittelpartikel durch Erwärmen oder durch die Zugabe geeigneter Additive, insbesondere Lösungsmittel, plastifizierbar sind. Dies ermöglicht so bei der Kollision mit weiteren partikelförmigen Komponenten die Ausbildung einer Haftverbindung, welche zur gewünschten Agglomeration des homogenen Gemischs der partikelförmigen Komponenten (i) bis (iv) erforderlich ist.
Als Beispiele geeigneter Polymere sind thermoplastische Polymere, insbesondere Polyolefine (z.B. ethylen- und/oder propylenhaltige Homo- und Copolymere), Polyester (z.B. Polyethylenterephthalat (PET)), Polyvinylaromten (z.B. Polystyrol und
Polystyrolderivate), Polyacrylate (z.B. Polymethyl(meth)acrylt) zu nennen.
Hervorzuheben sind auch die herkömmlichen, aus dem Bereich der elektrochemischen Zellen bekannten Bindemittel wie Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien- Copolymer (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethen (PTFE) und Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM).
Schließlich umfasst die Elektrodenzusammensetzung mindestens einen
partikelförmigen Porenbildner. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass er
während der Herstellung der porösen Elektrode als Platzhalter in der kompakten Elektrode dient. Zudem ist der partikelförmige Porenbildner insbesondere eine
Komponente, die in der elektrochemischen Zelle verbleiben kann und beim
schmelzen durch seine Ausdehnung eventuell verschlossene Poren öffnen kann.
Vorzugsweise wird als partikelförmiger Porenbildner eine Verbindung oder ein
Gemisch von Verbindungen ausgewählt, welche typischerweise auch als
Bestandteil einer Elektrolytzusammensetzung für eine elektrochemische Zelle eingesetzt werden kann. Damit ist der Vorteil verbunden, dass der Porenbildner sich so nicht nachteilig auf die Eigenschaften der elektrochemischen Zelle
auswirkt. Bei geeigneter Auswahl der Bestandteile ist es vorzugsweise auch möglich, dass der Porenbildner ein für die Funktion der elektrochemischen Zelle wesentlicher Bestandteil ist.
In einer Ausführungsform ist der partikelförmige Porenbildner aus mindestens einem Lithiumsalz und/oder mindestens einem bei Raumtemperatur festen, organischen Carbonat ausgewählt. Ferner können auch Additive eingesetzt werden, die zur Verbesserung der Eigenschaften des Elektrolyten diesem
zugegeben werden können, sofern diese als Feststoff vorliegen. Hervorzuheben sind Additive, die zur kontrollierten Ausbildung einer Solid-Electrolyte-Interphase (SEI) dienen. Als Beispiele sind Sultone, Carbonaten und polycylische
Kohlenwasserstoffe zu nennen.
Als bevorzugte Lithiumsalze sind solche zu nennen, die typischerweise in Elektrolytzusammensetzungen elektrochemischer Zellen als Leitsalze eingesetzt werden. Geeignete Lithiumsalze sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumhalogeniden (LiCI, LiBr, Lil, LiF), Lithiumchlorat (LiCI04), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumhexafluorphosphat (LiPFe),
Lithiumhexafluorantimonat (LiSbFe), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsFe),
Lithiumtrifluormethansulfonat (USO3CF3), Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid
(Li[N(S02F)2], LiFSI), Lithiumbis(trifluormethylsulphonyl)imid (Li[N(S02(CF3))2], LiTFSI), Lithiumbis(pentafluorethylsulphonyl)imid (LiN(S02C2F5)2),
Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C204)2, LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (Li[BF2(C204)], LiDFOB), Lithiumdifluor-tri(pentafluorethyl)phosphat (LiPF2(C2F5)3) und Kombinationen davon. Besonders bevorzugt sind Lithiumsalze, die eine hohe Löslichkeit in aprotischen, organischen, polaren Lösungsmitteln aufweisen.
Als bevorzugte organischen Carbonate sind solche zu nennen, die bei
Raumtemperatur in festem Aggregatzustand vorliegen und typischerweise in als Bestandteil von Elektrolytzusammensetzungen elektrochemischer Zellen eingesetzt werden. Hervorzuheben sind insbesondere aprotische, cyclische organische Carbonate. Diese werden typischerweise in
Elektrolytzusammensetzungen eingesetzt, um deren Hochtemperaturstabilität zu verbessern. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der partikelförmige Porenbildner mindestens ein aprotisches, cyclisches organisches Carbonat. Als geeignete cyclische Carbonate sind solche mit 3 bis 20, vorzugsweise 3 bis 10, und insbesondere 3 bis 5, Kohlenstoffatomen zu nennen. Als Beispiele sind Ethylencarbonat und Propylencarbonat
hervorzuheben. Besonders bevorzugt wird Ethylencarbonat eingesetzt.
Als geeignete weitere Additive, die ebenfalls als Porenbildner gegebenenfalls in Mischungen mit den zuvor genannten Verbindungen eingesetzt werden können, sind insbesondere 1 ,3-Propansulton, Vinylencarbonat (1 ,3-Dioxolen-2-on), Vinylethylencarbonat (4-Vinyl-[1 ,3]dioxolan-2-on), und Fluorethylencarbonat (4- Fluor-1 ,3-dioxolan-2-on) hervorzuheben. Optional kann die Elektrodenzusammensetzung weitere Bestandteile umfassen. Hervorzuheben sind insbesondere Leitadditive wie Graphit und/oder Leitruß, welche die elektrische Leitfähigkeit erhöhen.
Die Mengen der einzelnen Komponenten (i) bis (iv) sind stets auf die gewünschte Zusammensetzung und Porosität bzw. die Eigenschaften der Elektrode abzustimmen. Üblicherweise umfasst die Elektrodenzusammensetzung einen Anteil von 1 bis 60 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 50 Vol.-% und insbesondere 15 bis 45 Vol.-% an partikelförmigem Porenbildner, bezogen auf das
Gesamtvolumen der Elektrodenzusammensetzung, umfassend mindestens die Bestandteile (i), (ii), (iii) und (iv).
Die Bestandteile der Elektrodenzusammensetzung, die auch in der späteren porösen Elektrode vorliegen sollen (d.h. der Komponenten (i), (ii) und (iv)), werden vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass der Anteil an mindestens einem Bindemittel (ii) ausreichend ist, um eine stabile, poröse Elektrode zu gewährleisten und der Anteil an Aktivmaterial (i) möglichst hoch ist. Vorzugweise umfasst die Elektrodenzusammensetzung 80 bis 99,9 Gew.-% an Aktivmaterial (i), 0,1 bis 10 Gew.-% an Bindemittel (ii), und 0 bis 10 Gew.-% an Leitadditiv, bezogen auf die Gesamtmenge an Aktivmaterial (i), Bindemittel (ii) und
Leitadditiv in der Elektrodenzusammensetzung. Stärker bevorzugt umfasst die Elektrodenzusammensetzung 85 bis 95 Gew.-% an Aktivmaterial (i), 2,5 bis 7,5 Gew.-% an Bindemittel (ii), und 2,5 bis 7,5 Gew.-% an Leitadditiven (iv) bezogen auf die Gesamtmenge an Aktivmaterial (i), Bindemittel (ii) und Leitadditiven (iv) in der Elektrodenzusammensetzung.
Die erfindungsgemäße Elektrodenzusammensetzung wird erhalten, indem die Bestandteile (i), (ii), (iii) und (iv) innig miteinander vermischt werden.
Vorzugsweise wird die Elektrodenzusammensetzung in Verfahrensschritt (a) in Form einer homogenen, pulverförmigen Zusammensetzung bereitgestellt. Diese wird in Verfahrensschritt (b) in eine formbare Masse überführt, welche durch den Eintrag kinetischer und/oder thermischer Energie erhalten wird. Durch die Einbringung von Energie, insbesondere von Scherkräften werden aus den Bindemittelpartikeln Fibrillen ausgebildet, welche eine Agglomeration der Elektrodenzusammensetzung bewirken. Vorzugsweise geschieht dies durch die die Verwendung mechanischer Mühlen wie Strahl- oder Kugelmühlen.
Im Verfahrensschritt (c) wird die Elektrodenzusammensetzung als Schicht auf die Oberfläche eines Trägermaterials aufgebracht. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Trägermaterial um die Oberfläche eines Werkzeugs, z.B. um die Oberfläche eines Laufbandes. Vorzugsweise ist dieses aus Kunststoff gefertigt. Die Schicht kann in diesem Fall am Ende des Herstellungsprozesses als freistehende, kompakte Elektrodenfolie entnommen werden. Um ein Anhaften der kompakten Elektrode an der Oberfläche des Trägermaterials zu vermeiden bzw. zu reduzieren, wird das Verfahren vorzugsweise bei einer Temperatur, die unterhalb der Glasübergangstemperatur Tg des mindestens einen Bindemittels liegt, durchgeführt. Die Schicht kann anschließend als freistehende, kompakte Elektrodenfolie von dem Trägermaterial abgelöst und auf einen Stromsammler, z.B. bei einer Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des
Bindemittels, laminiert werden.
Das Trägermaterial kann in einer weiteren Ausführungsform auch die Oberfläche eines Stromsammlers sein. In diesem Fall wird keine freistehende Elektrodenfolie hergestellt, sondern gleich eine Elektrode erhalten.
Anschließend kann die kompakte Elektrode durch eine Presse, einen Stempel, eine Walze oder einen Kalander verdichtet werden. Der Verdichtungsschritt kann zusätzlich unter Einwirkung von Wärme erfolgen, um ein Anhaften des
Bindemittels an der Oberfläche des Stromsammlers zu unterstützen und eine dauerhafte Verdichtung zu bewirken. Vorzugsweise wird die Temperatur jedoch nicht über die Schmelztemperatur des mindestens einen Porenbildners erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der
Verfahrensschritt (c) einen Schritt, in dem die Elektrodenzusammensetzung verdichtet wird. Die erhaltene kompakte Elektrode zeichnet sich so durch eine hohe Stabilität und eine geringe Porosität aus und kann so aufgrund der Stabilität gut verarbeitet werden. Die so erhaltene kompakte Elektrode wird in einem nächsten Verfahrensschritt (d) eingesetzt, um eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens eine nach dem erfindungsgemäße Verfahren erhaltene kompakte Elektrode, umfassend die Elektrodenzusammensetzung gemäß Verfahrensschritt (a), herzustellen. Es ist auch möglich, eine Vielzahl erfindungsgemäßer, kompakter Elektroden in einer elektrochemischen Zelle einzusetzen. Die elektrochemische Zelle umfasst mindestens eine negative Elektrode (Anode), mindestens eine positive Elektrode (Kathode), sowie mindestens einen Separator, welcher zwischen der mindestens einen negativen Elektrode und der mindestens einen positiven Elektrode angeordnet ist und beide Elektroden voneinander trennt.
Vorzugsweise werden die Verfahrensschritte (a), (b), (c) und (d) bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei welcher der partikelförmige Porenbildner als Feststoff vorliegt. Üblicherweise liegt die Verfahrenstemperatur während der Verfahrensschritt (a), (b), (c) und (d) unterhalb von 60°C, stärker bevorzugt unterhalb von 35°C, und insbesondere unterhalb von 20°C.
In einem nachfolgenden, optionalen Verfahrensschritt (e) wird die kompakte Elektrode, die bereits in eine elektrochemische Zelle eingebaut ist, erwärmt, um den mindestens einen partikelförmigen Porenbildner zu verflüssigen.
Vorzugsweise wird die kompakte Elektrode dabei auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb der Schmelztemperatur des mindestens einen Porenbildners liegt. Das erwärmen ermöglicht die Freigabe der Poren durch den Porenbildner. Zudem werden durch Ausdehnung des Porenbildners bei erhöhten
Temperaturen gegebenenfalls nicht zugängliche, verschlossene Poren geöffnet. Vorzugsweise liegt die Temperatur in diesem Verfahrensschritt (e) oberhalb von 20°C, stärker bevorzugt oberhalb von 35°C und insbesondere oberhalb von 60°C. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der
Verfahrensschritt (e) bei einer Temperatur durchgeführt, die mindestens 5°C, insbesondere mindestens 10°C, oberhalb der Schmelztemperatur des mindestens einen partikelförmigen Porenbildners liegt.
In einem weiteren Verfahrensschritt (f) wird die kompakte Elektrode zusätzlich oder alternativ zum Verfahrensschritt (e) mit mindestens einer flüssigen
Elektrolytzusammensetzung oder mindestens einem flüssigen Bestandteil einer Elektrolytzusammensetzung für eine elektrochemische Zelle in Kontakt gebracht. Diese sind der Lage die erfindungsgemäßen Porenbildner aufzulösen. Die so erhaltene flüssige Zusammensetzung kann in der elektrochemischen Zelle verbleiben und dient darin als Elektrolytzusammensetzung.
Ohne darauf beschränkt zu sein umfassen typische
Elektrolytzusammensetzungen als flüssige Bestandteile üblicherweise häufig mindestens ein aprotisches, organisches Lösungsmittel. Als Beispiele können aprotische Nitrile, aprotische Ether, aprotische Ester, aprotische Carbonate, oder ein Gemisch, umfassend eines der genannten Lösungsmittel, genannt werden.
Die Verfahrensschritte (e) und (f) können vorteilhaft auch gleichzeitig
durchgeführt werden. Das Erwärmen der kompakten Elektrode bewirkt das Öffnen der gegebenenfalls verschlossenen Poren und erhöht zudem die
Löslichkeit des vorzugsweise geschmolzenen Porenbildners in dem der flüssigen Elektrolytzusammensetzung. Zudem kann so die Zeit, die zur Befüllung der elektrochemischen Zelle mit der Elektrolytzusammensetzung benötigt wird, deutlich reduziert werden.
Verfahrensschritt (f) kann ferner unterstützt werden, indem das Einfüllen der flüssigen Elektrolytzusammensetzung unter reduziertem Druck erfolgt. So können Gaseinschlüsse und damit verbundene verlängerte Befüllungsdauern vermieden werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Porenbildner als mindestens ein cyclisches Carbonat, insbesondere
Ethylencarbonat, und umfasst das flüssige Lösungsmittel der
Elektrolytzusammensetzung mindestens ein acyclisches Carbonat, insbesondere Dimethylcarbonat.
Vorzugsweise umfasst die eingesetzte Elektrolytzusammensetzung ferner alle Bestandteile, welche der Elektrolytzusammensetzung nicht durch die Auflösung der eingesetzten Porenbildner zugeführt werden können, in ausreichender Menge. Insbesondere handelt es sich dabei um die bereits genannten aprotischen, organischen cyclischen Carbonate, die genannten Leitsalze, sowie die genannten Additive.
Die Menge an Lösungsmittel im Verhältnis zur Elektrodenzusammensetzung wird vorzugsweise so gewählt, dass die Gesamtmenge an Porenbildner darin gelöst werden kann, ohne dass dies die Eigenschaften der Elektrolytzusammensetzung negativ beeinflusst. Vielmehr haben die gelösten Porenbildner einen positiven Einfluss auf die Eigenschaften der Elektrolytzusammensetzung, insbesondere auf die Stabilität gegen hohe Temperaturen, die lonenleitfähigkeit und / oder die Bildung der Solid-Electrolyte-Interphase.
Durch das Auflösen des mindestens einen, in der (im Wesentlichen nicht porösen) kompakten Elektrode enthaltenen Porenbildners in der
Elektrolytzusammensetzung bzw. des flüssigen Bestandteils derselben wird so in situ zum einen die poröse Elektrode und zum anderen die eigentliche
Elektrolytzusammensetzung der elektrochemischen Zelle gebildet.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine poröse Elektrode für eine
elektrochemische Zelle, erhalten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die erfindungsgemäße poröse Elektrode kann vorteilhaft als Elektrode in einer elektrochemischen Zelle Verwendung finden, die vorzugsweise in einem
Fahrzeug, insbesondere in einem Fahrzeug mit einem herkömmlichen
Verbrennungsmotor (ICE), in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem
Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), eingesetzt werden.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Elektroden elektrochemischer Zellen ohne den Einsatz von Lösungsmittel, wobei die
Elektroden über eine vergleichsweise hohe Porosität verfügen, welche über einen breiten Bereich variiert werden kann. Durch den Verzicht auf Lösungsmittel kann entfallen zusätzliche Trocknungsschritte. Bei der Verwendung der erfindungsgemäß erhaltenen Elektrode in einer elektrochemischen Zelle kann der letzte Verfahrensschritt des Herstellungsverfahrens der porösen Elektrode vorteilhaft in der bereits fertigen elektrochemischen Zelle durchgeführt werden.
So wird die Zeit für die Befüllung der Poren der Elektrode mit der
Elektrolytzusammensetzung eingespart, da die Poren erst mit der Bildung der Elektrolytzusammensetzung in situ entstehen. Üblicherweise ist hierfür eine Vielzahl von Befüllungsschritten notwendig.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen Ausschnitt einer erfindungsgemäß hergestellten kompakten Elektrode vor der Auflösung der Porenbildner; und
Figur 2 einen schematischen Ausschnitt einer erfindungsgemäß hergestellten porösen Elektrode nach der Auflösung der Porenbildner.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt einen schematischen Ausschnitt einer erfindungsgemäß
hergestellten kompakten Elektrode 2 vor der Auflösung der Porenbildner 4. Die kompakte Elektrode 2 ist auf einer Oberfläche eines Substrats 1 , vorliegend eines aus Aluminium gefertigten Stromsammlers, aufgebracht. Die kompakte Elektrode 2 umfasst mindestens ein partikelförmiges Aktivmaterial 3 (z.B. ein NCM-Mischoxid), mindestens einen partikelförmigen Porenbildner 4 (z.B.
Ethylencarbonat), sowie partikelförmige Leitadditive 6 (z.B. Leitruß). Die partikelförmigen Komponenten sind durch Fibrillen aus Bindemittel 5 (z.B. aus PVDF) miteinander verbunden und bilden so eine kompakte Masse. Die kompakte Elektrode 2 wurde hergestellt, indem partikelförmiges Aktivmaterial 3, partikelförmiger Porenbildner 4, partikelförmiges Bindemittel 5 und Leitadditive 6 homogen vermischt wurden. Anschließend wurde das Bindemittel 5 durch den Eintrag von Scherenergie in das Gemisch fibrilliert. Die Fibrillen aus Bindemittel 5 halten die partikelförmigen Komponenten zusammen und bilden so eine formbare Masse, die auf die Oberfläche eines Substrats 1 kalandriert wurde.
Figur 2 zeigt einen schematischen Ausschnitt der in Figur 1 gezeigten poröse Elektrode 2‘ nachdem die Partikel der Porenbildner 4 aufgelöst wurden. An den betreffenden Stellen haben sich Poren 7 ausgebildet. Die Auflösung erfolgt, indem die poröse Elektrode 2‘ zunächst auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Porenbildners 4 gebracht und anschließend bei dieser Temperatur mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird. Vorliegend wurde als Lösungsmittel ein Gemisch aus Dimethylcarbonat und LiPF6 verwendet. Die sich so ergebende Zusammensetzung aus Dimethylcarbonat, Ethylencarbonat und LiPF6 kann unmittelbar als Elektrolytzusammensetzung in der
elektrochemischen Zelle, in der die kompakte Elektrode 2 eingesetzt wird, verwendet werden.
Die genaue Zusammensetzung der kompakten Elektrode 2 und des
Lösungsmittels sind im nachfolgenden Beispiel beschrieben. Das
Vergleichsbeispiel beschreibt eine herkömmliche Elektrodenzusammensetzung.
Vergleichsbeispiel
Eine herkömmliche Elektrodenzusammensetzung umfasst üblicherweise 90,0 g Aktivmaterial (NCM-Mischoxid)
5,0 g Bindemittel
5,0 g Leitadditiv
Diese Elektrodenzusammensetzung wird in einer Strahlmühle oder Kugelmühle bei 20°C bis 100°C, vorzugsweise bei 50°C bis 70°C zu einer formbaren Masse verarbeitet, auf einem Stromsammler aufgebracht und komprimiert. Die so erhaltene Elektrode wird in einer elektrochemischen Zelle mit einer
Elektrolytzusammensetzung unter Vakuum in Kontakt gebracht, die folgende Zusammensetzung aufweist:
30,92 g Ethylencarbonat
30,92 g Dimethylcarbonat 7,86 g LiPFe
Die Elektrode zeichnet sich durch eine geringe Porosität aus.
Beispiel
Die erfindungsgemäße Elektrodenzusammensetzung umfasst beispielsweise: 90,0 g Aktivmaterial (NCM-Mischoxid)
5,0 g Bindemittel
5,0 g Leitadditiv
30,92 g Ethylencarbonat
Diese Elektrodenzusammensetzung wird in einer Strahlmühle bei 20°C bis 50°C zu einer formbaren Masse verarbeitet, auf einem Stromsammler aufgebracht und komprimiert. Die so erhaltene kompakte Elektrode 2‘ wird in einer
elektrochemischen Zelle mit einer Elektrolytzusammensetzung unter Vakuum in Kontakt gebracht, die folgende Zusammensetzung aufweist:
30,92 g Dimethylcarbonat
7,86 g LiPFe
In Kontakt mit der Elektrodenzusammensetzung unter Vakuum und bei 50°C wird das Ethylencarbonat aus der kompakten Elektrode 2 gelöst. Die Eigenschaften der Elektrolytzusammensetzung werden durch den Zusatz von Ethylencarbonat hinsichtlich der Hitzestabilität verbessert. Die poröse Elektrode 2‘ zeichnet sich im Vergleich zu der herkömmlichen Elektrode gemäß dem Vergleichsbeispiel durch eine hohe Porosität aus.
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 elektrochemischen Zelle umfassend mindestens eine poröse Elektrode (2‘), wobei das Verfahren mindestens die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
(a) Bereitstellen einer Elektrodenzusammensetzung in Form eines
homogenen Gemisches umfassend
(i) mindestens ein partikelförmiges Aktivmaterial (3);
(ii) mindestens ein partikelförmiges Bindemittel (5);
(iii) mindestens einen partikelförmigen Porenbildner (4); und
(iv) optional mindestens ein Leitadditiv (6);
(b) Bilden einer , formbaren Masse aus der Elektrodenzusammensetzung;
(c) Aufbringen der Elektrodenzusammensetzung auf mindestens einer Oberfläche eines Substrats (1 ), um eine kompakte Elektrode (2) zu erhalten;
(d) Herstellen einer elektrochemischen Zelle umfassend mindestens eine kompakte Elektrode (2), welche die Elektrodenzusammensetzung gemäß Verfahrensschritt (a) umfasst; und
(e) Erwärmen der mindestens einen kompakten Elektrode (2), um den mindestens einen partikelförmigen Porenbildner (4) zu verflüssigen; und/oder
(f) Inkontaktbringen der kompakten Elektrode (2) mit mindestens einer flüssigen Elektrolytzusammensetzung oder mindestens einem flüssigen Bestandteil einer Elektrolytzusammensetzung für eine elektrochemische Zelle, welche(r) in der Lage ist, den mindestens einen partikelförmigen Porenbildner (4) wenigstens teilweise zu lösen, um so eine poröse Elektrode (2‘) zu erhalten,
wobei die Verfahrensschritte (a), (b), (c), (d) und (e) im Wesentlichen frei von Lösungsmitteln durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Elektrodenzusammensetzung in Verfahrensschritt (b) in Form einer formbaren Masse bereitgestellt wird, welche durch den Eintrag kinetischer und/oder thermischer Energie erhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verfahrensschritt (c) einen Schritt umfasst, in dem die Elektrodenzusammensetzung komprimiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verfahrensschritte (a), (b), (c) und (d) bei einer Temperatur durchgeführt werden, bei welcher der partikelförmige Porenbildner (4) als Feststoff vorliegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der partikelförmige Porenbildner (4) ein Bestandteil einer Elektrolytzusammensetzung für eine elektrochemische Zelle ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das der flüssige
Bestandteil einer Elektrolytzusammensetzung ein bei Raumtemperatur flüssiger Bestandteil einer Elektrolytzusammensetzung für eine
elektrochemische Zelle ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der partikelförmige Porenbildner (4) ausgewählt ist aus mindestens einem Lithiumsalz, mindestens einem bei Raumtemperatur festen, organischen Carbonat und/oder mindestens einem Additiv, welches zur Verbesserung der Eigenschaften des Elektrolyten eingesetzt werden kann.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verfahrensschritte (e) und (f) gleichzeitig durchgeführt werden.
9. Poröse Elektrode (2‘) für eine elektrochemische Zelle (1 ), erhalten nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verwendung einer porösen Elektrode (2‘) für eine elektrochemische Zelle (1 ) in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Fahrzeug mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor (ICE), in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), eingesetzt.
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