WO2023020934A1 - Methods for producing a solid state battery having a porous support body, and solid state battery having a porous support body - Google Patents

Methods for producing a solid state battery having a porous support body, and solid state battery having a porous support body Download PDF

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WO2023020934A1
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state battery
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PCT/EP2022/072571
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Micheal ROTH
Christian WACHINSKI
Andreas Georg
Daniel Biro
Tobias Neumann
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Freudenberg Se
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Definitions

  • the present invention relates to methods for producing a solid-state battery with a porous supporting body and solid-state batteries with a porous supporting body, which are characterized by particularly good mechanical properties, high storage densities and reduced material costs.
  • Li-ion batteries Currently almost all batteries in electric vehicles are conventional Li-ion batteries (LIB). Lithium-ion batteries mostly use liquid electrolytes with highly flammable solvents. This poses a risk of "thermal runaway". As the energy density of LIBs increases due to the use of new electrode materials, this safety risk will only increase in the coming years. In connection with lithium-metal anodes, which would enable a significant increase in energy density, there is the problem, for example, that repeated charging and discharging of such a battery causes lithium-metal dendrites to form, which initially lead to a loss of capacity, but in extreme cases to this can also lead to short circuits and, as a result, to thermal runaway.
  • LIB Li-ion batteries
  • Li-ion batteries Due to the inherent high level of danger of Li-ion batteries with liquid, flammable electrolytes and the increasing energy density of Li-ion batteries, they do not meet the increased safety requirements, especially for electromobility. While solid ion conductors prevent "thermal runaway” and facilitate the use of lithium-metal anodes, they typically have comparatively low ionic conductivity, which leads to high overvoltages during charging and discharging.
  • Li-ion batteries with "solid” electrolytes are increasingly being researched, so that liquid electrolytes are no longer required.
  • One focus here is on research into batteries with solid polymer ion conductors.
  • polymers have a low ion conductivity, especially at low temperatures, and can only offer a low mechanical resistance to the growth of lithium dendrites. This makes the advantageous use of Si anodes or Li metal anodes in combination with polymeric electrolytes more difficult.
  • organic polymeric ion conductors such as polyethylene glycol (PEG) still have a high flammability due to their chemical nature, so that these materials are not intrinsically safe. As a result, they cannot meet the increased requirements.
  • PEG polyethylene glycol
  • Inorganic solid-state batteries represent a new, promising approach in battery research that is intended to solve this problem. These are based on the use of inorganic solid-state electrolytes between and also in the electrodes, which carry the charge carriers in the battery, e.g. Li + or Na + , can transport. As a result, the use of a conventional battery separator impregnated with a liquid electrolyte can be dispensed with. There is also no need to fill the battery cell with liquid electrolyte before sealing the battery cell. This can drastically increase the safety of the batteries. This approach allows the use of high-voltage oxides as electrode material.
  • inorganic solid-state batteries mostly inorganic solid ion conductors are produced by pressing powders of the ion-conducting material to form discs.
  • electrodes also in the form of powder mixtures, are pressed onto these so-called “pellets” or deposited in the form of pastes, e.g. by doctor blade processes.
  • the disadvantages of this method are the resulting large thicknesses of the solid-state electrolytes and separators, which are significantly more than 100 ⁇ m, which results in high ionic resistances and a very low energy density of the solid-state batteries.
  • US 2011/0003211 A1 describes electrodes for solid polymer electrolyte batteries in which a solid polymer electrolyte of an electrode has sufficient strength to be able to use very thin conductors.
  • a thin battery with a separator layer and electrode layers is proposed.
  • the sintering takes place at a comparatively high temperature (approx. 400 °C), which is necessary due to the use of a solution instead of a dispersion in order to achieve sufficient ion conductivity of the sulfide.
  • This necessitates the use of a nonwoven material that is resistant to this high temperature.
  • the resulting one Solid-state electrolyte has a high thickness of 40 to 70 ⁇ m, so that the resulting solid-state battery has a low resulting energy density, which makes use in electric vehicles, for example, impossible.
  • electrospun nonwovens have a very low mechanical strength, which prevents the continuous manufacture of solid-state batteries, for example by means of roll-to-roll processes, with electrospun nonwovens.
  • the resulting energy density of such a battery is too low to meet the electromobility requirements for LIBs due to the use of the 70 pm thick solid electrolyte and the titanium conductor.
  • the overall process is very complex and time-consuming, so that it is not possible to develop commercial production for solid-state batteries using this process.
  • the high porosity of the weakly bonded nonwoven used means that it cannot be directly coated by means of a doctor blade process, since the mechanical strength of the nonwoven used is not sufficient for a continuous coating process.
  • a binder is usually added to the solid electrolyte pastes to ensure the processability of the coated foils, such as flexibility for roll-to-roll processes.
  • these binders reduce the ionic conductivity of the separators, in particular with high binder proportions, with a proportion of more than 1% by weight already being classified as “high”.
  • Inorganic ionic conductors require high compression to improve contact between the individual powder particles and minimize porosity.
  • this compression of the battery cell harbors the risk of a short circuit, which is particularly relevant for thin separator layers below 100 ⁇ m, i.e. the thinner the separator is designed.
  • the subject of the invention solves the problems described in the prior art.
  • the invention relates to a method for producing a solid-state battery, with the steps
  • a separator layer comprising a nonwoven material and a solid ion conductor, wherein the provision of a separator layer comprises in particular the provision of a nonwoven fabric and the infiltration of the nonwoven fabric with a solid electrolyte paste, Coating of the separator layer with a cathode layer and an anode layer, preferably followed by pressing or calendering the coated separator layer, in particular in a roll-to-roll process, the fleece material having z through-pores, ie pores that have no interruptions in the z-direction have fibers, or have pores that penetrate the fleece material essentially perpendicularly to the separator layer, in the z-direction, the pore density being at least 1000 mm -2 , more preferably at least 10000 mm -2 , and/or the fibers of the Fleece material have an average titre of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
  • the invention in a second aspect, relates to a solid-state battery comprising a separator layer comprising a fleece material and a solid ion conductor, a cathode layer and an anode layer, the fleece material having z through pores, ie pores that are not interrupted by fibers in the z direction have, or pores that penetrate the fleece material essentially perpendicular to the separator layer, in the z-direction, the pore density being at least 1000 mm -2 , more preferably at least 10000 mm -2 , and/or the fibers of the fleece material having a have an average titre of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
  • the ion-conductive separator can be given sufficient tensile strength in roll-to-roll processes by being supported by a non-woven fabric.
  • the inventors have surprisingly discovered that the manufacturing process for solid state batteries can be started with a self-supporting separator foil.
  • the manufacturing process begins by providing a non-woven fabric and infiltrating the non-woven fabric with a solid electrolyte paste in order to produce an ion-conducting separator layer.
  • the electrodes i.e. a cathode layer and an anode layer, are then applied to this separator layer, and these electrodes can be made much thinner than known from the prior art.
  • the use of a non-woven fabric is advantageous since this enables easy production of self-supporting films, e.g. This plays an important role in roll-to-roll processes, among other things.
  • the problem is avoided or minimized that when pressing or calendering the individual layers or solid-state battery components, the cathode material is pressed through a separator that is too thin towards the anode. This avoids or minimizes short circuits, which can occur in particular with thin separators without non-woven material.
  • the use of a non-woven fabric is also advantageous because short circuits caused by lithium dendrites can be better suppressed.
  • the invention relates to a solid-state battery that can be produced or is produced by the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an SEM photograph of a separator layer used according to the invention made of a fleece material filled with solid electrolyte after drying.
  • FIG. 2 shows an SEM photograph of a separator layer used according to the invention made of a fleece material filled with solid electrolyte after drying and subsequent pressing.
  • FIG. 3 shows a comparison of the ion conductivities of pellets according to the prior art, measured by means of electrochemical impedance spectroscopy, in comparison with the separator layers of the invention.
  • FIG. 4 shows the result of cycling tests with solid-state batteries according to the invention.
  • the charging or discharging voltage is shown as a function of the charge based on the cathodic active material.
  • FIG. 5 shows the results of viscosity measurements on solid electrolyte pastes.
  • the invention relates to a method for producing a solid-state battery, with the steps
  • a separator layer comprising a nonwoven material and a solid ion conductor, wherein the provision of a separator layer comprises in particular the provision of a nonwoven fabric and the infiltration of the nonwoven fabric with a solid electrolyte paste, Coating of the separator layer with a cathode layer and an anode layer, preferably followed by pressing or calendering the coated separator layer, in particular in a roll-to-roll process, the fleece material having z through-pores, ie pores that have no interruptions in the z-direction have fibers, or have pores that penetrate the fleece material essentially perpendicularly to the separator layer, in the z-direction, the pore density being at least 1000 mm -2 , more preferably at least 10000 mm -2 , and/or the fibers of the Fleece material have an average titre of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
  • the invention in a second aspect, relates to a solid-state battery comprising a separator layer comprising a fleece material and a solid ion conductor, a cathode layer and an anode layer, the fleece material having z through pores, ie pores that are not interrupted by fibers in the z direction have, or pores that penetrate the fleece material essentially perpendicular to the separator layer, in the z-direction, the pore density being at least 1000 mm -2 , more preferably at least 10000 mm -2 , and/or the fibers of the fleece material having a have an average titre of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
  • the method according to the invention and the solid-state battery according to the invention ensure that the ion-conducting separator has sufficient tensile strength in roll-to-roll processes by being supported by a non-woven fabric. It is advantageous that the manufacturing process for solid-state batteries can be started with a self-supporting separator film.
  • the manufacturing process begins by providing a non-woven fabric and infiltrating the non-woven fabric with a solid electrolyte paste in order to produce an ion-conducting separator layer. Consequently, the electrodes, i.e. a cathode layer and an anode layer, are applied to this separator layer and can be made much thinner than has been customary up to now.
  • the method is advantageous when providing thin conductors by vapor deposition onto thin electrodes instead of using conventional conductor foils. This allows the use of ion conductors with low ion conductivities, such as the use of sulfides that can be produced inexpensively.
  • the method according to the invention is characterized by significantly reduced manufacturing costs, partly because the individual steps on which it is based are less expensive. For example, it is possible Apply calendering via a roll-to-roll process instead of pressing individual sheet elements.
  • nonwoven brings a number of advantages, such as the simple production of self-supporting films for the separator and/or the electrodes, with an improved, i.e. higher, tensile strength compared to free-standing solids separator films without a nonwoven. Furthermore, the use of a binder in the solid electrolyte pastes can be further reduced or omitted entirely. This has an advantageous effect on the internal resistance of the solid-state battery.
  • the separator layer is coated with a cathode layer and an anode layer with subsequent pressing, the use of a nonwoven is advantageous because it makes it more difficult for the cathode material or anode material to push through the separator layer and thus avoids short circuits, especially with thin separator layers.
  • the separator layer comprises a fleece material and a solid ion conductor.
  • the separator layer is provided by infiltrating a nonwoven fabric with a solid electrolyte paste.
  • the infiltration of a non-woven fabric with a solid electrolyte paste can also be understood as filling or impregnating the non-woven fabric with the solid electrolyte paste.
  • Those skilled in the art know and understand that the aim of this process is to fill the cavities of the nonwoven with the paste as completely as possible. It is not sufficient that the fibers of the non-woven material or the non-woven material are only coated with the paste, but the cavities are not filled.
  • the separator layer has one or more of the following properties: a maximum tensile force transverse to the machine direction, measured according to DIN EN 29073-3 (1992-08), from 5 N/5 cm to 50 N/5 cm, more preferably from 5 N/5 cm to 40 N/5 cm, in particular from 7 N/5 cm to 40 N/5 cm, an elongation in the machine direction, measured according to DIN EN 29073-3 (1992-08), from 5% to 50% , preferably from 6% to 30%, in particular from 8% to 20%, and/or in the case of a square area, has an area shrinkage up to 200° C.
  • the viscosity of the solid electrolyte paste is less than 500 mPa*s, preferably less than 200 mPa*s, particularly preferably less than 100 mPa*s, but higher than 20 mPa*s, preferably higher than 50 mPa*s to enable favorable infiltration behavior.
  • the viscosity of the solid electrolyte paste is between 20 mPa*s and 500 mPa*s, preferably between 50 mPa*s and 200 mPa*s. Too high a viscosity makes it difficult to fill the cavities quickly and evenly. If the viscosity is too low, the paste does not carry enough material into the non-woven fabric and there is a risk that the paste will leak out of the non-woven fabric after infiltration before drying.
  • nonwoven material and “nonwoven fabric” are used interchangeably herein.
  • Nonwoven fabrics have the advantage that they have isotropic mechanical properties and comparatively high tear propagation resistance, in particular in comparison to woven, knitted, knitted and net fabrics, which essentially consist of endless filaments.
  • Nonwovens can be spunbonded nonwovens, meltblown nonwovens, wet-laid nonwovens, dry-laid nonwovens, nanofiber nonwovens, and solution-spun nonwovens.
  • the nonwoven is a wet nonwoven because it can be manufactured with a very uniform fiber distribution, low weight, particularly low thickness, very high air permeability and high mechanical strength at the same time. This enables a high degree of filling (through infiltration) with ion-conducting material.
  • a small thickness of the porous nonwoven substrate enables electrochemical energy storage and converters with a high energy density and power density.
  • the nonwoven material has z through pores, ie pores that are not interrupted by fibers in the z direction, or pores that penetrate the nonwoven material essentially perpendicularly to the separator layer in the z direction, the pore density being at least 1000 mm -2 is more preferably at least 10000 mm -2 and/or wherein the fibers of the fleece material have an average titer of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
  • the number of z-through pores in the fleece material can be determined using scanning electron microscopy
  • REM can be quantified.
  • a SEM image preferably at 500x Magnification, taken, the number of z-pores in an area of 100 x 100 pm 2 counted and the average determined at three different locations.
  • the nonwoven in particular in its embodiment as a wet nonwoven, can have short-cut fibers.
  • Short-cut fibers are fibers with a length of preferably 1 mm to 12 mm, preferably 3 mm to 6 mm.
  • the mean titer of the fibers can vary depending on the desired structure of the nonwoven fabric.
  • the use of fibers with an average titer of 0.06 dtex to 3.3 dtex, of 0.06 dtex to 1.7 dtex, or of 0.06 dtex to 1.0 dtex has proven to be particularly advantageous according to DIN EN ISO 1973:1995-12.
  • microfibers with an average titer of less than 1 dtex, preferably from 0.06 dtex to 1 dtex has an advantageous effect on the size and structure of the pore sizes and inner surface as well as on the density of the nonwoven .
  • Proportions of at least 5% by weight, from 5% by weight to 35% by weight, in particular 5% by weight to 20% by weight, of microfibers, based in each case on the total amount of fibers in the nonwoven fabric have proven to be particularly favorable . In practical tests it was found that a particularly homogeneous infiltration can be achieved with the aforementioned parameters.
  • the fibers of the non-woven fabric can be in the form of matrix fibers and/or binding fibers.
  • Binding fibers are fibers that can form bonding points and/or bonding areas at least at some crossing points of the fibers, for example during the production process of the nonwoven fabric by heating to a temperature above their melting point and/or softening point. At these crossing points, the binding fibers can form integral connections with other fibers and/or within one and the same fiber.
  • a framework can therefore be built up and a thermally bonded nonwoven fabric can be obtained.
  • the binding fibers can also melt completely and thus strengthen the nonwoven.
  • the binding fibers can be designed as core-sheath fibers, in which the sheath represents the binding component, and/or as undrawn fibers.
  • the non-woven material comprises one or more fibers, wherein the one or more fibers comprise a high-melting point core and a low-melting point shell. This is advantageous since such fibers allow a particularly homogeneously bonded fleece material.
  • the proportion of binding fibers in the fiber-based substrate is from 95% by weight to 50% by weight, or from 95% by weight to 65% by weight, based on the total weight of the nonwoven fabric before infiltration. This is advantageous because very high mechanical strength of the entire fiber substrate is achieved in this area, which has a positive effect on calendering stability.
  • the nonwoven has matrix fibers, i.e., fibers that are substantially unfused.
  • the matrix fibers preferably have a melting point of over 160°C, preferably over 200°C, in particular over 250°C and/or a decomposition point of over 250°C, in particular over 350°C. These properties improve the structural stability of the nonwoven under pressure and/or temperature stress and result in low area shrinkage, preferably up to 200°C.
  • the proportion of matrix fibers in the nonwoven is from 5% by weight to 70% by weight, from 5% by weight to 50% by weight, or from 5% by weight to 35% by weight, based on the total weight of the nonwoven an infiltration. This is advantageous because in this area a very high geometric stability compared to calendering processes and a very high structural homogeneity are achieved.
  • the fibers in the nonwoven can be formed in a wide variety of shapes, for example as flat, hollow, round, oval, trilobal, multilobal, bico and/or “island in the sea” fibers.
  • the cross section of the fibers is round.
  • the fleece material is selected from the list of polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, in particular polyamide 6 and polyamide 6.6, aramid, in particular polyparaphenylene terephthalamide (PPTA), polyvinyl alcohol, polyester, in particular polyethylene terephthalate and/or polybutylene terephthalate, copolyester, polyolefins, in particular polyethylene and /or polypropylene and/or mixtures thereof, viscose, cellulose and Al2O3.
  • aramid in particular polyparaphenylene terephthalamide (PPTA), polyvinyl alcohol, polyester, in particular polyethylene terephthalate and/or polybutylene terephthalate, copolyester, polyolefins, in particular polyethylene and /or polypropylene and/or mixtures thereof, viscose, cellulose and Al2O3.
  • the fleece material has one or more of the following properties before the solid ion conductor or the solid electrolyte paste is applied: an air permeability, measured according to EN ISO 9237, from 300 I rrr 2 s -1 to 1000 I rrr 2 s -1 , preferably from 400 I rrr 2 s -1 to 1000 I rrr 2 s -1 , in particular from 450 I rrr 2 s -1 to 850 I rrr 2 s -1 , an average porosity of at least 30%, more preferably at least 50%, even more preferably at least 70%, most preferably at least 85%, average pore sizes, measured according to DIN ISO 4003, from 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, 3 ⁇ m to 90 ⁇ m, 5 pm to 85 pm, 10 pm to 80 pm, or 20 pm to 75 pm.
  • an air permeability measured according to EN ISO 9237, from 300 I rrr 2 s -1 to 1000 I rrr 2 s -1
  • the porosity of the non-woven fabric is preferably from 40% to 90%, from 50% to 80%, in particular from 55% to 70%.
  • the average porosity P of the fleece material relates to the porosity of the substrate itself, ie in the state before infiltration with the solid ion conductor or the solid electrolyte paste.
  • the average porosity of the fleece material (in %) is calculated from the actually measured (apparent) density d app and the density of the polymer, or the density of the fleece material itself, dp oiy mer, using the following formula
  • the advantage of a high porosity is that large volumes are available for infiltration with solid electrolyte, which in turn increases the conductivity of the separator layer.
  • a high air permeability is advantageous because it favors a high degree of filling with the solid electrolyte paste in the porous substrate and thus results in a low resistance of the resulting separator sheet.
  • the average pore sizes mentioned are advantageous, since this enables the solid electrolyte paste to be infiltrated correctly into the nonwoven fabric. This reduces the ion transport resistance of the solid electrolyte.
  • the fleece material preferably has a thickness, measured according to DIN EN ISO 9073-2, of 5 ⁇ m to 30 ⁇ m, preferably 8 ⁇ m to 20 ⁇ m, in particular 8 ⁇ m to 16 ⁇ m.
  • a small thickness is advantageous because it enables the battery to have a high energy density and power density.
  • a minimum thickness is appropriate since a certain strength is required for the manufacturing process.
  • solid ion conductor solid electrolyte
  • solid electrolyte solid electrolyte
  • solid electrolyte solid electrolyte
  • the solid electrolyte can e.g. from the group of sodium-supra-ionic conductors (acronym
  • NASICON for sodium Na
  • Super Ionic CONductor such as LiM2(PÜ4)3 (where M is a cation is), Nai +x Zr2SixP3-xOi2 (0 ⁇ x ⁇ 3) or Lii +x Al x Ti2-x(PO4)3 (LATP), garnet-type electrolytes, such as Li?La3Zr20i2 (LLZO), perovskite-type Electrolytes such as Li3xLa2/3-xTiC>3 (LLTO) can be selected.
  • LiM2(PÜ4)3 where M is a cation is
  • garnet-type electrolytes such as Li?La3Zr20i2 (LLZO)
  • perovskite-type Electrolytes such as Li3xLa2/3-xTiC>3 (LLTO) can be selected.
  • the solid electrolyte can be a sulfide ion conductor containing lithium and sulfur.
  • the solid electrolyte can be a glass, a glass-ceramic or a ceramic.
  • Exemplary glasses are xLi2S(100-x)P2Ss, xÜ2S(100-x)B2S3 and xÜ2S(100-x)SiS2, xLi2S(100-x)SiS2, optionally doped with U3PO4, Li4SiO4, and/or Li4GeO4.
  • Exemplary glass ceramics come from the group with the general formula Li w M x PySz, such as Li4-tGeit- t PtS4 (0 ⁇ t ⁇ 1).
  • LiePSsX CI, Br, I
  • thio-lisicon formed from the systems Li2S-GeS2, Li2S-GeS2- ZnS and Li2S-GeS2-Ga2S3.
  • the solid electrolyte can be applied to and into the nonwoven by various application methods, preferably coating methods, such as in particular doctor blades, roller application, gravure coating, application from a slot die, with which infiltration of the nonwoven with the solid electrolyte paste can be achieved.
  • application methods such as application by means of a slot die and by means of roller application methods are particularly preferred here. These are advantageous because they allow the solid electrolyte pastes to be distributed very evenly in and on the nonwoven.
  • the solid ion conductor is an inorganic ion conductor.
  • the solid ion conductor is selected from the group of sulfides and thiophosphates, with the solid ion conductor preferably being in the form of sulfide particles, with particle sizes D50 of less than 2 ⁇ m, less than 1 ⁇ m, less than 500 nm, less than 200 nm , or less than 100 nm based on the mass distribution and the diameter of the sulfide particles.
  • the sulfide particles sinter together, so that the specified particle size is no longer necessarily evident in the separator layer obtained.
  • the specified particle size refers to the sulfide particles in the paste used to infiltrate the nonwoven.
  • the use of sulfides or sulfide particles is advantageous because they have high ductility and high ionic conductivity compared to many other solid electrolytes. The high ductility allows sintering at moderate temperatures using appropriate pressures.
  • the separator layer is pressed and/or calendered at a temperature of at least 25° C., at least 50° C., at least 100° C., at least 150° C., at least 200° C., at least 250° C., or at least 300° C instead. In one embodiment, the pressing and/or calendering of the separator layer takes place at a temperature of at most 400°C.
  • the separator layer is pressed at a pressure of at least 10 MPa, at least 50 MPa, at least 100 MPa, at least 200 MPa, at least 500 MPa, or at least 1000 MPa. In one embodiment, the separator layer is pressed at a pressure of at most 10,000 MPa.
  • the separator layer is calendered with a line force of at least 0.05 kN/mm, at least 0.25 kN/mm, at least 0.5 kN/mm, at least 1 kN/mm, at least 2.5 kN/mm, or at least 5 kN/mm.
  • the value D50 describes the point in the particle size distribution at which 50% of the particles have a smaller or the same particle size as D50. Other D values are to be understood analogously. If the D value refers to the mass distribution, the D50 means that 50% of the total particle mass consists of particles that are smaller than or equal to the D50 value.
  • the sulfides or sulfide particles can be present in and/or on one or both surfaces of the nonwoven. It is advantageous if the sulfides or sulfide particles are homogeneously distributed in the xy and/or z direction of the separator layer. With this configuration, short circuits and dendrite growth can be prevented particularly effectively. Furthermore, the solid electrolyte, supported by the fleece material, can thereby have a particularly high level of homogeneity, which in turn has a positive effect on the cycle stability of the battery. It is advantageous if all the pores of the nonwoven are filled homogeneously with the sulfide particles.
  • the sulfide particles have a particle size distribution with a D50 value, or preferably a D90 value, which is smaller than the mean pore size of the nonwoven fabric.
  • the sulfide particles have a particle size distribution with a D90 value that is 0.5 times the mean pore size of the non-woven fabric corresponds to 0.2 times the mean pore size of the non-woven fabric, or 0.1 times the mean pore size of the non-woven fabric.
  • the sulfide particles are in a proportion of 60% to 90% by weight, 65% to 85% by weight, or 70% to 80% by weight, based on the total weight of the separator layer. These proportions by weight are advantageous and enable the separator layer to have particularly good ion conductivity.
  • the modulus of elasticity of the sulfide particles is from 10 to 40 GPa. Due to a low modulus of elasticity, the sulfide particles can be pressed better at low temperatures, which is advantageous in connection with roll-to-roll processability.
  • Carbon-containing materials such as artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black or metal powder can be used as conductive additives.
  • the conductive additives can be rod-shaped, e.g. as carbon nanotubes, carbon nanofibers, and vapor-grown carbon fibers.
  • the separator layer (produced in this way) is coated with a cathode layer and an anode layer.
  • the coating of the separator layer with an anode layer can be printing, for example.
  • a paste made of anodic active material, such as carbon or silicon, can be used for this, for example.
  • the coating can be implemented using a thin-film process.
  • an anode foil based on copper with lithium is coated with a protective layer in a thin-layer process and then laminated onto the separator layer.
  • an anode foil can be produced by producing a lithium-copper foil composite by means of a rolling process, then coating it with a protective layer in a thin-layer process and then laminating it onto the separator layer.
  • the coating of the separator layer with the cathode layer or the anode layer is followed by pressing or calendering of the separator layer coated in this way, in particular in a roll-to-roll process.
  • the separator layer is compressed in a first pressing or calendering, then coated with the cathode layer or the anode layer, and this separator layer coated in this way is in turn compressed by pressing or calendering.
  • the coated separator layer is pressed or calendered, the contact pressure or the contact force being lower than the contact pressure or the contact force during compression and/or calendering before coating with the cathode layer and/or the anode position.
  • a particular advantage results when the first compression step is carried out at a higher pressure or at a higher linear force than the second compression step.
  • the pressure or line force in the first compression step is 20% higher than in the second compression step, 50% higher, 100% higher, 200% higher, or 500% higher.
  • the solid ion conductor or the solid electrolyte paste also has a binder in a proportion of 0.5% by weight to 10% by weight, 0.5% by weight to 5% by weight, or 0.5% by weight % by weight to 3% by weight, based on the total weight of the solid ion conductor or the solid electrolyte paste and the binder.
  • the advantage of using binder in a proportion of less than 10% by weight is increased ionic conductivity.
  • the solid ion conductor or the solid electrolyte paste also has a binder in a proportion of less than 10% by weight, less than 1.0% by weight, or less than 0.1% by weight, based on the Total weight of the solid ion conductor or the solid electrolyte paste and the binder.
  • the solid ion conductor or the solid electrolyte paste is essentially free of a binder.
  • the nonwoven takes over the supporting function of the binder partially or even completely, so that a binder is not necessary. This is advantageous, for example, for the ion conduction of the sulfide particles if there is no or a minimized proportion of binder between the sulfide particles.
  • the binder is an organic binder, for example selected from the group consisting of polyvinylidene difluoride (PVF), hexafluoropropylene (HFP), perfluoromethyl vinyl ether (PFMV) and tetrafluoroethylene and its copolymers, polyolefins such as polyethylene, polyacrylate, perfluoropolyacrylate, polymethacrylate, polystyrene butadiene ( SBR), acrylonitrile butadiene copolymers (NBR) and mixtures thereof.
  • PVF polyvinylidene difluoride
  • HFP hexafluoropropylene
  • PFMV perfluoromethyl vinyl ether
  • NBR acrylonitrile butadiene copolymers
  • the organic binder is selected from the group consisting of polystyrene butadiene (SBR), polystyrene acrylonitrile, acrylonitrile butadiene copolymers (NBR), polyvinylidene difluoride, and mixtures thereof.
  • SBR polystyrene butadiene
  • NBR acrylonitrile butadiene copolymers
  • polyvinylidene difluoride polyvinylidene difluoride
  • the organic binder is selected from the group consisting of fluorine-based synthetic resins such as polytetrafluoroethylene, fluororubber, carboxymethyl cellulose and polyimide or mixtures thereof.
  • the binder is applied in the form of a solution. This is advantageous because the binder in this form can be processed particularly well with the sulfide particles to form a homogeneous solid electrolyte paste, which promotes homogeneity in the end product.
  • the binder has a glass transition temperature TG of -100.degree. C. to +75.degree. C., in particular of -50 to +50.degree.
  • TG glass transition temperature
  • the method comprises the steps of coating the cathode layer with a cathode conductor and/or coating the anode layer with an anode conductor, with the coating of the cathode layer with a cathode conductor and/or the coating of the anode layer with an anode conductor preferably taking place using a thin-film process, i.e. via physical vapor deposition such as thermal evaporation or sputtering, or chemical vapor deposition such as plasma enhanced chemical vapor deposition or atomic layer deposition.
  • the cathode layer is coated with a cathode collector and/or the anode layer is coated with an anode collector by a vapor deposition process.
  • the solid-state battery includes a cathode collector and/or an anode collector. It is possible to save material for the conductors compared to using conductor foils, which is advantageously based on the thinner design of the electrodes. This saves both material costs and weight and volume, which also increases the volumetric and gravimetric energy density. Savings on copper in particular increase the gravimetric energy density due to the high material density of copper itself.
  • the anode collector consists of copper, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, indium, magnesium, zinc, aluminum, germanium, lithium or a mixture thereof.
  • the cathode conductor consists of aluminum, copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, nickel, zinc or a mixture thereof.
  • coating the cathode layer with a cathode conductor includes evaporating an aluminum conductor onto the cathode layer.
  • providing the anode layer and the anode conductor includes providing a copper conductor foil, evaporating lithium as an active material, optionally with a protective layer, onto the copper conductor foil, and then laminating the lithium anode layer obtained in this way the separator layer.
  • coating the cathode layer with a cathode conductor comprises evaporating an aluminum conductor onto the cathode layer and coating the anode layer with an anode conductor comprises evaporating a copper conductor onto a silicon-carbon (Si—C) anode.
  • the cathode conductor and/or the anode conductor has a layer thickness of not more than 5.0 ⁇ m, not more than 3.0 ⁇ m, not more than 2.0 ⁇ m, or not more than 1.0 pm. In one embodiment of the method or of the solid-state battery, the cathode conductor and/or the anode conductor has a layer thickness of at least 0.1 ⁇ m, or at least 0.2 ⁇ m.
  • Such small arrester thicknesses are advantageous because they increase the energy density compared to thicker arresters and at the same time save material and thus costs. This advantage comes into play more in the case of thin electrode layers, since here the proportion of conductor materials relative to the electrochemically active material in the electrodes is high.
  • the mentioned layer thicknesses in the range from 0.1 ⁇ m to 5.0 ⁇ m can be realized, for example, by vapor deposition or a thin-film process, for example via physical vapor deposition, such as thermal evaporation or sputtering, or chemical vapor deposition, such as plasma-enhanced chemical vapor deposition or atomic layer deposition.
  • the thin conductor layers obtained in this way are a result of the manufacturing process described, which begins with a separator layer and then coats it with an anode layer and/or a cathode layer.
  • the combination of layers obtained is self-supporting and has sufficient tensile strength so that it can be further processed in roll-to-roll processes. Comparatively thin conductor layers are sufficient for the electrical conductivity of the conductors. Thickness of the separator layer, cathode layer, anode layer and the layered composite
  • the solid-state battery has one or more of the following parameters:
  • a separator layer with a thickness of not more than 50 ⁇ m, in particular not more than 40 ⁇ m, not more than 30 ⁇ m, not more than 20 ⁇ m, not more than 15 ⁇ m, or not more than 10 ⁇ m, measured according to the DIN EN test specification ISO 9073-2,
  • a cathode layer with a thickness of not more than 50 ⁇ m, not more than 40 ⁇ m, not more than 30 ⁇ m, in particular not more than 25 ⁇ m or not more than 20 ⁇ m,
  • the thickness of the anode layer is selected as a function of the material of the anode layer and the thickness of the cathode layer, e.g. by the storage capacity (in mAh/cm 2 ) of the anode corresponding to that of the cathode, or being at least 10% higher than that of the cathode, and /or
  • the layered composite of separator layer, anode layer with anode collector and cathode layer with cathode collector has a thickness of not more than 100 ⁇ m, in particular not more than 90 ⁇ m or not more than 80 ⁇ m.
  • the thickness of the cathode layer is made thin, and the thickness of the anode layer associated with this is selected to match the thickness of the cathode layer, in order to keep the requirements for the specific ion conduction of the ion conductor in the cathode layer, the anode layer and/or the separator layer low.
  • the thickness of the cathode layer is no more than 50 ⁇ m, no more than 40 ⁇ m, no more than 30 ⁇ m , in particular not more than 25 ⁇ m or not more than 20 ⁇ m, the corresponding thickness of the anode layer is essentially 30% higher, i.e. essentially not more than 65 ⁇ m, not more than 52 ⁇ m, not more than 39 ⁇ m, in particular not more than 33 pm or not more than 26 pm.
  • the ratio of the thickness of the cathode layer to the thickness of the anode layer is between 1.5 and 1.0, preferably between 1.35 and 1.25.
  • the thickness of the cathode layer is no more than 50 ⁇ m, no more than 40 ⁇ m, no more than 30 ⁇ m, in particular no more than 25 ⁇ m or not more than 20 ⁇ m, the corresponding thickness of the anode sheet is substantially no more than 20 pm, not more than 16 pm, not more than 12 pm, in particular not more than 10 pm or not more than 8 pm.
  • the ratio of the thickness of the cathode layer to the thickness of the anode layer is between 0.45 and 0.25, preferably between 0.4 and 0 ,3.
  • the thickness of the cathode layer is no more than 50 pm, no more than 40 pm, no more than 30 pm, in particular no more than 25 pm or no more than 20 pm, the corresponding thickness of the anode layer is essentially no more than 2 pm, no more than 1.6 pm, no more than 1.2 pm, in particular no more than 1.0 pm or no more than 0.8 pm.
  • the ratio of the thickness of the cathode layer to the thickness of the anode layer is between 0.06 and 0.02, preferably between 0.05 and 0.03.
  • the smaller electrode thickness must i.a. be compensated by a larger electrode area in order to achieve the same total capacity in a battery cell. This requires a larger surface area of the arrester foil (and the ion-conducting separator), which increases the weight and volume of a fixed-capacity battery cell, and thus lowers the energy density.
  • the metallic collector foils which are usually about 15 ⁇ m thick
  • thin metallic collector layers that are 0.1 to 5.0 ⁇ m thick, preferably 0.5 to 1.5 ⁇ m thick, thereby reducing weight and volume are saved and a similarly high energy density is achieved.
  • the (ion-conducting) separator layer has a thickness of not more than 50 ⁇ m, in particular not more than 40 ⁇ m, not more than 30 ⁇ m, not more than 20 ⁇ m, not more than 15 ⁇ m, or not more than 10 ⁇ m. measured according to test specification DIN EN ISO 9073-2. The thicknesses of the separator layer mentioned make it possible to maximize the energy density.
  • the suitably selected non-woven fabric ensures sufficient tensile strength of the (ion-conducting) separator layer, for example in roll-to-roll processes.
  • the manufacturing process begins with the infiltration of a non-woven fabric with a solid ion conductor in order to produce an ion-conducting separator on which the electrodes and finally the conductors are then deposited.
  • the anode layer includes, for example, anodic active material selected from the list of amorphous carbon, for example carbon black (CB), acetylene black (AB), furnace black (FB), and ketjen black (KB), graphene, graphite, TiO2; Li ⁇ isO ⁇ ; carbon-tin (C-Sn) composites, tin alloys, carbon-silicon (C-Si) composites; SiO n -based composites, silicon alloys, lithium metal, and lithium alloys is selected.
  • amorphous carbon for example carbon black (CB), acetylene black (AB), furnace black (FB), and ketjen black (KB), graphene, graphite, TiO2; Li ⁇ isO ⁇ ; carbon-tin (C-Sn) composites, tin alloys, carbon-silicon (C-Si) composites; SiO n -based composites, silicon alloys, lithium metal, and lithium alloys is selected.
  • Preferred lithium alloys are alloys of
  • the anode layer optionally also includes a binder, a conductive additive and a solid electrolyte.
  • Lii,2Nio,2Mno,e02 high-voltage spinel-type oxides (LiMn2- x M x O4, where M is a transition metal), e.g. LiNio,5Mni,s02, olivines (UMPO4, e.g. LiFePO4), TiS2, LiTiS2, and U2S is selected.
  • the cathode layer optionally also includes a binder, a conductive additive and a solid electrolyte. Configuration of the separator layer
  • providing the separator layer comprises the following steps:
  • the separator sheet is produced without subsequent calendering.
  • the drying of the filled fleece material takes place at a temperature of at least 50.degree. C., at least 100.degree. C., at least 150.degree. C., at least 200.degree. C., or at least 250.degree.
  • the drying takes place at a temperature of no more than 400 °C, no more than 350 °C, no more than 300 °C, no more than 250 °C, no more than 200 °C, or no more than 150 °C.
  • providing the separator layer comprises the following steps:
  • the separator layer is produced with subsequent pressing and/or calendering.
  • the mechanical properties of the separator layer are improved by subsequent pressing and/or calendering, which has a positive effect on the toughness, maximum tensile force and elongation of the separator layer and the entire solid-state battery.
  • This also makes it possible to reduce the proportion of binder used in the paste.
  • the electrical properties are also improved, i.e. higher ion conductivity is achieved.
  • a further advantage is the reduction in porosity, which reduces the likelihood of electronically conductive material being introduced into the separator layer during the subsequent electrode coating and any subsequent second calendering, which in extreme cases could lead to a short circuit.
  • two calendering steps are used, ie one calendering step before and after the coating with the electrodes, which is the mechanical and electrical properties of the solid-state battery further improved.
  • This enables better ion conduction of the ion conductor in the electrodes, better contact at the interface between ion conductor and active material in the electrodes, and lower porosity and, associated therewith, higher energy density.
  • a higher pressing force and/or a higher temperature are preferably used in the first calendering step than in the second calendering step.
  • the force is expressed in relation to the width of the roll.
  • the ratio of the pressing force in the first calendering step to the second calendering step is preferably at least 1.5 to 1, at least 2 to 1, at least 5 to 1, or at least 10 to 1, but at most 100 to 1, at most 50 to 1, or at most 20 to 1.
  • the pressing and/or calendering of the separator layer before coating with the cathode layer and/or the anode layer preferably takes place at a temperature of at least 50° C., at least 100° C., at least 150° C., at least 200° C., or at least 250° C instead of.
  • the separator layer is pressed and/or calendered before it is coated with the cathode layer and/or the anode layer at a temperature of no more than 400 °C, no more than 350 °C, no more than 300 °C, no more than 250 °C, no more 200 °C, or at most 150 °C.
  • the fleece material used for the separator layer was on the one hand a PET and on the other hand a material with a core of polyester, coated with polybutylene terephthalate (PBT).
  • PBT polybutylene terephthalate
  • the tensile strength (approx. 13 N / 5 cm across) was sufficient for a roll-to-roll coating.
  • the material is electrochemically stable and thermally stable up to 250 °C (PET) or 210 °C (PBT).
  • the porosity is over 65%.
  • the thickness was about 18 ⁇ m, the compressibility of which makes it difficult to determine the thickness of the nonwoven.
  • a non-woven fabric was infiltrated with a solid electrolyte paste to produce a separator layer.
  • the nonwoven here referred to as "Generation 1" was a wet nonwoven in which the Fibers have a core-sheath structure, with PET as the core and PBT as the sheath material.
  • the porosity was between about 65% and 70%.
  • the thickness was about 18 ⁇ m with a weight of 10 g/m 2 .
  • the paste was produced in a glove box under an argon atmosphere (H2O ⁇ 1 ppm, O2 ⁇ 1 ppm):
  • the sulfide solid electrolyte LiePSsCI (Argyrodit, "LPSCI", NEI Corporation) was introduced and mixed with a 12% by weight NBR binder solution in toluene .
  • the solid electrolyte binder ratio corresponded to 100:1 (mass fraction). Additional toluene was added to adjust the solid/liquid ratio to 50:50 (wt%).
  • the resulting paste was homogenized in a speed mixer (DAC 150.1 FVZ-K) at 3000 rpm for 10 minutes.
  • the paste produced was introduced into the fleece on both sides using a doctor blade method.
  • the fleece was attached to an aluminum foil.
  • the squeegee height and squeegee speed were 20 ⁇ m and 10 mm/s, respectively, in order to ensure a small separator thickness.
  • the squeegee moved during the application of solid electrolyte paste on the upper side as well as on the underside of the non-woven fabric. After drying the top at room temperature, a solid electrolyte paste was applied to the bottom with a doctor blade process. The resulting separator layer was dried at room temperature in the glove box overnight (FIG. 1).
  • the filled non-woven fabric was placed between two aluminum foils and the ion conductivity was determined using electrochemical impedance spectroscopy.
  • the complex impedance was measured on a Zennium X potentiostat from Zahner in the frequency range from 8 MHz to 100 Hz.
  • the resulting impedance spectrum can be modeled using an equivalent circuit diagram of a series circuit made up of an ohmic resistor R1, a parallel circuit made up of an ohmic resistor R2 and a constant-phase element CPE1 and a further constant-phase element CPE2.
  • the ionic conductivity is then determined from the resistance, which results from the sum of R1+R2, and the geometric parameters.
  • a considerable increase in conductivity was achieved by pressing at 510 MPa (FIG. 2) and in particular by pressing at elevated temperature. Table 1 shows the results of the conductivity measurements, which are also shown in FIG.
  • a conventional LPSCI pellet achieves a conductivity of about 5.3*10 -4 S/cm without a binder and about 4.0*10' 4 S/cm with a binder.
  • the glass transition temperature of the PBT is about 50°C and that of the PET is about 70°C. Accordingly, such an effect would already be noticeable at temperatures above 50 °C, and more pronounced at temperatures above 70 °C. These values can be higher for plastics with higher glass temperatures, e.g. 80 °C and 100 °C.
  • the composite material LiNio,eMno,2Coo,202 (MSE Supplies, particle size D50 from 3 to 6 pm) was ground with the solid electrolyte LiePSsCI, 70:30 (wt.%) in a ball mill.
  • the NMC/LPSCI powder was initially charged with a 12% by weight NBR binder solution (2-butanone solvent) and conductive carbon black in a mass ratio of 65:27:2:6 and dispersed in 2-butanone.
  • the resulting cathode paste was squeegeed onto the separator layer.
  • the wet film thickness was adjusted to 160 ⁇ m.
  • the dried cathode layers were about 65 ⁇ m thick.
  • Disks with a diameter of 10 mm were punched out of the obtained bilayer of separator layer and cathode layer and covered with an aluminum foil (thickness of 15 pm and a diameter of 10 mm) as a cathode conductor at 520 MPa at room temperature.
  • the compression reduces the thickness of the cathode layer to approx. 45 ⁇ m.
  • Indium anodes HMW Hauner, thickness 0.1 mm, diameter 9 mm
  • These indium foils function both as an anode layer and as a metal conductor.
  • the layered composite was installed in button cells (CR1220 and CR2032).
  • the cells were cycled on a Neware CT-4008 in a voltage window of 2.0 to 3.8 V.
  • the formation cycle which can be seen in the measurement data, took place at a charge/discharge rate of C/10.
  • the cells showed discharge capacities of 0.57 mAh, which corresponds to a specific capacity of the NMC of about 140 mAh/g (based on the mass of the NMC) and an area-specific capacity of 0.72 mAh cm -2 (FIG. 4).
  • FIG. 5 shows the viscosity of the separator paste produced in this example as a function of the rotational frequency of the rotating body or the shear rate, measured using a Visco QC300-L rotational viscometer from Anton Paar.

Abstract

The invention relates to methods for producing a solid state battery having a porous support body and to solid state batteries having a porous support body, which are distinguished by particularly good mechanical properties, high storage densities and low material cost.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Feststoff-Batterie mit porösem Stützkörper, und Feststoff-Batterie mit porösem Stützkörper Process for producing a solid-state battery with a porous support body, and solid-state battery with a porous support body
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Feststoff-Batterie mit porösem Stützkörper und von Feststoff- Batterien mit porösem Stützkörper, die sich durch besonders gute mechanische Eigenschaften, hohe Speicherdichten und reduzierten Materialaufwand auszeichnen. The present invention relates to methods for producing a solid-state battery with a porous supporting body and solid-state batteries with a porous supporting body, which are characterized by particularly good mechanical properties, high storage densities and reduced material costs.
Stand der Technik State of the art
Für ein Gelingen der Energiewende werden elektrische Energiespeicher benötigt, die die Zwischenspeicherung des mittels regenerativer Energiequellen erzeugten elektrischen Stromes ermöglichen. Zudem wird in den nächsten Jahren auch ein zunehmender Wandel in der Mobilität einsetzen. Der Anteil der Elektrofahrzeuge wird stark zunehmen und damit steigen die technischen Anforderungen an die Batterien, insbesondere hinsichtlich der Sicherheit und der Energiedichte. For the energy transition to be successful, electrical energy storage devices are required that enable the electrical power generated by means of regenerative energy sources to be temporarily stored. In addition, there will also be an increasing change in mobility in the coming years. The proportion of electric vehicles will increase sharply, and with it the technical demands on the batteries, especially with regard to safety and energy density.
Momentan sind nahezu alle Batterien in Elektrofahrzeugen konventionelle Li-Ionen-Batterien (LIB). Lithium-Ionen-Batterien verwenden zumeist flüssige Elektrolyte mit leicht entzündlichen Lösungsmitteln. Dies birgt das Risiko eines „thermischen Durchgehens“. Durch die Zunahme der Energiedichte von LIBs durch die Verwendung neuer Elektrodenmaterialien wird sich dieses Sicherheitsrisiko in den nächsten Jahren noch erhöhen. In Verbindung mit Lithium-Metall- Anoden, die eine erhebliche Steigerung der Energiedichte ermöglichen würden, besteht z.B. das Problem, dass sich durch wiederholtes Auf- und Entladen einer solchen Batterie Dendrite aus Lithium-Metall bilden, die zunächst zu einem Kapazitätsverlust, im Extremfall aber auch zu Kurzschlüssen und in Folge dessen zu einem thermischen Durchgehen, führen können. Currently almost all batteries in electric vehicles are conventional Li-ion batteries (LIB). Lithium-ion batteries mostly use liquid electrolytes with highly flammable solvents. This poses a risk of "thermal runaway". As the energy density of LIBs increases due to the use of new electrode materials, this safety risk will only increase in the coming years. In connection with lithium-metal anodes, which would enable a significant increase in energy density, there is the problem, for example, that repeated charging and discharging of such a battery causes lithium-metal dendrites to form, which initially lead to a loss of capacity, but in extreme cases to this can also lead to short circuits and, as a result, to thermal runaway.
Durch die intrinsische hohe Gefährlichkeit von Li-Ionen Batterien mit flüssigen brennbaren Elektrolyten und der zunehmenden Energiedichte der Li-Ionen-Batterien werden diese den gestiegenen Sicherheitsanforderungen, insbesondere der Elektromobilität, nicht gerecht. Feste lonenleiter verhindern zwar ein „thermisches Durchgehen“ und erleichtern den Einsatz von Lithium-Metall-Anoden, weisen aber typischerweise vergleichsweise geringe lonenleitfähigkeiten auf, was zu hohen Überspannungen beim Laden und Entladen führt. Due to the inherent high level of danger of Li-ion batteries with liquid, flammable electrolytes and the increasing energy density of Li-ion batteries, they do not meet the increased safety requirements, especially for electromobility. While solid ion conductors prevent "thermal runaway" and facilitate the use of lithium-metal anodes, they typically have comparatively low ionic conductivity, which leads to high overvoltages during charging and discharging.
Um den gestiegenen Sicherheitsanforderungen gerecht werden zu können, werden zunehmend Li-Ionen-Batterien mit „festen“ Elektrolyten erforscht, so dass keine flüssigen Elektrolyte mehr benötigt werden. Ein Schwerpunkt hierbei liegt auf der Erforschung der Batterien mit festen polymeren lonenleitern. Polymere weisen jedoch eine geringe I onenleitfähigkeit, vor allem bei tiefen Temperaturen, auf und können dem Wachstum von Lithium-Dendriten nur einen geringen mechanischen Widerstand entgegenbringen. Dadurch ist die vorteilhafte Verwendung von Si- Anoden oder Li-Metall-Anoden in Kombination mit polymeren Elektrolyten erschwert. Zusätzlich zu den schlechten mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften weisen organische polymere lonenleiter, wie z.B. Polyethylenglykol (PEG), aufgrund ihrer chemischen Natur immer noch eine hohe Brennbarkeit auf, so dass diese Materialien nicht intrinsisch sicher sind. Dadurch können diese den gestiegenen Anforderungen nicht gerecht werden. In order to be able to meet the increased safety requirements, Li-ion batteries with "solid" electrolytes are increasingly being researched, so that liquid electrolytes are no longer required. One focus here is on research into batteries with solid polymer ion conductors. However, polymers have a low ion conductivity, especially at low temperatures, and can only offer a low mechanical resistance to the growth of lithium dendrites. This makes the advantageous use of Si anodes or Li metal anodes in combination with polymeric electrolytes more difficult. In addition to the poor mechanical and electrochemical properties, organic polymeric ion conductors such as polyethylene glycol (PEG) still have a high flammability due to their chemical nature, so that these materials are not intrinsically safe. As a result, they cannot meet the increased requirements.
Einen neuen vielversprechenden Ansatz in der Batterieforschung, der dieses Problem lösen soll, stellen „anorganische“ Festkörperbatterien dar. Diese beruhen auf der Verwendung von anorganischen Festkörperelektrolyten zwischen und auch in den Elektroden, die die Ladungsträger in der Batterie, z.B. Li+ oder auch Na+, transportieren können. Hierdurch kann auf die Verwendung eines konventionellen Batterieseparators, getränkt mit einem Flüssigelektrolyt, verzichtet werden. Ebenso entfällt das Befüllen der Batteriezelle mit flüssigem Elektrolyt vor Versiegeln der Batteriezelle. Dadurch kann die Sicherheit der Batterien drastisch erhöht werden. Dieser Ansatz erlaubt die Verwendung von Hochvoltoxiden als Elektrodenmaterial. "Inorganic" solid-state batteries represent a new, promising approach in battery research that is intended to solve this problem. These are based on the use of inorganic solid-state electrolytes between and also in the electrodes, which carry the charge carriers in the battery, e.g. Li + or Na + , can transport. As a result, the use of a conventional battery separator impregnated with a liquid electrolyte can be dispensed with. There is also no need to fill the battery cell with liquid electrolyte before sealing the battery cell. This can drastically increase the safety of the batteries. This approach allows the use of high-voltage oxides as electrode material.
Für die Herstellung von anorganischen Festkörperbatterien werden zumeist anorganische feste lonenleiter durch ein Verpressen von Pulvern des ionenleitenden Materials zu Scheiben hergestellt. Auf diese sogenannten „Pellets“ werden in einem folgenden Schritt Elektroden, ebenfalls in Form von Pulvergemischen, aufgepresst bzw. in Form von Pasten abgeschieden, z.B. durch Rakelprozesse. Die Nachteile dieses Verfahrens sind die resultierenden großen Dicken der Festkörperelektrolyte und Separatoren, die deutlich über 100 pm liegen, wodurch zum einen hohe lonenwiderstände als auch eine sehr niedrige Energiedichte der Festkörperbatterien resultieren. For the production of inorganic solid-state batteries, mostly inorganic solid ion conductors are produced by pressing powders of the ion-conducting material to form discs. In a subsequent step, electrodes, also in the form of powder mixtures, are pressed onto these so-called "pellets" or deposited in the form of pastes, e.g. by doctor blade processes. The disadvantages of this method are the resulting large thicknesses of the solid-state electrolytes and separators, which are significantly more than 100 μm, which results in high ionic resistances and a very low energy density of the solid-state batteries.
US 2011/0003211 A1 beschreibt Elektroden für feste Polymerelektrolyt-Batterien, in denen ein fester Polymerelektrolyt einer Elektrode ausreichende Festigkeit besitzt, um sehr dünne Ableiter verwenden zu können. Es wird eine dünne Batterie mit einer Separatorlage und Elektrodenlagen vorgeschlagen. US 2011/0003211 A1 describes electrodes for solid polymer electrolyte batteries in which a solid polymer electrolyte of an electrode has sufficient strength to be able to use very thin conductors. A thin battery with a separator layer and electrode layers is proposed.
In ACS Energy Lett. 5, 2020, 718-727, wird die Herstellung eines Festkörperelektrolyten mit einem Vliesstoffträger beschrieben, indem ein elektrogesponnener Polyimid- Vliesstoff mit einer Lösung eines sulfidischen lonenleiters infiltriert, getrocknet und anschließend gesintert wird.In ACS Energy Lett. 5, 2020, 718-727 describes the production of a solid electrolyte with a nonwoven carrier, in which an electrospun polyimide nonwoven is infiltrated with a solution of a sulfidic ion conductor, dried and then sintered.
Das Sintern erfolgt bei einer vergleichsweise hohen Temperatur (ca. 400 °C), was durch den Einsatz einer Lösung anstelle einer Dispersion notwendig ist, um eine ausreichende lonenleitung des Sulfids zu erreichen. Dies bedingt wiederum den Einsatz eines Vliesstoffmaterials, das bei dieser hohen Temperatur beständig ist. Der dabei resultierende Festkörperelektrolyt weist eine hohe Dicke von 40 bis 70 pm auf, so dass die resultierende Festkörperbatterie eine niedrige resultierende Energiedichte besitzt, die den Einsatz z.B. in Elektrofahrzeugen unmöglich macht. Zudem weisen elektrogesponnene Vliesstoffe eine sehr geringe mechanische Festigkeit auf, die eine kontinuierliche Herstellung von Festkörperbatterien, z.B. mittels Rolle-zu-Rolle Verfahren, mit elektrogesponnen Vliesstoffen verhindert. The sintering takes place at a comparatively high temperature (approx. 400 °C), which is necessary due to the use of a solution instead of a dispersion in order to achieve sufficient ion conductivity of the sulfide. This in turn necessitates the use of a nonwoven material that is resistant to this high temperature. The resulting one Solid-state electrolyte has a high thickness of 40 to 70 μm, so that the resulting solid-state battery has a low resulting energy density, which makes use in electric vehicles, for example, impossible. In addition, electrospun nonwovens have a very low mechanical strength, which prevents the continuous manufacture of solid-state batteries, for example by means of roll-to-roll processes, with electrospun nonwovens.
In Nano Lett. 15, 2015, 3317-3323, wird die Herstellung einer Festkörperbatterie durch die Verwendung eines hochporösen Polyaramid- Vliesstoffes beschrieben. Dabei wird eine Dispersion aus einem ionenleitenden Pulver auf eine Nickel-Folie geräkelt und getrocknet. Anschließend werden zwei dieser Lagen mittels eines Decal-Verfahrens auf beide Seiten des Polyaramid Vliesstoffes gepresst, um einen Festkörperelektrolyten mit einer Dicke von 70 pm zu erhalten. Auf diesen wird in einem weiteren Schritt das Elektrodenpulver gestreut und anschließend der gesamte Verbund ein weiteres Mal verpresst, um die Elektroden zu erhalten. Die Kontaktierung der Elektroden, um eine Batterie zu erhalten, erfolgt mittels zweier Titan- Stäbe, die auf die Elektroden gepresst werden. Die resultierende Energiedichte einer solchen Batterie ist durch die Verwendung des 70pm dicken Festkörperelektrolyten und der Titan- Ableiter zu niedrig, um die Anforderungen der Elektromobilität an LIBs zu erfüllen. Zudem ist der Gesamtprozess sehr komplex und aufwändig, so dass es nicht möglich ist mittels dieses Verfahrens eine kommerzielle Fertigung für Festkörperbatterien zu entwickeln. Die hohe Porosität des verwendeten, schwach verfestigten Vliesstoffs bedingt, dass eine direkte Beschichtung des selbigen mittels eines Rakelprozesess ausgeschlossen ist, da die mechanische Festigkeit des verwendeten Vliesstoffes für einen kontinuierlichen Beschichtungsprozess nicht ausreichend ist. In Nano Lett. 15, 2015, 3317-3323, the production of a solid-state battery is described by using a highly porous polyaramid non-woven fabric. A dispersion of an ion-conducting powder is squeegeed onto a nickel foil and dried. Two of these layers are then pressed onto both sides of the polyaramid nonwoven fabric using a decal process in order to obtain a solid electrolyte with a thickness of 70 μm. In a further step, the electrode powder is sprinkled onto this and then the entire composite is pressed again to obtain the electrodes. The electrodes are contacted to form a battery using two titanium rods that are pressed onto the electrodes. The resulting energy density of such a battery is too low to meet the electromobility requirements for LIBs due to the use of the 70 pm thick solid electrolyte and the titanium conductor. In addition, the overall process is very complex and time-consuming, so that it is not possible to develop commercial production for solid-state batteries using this process. The high porosity of the weakly bonded nonwoven used means that it cannot be directly coated by means of a doctor blade process, since the mechanical strength of the nonwoven used is not sufficient for a continuous coating process.
Herkömmliche Fertigungsprozesse sind nicht in der Lage die Elektrodendicke zu reduzieren ohne dabei das Gewicht und das Volumen einer Batterie-Zelle bei gleichbleibender Kapazität zu erhöhen. Wenn man die Elektrodendicke reduziert, um die Überspannungen gering zu halten, wird dieser Effekt üblicherweise durch eine größere Elektrodenfläche kompensiert, um auf die gleiche Gesamt-Kapazität in einer Batteriezelle zu kommen. Dadurch steigt dann der relative Anteil der metallischen Ableiterfolien und somit das Gewicht und das Volumen. Conventional manufacturing processes are not able to reduce the electrode thickness without increasing the weight and volume of a battery cell while maintaining the same capacity. If the electrode thickness is reduced in order to keep overvoltages low, this effect is usually compensated by a larger electrode area in order to achieve the same total capacity in a battery cell. As a result, the relative proportion of metallic conductor foils and thus the weight and volume increases.
Die Ansätze aus dem Stand der Technik verwenden metallische Ableiterfolien, die eine genügende Schichtdicke aufweisen müssen, um eine ausreichende mechanische Festigkeit für den Beschichtungs- und Rolle-zu-Rolle-Prozess zu gewährleisten. Diese Schichtdicke führt zu hohen Materialkosten, aber auch zu einer Erhöhung des Gewichts und des Volumens der Batteriezelle, und somit zu einer Senkung der gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte. Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Verwendung von Elektroden mit üblichen Schichtdicken von 100 bis 200 pm in Verbindung mit festen lonenleitern. Feste lonenleiter weisen typischerweise wesentlich geringere Leitfähigkeiten auf als flüssige lonenleiter. Dadurch entstehen hohe Innenwiderstände in den Batteriezellen. Einzelne feste lonenleiter mit ähnlich hohen Leitfähigkeiten wie flüssige lonenleiter sind bekannt, aber oft teuer, aufwändig zu synthetisieren oder zu verarbeiten. Dies gilt insbesondere für die hohe Feuchte-Empfindlichkeit von Sulfiden. Auch ergeben sich in kostengünstigen Produktionsprozessen Einschränkungen in der Verarbeitung der ionenleitenden Materialien, die die resultierende lonenleitung in der fertigen Batteriezelle begrenzen. The approaches from the prior art use metallic conductor foils, which must have a sufficient layer thickness in order to ensure sufficient mechanical strength for the coating and roll-to-roll process. This layer thickness leads to high material costs, but also to an increase in the weight and volume of the battery cell, and thus to a reduction in the gravimetric and volumetric energy density. A further problem arises from the use of electrodes with the usual layer thicknesses of 100 to 200 μm in connection with solid ion conductors. Solid ion conductors typically have significantly lower conductivities than liquid ion conductors. This creates high internal resistances in the battery cells. Individual solid ion conductors with similarly high conductivities as liquid ion conductors are known, but are often expensive and difficult to synthesize or process. This applies in particular to the high moisture sensitivity of sulphides. There are also limitations in the processing of the ion-conducting materials in cost-effective production processes, which limit the resulting ion conduction in the finished battery cell.
Den Feststoffelektrolyt-Pasten wird üblicherweise ein Binder zugesetzt, um die Prozessierbarkeit der beschichteten Folien zu gewährleisten, wie z.B. Biegsamkeit für Rolle zu Rolle Prozesse. Diese Binder reduzieren aber die ionische Leitfähigkeit der Separatoren, insbesondere bei hohen Binderanteilen, wobei ein Anteil von mehr als 1 Gew.% bereits als „hoch“ eingestuft wird. Anorganische lonenleiter erfordern eine starke Komprimierung, um den Kontakt zwischen den einzelnen Pulver-Partikeln zu verbessern und die Porosität zu minimieren. Diese Komprimierung der Batteriezelle birgt jedoch die Gefahr eines Kurzschlusses, die vor allem bei dünnen Separatorschichten unter 100 pm relevant wird, also je dünner der Separator gestaltet wird. A binder is usually added to the solid electrolyte pastes to ensure the processability of the coated foils, such as flexibility for roll-to-roll processes. However, these binders reduce the ionic conductivity of the separators, in particular with high binder proportions, with a proportion of more than 1% by weight already being classified as “high”. Inorganic ionic conductors require high compression to improve contact between the individual powder particles and minimize porosity. However, this compression of the battery cell harbors the risk of a short circuit, which is particularly relevant for thin separator layers below 100 μm, i.e. the thinner the separator is designed.
Es wäre daher wünschenswert einen Fertigungsprozess und eine Feststoff-Batterie zu entwickeln, die die Probleme aus dem Stand der Technik zurückdrängt oder sogar gänzlich vermeidet. It would therefore be desirable to develop a manufacturing process and a solid-state battery that reduces or even completely avoids the problems of the prior art.
In dem Zusammenhang ist es erstrebenswert einen Fertigungsprozess zu entwickeln, der eine ausreichende Zugfestigkeit für die Rolle-zu-Rolle Verarbeitung der einzelnen Komponenten in einer Feststoff-Batterie gewährleistet, die ein thermisches Durchgehen wie bei Lithium-Ionen- Batteriezellen mit flüssigem Elektrolyten vermeidet und deren Energiedichte den wachsenden Anforderungen z.B. bei Einsatz in Elektromobilen gerecht wird. In this context, it is desirable to develop a manufacturing process that ensures sufficient tensile strength for the roll-to-roll processing of the individual components in a solid-state battery, which avoids thermal runaway as with lithium-ion battery cells with liquid electrolyte and their Energy density meets the growing requirements, e.g. when used in electric vehicles.
Der Gegenstand der Erfindung löst die im Stand der Technik beschriebenen Probleme. The subject of the invention solves the problems described in the prior art.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the Invention
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Feststoff- Batterie, mit den Schritten In a first aspect, the invention relates to a method for producing a solid-state battery, with the steps
Bereitstellen einer Separatorlage, umfassend ein Vliesmaterial und einen festen lonenleiter, wobei das Bereitstellen einer Separatorlage insbesondere das Bereitstellen eines Vliesstoffs und das Infiltrieren des Vliesstoffs mit einer Feststoffelektrolyt-Paste umfasst, Beschichtung der Separatorlage mit einer Kathodenlage und einer Anodenlage, bevorzugt gefolgt von einem Verpressen oder Kalandrieren der beschichteten Separatorlage, insbesondere in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess, wobei das Vliesmaterial z-Durchgangsporen besitzt, d.h. Poren, die in z-Richtung keine Unterbrechungen durch Fasern aufweisen, bzw. Poren, die das Vliesmaterial im Wesentlichen senkrecht zur Separatorlage, in z-Richtung, durchdringen, wobei die Porendichte mindestens 1000 mm-2 beträgt, mehr bevorzugt mindestens 10000 mm-2 beträgt, und/oder wobei die Fasern des Vliesmaterials einen mittleren Titer von 0,06 dtex bis 3,3 dtex aufweisen. Providing a separator layer, comprising a nonwoven material and a solid ion conductor, wherein the provision of a separator layer comprises in particular the provision of a nonwoven fabric and the infiltration of the nonwoven fabric with a solid electrolyte paste, Coating of the separator layer with a cathode layer and an anode layer, preferably followed by pressing or calendering the coated separator layer, in particular in a roll-to-roll process, the fleece material having z through-pores, ie pores that have no interruptions in the z-direction have fibers, or have pores that penetrate the fleece material essentially perpendicularly to the separator layer, in the z-direction, the pore density being at least 1000 mm -2 , more preferably at least 10000 mm -2 , and/or the fibers of the Fleece material have an average titre of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Feststoff-Batterie, umfassend eine Separatorlage, umfassend ein Vliesmaterial und einen festen lonenleiter, eine Kathodenlage und eine Anodenlage, wobei das Vliesmaterial z-Durchgangsporen besitzt, d.h. Poren, die in z-Richtung keine Unterbrechungen durch Fasern aufweisen, bzw. Poren, die das Vliesmaterial im Wesentlichen senkrecht zur Separatorlage, in z-Richtung, durchdringen, wobei die Porendichte mindestens 1000 mm-2 beträgt, mehr bevorzugt mindestens 10000 mm-2 beträgt, und/oder wobei die Fasern des Vliesmaterials einen mittleren Titer von 0,06 dtex bis 3,3 dtex aufweisen. In a second aspect, the invention relates to a solid-state battery comprising a separator layer comprising a fleece material and a solid ion conductor, a cathode layer and an anode layer, the fleece material having z through pores, ie pores that are not interrupted by fibers in the z direction have, or pores that penetrate the fleece material essentially perpendicular to the separator layer, in the z-direction, the pore density being at least 1000 mm -2 , more preferably at least 10000 mm -2 , and/or the fibers of the fleece material having a have an average titre of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
Die Erfinder haben entdeckt, dass dem ionenleitenden Separator eine ausreichende Zugfestigkeit bei Rolle-zu-Rolle Prozesse verliehen werden kann, indem er durch einen Vliesstoff gestützt wird. Die Erfinder haben überraschenderweise entdeckt, dass der Herstellungsprozess für Feststoff-Batterien mit einer frei tragenden Separator-Folie begonnen werden kann. Insbesondere beginnt der Fertigungsprozess durch das Bereitstellen eines Vliesstoffs und das Infiltrieren des Vliesstoffs mit einer Feststoffelektrolyt-Paste, um so eine ionenleitende Separatorlage herzustellen. Auf diese Separatorlage werden dann die Elektroden, d.h. eine Kathodenlage und eine Anodenlage, aufgebracht, die wesentlich dünner als aus dem Stand der Technik bekannt gestaltet werden können. The inventors discovered that the ion-conductive separator can be given sufficient tensile strength in roll-to-roll processes by being supported by a non-woven fabric. The inventors have surprisingly discovered that the manufacturing process for solid state batteries can be started with a self-supporting separator foil. In particular, the manufacturing process begins by providing a non-woven fabric and infiltrating the non-woven fabric with a solid electrolyte paste in order to produce an ion-conducting separator layer. The electrodes, i.e. a cathode layer and an anode layer, are then applied to this separator layer, and these electrodes can be made much thinner than known from the prior art.
Gemäß der Erfindung ist die Verwendung eines Vliesstoffes vorteilhaft, da dies eine einfache Herstellung freitragender Folien, z.B. einer Separatorlage oder einer Elektrode, mit höherer Zugbelastbarkeit im Vergleich zu freistehenden Feststoff-Separator-Folien ohne Vliesstoff ermöglicht. Das spielt u.a. bei Rolle-zu-Rolle Prozessen eine wichtige Rolle. According to the invention, the use of a non-woven fabric is advantageous since this enables easy production of self-supporting films, e.g. This plays an important role in roll-to-roll processes, among other things.
Aufgrund der erhöhten mechanischen Festigkeit kann weniger Binder eingesetzt werden, was den Innenwiderstand reduziert. Gemäß der Erfindung wird das Problem vermieden bzw. minimiert, dass beim Verpressen oder Kalandrieren der einzelnen Lagen bzw. Feststoff-Batterie-Komponenten das Kathodenmaterial durch einen zu dünnen Separator hin zur Anode gepresst wird. Dadurch werden Kurzschlüsse vermieden bzw. minimiert, wie sie vor allem bei dünnen Separatoren ohne Vliesstoff auftreten können. Due to the increased mechanical strength, less binder can be used, which reduces the internal resistance. According to the invention, the problem is avoided or minimized that when pressing or calendering the individual layers or solid-state battery components, the cathode material is pressed through a separator that is too thin towards the anode. This avoids or minimizes short circuits, which can occur in particular with thin separators without non-woven material.
Gemäß der Erfindung ist die Verwendung eines Vliesstoffes auch vorteilhaft, weil Kurzschlüsse durch Lithium-Dendriten besser unterdrückt werden können. According to the invention, the use of a non-woven fabric is also advantageous because short circuits caused by lithium dendrites can be better suppressed.
In einem verwandten Aspekt betrifft die Erfindung eine Feststoff- Batterie, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist oder hergestellt wird. In a related aspect, the invention relates to a solid-state battery that can be produced or is produced by the method according to the invention.
Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures
Figur 1 zeigt eine REM-Aufnahme einer erfindungsgemäß eingesetzten Separatorlage aus einem mit Feststoffelektrolyt gefüllten Vliesmaterial nach Trocknung. FIG. 1 shows an SEM photograph of a separator layer used according to the invention made of a fleece material filled with solid electrolyte after drying.
Figur 2 zeigt eine REM-Aufnahme einer erfindungsgemäß eingesetzten Separatorlage aus einem mit Feststoffelektrolyt gefüllten Vliesmaterial nach Trocknung und anschließendem Verpressen. FIG. 2 shows an SEM photograph of a separator layer used according to the invention made of a fleece material filled with solid electrolyte after drying and subsequent pressing.
Figur 3 zeigt einen Vergleich der mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie gemessenen lonenleitfähigkeiten von Pellets gemäß Stand der Technik im Vergleich zu den Separatorlagen der Erfindung. FIG. 3 shows a comparison of the ion conductivities of pellets according to the prior art, measured by means of electrochemical impedance spectroscopy, in comparison with the separator layers of the invention.
Figur 4 zeigt das Ergebnis von Zyklierungsversuchen mit erfindungsgemäßen Feststoff- Batterien. Dabei ist die Lade- bzw. Entladespannung in Abhängigkeit der Ladung bezogen auf die kathodische Aktivmasse dargestellt. FIG. 4 shows the result of cycling tests with solid-state batteries according to the invention. The charging or discharging voltage is shown as a function of the charge based on the cathodic active material.
Figur 5 zeigt Ergebnisse von Viskositätsmessungen an Feststoffelektrolyt-Pasten. FIG. 5 shows the results of viscosity measurements on solid electrolyte pastes.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Feststoff- Batterie, mit den Schritten In a first aspect, the invention relates to a method for producing a solid-state battery, with the steps
Bereitstellen einer Separatorlage, umfassend ein Vliesmaterial und einen festen lonenleiter, wobei das Bereitstellen einer Separatorlage insbesondere das Bereitstellen eines Vliesstoffs und das Infiltrieren des Vliesstoffs mit einer Feststoffelektrolyt-Paste umfasst, Beschichtung der Separatorlage mit einer Kathodenlage und einer Anodenlage, bevorzugt gefolgt von einem Verpressen oder Kalandrieren der beschichteten Separatorlage, insbesondere in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess, wobei das Vliesmaterial z-Durchgangsporen besitzt, d.h. Poren, die in z-Richtung keine Unterbrechungen durch Fasern aufweisen, bzw. Poren, die das Vliesmaterial im Wesentlichen senkrecht zur Separatorlage, in z-Richtung, durchdringen, wobei die Porendichte mindestens 1000 mm-2 beträgt, mehr bevorzugt mindestens 10000 mm-2 beträgt, und/oder wobei die Fasern des Vliesmaterials einen mittleren Titer von 0,06 dtex bis 3,3 dtex aufweisen. Providing a separator layer, comprising a nonwoven material and a solid ion conductor, wherein the provision of a separator layer comprises in particular the provision of a nonwoven fabric and the infiltration of the nonwoven fabric with a solid electrolyte paste, Coating of the separator layer with a cathode layer and an anode layer, preferably followed by pressing or calendering the coated separator layer, in particular in a roll-to-roll process, the fleece material having z through-pores, ie pores that have no interruptions in the z-direction have fibers, or have pores that penetrate the fleece material essentially perpendicularly to the separator layer, in the z-direction, the pore density being at least 1000 mm -2 , more preferably at least 10000 mm -2 , and/or the fibers of the Fleece material have an average titre of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Feststoff-Batterie, umfassend eine Separatorlage, umfassend ein Vliesmaterial und einen festen lonenleiter, eine Kathodenlage und eine Anodenlage, wobei das Vliesmaterial z-Durchgangsporen besitzt, d.h. Poren, die in z-Richtung keine Unterbrechungen durch Fasern aufweisen, bzw. Poren, die das Vliesmaterial im Wesentlichen senkrecht zur Separatorlage, in z-Richtung, durchdringen, wobei die Porendichte mindestens 1000 mm-2 beträgt, mehr bevorzugt mindestens 10000 mm-2 beträgt, und/oder wobei die Fasern des Vliesmaterials einen mittleren Titer von 0,06 dtex bis 3,3 dtex aufweisen. In a second aspect, the invention relates to a solid-state battery comprising a separator layer comprising a fleece material and a solid ion conductor, a cathode layer and an anode layer, the fleece material having z through pores, ie pores that are not interrupted by fibers in the z direction have, or pores that penetrate the fleece material essentially perpendicular to the separator layer, in the z-direction, the pore density being at least 1000 mm -2 , more preferably at least 10000 mm -2 , and/or the fibers of the fleece material having a have an average titre of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Feststoff-Batterie gewährleisten, dass der ionenleitende Separator eine ausreichende Zugfestigkeit bei Rolle-zu-Rolle Prozessen besitzt, indem er durch einen Vliesstoff gestützt wird. Dabei ist es vorteilhaft, dass der Herstellungsprozess für Feststoff-Batterien mit einer frei tragenden Separator-Folie begonnen werden kann. Insbesondere beginnt der Fertigungsprozess durch das Bereitstellen eines Vliesstoffs und das Infiltrieren des Vliesstoffs mit einer Feststoffelektrolyt-Paste, um so eine ionenleitende Separatorlage herzustellen. Auf diese Separatorlage werden folglich die Elektroden, d.h. eine Kathodenlage und eine Anodenlage, aufgebracht, die wesentlich dünner gestaltet werden können als bislang üblich. The method according to the invention and the solid-state battery according to the invention ensure that the ion-conducting separator has sufficient tensile strength in roll-to-roll processes by being supported by a non-woven fabric. It is advantageous that the manufacturing process for solid-state batteries can be started with a self-supporting separator film. In particular, the manufacturing process begins by providing a non-woven fabric and infiltrating the non-woven fabric with a solid electrolyte paste in order to produce an ion-conducting separator layer. Consequently, the electrodes, i.e. a cathode layer and an anode layer, are applied to this separator layer and can be made much thinner than has been customary up to now.
Das Verfahren ist vorteilhaft, wenn man dünne Ableiter durch Aufdampfen auf dünne Elektroden bereitstellt, statt herkömmliche Ableiterfolien zu verwenden. Dies erlaubt den Einsatz von lonenleitern mit geringen lonenleitfähigkeiten, wie z.B. die Verwendung von kostengünstig produzierbaren Sulfiden. The method is advantageous when providing thin conductors by vapor deposition onto thin electrodes instead of using conventional conductor foils. This allows the use of ion conductors with low ion conductivities, such as the use of sulfides that can be produced inexpensively.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch deutlich reduzierte Fertigungskosten aus, u.a. weil die zu Grunde liegenden Einzelschritte kostengünstiger sind. Z.B. ist es möglich, Kalandrieren über einen Rolle-zu-Rolle Prozess anzuwenden anstatt Verpressen von einzelnen Flächenelementen. The method according to the invention is characterized by significantly reduced manufacturing costs, partly because the individual steps on which it is based are less expensive. For example, it is possible Apply calendering via a roll-to-roll process instead of pressing individual sheet elements.
Die Verwendung eines Vliesstoffes bringt eine Reihe von Vorteilen, wie z.B. die einfache Herstellung freitragender Folien, für den Separator und/oder die Elektroden, bei einer verbesserten, also höheren, Zugbelastbarkeit im Vergleich zu freistehenden Feststoff- Separator-Folien ohne Vliesstoff. Weiterhin kann der Einsatz eines Binders in den Feststoffelektrolyt-Pasten weiter reduziert bzw. gänzlich weggelassen werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Innenwiderstand der Feststoff-Batterie aus. The use of a nonwoven brings a number of advantages, such as the simple production of self-supporting films for the separator and/or the electrodes, with an improved, i.e. higher, tensile strength compared to free-standing solids separator films without a nonwoven. Furthermore, the use of a binder in the solid electrolyte pastes can be further reduced or omitted entirely. This has an advantageous effect on the internal resistance of the solid-state battery.
Sofern die Separatorlage mit einer Kathodenlage und einer Anodenlage mit anschließendem Verpressen beschichtet wird ist der Einsatz eines Vliesstoffes vorteilhaft, weil sie das Durchdrücken des Kathodenmaterials oder Anodenmaterials durch die Separatorlage erschwert und auf diese Art Kurzschlüsse vermeidet, vor allem bei dünnen Separatorlagen. If the separator layer is coated with a cathode layer and an anode layer with subsequent pressing, the use of a nonwoven is advantageous because it makes it more difficult for the cathode material or anode material to push through the separator layer and thus avoids short circuits, especially with thin separator layers.
Separatorlage separator layer
Die Separatorlage umfasst ein Vliesmaterial und einen festen lonenleiter. Insbesondere wird die Separatorlage bereitgestellt, indem ein Vliesstoff mit einer Feststoffelektrolyt-Paste infiltriert wird. The separator layer comprises a fleece material and a solid ion conductor. In particular, the separator layer is provided by infiltrating a nonwoven fabric with a solid electrolyte paste.
Das Infiltrieren eines Vliesstoffs mit einer Feststoffelektrolyt-Paste kann auch als ein Füllen oder Imprägnieren des Vliesstoffs mit der Feststoffelektrolyt-Paste verstanden werden. Der Fachmann weiß und versteht, dass dieser Vorgang zum Ziel hat, die Kavitäten des Vliesstoffs mit der Paste möglichst vollständig auszufüllen. Dabei genügt es nicht, dass die Fasern des Vliesstoffs bzw. der Vliesstoff nur mit der Paste überzogen, die Kavitäten aber nicht ausgefüllt werden. The infiltration of a non-woven fabric with a solid electrolyte paste can also be understood as filling or impregnating the non-woven fabric with the solid electrolyte paste. Those skilled in the art know and understand that the aim of this process is to fill the cavities of the nonwoven with the paste as completely as possible. It is not sufficient that the fibers of the non-woven material or the non-woven material are only coated with the paste, but the cavities are not filled.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Separatorlage eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften auf: eine Höchstzugkraft quer zur Maschinenrichtung, gemessen nach DIN EN 29073-3 (1992-08), von 5 N / 5 cm bis 50 N / 5 cm, bevorzugter von 5 N / 5 cm bis 40 N / 5 cm, insbesondere von 7 N / 5 cm bis 40 N / 5 cm aufweist, eine Dehnung in Maschinenrichtung, gemessen nach DIN EN 29073-3 (1992-08), von 5 % bis 50 %, bevorzugt von 6 % bis 30 %, insbesondere von 8 % bis 20 % aufweist, und/oder bei quadratischer Fläche einen Flächenschrumpf bis 200°C von 0,01 Flächen% bis 10,0 Flächen% aufweist, bevorzugt von 0,01 Flächen% bis 2,0 Flächen%, mehr bevorzugt von 0,1 Flächen% bis 2,0 Flächen%. Die genannten Parameter(bereiche) sind an vorteilhafte mechanische Eigenschaften, wie Zähigkeit und Stabilität, gekoppelt und erlauben dadurch, die Feststoff-Batterie möglichst dünn und mit geringem Gewicht auszugestalten, ohne dabei das Risiko von Kurzschlüssen einzugehen. In a preferred embodiment, the separator layer has one or more of the following properties: a maximum tensile force transverse to the machine direction, measured according to DIN EN 29073-3 (1992-08), from 5 N/5 cm to 50 N/5 cm, more preferably from 5 N/5 cm to 40 N/5 cm, in particular from 7 N/5 cm to 40 N/5 cm, an elongation in the machine direction, measured according to DIN EN 29073-3 (1992-08), from 5% to 50% , preferably from 6% to 30%, in particular from 8% to 20%, and/or in the case of a square area, has an area shrinkage up to 200° C. of 0.01 area% to 10.0 area%, preferably 0.01 area % to 2.0% by area, more preferably from 0.1% by area to 2.0% by area. The parameters (ranges) mentioned are linked to advantageous mechanical properties, such as toughness and stability, and thus allow the solid-state battery to be designed as thin and light as possible without running the risk of short circuits.
Für ein geeignetes Infiltrieren in das Vliesmaterial ist die Viskosität der Feststoffelektrolyt-Paste geringer als 500 mPa*s, bevorzugt geringer als 200 mPa*s, besonders bevorzugt geringer als 100 mPa*s, jedoch höher als 20 mPa*s, bevorzugt höher als 50 mPa*s, um ein günstiges Infiltrationsverhalten zu ermöglichen. Für ein geeignetes Infiltrieren in das Vliesmaterial ist die Viskosität der Feststoffelektrolyt-Paste zwischen 20 mPa*s und 500 mPa*s, bevorzugt zwischen 50 mPa*s und 200 mPa*s. Eine zu hohe Viskosität erschwert ein schnelles und gleichmäßiges Ausfüllen der Kavitäten. Eine zu geringe Viskosität führt zu einem zu geringen Materialeintrag der Paste in den Vliesstoff und birgt die Gefahr des Auslaufens der Paste aus dem Vliesstoff nach Infiltration vor Trocknung. For suitable infiltration into the fleece material, the viscosity of the solid electrolyte paste is less than 500 mPa*s, preferably less than 200 mPa*s, particularly preferably less than 100 mPa*s, but higher than 20 mPa*s, preferably higher than 50 mPa*s to enable favorable infiltration behavior. For suitable infiltration into the fleece material, the viscosity of the solid electrolyte paste is between 20 mPa*s and 500 mPa*s, preferably between 50 mPa*s and 200 mPa*s. Too high a viscosity makes it difficult to fill the cavities quickly and evenly. If the viscosity is too low, the paste does not carry enough material into the non-woven fabric and there is a risk that the paste will leak out of the non-woven fabric after infiltration before drying.
Vliesmaterial non-woven material
Die Begriffe „Vliesmaterial“ und „Vliesstoff“ werden hierin synonym verwendet. The terms “nonwoven material” and “nonwoven fabric” are used interchangeably herein.
Vliesstoffe haben den Vorteil, dass sie isotrope mechanische Eigenschaften und vergleichsweise hohe Weiterreisfestigkeiten, insbesondere im Vergleich zu Geweben, Gestricken, Gewirken und Netzen, haben, die im Wesentlichen aus Endlosfilamenten bestehen. Nonwoven fabrics have the advantage that they have isotropic mechanical properties and comparatively high tear propagation resistance, in particular in comparison to woven, knitted, knitted and net fabrics, which essentially consist of endless filaments.
Vliesstoffe können Spinnvliesstoffe, Meltblown-Vliesstoffe, Nassvliesstoffe, Trockenvliesstoffe, Nanofaservliesstoffe und aus Lösung gesponnene Vliesstoffe sein. In einer Ausführungsform ist der Vliesstoff ein Nassvliesstoff, da dieser mit einer sehr gleichmäßigen Faserverteilung, einem geringen Gewicht, einer besonders geringen Dicke, einer sehr hohen Luftdurchlässigkeit bei gleichzeitig hohen mechanischen Festigkeiten gefertigt werden kann. Das ermöglicht einen hohen Füllungsgrad (durch Infiltrieren) mit ionenleitendem Material. Eine geringe Dicke des porösen Vliesstoffsubstrates ermöglicht elektrochemische Energiespeicher und Wandler mit einer hohen Energiedichte und Leistungsdichte. Nonwovens can be spunbonded nonwovens, meltblown nonwovens, wet-laid nonwovens, dry-laid nonwovens, nanofiber nonwovens, and solution-spun nonwovens. In one embodiment, the nonwoven is a wet nonwoven because it can be manufactured with a very uniform fiber distribution, low weight, particularly low thickness, very high air permeability and high mechanical strength at the same time. This enables a high degree of filling (through infiltration) with ion-conducting material. A small thickness of the porous nonwoven substrate enables electrochemical energy storage and converters with a high energy density and power density.
Gemäß der Erfindung besitzt das Vliesmaterial z-Durchgangsporen, d.h. Poren, die in z- Richtung keine Unterbrechungen durch Fasern aufweisen, bzw. Poren, die das Vliesmaterial im Wesentlichen senkrecht zur Separatorlage, in z-Richtung, durchdringen, wobei die Porendichte mindestens 1000 mm-2 beträgt, mehr bevorzugt mindestens 10000 mm-2 beträgt, und/oder wobei die Fasern des Vliesmaterials einen mittleren Titer von 0,06 dtex bis 3,3 dtex aufweisen. According to the invention, the nonwoven material has z through pores, ie pores that are not interrupted by fibers in the z direction, or pores that penetrate the nonwoven material essentially perpendicularly to the separator layer in the z direction, the pore density being at least 1000 mm -2 is more preferably at least 10000 mm -2 and/or wherein the fibers of the fleece material have an average titer of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
Die Zahl der z-Durchgangsporen im Vliesmaterial kann mittels Raster-ElektronenmikroskopieThe number of z-through pores in the fleece material can be determined using scanning electron microscopy
(REM) quantifiziert werden. Dabei wird ein REM-Bild, vorzugsweise bei 500facher Vergrößerung, aufgenommen, die Anzahl der z-Poren auf einer Fläche von 100 x 100 pm2 gezählt, und der Mittelwert an drei verschiedenen Stellen bestimmt. (REM) can be quantified. In this case, a SEM image, preferably at 500x Magnification, taken, the number of z-pores in an area of 100 x 100 pm 2 counted and the average determined at three different locations.
Der Vliesstoff, insbesondere in seiner Ausführungsform als Nassvliesstoff, kann Kurzschnittfasern aufweisen. Unter Kurzschnittfasern sind Fasern mit einer Länge von vorzugsweise 1 mm bis 12 mm, bevorzugt von 3 mm bis 6 mm, zu verstehen. Der mittlere Titer der Fasern kann in Abhängigkeit von der gewünschten Struktur des Vliesstoffs variieren. Als günstig hat sich insbesondere die Verwendung von Fasern mit einem mittleren Titer von 0,06 dtex bis 3,3 dtex, von 0,06 dtex bis 1 ,7 dtex, oder von 0,06 dtex bis 1 ,0 dtex, erwiesen, gemessen nach DIN EN ISO 1973:1995-12. The nonwoven, in particular in its embodiment as a wet nonwoven, can have short-cut fibers. Short-cut fibers are fibers with a length of preferably 1 mm to 12 mm, preferably 3 mm to 6 mm. The mean titer of the fibers can vary depending on the desired structure of the nonwoven fabric. The use of fibers with an average titer of 0.06 dtex to 3.3 dtex, of 0.06 dtex to 1.7 dtex, or of 0.06 dtex to 1.0 dtex has proven to be particularly advantageous according to DIN EN ISO 1973:1995-12.
Praktische Versuche haben ergeben, dass die zumindest anteilige Verwendung von Mikrofasern mit einem mittleren Titer von weniger als 1 dtex, vorzugsweise von 0,06 dtex bis 1 dtex sich vorteilhaft auf die Größe und Struktur der Porengrößen und innere Oberfläche sowie auf die Dichte des Vliesstoffs auswirkt. Dabei haben sich Anteile von wenigstens 5 Gew.%, von 5 Gew.% bis 35 Gew.%, insbesondere 5 Gew.% bis 20 Gew.-% an Mikrofasern, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge an Fasern im Vliesstoff, als besonders günstig erwiesen. In praktischen Versuchen wurde gefunden, dass mit den vorgenannten Parametern eine besonders homogene Infiltration erreicht werden kann. Eine homogene Infiltration ermöglicht auch eine homogene Funktion des Festkörperelektrolyten, eingebracht durch die Feststoffelektrolyt-Paste. Die Fasern des Vliesstoffes können als Matrixfasern und/oder Bindefasern vorliegen. Bindefasern sind Fasern, die beispielsweise während des Herstellungsprozesses des Vliesstoffes durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb ihres Schmelzpunkts und/oder Erweichungspunkts zumindest an einigen Kreuzungspunkten der Fasern Verfestigungspunkte und/oder Verfestigungsbereiche ausbilden können. An diesen Kreuzungspunkten können die Bindefasern dabei stoffschlüssige Verbindungen mit anderen Fasern und/oder innerhalb ein und derselben Faser ausbilden. Durch die Verwendung von Bindefasern kann mithin ein Gerüst aufgebaut und ein thermisch verfestigter Vliesstoff erhalten werden. Alternativ können die Bindefasern auch komplett aufschmelzen und so den Vliesstoff verfestigen. Die Bindefasern können als Kern-Mantelfasern, bei denen der Mantel die Bindekomponente darstellt, und/oder als unverstreckte Fasern ausgebildet sein. Practical tests have shown that the at least partial use of microfibers with an average titer of less than 1 dtex, preferably from 0.06 dtex to 1 dtex, has an advantageous effect on the size and structure of the pore sizes and inner surface as well as on the density of the nonwoven . Proportions of at least 5% by weight, from 5% by weight to 35% by weight, in particular 5% by weight to 20% by weight, of microfibers, based in each case on the total amount of fibers in the nonwoven fabric, have proven to be particularly favorable . In practical tests it was found that a particularly homogeneous infiltration can be achieved with the aforementioned parameters. A homogeneous infiltration also enables a homogeneous function of the solid electrolyte introduced by the solid electrolyte paste. The fibers of the non-woven fabric can be in the form of matrix fibers and/or binding fibers. Binding fibers are fibers that can form bonding points and/or bonding areas at least at some crossing points of the fibers, for example during the production process of the nonwoven fabric by heating to a temperature above their melting point and/or softening point. At these crossing points, the binding fibers can form integral connections with other fibers and/or within one and the same fiber. By using binding fibers, a framework can therefore be built up and a thermally bonded nonwoven fabric can be obtained. Alternatively, the binding fibers can also melt completely and thus strengthen the nonwoven. The binding fibers can be designed as core-sheath fibers, in which the sheath represents the binding component, and/or as undrawn fibers.
Vorteilhaft an der Verwendung von Bindefasern ist, dass dadurch Vliesstoffe ohne die Verwendung von jeglichen Bindemitteln hergestellt werden können. Dies verbessert die elektrochemische Stabilität des porösen Substrates und damit auch die Lebensdauer der Batterie. Ein weiterer Vorteil an der Verwendung von Bindefasern ist, dass sie die Luftdurchlässigkeit des Vliesstoffes weniger negativ beeinflussen als Bindemittel, die auf und in die Fasern aufgebracht werden. Durch die Verwendung von Bindefasern ist somit die Herstellung von mechanisch stabilen Vliesstoffen mit einer hohen Luftdurchlässigkeit möglich. In einer Ausführungsform der Feststoff-Batterie umfasst das Vliesmaterial eine oder mehrere Fasern, wobei die eine oder mehrere Fasern einen hochschmelzenden Kern und eine niederschmelzende Hülle umfassen. Das ist vorteilhaft, da solche Fasern ein besonders homogen gebundenes Vliesmaterial ermöglichen. The advantage of using binder fibers is that non-woven fabrics can be produced without the use of any binders. This improves the electrochemical stability of the porous substrate and thus the lifespan of the battery. Another advantage of using binder fibers is that they have less of an adverse effect on the air permeability of the nonwoven fabric than binders that are applied onto and into the fibers. The use of binding fibers thus makes it possible to produce mechanically stable nonwovens with a high level of air permeability. In one embodiment of the solid state battery, the non-woven material comprises one or more fibers, wherein the one or more fibers comprise a high-melting point core and a low-melting point shell. This is advantageous since such fibers allow a particularly homogeneously bonded fleece material.
In einer Ausführungsform beträgt der Anteil der Bindefasern im faserbasierten Substrat von 95 Gew.% bis 50 Gew. %, oder von 95 Gew.% bis 65 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Vliesstoffes vor einer Infiltration. Dies ist vorteilhaft, da in diesem Bereich eine sehr hohe mechanische Festigkeit des gesamten Fasersubstrates erreicht wird, was sich positiv auf die Kalandrierstabilität auswirkt. In one embodiment, the proportion of binding fibers in the fiber-based substrate is from 95% by weight to 50% by weight, or from 95% by weight to 65% by weight, based on the total weight of the nonwoven fabric before infiltration. This is advantageous because very high mechanical strength of the entire fiber substrate is achieved in this area, which has a positive effect on calendering stability.
In einer Ausführungsform weist der Vliesstoff Matrixfasern auf, d.h. Fasern, die im Wesentlichen unverschmolzen vorliegen. Vorzugsweise weisen die Matrixfasern einen Schmelzpunkt von über 160 °C, bevorzugt über 200 °C, insbesondere über 250 °C auf und/oder einen Zersetzungspunkt von über 250 °C, insbesondere über 350 °C, auf. Diese Eigenschaften verbessern die Strukturstabilität des Vliesstoffes unter Druck- und/oder Temperaturbelastung und führen zu einem niedrigen Flächenschrumpf, vorzugsweise bis 200 °C. In one embodiment, the nonwoven has matrix fibers, i.e., fibers that are substantially unfused. The matrix fibers preferably have a melting point of over 160°C, preferably over 200°C, in particular over 250°C and/or a decomposition point of over 250°C, in particular over 350°C. These properties improve the structural stability of the nonwoven under pressure and/or temperature stress and result in low area shrinkage, preferably up to 200°C.
In einer Ausführungsform beträgt der Anteil der Matrixfasern im Vliesstoff von 5 Gew.% bis 70 Gew.%, von 5 Gew.% bis 50 Gew.%, oder von 5 Gew.% bis 35 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Vliesstoffes vor einer Infiltration. Dies ist vorteilhaft, da in diesem Bereich eine sehr hohe geometrische Stabilität gegenüber Kalandrierprozessen und eine sehr hohe strukturelle Homogenität erreicht werden. In one embodiment, the proportion of matrix fibers in the nonwoven is from 5% by weight to 70% by weight, from 5% by weight to 50% by weight, or from 5% by weight to 35% by weight, based on the total weight of the nonwoven an infiltration. This is advantageous because in this area a very high geometric stability compared to calendering processes and a very high structural homogeneity are achieved.
Die Fasern im Vliesstoff können in den verschiedensten Formen ausgebildet sein, beispielsweise als Flach-, Hohl-, Rund-, Oval-, Trilobal-, Multilobal- Bico- und/oder „Island in the sea“-Faser. In einer Ausführungsform ist der Querschnitt der Fasern rund ausgebildet. The fibers in the nonwoven can be formed in a wide variety of shapes, for example as flat, hollow, round, oval, trilobal, multilobal, bico and/or “island in the sea” fibers. In one embodiment, the cross section of the fibers is round.
In einer Ausführungsform ist das Vliesmaterial ausgewählt aus der Liste von Polyacrylnitril, Polyimid, Polyamid, insbesondere Polyamid 6 und Polyamid 6.6, Aramid, insbesondere Polyparaphenylenterephthalamid (PPTA), Polyvinylalkohol, Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat und/oder Polybutylenterephthalat, Copolyester, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen und/oder deren Gemische, Viskose, Cellulose und AI2O3. In one embodiment, the fleece material is selected from the list of polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, in particular polyamide 6 and polyamide 6.6, aramid, in particular polyparaphenylene terephthalamide (PPTA), polyvinyl alcohol, polyester, in particular polyethylene terephthalate and/or polybutylene terephthalate, copolyester, polyolefins, in particular polyethylene and /or polypropylene and/or mixtures thereof, viscose, cellulose and Al2O3.
In einer Ausführungsform weist das Vliesmaterial vor Aufbringen des festen lonenleiters bzw. der Feststoffelektrolyt-Paste eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften auf: eine Luftdurchlässigkeit, gemessen nach EN ISO 9237, von 300 I rrr2 s-1 bis 1000 I rrr2 s-1, bevorzugt von 400 I rrr2 s-1 bis 1000 I rrr2 s-1, insbesondere von 450 I rrr2 s-1 bis 850 I rrr2 s-1, eine durchschnittliche Porosität von wenigstens 30%, mehr bevorzugt wenigstens 50%, noch mehr bevorzugt wenigstens 70%, am meisten bevorzugt wenigstens 85%, mittlere Porengrößen, gemessen nach DIN ISO 4003, von 1 pm bis 100 pm, 3 pm bis 90 pm, 5 pm bis 85 pm, 10 pm bis 80 pm, oder 20 pm bis 75 pm. In one embodiment, the fleece material has one or more of the following properties before the solid ion conductor or the solid electrolyte paste is applied: an air permeability, measured according to EN ISO 9237, from 300 I rrr 2 s -1 to 1000 I rrr 2 s -1 , preferably from 400 I rrr 2 s -1 to 1000 I rrr 2 s -1 , in particular from 450 I rrr 2 s -1 to 850 I rrr 2 s -1 , an average porosity of at least 30%, more preferably at least 50%, even more preferably at least 70%, most preferably at least 85%, average pore sizes, measured according to DIN ISO 4003, from 1 μm to 100 μm, 3 μm to 90 μm, 5 pm to 85 pm, 10 pm to 80 pm, or 20 pm to 75 pm.
Alternativ beträgt die Porosität des Vliesstoffes vorzugsweise von 40% bis 90%, von 50% bis 80%, insbesondere von 55% bis 70%. Alternatively, the porosity of the non-woven fabric is preferably from 40% to 90%, from 50% to 80%, in particular from 55% to 70%.
Die durchschnittliche Porosität P des Vliesmaterials bezieht sich auf die Porosität des Substrats an sich, d.h. im Zustand vor Infiltration mit dem festen lonenleiter bzw. der Feststoffelektrolyt- Paste. Die durchschnittliche Porosität des Vliesmaterials (in %) berechnet sich aus der tatsächlich gemessenen (apparenten) Dichte dapp und der Dichte des Polymers, bzw. der Dichte des Vliesmaterials an sich, dpoiymer über folgende Formel The average porosity P of the fleece material relates to the porosity of the substrate itself, ie in the state before infiltration with the solid ion conductor or the solid electrolyte paste. The average porosity of the fleece material (in %) is calculated from the actually measured (apparent) density d app and the density of the polymer, or the density of the fleece material itself, dp oiy mer, using the following formula
P [%] = 100 - 100 * ( Öapp / Cfpolymer ) P [%] = 100 - 100 * ( Öapp / Cfpolymer )
Vorteilhaft an einer hohen Porosität ist, dass große Volumina für das Infiltrieren mit Festkörperelektrolyt zur Verfügung stehen, was wiederum die Leitfähigkeit der Separatorlage erhöht. The advantage of a high porosity is that large volumes are available for infiltration with solid electrolyte, which in turn increases the conductivity of the separator layer.
Eine hohe Luftdurchlässigkeit ist vorteilhaft, da sie einen hohen Füllgrad mit der Festelektrolytpaste in dem porösen Substrat begünstigt und somit einen niedrigen Widerstand der resultierenden Separatorlage ergibt. A high air permeability is advantageous because it favors a high degree of filling with the solid electrolyte paste in the porous substrate and thus results in a low resistance of the resulting separator sheet.
Die genannten mittleren Porengrößen sind vorteilhaft, da dadurch eine fehlerfreie Infiltration des Vliesstoffes mit der Festelektrolytpaste ermöglicht wird. Dies reduziert den lonentransportwiderstand des Festkörperelektrolyten. The average pore sizes mentioned are advantageous, since this enables the solid electrolyte paste to be infiltrated correctly into the nonwoven fabric. This reduces the ion transport resistance of the solid electrolyte.
Bevorzugt weist das Vliesmaterial eine Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2, von 5 pm bis 30 pm, bevorzugt von 8 pm bis 20 pm, insbesondere von 8 pm bis 16 pm, auf. Eine geringe Dicke ist vorteilhaft, da sie eine hohe Energiedichte und Leistungsdichte der Batterie ermöglicht. Eine Mindestdicke ist zweckmäßig, da eine bestimmte Festigkeit für das Herstellungsverfahren erforderlich ist. The fleece material preferably has a thickness, measured according to DIN EN ISO 9073-2, of 5 μm to 30 μm, preferably 8 μm to 20 μm, in particular 8 μm to 16 μm. A small thickness is advantageous because it enables the battery to have a high energy density and power density. A minimum thickness is appropriate since a certain strength is required for the manufacturing process.
Feststoffelektrolyt solid electrolyte
Die Begriffe „fester lonenleiter“, „Festelektrolyt“, „Festkörperelektrolyt“ und „Feststoffelektrolyt“ werden hierin synonym verwendet. The terms “solid ion conductor”, “solid electrolyte”, “solid electrolyte” and “solid electrolyte” are used synonymously herein.
Der Festelektrolyt kann z.B. aus der Gruppe von Natrium-Supra-Ionenleitern (engl. AkronymThe solid electrolyte can e.g. from the group of sodium-supra-ionic conductors (acronym
NASICON für sodium (Na) Super Ionic CONductor), wie z.B. LiM2(PÜ4)3 (wobei M ein Kation ist), Nai+xZr2SixP3-xOi2 (0<x<3) oder Lii+xAlxTi2-x(PO4)3 (LATP), Granat-Typ Elektrolyten, wie z.B. Li?La3Zr20i2 (LLZO), Perovskit-Typ Elektrolyten, wie z.B. Li3xLa2/3-xTiC>3 (LLTO), gewählt sein. NASICON for sodium (Na) Super Ionic CONductor), such as LiM2(PÜ4)3 (where M is a cation is), Nai +x Zr2SixP3-xOi2 (0<x<3) or Lii +x Al x Ti2-x(PO4)3 (LATP), garnet-type electrolytes, such as Li?La3Zr20i2 (LLZO), perovskite-type Electrolytes such as Li3xLa2/3-xTiC>3 (LLTO) can be selected.
Der Festelektrolyt kann ein sulfidischer lonenleiter sein, der Lithium und Schwefel enthält. Der Festelektrolyt kann dabei ein Glas, eine Glas-Keramik oder eine Keramik sein. Beispielhafte Gläser sind xLi2S (100-x)P2Ss, xÜ2S (100-x)B2S3 und xÜ2S (100-x)SiS2, xLi2S (100-x)SiS2, optional dotiert mit U3PO4, Li4SiO4, und/oder Li4GeO4. The solid electrolyte can be a sulfide ion conductor containing lithium and sulfur. The solid electrolyte can be a glass, a glass-ceramic or a ceramic. Exemplary glasses are xLi2S(100-x)P2Ss, xÜ2S(100-x)B2S3 and xÜ2S(100-x)SiS2, xLi2S(100-x)SiS2, optionally doped with U3PO4, Li4SiO4, and/or Li4GeO4.
Beispielhafte Glaskeramiken stammen aus der Gruppe mit der allgemeinen Formel LiwMxPySz, wie z.B. Li4-tGei-tPtS4 (0 < t < 1). Exemplary glass ceramics come from the group with the general formula Li w M x PySz, such as Li4-tGeit- t PtS4 (0<t<1).
Der Festelektrolyt kann aus der Gruppe der Argyrodit-Typ Li-Ionen-Festelektrolyte, wie z.B. LiePSsX (wobei X = CI, Br, I) oder aus der Gruppe von Thio-Lisicon, gebildet aus den Systemen Li2S-GeS2, Li2S-GeS2-ZnS und Li2S-GeS2-Ga2S3, stammen. Die in Feng Zheng et al. (Review on solid electrolytes for all-solid-state lithium-ion batteries, Journal of Power Sources 389, 2018, 198-213) rezensierten Li-Ionen-Festelektrolyte werden durch Verweis hierin aufgenommen. The solid electrolyte can be from the group of argyrodite-type Li-ion solid electrolytes, such as LiePSsX (where X = CI, Br, I) or from the group of thio-lisicon, formed from the systems Li2S-GeS2, Li2S-GeS2- ZnS and Li2S-GeS2-Ga2S3. The in Feng Zheng et al. (Review on solid electrolytes for all-solid-state lithium-ion batteries, Journal of Power Sources 389, 2018, 198-213) reviewed Li-ion solid electrolytes are incorporated herein by reference.
Der Feststoffelektrolyt kann durch verschiedene Auftragsverfahren, vorzugsweise Beschichtungsverfahren, wie insbesondere Rakeln, Walzenauftrag, Gravur-Coating, Auftrag aus einer Breitschlitzdüse, auf und in den Vliesstoff appliziert werden, womit eine Infiltration des Vliesstoffes mit der Festelektrolyt-Paste erreicht werden kann. Besonders bevorzugt hierbei sind Auftragsverfahren wie der Auftrag mittels einer Breitschlitzdüse und mittels Walzenauftragsverfahren. Diese sind vorteilhaft, weil sich dadurch die Festelektrolytpasten sehr gleichmäßig in und auf dem Vliesstoff verteilen. The solid electrolyte can be applied to and into the nonwoven by various application methods, preferably coating methods, such as in particular doctor blades, roller application, gravure coating, application from a slot die, with which infiltration of the nonwoven with the solid electrolyte paste can be achieved. Application methods such as application by means of a slot die and by means of roller application methods are particularly preferred here. These are advantageous because they allow the solid electrolyte pastes to be distributed very evenly in and on the nonwoven.
Sulfidische Feststoffelektrolyte Sulphide Solid Electrolytes
In einer Ausführungsform des Verfahrens oder der Feststoff-Batterie ist der feste lonenleiter ein anorganischer lonenleiter. Insbesondere ist der feste lonenleiter ausgewählt aus der Gruppe von Sulfiden und Thiophosphaten, wobei der feste lonenleiter bevorzugt in Form von Sulfid- Partikeln vorliegt, mit Partikelgrößen D50 von weniger als 2 pm, weniger als 1 pm, weniger als 500 nm, weniger als 200 nm, oder weniger als 100 nm, bezogen auf die Masseverteilung und den Durchmesser der Sulfid-Partikel. In one embodiment of the method or of the solid-state battery, the solid ion conductor is an inorganic ion conductor. In particular, the solid ion conductor is selected from the group of sulfides and thiophosphates, with the solid ion conductor preferably being in the form of sulfide particles, with particle sizes D50 of less than 2 μm, less than 1 μm, less than 500 nm, less than 200 nm , or less than 100 nm based on the mass distribution and the diameter of the sulfide particles.
Durch die sich anschließenden Verfahrensschritte, wie z.B. Kalandrieren, versintern die Sulfid- Partikel miteinander, so dass die angegebene Partikelgröße in der erhaltenen Separator-Lage nicht mehr zwingend ersichtlich ist. Die angegebene Partikelgröße bezieht sich auf die Sulfid- Partikel in der Paste, die beim Infiltrieren des Vliesstoffes verwendet wird. Die Verwendung von Sulfiden bzw. Sulfid-Partikeln ist vorteilhaft, weil sie eine hohe Duktilität und eine im Vergleich zu vielen anderen Festelektrolyten hohe lonenleitung aufweisen. Die hohe Duktilität erlaubt ein Versintern bei moderaten Temperaturen unter Anwendung von entsprechend geeigneten Drücken. As a result of the subsequent process steps, such as calendering, the sulfide particles sinter together, so that the specified particle size is no longer necessarily evident in the separator layer obtained. The specified particle size refers to the sulfide particles in the paste used to infiltrate the nonwoven. The use of sulfides or sulfide particles is advantageous because they have high ductility and high ionic conductivity compared to many other solid electrolytes. The high ductility allows sintering at moderate temperatures using appropriate pressures.
In einer Ausführungsform findet das Verpressen und/oder Kalandrieren der Separatorlage bei einer Temperatur von wenigstens 25 °C, wenigstens 50 °C, wenigstens 100 °C, wenigstens 150 °C, wenigstens 200 °C, wenigstens 250 °C, oder wenigstens 300 °C statt. In einer Ausführungsform findet das Verpressen und/oder Kalandrieren der Separatorlage bei einer Temperatur von höchstens 400 °C statt. In one embodiment, the separator layer is pressed and/or calendered at a temperature of at least 25° C., at least 50° C., at least 100° C., at least 150° C., at least 200° C., at least 250° C., or at least 300° C instead. In one embodiment, the pressing and/or calendering of the separator layer takes place at a temperature of at most 400°C.
In einer Ausführungsform findet das Verpressen der Separatorlage bei einem Druck von wenigstens 10 MPa, wenigstens 50 MPa, wenigstens 100 MPa, wenigstens 200 MPa, wenigstens 500 MPa, oder wenigstens 1000 MPa statt. In einer Ausführungsform findet das Verpressen der Separatorlage bei einem Druck von höchstens 10000 MPa statt. In one embodiment, the separator layer is pressed at a pressure of at least 10 MPa, at least 50 MPa, at least 100 MPa, at least 200 MPa, at least 500 MPa, or at least 1000 MPa. In one embodiment, the separator layer is pressed at a pressure of at most 10,000 MPa.
In einer Ausführungsform findet das Kalandrieren der Separatorlage bei einer Linienkraft von wenigstens 0,05 kN/mm, wenigstens 0,25 kN/mm, wenigstens 0,5 kN/mm, wenigstens 1 kN/mm, wenigstens 2,5 kN/mm, oder wenigstens 5 kN/mm statt. In one embodiment, the separator layer is calendered with a line force of at least 0.05 kN/mm, at least 0.25 kN/mm, at least 0.5 kN/mm, at least 1 kN/mm, at least 2.5 kN/mm, or at least 5 kN/mm.
Der Wert D50 beschreibt hierbei den Punkt in der Partikelgrößenverteilung bei dem 50% der Partikel eine kleinere oder gleiche Partikelgröße als D50 aufweisen. Andere D-Werte sind analog zu verstehen. Bezieht sich der D-Wert auf die Massenverteilung, bedeutet der D50, dass 50% der Gesamtpartikelmasse aus Partikeln besteht, die kleiner oder gleich groß wie der D50 Wert sind. The value D50 describes the point in the particle size distribution at which 50% of the particles have a smaller or the same particle size as D50. Other D values are to be understood analogously. If the D value refers to the mass distribution, the D50 means that 50% of the total particle mass consists of particles that are smaller than or equal to the D50 value.
In einer Ausführungsform können die Sulfide bzw. Sulfid-Partikel in und/oder auf einer oder beiden Oberflächen des Vliesstoffes vorliegen. Es ist vorteilhaft, wenn die die Sulfide bzw. Sulfid-Partikel dabei in xy- und/oder z-Richtung der Separatorlage homogen verteilt sind. Durch diese Ausgestaltung können Kurzschlüsse und Dendritenwachstum besonders wirksam verhindert werden. Ferner kann der Feststoffelektrolyt, gestützt durch das Vliesmaterial, hierdurch eine besonders hohe Homogenität aufweisen, was wiederum eine positive Auswirkung auf die Zyklenstabilität der Batterie hat. Dabei ist vorteilhaft, wenn sämtliche Poren des Vliesstoffes homogen mit den Sulfid-Partikeln ausgefüllt sind. In one embodiment, the sulfides or sulfide particles can be present in and/or on one or both surfaces of the nonwoven. It is advantageous if the sulfides or sulfide particles are homogeneously distributed in the xy and/or z direction of the separator layer. With this configuration, short circuits and dendrite growth can be prevented particularly effectively. Furthermore, the solid electrolyte, supported by the fleece material, can thereby have a particularly high level of homogeneity, which in turn has a positive effect on the cycle stability of the battery. It is advantageous if all the pores of the nonwoven are filled homogeneously with the sulfide particles.
In einer Ausführungsform weisen die Sulfid-Partikel eine Partikelgrößenverteilung mit einem D50-Wert, oder bevorzugt einem D90-Wert, auf, der kleiner ist als die mittlere Porengröße des Vliesstoffes. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Sulfid-Partikel eine Partikelgrößenverteilung mit einem D90-Wert auf, der dem 0,5fachen der mittleren Porengröße des Vliesstoffes entspricht, dem 0,2fachen der mittleren Porengröße des Vliesstoffes, oder dem 0,1fachen der mittleren Porengröße des Vliesstoffes. In one embodiment, the sulfide particles have a particle size distribution with a D50 value, or preferably a D90 value, which is smaller than the mean pore size of the nonwoven fabric. In a preferred embodiment, the sulfide particles have a particle size distribution with a D90 value that is 0.5 times the mean pore size of the non-woven fabric corresponds to 0.2 times the mean pore size of the non-woven fabric, or 0.1 times the mean pore size of the non-woven fabric.
In einer Ausführungsform liegen die Sulfid-Partikel in einem Anteil von 60 Gew.% bis 90 Gew.%, von 65 Gew.% bis 85 Gew.%, oder von 70 Gew.% bis 80 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Separatorlage vor. Diese Gewichtsanteile sind vorteilhaft und ermöglichen eine besonders gute lonen-Leitfähigkeit der Separatorlage. In one embodiment, the sulfide particles are in a proportion of 60% to 90% by weight, 65% to 85% by weight, or 70% to 80% by weight, based on the total weight of the separator layer. These proportions by weight are advantageous and enable the separator layer to have particularly good ion conductivity.
In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt das Elastizitäts-Modul der Sulfid-Partikel von 10 bis 40 GPa. Durch ein niedriges Elastizitäts-Modul lassen sich die Sulfid-Partikel besser bei niedrigen Temperaturen verpressen, was vorteilhaft im Zusammenhang mit einer Rolle-zu-Rolle Prozessierbarkeit ist. In one embodiment of the invention, the modulus of elasticity of the sulfide particles is from 10 to 40 GPa. Due to a low modulus of elasticity, the sulfide particles can be pressed better at low temperatures, which is advantageous in connection with roll-to-roll processability.
Leitadditiv lead additive
Als Leitadditiv können Kohlenstoff-haltige Materialien, wie z.B. künstlicher Graphit, Carbon- Black, Acetylen-Black, Ketjen-Black oder Metall-Pulver eingesetzt werden. Insbesondere können die Leitadditive Stäbchen-förmig gestaltet sein, z.B. als carbon nanotubes, carbon nanofibers, und vapour-grown carbon fibers. Carbon-containing materials such as artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black or metal powder can be used as conductive additives. In particular, the conductive additives can be rod-shaped, e.g. as carbon nanotubes, carbon nanofibers, and vapor-grown carbon fibers.
Anodenlage und Kathodenlage anode layer and cathode layer
Die (so erzeugte) Separatorlage wird mit einer Kathodenlage und einer Anodenlage beschichtet. The separator layer (produced in this way) is coated with a cathode layer and an anode layer.
Das Beschichten der Separatorlage mit einer Anodenlage kann z.B. ein Bedrucken sein. Dafür kann beispielhaft eine Paste aus anodischem Aktivmaterial, wie z.B. Kohlenstoff oder Silicium, verwendet werden. Bei einer Lithium-Metall-Anode kann das Beschichten über einen Dünnschichtprozess realisiert werden. The coating of the separator layer with an anode layer can be printing, for example. A paste made of anodic active material, such as carbon or silicon, can be used for this, for example. In the case of a lithium-metal anode, the coating can be implemented using a thin-film process.
In einer Ausführungsform wird eine Anoden-Folie, basierend auf Kupfer mit Lithium, in einem Dünnschichtprozess mit einer Schutzschicht beschichtet und dann auf die Separatorlage auflaminiert. In einer alternativen Ausführungsform kann eine Anoden-Folie hergestellt werden, in dem ein Lithium-Kupfer-Folienverbund durch einen Walzprozess hergestellt wird, danach in einem Dünnschichtprozess mit einer Schutzschicht beschichtet wird und dann auf die Separatorlage auflaminiert wird. In one embodiment, an anode foil based on copper with lithium is coated with a protective layer in a thin-layer process and then laminated onto the separator layer. In an alternative embodiment, an anode foil can be produced by producing a lithium-copper foil composite by means of a rolling process, then coating it with a protective layer in a thin-layer process and then laminating it onto the separator layer.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Beschichten der Separatorlage mit der Kathodenlage oder der Anodenlage gefolgt ist von einem Verpressen oder Kalandrieren der so beschichteten Separatorlage, insbesondere in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Separatorlage in einem ersten Verpressen oder Kalandrieren komprimiert wird, dann mit der Kathodenlage oder der Anodenlage beschichtet wird, und diese so beschichtete Separatorlage wiederum durch Verpressen oder Kalandrieren komprimiert wird. Dabei erfolgt nach dem Beschichten der Separatorlage mit einer Kathodenlage und einer Anodenlage ein Verpressen oder Kalandrieren der beschichteten Separatorlage, wobei der Anpressdruck oder die Anpresskraft geringer ist als der Anpressdruck oder die Anpresskraft beim Verpressen und/oder Kalandrieren vor der Beschichtung mit der Kathodenlage und/oder der Anodenlage. It is also advantageous if the coating of the separator layer with the cathode layer or the anode layer is followed by pressing or calendering of the separator layer coated in this way, in particular in a roll-to-roll process. In particular, it is advantageous if the separator layer is compressed in a first pressing or calendering, then coated with the cathode layer or the anode layer, and this separator layer coated in this way is in turn compressed by pressing or calendering. After the separator layer has been coated with a cathode layer and an anode layer, the coated separator layer is pressed or calendered, the contact pressure or the contact force being lower than the contact pressure or the contact force during compression and/or calendering before coating with the cathode layer and/or the anode position.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn der erste Komprimierungsschritt bei einem höheren Druck bzw. bei einer höheren Linienkraft durchgeführt wird als der zweite Komprimierungsschritt. In einer Ausführungsform ist der Druck bzw. die Linienkraft im ersten Komprimierungsschritt um 20% höher als beim zweiten Komprimierungsschritt, 50% höher, 100% höher, 200% höher, oder 500% höher. A particular advantage results when the first compression step is carried out at a higher pressure or at a higher linear force than the second compression step. In one embodiment, the pressure or line force in the first compression step is 20% higher than in the second compression step, 50% higher, 100% higher, 200% higher, or 500% higher.
Binder binder
In einer Ausführungsform weist der feste lonenleiter bzw. die Feststoffelektrolyt-Paste zusätzlich einen Binder in einem Anteil von 0,5 Gew.% bis 10 Gew.%, von 0,5 Gew.% bis 5 Gew.%, oder von 0,5 Gew.% bis 3 Gew.% auf, bezogen auf das Gesamtgewicht des festen lonenleiters bzw. der Feststoffelektrolyt-Paste und dem Binder. Vorteilhaft an der Verwendung von Binder in einem Anteil von weniger als 10 Gew.% ist eine erhöhte ionische Leitfähigkeit. In one embodiment, the solid ion conductor or the solid electrolyte paste also has a binder in a proportion of 0.5% by weight to 10% by weight, 0.5% by weight to 5% by weight, or 0.5% by weight % by weight to 3% by weight, based on the total weight of the solid ion conductor or the solid electrolyte paste and the binder. The advantage of using binder in a proportion of less than 10% by weight is increased ionic conductivity.
In einer Ausführungsform weist der feste lonenleiter bzw. die Feststoffelektrolyt-Paste zusätzlich einen Binder in einem Anteil von weniger als 10 Gew.%, weniger als 1,0 Gew.%, oder weniger als 0,1 Gew.% auf, bezogen auf das Gesamtgewicht des festen lonenleiters bzw. der Feststoffelektrolyt-Paste und dem Binder. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der feste lonenleiter bzw. die Feststoffelektrolyt-Paste im Wesentlichen frei von einem Binder. Erfindungsgemäß übernimmt der Vliesstoff die Stützfunktion des Binders teilweise oder sogar komplett, so dass ein Binder entbehrlich wird. Das ist z.B. vorteilhaft für die lonenleitung der Sulfidpartikel, wenn kein oder ein minimierter Anteil an Binder zwischen den Sulfidpartikeln vorliegt. In one embodiment, the solid ion conductor or the solid electrolyte paste also has a binder in a proportion of less than 10% by weight, less than 1.0% by weight, or less than 0.1% by weight, based on the Total weight of the solid ion conductor or the solid electrolyte paste and the binder. In a preferred embodiment, the solid ion conductor or the solid electrolyte paste is essentially free of a binder. According to the invention, the nonwoven takes over the supporting function of the binder partially or even completely, so that a binder is not necessary. This is advantageous, for example, for the ion conduction of the sulfide particles if there is no or a minimized proportion of binder between the sulfide particles.
In einer Ausführungsform ist der Binder ein organischer Binder, z.B. ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylidendifluorid (PVF), Hexafluoropropylen (HFP), Perfluoromethylvinylether (PFMV) und Tetrafluoroethylen und dessen Copolymeren, Polyolefinen wie beispielsweise Polyethylen, Polyacrylat, Perfluorpolyacrylat, Polymethacrylat, Polystyrolbutadien (SBR), Acrylnitrilbutadiencopolymere (NBR) und Gemischen hiervon. In einer Ausführungsform ist der organische Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polystyrolbutadien (SBR), Polystyrolacrylonitril, Acrylnitrilbutadiencopolymeren (NBR), Polyvinylidendifluorid und Gemischen hiervon. In one embodiment, the binder is an organic binder, for example selected from the group consisting of polyvinylidene difluoride (PVF), hexafluoropropylene (HFP), perfluoromethyl vinyl ether (PFMV) and tetrafluoroethylene and its copolymers, polyolefins such as polyethylene, polyacrylate, perfluoropolyacrylate, polymethacrylate, polystyrene butadiene ( SBR), acrylonitrile butadiene copolymers (NBR) and mixtures thereof. In one embodiment, the organic binder is selected from the group consisting of polystyrene butadiene (SBR), polystyrene acrylonitrile, acrylonitrile butadiene copolymers (NBR), polyvinylidene difluoride, and mixtures thereof.
In einer Ausführungsform ist der organische Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fluor-basierten Kunstharzen wie Polytetrafluoroethylen, Fluorokautschuk, Carboxymethylcellulose und Polyimid oder Mischungen davon. In one embodiment, the organic binder is selected from the group consisting of fluorine-based synthetic resins such as polytetrafluoroethylene, fluororubber, carboxymethyl cellulose and polyimide or mixtures thereof.
In einer Ausführungsform wird der Binder in Form einer Lösung appliziert. Dies ist vorteilhaft, weil sich der Binder in dieser Form besonders gut mit den Sulfidpartikeln zu einer homogenen Festelektrolyt-Paste verarbeiten lässt, was die Homogenität im Endprodukt begünstigt. In one embodiment, the binder is applied in the form of a solution. This is advantageous because the binder in this form can be processed particularly well with the sulfide particles to form a homogeneous solid electrolyte paste, which promotes homogeneity in the end product.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Binder eine Glasübergangstemperatur TG von - 100 °C bis + 75 °C auf, insbesondere von - 50 bis + 50 °C. Vorteilhaft an einem Binder mit dieser Glasübergangstemperatur ist, dass er schlagzähe Festelektrolytschichten ergibt, die wiederum gut in einem Rolle-zu-Rolle Fertigungsprozess verarbeitet werden können. In a preferred embodiment, the binder has a glass transition temperature TG of -100.degree. C. to +75.degree. C., in particular of -50 to +50.degree. The advantage of a binder with this glass transition temperature is that it results in impact-resistant solid electrolyte layers, which in turn can be easily processed in a roll-to-roll manufacturing process.
Anodenableiter und Kathodenableiter anode arrester and cathode arrester
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte Beschichten der Kathodenlage mit einem Kathodenableiter, und/oder Beschichten der Anodenlage mit einem Anodenableiter, wobei das Beschichten der Kathodenlage mit einem Kathodenableiter und/oder das Beschichten der Anodenlage mit einem Anodenableiter bevorzugt durch einen Dünnschichtprozess geschieht, d.h. über physikalische Gasphasenabscheidung, wie z.B. thermisches Verdampfen oder Sputtern, oder chemische Gasphasenabscheidung, wie z.B. plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung oder Atomlagenabscheidung. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Beschichten der Kathodenlage mit einem Kathodenableiter und/oder das Beschichten der Anodenlage mit einem Anodenableiter durch einen Aufdampfprozess. In one embodiment, the method comprises the steps of coating the cathode layer with a cathode conductor and/or coating the anode layer with an anode conductor, with the coating of the cathode layer with a cathode conductor and/or the coating of the anode layer with an anode conductor preferably taking place using a thin-film process, i.e. via physical vapor deposition such as thermal evaporation or sputtering, or chemical vapor deposition such as plasma enhanced chemical vapor deposition or atomic layer deposition. In a preferred embodiment, the cathode layer is coated with a cathode collector and/or the anode layer is coated with an anode collector by a vapor deposition process.
In einer analogen Ausführungsform umfasst die Feststoff-Batterie einen Kathodenableiter und/oder einen Anodenableiter. Dabei ist eine Einsparung an Material für die Ableiter im Vergleich zu einer Verwendung von Ableiterfolien möglich, die auf der dünneren Ausführung der Elektroden vorteilhaft aufbaut. Dadurch werden gleichermaßen Mate rial kosten neben Gewicht und Volumen eingespart, was außerdem die volumetrische und gravimetrische Energiedichte erhöht. Insbesondere Einsparungen bei Kupfer erhöhen die gravimetrische Energiedichte aufgrund der hohen Materialdichte von Kupfer selbst. In an analogous embodiment, the solid-state battery includes a cathode collector and/or an anode collector. It is possible to save material for the conductors compared to using conductor foils, which is advantageously based on the thinner design of the electrodes. This saves both material costs and weight and volume, which also increases the volumetric and gravimetric energy density. Savings on copper in particular increase the gravimetric energy density due to the high material density of copper itself.
Beispielhaft besteht der Anodenableiter aus Kupfer, Edelstahl, Titan, Eisen, Kobalt, Nickel, Indium, Magnesium, Zink, Aluminium, Germanium, Lithium oder einer Mischung davon. Beispielhaft besteht der Kathodenableiter aus Aluminium, Kupfer, Magnesium, Edelstahl, Titan, Eisen, Nickel, Zink oder einer Mischung davon. For example, the anode collector consists of copper, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, indium, magnesium, zinc, aluminum, germanium, lithium or a mixture thereof. For example, the cathode conductor consists of aluminum, copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, nickel, zinc or a mixture thereof.
In einer Ausführungsform umfasst das Beschichten der Kathodenlage mit einem Kathodenableiter das Aufdampfen eines Aluminiumableiters auf die Kathodenlage. In one embodiment, coating the cathode layer with a cathode conductor includes evaporating an aluminum conductor onto the cathode layer.
In einer Ausführungsform umfasst das Bereitstellen der Anodenlage und des Anodenableiters das Bereitstellen einer Kupfer-Ableiter-Folie, das Aufdampfen von Lithium als Aktivmaterial, optional mit einer Schutzschicht, auf die Kupfer-Ableiter-Folie, und anschließendes Laminieren der so erhaltenen Lithium-Anodenlage auf die Separator- Lage. In one embodiment, providing the anode layer and the anode conductor includes providing a copper conductor foil, evaporating lithium as an active material, optionally with a protective layer, onto the copper conductor foil, and then laminating the lithium anode layer obtained in this way the separator layer.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Beschichten der Kathodenlage mit einem Kathodenableiter das Aufdampfen eines Aluminiumableiters auf die Kathodenlage, und das Beschichten der Anodenlage mit einem Anodenableiter umfasst das Aufdampfen eines Kupferableiters auf eine Silicium-Kohlenstoff (Si-C) Anode. In another embodiment, coating the cathode layer with a cathode conductor comprises evaporating an aluminum conductor onto the cathode layer and coating the anode layer with an anode conductor comprises evaporating a copper conductor onto a silicon-carbon (Si—C) anode.
In einer Ausführungsform des Verfahrens oder der Feststoff-Batterie weist der Kathodenableiter und/oder der Anodenableiter eine Schichtdicke von nicht mehr als 5,0 pm auf, nicht mehr als 3,0 pm, nicht mehr als 2,0 pm, oder nicht mehr als 1 ,0 pm. In einer Ausführungsform des Verfahrens oder der Feststoff-Batterie weist der Kathodenableiter und/oder der Anodenableiter eine Schichtdicke von mindestens 0,1 pm, oder mindestens 0,2 pm auf. In one embodiment of the method or the solid-state battery, the cathode conductor and/or the anode conductor has a layer thickness of not more than 5.0 μm, not more than 3.0 μm, not more than 2.0 μm, or not more than 1.0 pm. In one embodiment of the method or of the solid-state battery, the cathode conductor and/or the anode conductor has a layer thickness of at least 0.1 μm, or at least 0.2 μm.
Solche geringen Dicken der Ableiter sind vorteilhaft, da sie im Vergleich zu dickeren Ableitern die Energiedichte erhöhen und gleichzeitig Material und somit auch Kosten einsparen. Dieser Vorteil kommt verstärkt bei dünnen Elektrodenlagen zum Tragen, da hier der relative Anteil der Ableitermaterialien zum elektrochemisch aktiven Material in den Elektroden hoch ausfällt. Such small arrester thicknesses are advantageous because they increase the energy density compared to thicker arresters and at the same time save material and thus costs. This advantage comes into play more in the case of thin electrode layers, since here the proportion of conductor materials relative to the electrochemically active material in the electrodes is high.
Die genannten Schichtdicken im Bereich von 0,1 pm bis 5,0 pm können z.B. durch Aufdampfen oder einen Dünnschichtprozess, z.B. über physikalische Gasphasenabscheidung, wie z.B. thermisches Verdampfen oder Sputtern, oder chemische Gasphasenabscheidung, wie z.B. plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung oder Atomlagenabscheidung, realisiert werden. Die so erhaltenen dünnen Ableiterschichten sind eine Folge des beschriebenen Herstellungsprozesses, der mit einer Separatorlage beginnt und diese dann mit einer Anodenlage und/oder einer Kathodenlage beschichtet. Die erhaltene Kombination von Lagen ist selbsttragend und weist eine ausreichende Zugfestigkeit auf, so dass sie in Rolle-zu-Rolle Prozessen weiter verarbeitet werden kann. Für die elektrische Leitfähigkeit der Ableiter sind vergleichsweise dünne Ableiterschichten ausreichend. Dicke der Separatorlage, Kathodenlage, Anodenlage und des Schichtverbunds The mentioned layer thicknesses in the range from 0.1 μm to 5.0 μm can be realized, for example, by vapor deposition or a thin-film process, for example via physical vapor deposition, such as thermal evaporation or sputtering, or chemical vapor deposition, such as plasma-enhanced chemical vapor deposition or atomic layer deposition. The thin conductor layers obtained in this way are a result of the manufacturing process described, which begins with a separator layer and then coats it with an anode layer and/or a cathode layer. The combination of layers obtained is self-supporting and has sufficient tensile strength so that it can be further processed in roll-to-roll processes. Comparatively thin conductor layers are sufficient for the electrical conductivity of the conductors. Thickness of the separator layer, cathode layer, anode layer and the layered composite
In einer Ausführungsform des Verfahrens bzw. der Feststoff-Batterie weist die Feststoff-Batterie einen oder mehrere der folgenden Parameter auf: In one embodiment of the method or the solid-state battery, the solid-state battery has one or more of the following parameters:
- eine Separatorlage mit einer Dicke von nicht mehr als 50 pm, insbesondere nicht mehr als 40 pm, nicht mehr als 30 pm, nicht mehr als 20 pm, nicht mehr als 15 pm, oder nicht mehr als 10 pm, gemessen nach Prüfvorschrift DIN EN ISO 9073-2, - a separator layer with a thickness of not more than 50 μm, in particular not more than 40 μm, not more than 30 μm, not more than 20 μm, not more than 15 μm, or not more than 10 μm, measured according to the DIN EN test specification ISO 9073-2,
- eine Kathodenlage mit einer Dicke von nicht mehr als 50 pm, nicht mehr als 40 pm, nicht mehr als 30 pm, insbesondere nicht mehr als 25 pm oder nicht mehr als 20 pm, - a cathode layer with a thickness of not more than 50 μm, not more than 40 μm, not more than 30 μm, in particular not more than 25 μm or not more than 20 μm,
- wobei die Dicke der Anodenlage in Abhängigkeit vom Material der Anodenlage und der Dicke der Kathodenlage gewählt ist, z.B. indem die Speicherkapzität (in mAh/cm2) der Anode der der Kathode entspricht, oder wenigstens 10% höher ist als die der Kathode, und/oder - wherein the thickness of the anode layer is selected as a function of the material of the anode layer and the thickness of the cathode layer, e.g. by the storage capacity (in mAh/cm 2 ) of the anode corresponding to that of the cathode, or being at least 10% higher than that of the cathode, and /or
- wobei der Schichtverbund aus Separatorlage, Anodenlage mit Anodenableiter und Kathodenlage mit Kathodenableiter eine Dicke von nicht mehr als 100 pm, insbesondere nicht mehr als 90 pm oder nicht mehr als 80 pm aufweist. - wherein the layered composite of separator layer, anode layer with anode collector and cathode layer with cathode collector has a thickness of not more than 100 μm, in particular not more than 90 μm or not more than 80 μm.
Vorteilhafterweise wird die Dicke der Kathodenlage dünn gestaltet, und damit verbunden eine an die Dicke der Kathodenlage angepasste Dicke der Anodenlage gewählt, um die Anforderungen an die spezifische lonenleitung des lonenleiters in der Kathodenlage, der Anodenlage und/oder der Separatorlage gering zu halten. Advantageously, the thickness of the cathode layer is made thin, and the thickness of the anode layer associated with this is selected to match the thickness of the cathode layer, in order to keep the requirements for the specific ion conduction of the ion conductor in the cathode layer, the anode layer and/or the separator layer low.
In einer Ausführungsform basierend auf Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt (engl. Abk.: NMC)-Oxid als Kathodenmaterial und Graphit als Anodenmaterial beträgt die Dicke der Kathodenlage nicht mehr als 50 pm, nicht mehr als 40 pm, nicht mehr als 30 pm, insbesondere nicht mehr als 25 pm oder nicht mehr als 20 pm, ist die entsprechende Dicke der Anodenlage im Wesentlichen um 30% höher, d.h. im Wesentlichen nicht mehr als 65 pm, nicht mehr als 52 pm, nicht mehr als 39 pm, insbesondere nicht mehr als 33 pm oder nicht mehr als 26 pm. In one embodiment based on lithium nickel manganese cobalt (NMC) oxide as the cathode material and graphite as the anode material, the thickness of the cathode layer is no more than 50 μm, no more than 40 μm, no more than 30 μm , in particular not more than 25 μm or not more than 20 μm, the corresponding thickness of the anode layer is essentially 30% higher, i.e. essentially not more than 65 μm, not more than 52 μm, not more than 39 μm, in particular not more than 33 pm or not more than 26 pm.
In einer analogen Ausführungsform basierend auf Li-NMC-Oxid als Kathodenmaterial und Graphit als Anodenmaterial beträgt das Verhältnis der Dicke der Kathodenlage zu der Dicke der Anodenlage zwischen 1,5 und 1,0, bevorzugt zwischen 1,35 und 1,25. In an analogous embodiment based on Li-NMC oxide as cathode material and graphite as anode material, the ratio of the thickness of the cathode layer to the thickness of the anode layer is between 1.5 and 1.0, preferably between 1.35 and 1.25.
In einer Ausführungsform basierend auf Li-NMC-Oxid als Kathodenmaterial und einer Mischung aus Silizium und Kohlenstoff als Anodenmaterial beträgt die Dicke der Kathodenlage nicht mehr als 50 pm, nicht mehr als 40 pm, nicht mehr als 30 pm, insbesondere nicht mehr als 25 pm oder nicht mehr als 20 pm, ist die entsprechende Dicke der Anodenlage im Wesentlichen nicht mehr als 20 pm, nicht mehr als 16 pm, nicht mehr als 12 pm, insbesondere nicht mehr als 10 pm oder nicht mehr als 8 pm. In an embodiment based on Li-NMC oxide as cathode material and a mixture of silicon and carbon as anode material, the thickness of the cathode layer is no more than 50 μm, no more than 40 μm, no more than 30 μm, in particular no more than 25 μm or not more than 20 µm, the corresponding thickness of the anode sheet is substantially no more than 20 pm, not more than 16 pm, not more than 12 pm, in particular not more than 10 pm or not more than 8 pm.
In einer analogen Ausführungsform basierend auf Li-NMC-Oxid als Kathodenmaterial und einer Mischung aus Silizium und Kohlenstoff als Anodenmaterial beträgt das Verhältnis der Dicke der Kathodenlage zu der Dicke der Anodenlage zwischen 0,45 und 0,25, bevorzugt zwischen 0,4 und 0,3. In an analogous embodiment based on Li-NMC oxide as the cathode material and a mixture of silicon and carbon as the anode material, the ratio of the thickness of the cathode layer to the thickness of the anode layer is between 0.45 and 0.25, preferably between 0.4 and 0 ,3.
In einer Ausführungsform basierend auf Li-NMC-Oxid als Kathodenmaterial und Lithium als Anodenmaterial beträgt die Dicke der Kathodenlage nicht mehr als 50 pm, nicht mehr als 40 pm, nicht mehr als 30 pm, insbesondere nicht mehr als 25 pm oder nicht mehr als 20 pm, ist die entsprechende Dicke der Anodenlage im Wesentlichen nicht mehr als 2 pm, nicht mehr als 1,6 pm, nicht mehr als 1,2 pm, insbesondere nicht mehr als 1,0 pm oder nicht mehr als 0,8 pm. In one embodiment based on Li-NMC oxide as the cathode material and lithium as the anode material, the thickness of the cathode layer is no more than 50 pm, no more than 40 pm, no more than 30 pm, in particular no more than 25 pm or no more than 20 pm, the corresponding thickness of the anode layer is essentially no more than 2 pm, no more than 1.6 pm, no more than 1.2 pm, in particular no more than 1.0 pm or no more than 0.8 pm.
In einer analogen Ausführungsform basierend auf Li-NMC-Oxid als Kathodenmaterial und Lithium als Anodenmaterial beträgt das Verhältnis der Dicke der Kathodenlage zu der Dicke der Anodenlage zwischen 0,06 und 0,02, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,03. In an analogous embodiment based on Li-NMC oxide as cathode material and lithium as anode material, the ratio of the thickness of the cathode layer to the thickness of the anode layer is between 0.06 and 0.02, preferably between 0.05 and 0.03.
Vorteilhaft an den genannten Ausführungsformen basierend auf Li-NMC-Oxid als Kathodenmaterial und den verschiedenen Anodenmaterialen - Graphit, Mischung aus Silizium und Kohlenstoff und Lithium - ist die Ermöglichung hoher Energiedichten. An advantage of the above-mentioned embodiments based on Li-NMC oxide as cathode material and the various anode materials—graphite, a mixture of silicon and carbon, and lithium—is that high energy densities are made possible.
Die geringere Elektrodendicke muss i.a. durch eine größere Elektrodenfläche kompensiert werden, um auf die gleiche Gesamt-Kapazität in einer Batteriezelle zu kommen. Dadurch benötigt man eine größere Fläche der Ableiter-Folie (und des ionenleitenden Separators), was das Gewicht und das Volumen einer Batterie-Zelle mit fester Kapazität erhöht, und die Energiedichte somit senkt. The smaller electrode thickness must i.a. be compensated by a larger electrode area in order to achieve the same total capacity in a battery cell. This requires a larger surface area of the arrester foil (and the ion-conducting separator), which increases the weight and volume of a fixed-capacity battery cell, and thus lowers the energy density.
Gemäß der Erfindung ist es jedoch möglich, die üblicherweise ca. 15 pm dicken metallischen Ableiter-Folien durch dünne metallische Ableiterschichten mit 0,1 bis 5,0 pm Dicke, bevorzugt 0,5 bis 1,5 pm Dicke, zu ersetzen, wodurch Gewicht und Volumen eingespart werden und eine ähnlich hohe Energiedichte erreicht wird. According to the invention, however, it is possible to replace the metallic collector foils, which are usually about 15 μm thick, with thin metallic collector layers that are 0.1 to 5.0 μm thick, preferably 0.5 to 1.5 μm thick, thereby reducing weight and volume are saved and a similarly high energy density is achieved.
Herkömmliche Fertigungsprozesse erzeugen metallische Ableiterfolien mit einer Dicke von ca. 15 pm und werden mit den Elektroden in Rolle-zu-Rolle Prozessen beschichtet. Dabei wird anschließend eine poröse Folie zwischen die anodische und kathodische Elektrode gelegt und der flüssige Elektrolyt nachträglich eingefüllt, um die Poren auszufüllen bzw. zu infiltrieren. Für diese herkömmlichen Fertigungsprozesse ist eine gewisse Dicke der metallischen Ableiterfolien von ca. 15 pm erforderlich, um eine ausreichende Zugfestigkeit der Rolle-zu-Rolle Prozesse zu gewährleisten. Dünnere Metall-Folien sind mit diesem Prozess nicht herstellbar. Gemäß der Erfindung wird die Reihenfolge der Beschichtung umgekehrt. In einer Ausführungsform beginnt man mit der Herstellung eines selbsttragenden ionenleitenden Separators, beschichtet diesen mit den Elektroden, z.B. in einem Rolle-zu-Rolle-Druckprozess, und beschichtet die Elektroden danach z.B. über Aufdampfprozesse mit dünnen metallischen Ableiterschichten. Vorteilhafterweise weist die (ionenleitende) Separatorlage dabei eine Dicke von nicht mehr als 50 pm, insbesondere nicht mehr als 40 pm, nicht mehr als 30 pm, nicht mehr als 20 pm, nicht mehr als 15 pm, oder nicht mehr als 10 pm auf, gemessen nach Prüfvorschrift DIN EN ISO 9073-2. Die genannten Dicken der Separatorlage ermöglichen es die Energiedichte zu maximieren. Der geeignet gewählte Vliesstoff gewährleistet dabei eine ausreichende Zugfestigkeit der (ionenleitenden) Separatorlage, z.B. in Rolle-zu-Rolle Prozessen. Gemäß der Erfindung beginnt der Fertigungsprozess mit dem Infiltrieren eines Vliesstoffes mit einem festen lonenleiter, um so einen ionenleitenden Separator herzustellen, auf den anschließend die Elektroden und zuletzt die Ableiter abgeschieden werden. Conventional manufacturing processes produce metallic conductor foils with a thickness of approx. 15 μm and are coated with the electrodes in roll-to-roll processes. A porous foil is then placed between the anodic and cathodic electrodes and the liquid electrolyte is subsequently filled in to fill or infiltrate the pores. For these conventional manufacturing processes, a certain thickness of the metallic conductor foils of approx. 15 μm is required in order to ensure sufficient tensile strength of the roll-to-roll processes. Thinner metal foils cannot be produced with this process. According to the invention, the order of coating is reversed. In one embodiment, one starts with the production of a self-supporting ion-conducting separator, coats it with the electrodes, for example in a roll-to-roll printing process, and then coats the electrodes with thin metallic collector layers, for example via vapor deposition processes. Advantageously, the (ion-conducting) separator layer has a thickness of not more than 50 μm, in particular not more than 40 μm, not more than 30 μm, not more than 20 μm, not more than 15 μm, or not more than 10 μm. measured according to test specification DIN EN ISO 9073-2. The thicknesses of the separator layer mentioned make it possible to maximize the energy density. The suitably selected non-woven fabric ensures sufficient tensile strength of the (ion-conducting) separator layer, for example in roll-to-roll processes. According to the invention, the manufacturing process begins with the infiltration of a non-woven fabric with a solid ion conductor in order to produce an ion-conducting separator on which the electrodes and finally the conductors are then deposited.
Anodenmaterial anode material
Die Anodenlage umfasst beispielhaft anodisches Aktivmaterial, das aus der Liste von amorphem Kohlenstoff, z.B. carbon black (CB), acetylene black (AB), furnace black (FB), und ketjen black (KB), Graphen, Graphit, TiÜ2; Li^isO^; Kohlenstoff-Zinn (C-Sn)-Kompositen, Zinn- Legierungen, Kohlenstoff-Silicium (C-Si)-Kompositen; SiOn-basierten Kompositen, Silicium- Legierungen, Lithium-Metall, und Lithium-Legierungen ausgewählt ist. Bevorzugte Lithium- Legierungen sind Legierungen von Lithium mit Silber, Zink, Zinn, Indium, Silizium, Aluminium und Bismut. The anode layer includes, for example, anodic active material selected from the list of amorphous carbon, for example carbon black (CB), acetylene black (AB), furnace black (FB), and ketjen black (KB), graphene, graphite, TiO2; Li^isO^; carbon-tin (C-Sn) composites, tin alloys, carbon-silicon (C-Si) composites; SiO n -based composites, silicon alloys, lithium metal, and lithium alloys is selected. Preferred lithium alloys are alloys of lithium with silver, zinc, tin, indium, silicon, aluminum and bismuth.
Die Anodenlage umfasst neben anodischem Aktivmaterial optional weiterhin einen Binder, ein Leitadditiv und einen Festelektrolyten. In addition to anodic active material, the anode layer optionally also includes a binder, a conductive additive and a solid electrolyte.
Kathodenmaterial cathode material
Die Kathodenlage umfasst beispielhaft kathodisches Aktivmaterial, das aus der Liste von Schichtoxiden auf Basis von Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNixMnyCozO2, wobei x + y + z = 1 , bevorzugt x > 0,5), z.B. LiNio.sMno Coo O), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (LiNixCoyAlzO2, wobei x + y + z = 1), z.B. LiNio,84Coo,i2Alo,o402, Lithium-reichen Schichtoxiden (Lii+xMi-xO2), z.B. Lii,2Nio,2Mno,e02), Hochvoltoxiden vom Spinel-Typ (LiMn2-xMxO4, wobei M ein Übergangsmetall ist), z.B. LiNio,5Mni,s02, Olivinen (UMPO4, z.B. LiFePO4), TiS2, LiTiS2, und U2S ausgewählt ist. The cathode layer comprises, for example, cathodic active material that is selected from the list of layered oxides based on nickel-manganese-cobalt oxide (LiNi x Mn y Co z O2, where x+y+z=1, preferably x>0.5), e.g LiNio.sMno Coo O), lithium nickel cobalt aluminum oxide (LiNixCo y AlzO2, where x + y + z = 1), e.g. LiNio,84Coo,i2Alo,o402, lithium-rich layered oxides (Lii +x Mi- xO2), e.g. Lii,2Nio,2Mno,e02), high-voltage spinel-type oxides (LiMn2- x M x O4, where M is a transition metal), e.g. LiNio,5Mni,s02, olivines (UMPO4, e.g. LiFePO4), TiS2, LiTiS2, and U2S is selected.
Die Kathodenlage umfasst neben kathodischem Aktivmaterial optional weiterhin einen Binder, ein Leitadditiv und einen Festelektrolyten. Ausgestaltung der Separatorlage In addition to cathodic active material, the cathode layer optionally also includes a binder, a conductive additive and a solid electrolyte. Configuration of the separator layer
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Bereitstellen der Separatorlage die folgenden Schritte: In one embodiment of the method, providing the separator layer comprises the following steps:
- Infiltrieren des Vliesmaterials mit dem festen lonenleiter, insbesondere in Form einer Paste, eines Schlickers oder Slurrys, enthaltend den festen lonenleiter in Partikelform, und - Infiltrating the fleece material with the solid ion conductor, in particular in the form of a paste, a slip or slurry, containing the solid ion conductor in particle form, and
- Trocknen des befüllten Vliesmaterials. - Drying of the filled fleece material.
In dieser Ausführungsform wird die Separatorlage ohne anschließendes Kalandrieren hergestellt. Das Trocknen des befüllten Vliesmaterials geschieht dabei bei einer Temperatur von wenigstens 50 °C, wenigstens 100 °C, wenigstens 150 °C, wenigstens 200 °C, oder wenigstens 250 °C. In Abhängigkeit des gewählten Vliesmaterials geschieht das Trocknen bei einer Temperatur von höchstens 400 °C, höchstens 350 °C, höchstens 300 °C, höchstens 250 °C, höchstens 200 °C, oder höchstens 150 °C. In this embodiment, the separator sheet is produced without subsequent calendering. The drying of the filled fleece material takes place at a temperature of at least 50.degree. C., at least 100.degree. C., at least 150.degree. C., at least 200.degree. C., or at least 250.degree. Depending on the fleece material selected, the drying takes place at a temperature of no more than 400 °C, no more than 350 °C, no more than 300 °C, no more than 250 °C, no more than 200 °C, or no more than 150 °C.
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Bereitstellen der Separatorlage die folgenden Schritte: In another embodiment of the method, providing the separator layer comprises the following steps:
- Infiltrieren des Vliesmaterials mit dem festen lonenleiter, insbesondere in Form einer Paste, eines Schlickers oder Slurrys, enthaltend den festen lonenleiter in Partikelform, und - Infiltrating the fleece material with the solid ion conductor, in particular in the form of a paste, a slip or slurry, containing the solid ion conductor in particle form, and
- Trocknen des befüllten Vliesmaterials, und - Drying of the filled fleece material, and
- Verpressen und/oder Kalandrieren vor der Beschichtung mit der Kathodenlage und/oder der Anodenlage. - pressing and/or calendering before coating with the cathode layer and/or the anode layer.
In dieser Ausführungsform wird die Separatorlage mit anschließendem Verpressen und/oder Kalandrieren hergestellt. Vorteilhafterweise werden die mechanischen Eigenschaften der Separatorlage durch anschließendes Verpressen und/oder Kalandrieren verbessert, was sich u.a. positiv auf die Zähigkeit, Höchstzugkraft und Dehnung der Separatorlage sowie der gesamten Feststoff-Batterie auswirkt. Dies ermöglicht außerdem, den Anteil des in der Paste eingesetzten Binders zu reduzieren. Insbesondere werden auch die elektrischen Eigenschaften verbessert, d.h. man erreicht eine höhere lonenleitung. Ein weiterer Vorteil ist die Reduzierung der Porosität, was die Wahrscheinlichkeit des Einbringens von elektronisch leitfähigem Material bei der folgenden Elektrodenbeschichtung und einer ggf. folgenden zweiten Kalandrierung in die Separatorlage reduziert, was im Extremfall zu einem Kurzschluss führen könnte. In this embodiment, the separator layer is produced with subsequent pressing and/or calendering. Advantageously, the mechanical properties of the separator layer are improved by subsequent pressing and/or calendering, which has a positive effect on the toughness, maximum tensile force and elongation of the separator layer and the entire solid-state battery. This also makes it possible to reduce the proportion of binder used in the paste. In particular, the electrical properties are also improved, i.e. higher ion conductivity is achieved. A further advantage is the reduction in porosity, which reduces the likelihood of electronically conductive material being introduced into the separator layer during the subsequent electrode coating and any subsequent second calendering, which in extreme cases could lead to a short circuit.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform werden zwei Kalandrierschritte verwendet, d.h. jeweils ein Kalandrierschritt vor und nach der Beschichtung mit den Elektroden, was die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Feststoff- Batterie weiter verbessert. Dies ermöglicht eine bessere lonenleitung des lonenleiters in den Elektroden, einen besseren Kontakt an der Grenzfläche zwischen lonenleiter und Aktivmaterial in den Elektroden, sowie eine geringere Porosität und damit verbunden eine höhere Energiedichte. Bevorzugt verwendet man beim ersten Kalandrierschritt eine höhere Anpresskraft und/oder eine höhere Temperatur als beim zweiten Kalandrierschritt. Beim Kalandrieren wird die Kraft bezogen auf die Breite der Walze ausgedrückt. Bevorzugt ist das Verhältnis der Anpresskraft beim ersten Kalandrierschritt zum zweiten Kalandrierschritt wenigstens 1 ,5 zu 1 , wenigstens 2 zu 1, wenigstens 5 zu 1 , oder wenigstens 10 zu 1 , höchstens jedoch 100 zu 1 , höchstens 50 zu 1 , oder höchstens 20 zu 1. In a further preferred embodiment, two calendering steps are used, ie one calendering step before and after the coating with the electrodes, which is the mechanical and electrical properties of the solid-state battery further improved. This enables better ion conduction of the ion conductor in the electrodes, better contact at the interface between ion conductor and active material in the electrodes, and lower porosity and, associated therewith, higher energy density. A higher pressing force and/or a higher temperature are preferably used in the first calendering step than in the second calendering step. In calendering, the force is expressed in relation to the width of the roll. The ratio of the pressing force in the first calendering step to the second calendering step is preferably at least 1.5 to 1, at least 2 to 1, at least 5 to 1, or at least 10 to 1, but at most 100 to 1, at most 50 to 1, or at most 20 to 1.
Die gleichzeitige Anwendung einer Anpresskraft und einer erhöhten Temperatur bei Kalandrierprozessen ist vorteilhaft, da sich dadurch besonders dichte Festelektrolytschichten in dem Vliesstoff ausbilden, was wiederum die ionische Leitfähigkeit des Festelektrolyten begünstigt. Insbesondere im Zusammenhang mit metallischen Lithium-Anoden führt die Anwendung einer hohen Anpresskraft durch die Reduzierung der Porosität auch zu einer Reduzierung der Gefahr einer Dendriten-Bildung in der Separatorlage. The simultaneous use of a contact pressure and an increased temperature in calendering processes is advantageous since particularly dense solid electrolyte layers form in the nonwoven fabric, which in turn promotes the ionic conductivity of the solid electrolyte. In connection with metallic lithium anodes in particular, the use of a high contact pressure also leads to a reduction in the risk of dendrite formation in the separator layer due to the reduction in porosity.
Das Verpressen und/oder Kalandrieren der Separatorlage vor der Beschichtung mit der Kathodenlage und/oder der Anodenlage findet bevorzugt bei einer Temperatur von mindestens 50 °C, mindestens 100 °C, mindestens 150 °C, mindestens 200 °C, oder mindestens 250 °C statt. In Abhängigkeit des gewählten Vliesmaterials geschieht das Verpressen und/oder Kalandrieren der Separatorlage vor der Beschichtung mit der Kathodenlage und/oder der Anodenlage bei einer Temperatur von höchstens 400 °C, höchstens 350 °C, höchstens 300 °C, höchstens 250 °C, höchstens 200 °C, oder höchstens 150 °C. The pressing and/or calendering of the separator layer before coating with the cathode layer and/or the anode layer preferably takes place at a temperature of at least 50° C., at least 100° C., at least 150° C., at least 200° C., or at least 250° C instead of. Depending on the fleece material selected, the separator layer is pressed and/or calendered before it is coated with the cathode layer and/or the anode layer at a temperature of no more than 400 °C, no more than 350 °C, no more than 300 °C, no more than 250 °C, no more 200 °C, or at most 150 °C.
Beispiele examples
Vliesmaterial non-woven material
Als Vliesmaterial für die Separatorlage wurde einerseits ein PET und andererseits ein Material mit Polyester im Kern, ummantelt mit Polybutylenterephthalat (PBT) verwendet. Die Zugfestigkeit (ca. 13 N / 5 cm quer) war ausreichend für eine Rolle-zu-Rolle Beschichtung. Das Material ist elektrochemisch stabil und thermisch stabil bis 250 °C (PET) bzw. 210 °C (PBT). Die Porosität ist über 65%. Die Dicke betrug etwa 18 pm, wobei durch die Kompressibilität eine Dicke des Vliesstoffes schwer zu bestimmen ist. The fleece material used for the separator layer was on the one hand a PET and on the other hand a material with a core of polyester, coated with polybutylene terephthalate (PBT). The tensile strength (approx. 13 N / 5 cm across) was sufficient for a roll-to-roll coating. The material is electrochemically stable and thermally stable up to 250 °C (PET) or 210 °C (PBT). The porosity is over 65%. The thickness was about 18 μm, the compressibility of which makes it difficult to determine the thickness of the nonwoven.
Herstellung einer Separatorlage Production of a separator layer
Für die Herstellung einer Separatorlage wurde ein Vliesstoff mit einer Feststoffelektrolyt-Paste infiltriert. Der Vliesstoff, hier mit „Generation 1“ bezeichnet, war ein Nass- Vliesstoff, bei dem die Fasern eine Kern-Mantel-Struktur aufweisen, mit PET als Kern- und PBT als Mantel-Material. Die Porosität betrug etwa zwischen 65% und 70%. Die Dicke betrug etwa 18 pm, bei einem Gewicht von 10 g/m2. A non-woven fabric was infiltrated with a solid electrolyte paste to produce a separator layer. The nonwoven, here referred to as "Generation 1", was a wet nonwoven in which the Fibers have a core-sheath structure, with PET as the core and PBT as the sheath material. The porosity was between about 65% and 70%. The thickness was about 18 μm with a weight of 10 g/m 2 .
Die Paste wurde in einer Glovebox unter Argon-Atmosphäre (H2O < 1 ppm, O2 < 1 ppm) hergestellt: Der sulfidische Feststoffelektrolyt LiePSsCI (Argyrodit, „LPSCI“, NEI Corporation) wurde vorgelegt und mit einer toluolischen 12 Gew.% NBR Binderlösung vermengt. Das Feststoffelektrolyt-Binderverhältnis entsprach 100:1 (Massenanteil). Zusätzliches Toluol wurde hinzugegeben um das Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis auf 50:50 (Gew.%) einzustellen. Die resultierende Paste wurde in einem Speedmixer (DAC 150.1 FVZ-K) bei 3000 rpm für 10 Minuten homogenisiert. The paste was produced in a glove box under an argon atmosphere (H2O <1 ppm, O2 <1 ppm): The sulfide solid electrolyte LiePSsCI (Argyrodit, "LPSCI", NEI Corporation) was introduced and mixed with a 12% by weight NBR binder solution in toluene . The solid electrolyte binder ratio corresponded to 100:1 (mass fraction). Additional toluene was added to adjust the solid/liquid ratio to 50:50 (wt%). The resulting paste was homogenized in a speed mixer (DAC 150.1 FVZ-K) at 3000 rpm for 10 minutes.
Die hergestellte Paste wurde mit einem Rakelverfahren beidseitig in das Vlies eingebracht. Hierzu wurde das Vlies auf einer Aluminium-Folie befestigt. Die Rakelhöhe und Rakelgeschwindigkeit betrug jeweils 20 pm und 10 mm/s, um eine geringe Separatordicke zu gewährleisten. Die Rakel bewegte sich hierbei sowohl bei dem Auftrag von Festelektrolyt-Paste auf der Oberseite als auch auf der Unterseite auf dem Vliesstoff. Nach dem Trocknen der Oberseite bei Raumtemperatur wurde eine Festelektrolytpaste auf die Unterseite mit einem Rakelprozess aufgetragen. Die resultierende Separatorlage wurde bei Raumtemperatur in der Glovebox über Nacht getrocknet (Figur 1). The paste produced was introduced into the fleece on both sides using a doctor blade method. For this purpose, the fleece was attached to an aluminum foil. The squeegee height and squeegee speed were 20 μm and 10 mm/s, respectively, in order to ensure a small separator thickness. The squeegee moved during the application of solid electrolyte paste on the upper side as well as on the underside of the non-woven fabric. After drying the top at room temperature, a solid electrolyte paste was applied to the bottom with a doctor blade process. The resulting separator layer was dried at room temperature in the glove box overnight (FIG. 1).
Zur Messung der lonenleitung wurde der gefüllte Vliesstoff zwischen zwei Aluminium-Folien platziert, und die lonen-Leitfähigkeit mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie bestimmt. Die Messung der komplexen Impedanz wurde an einem Potentiostat Zennium X der Firma Zahner im Frequenzbereich von 8 MHz bis 100 Hz durchgeführt. Das resultierende Impedanzspektrum lässt sich durch ein Ersatzschaltbild aus einer Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand R1 , einer Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand R2 und einem Konstant-Phasen-Element CPE1 und einem weiteren Konstant-Phasen-Element CPE2 modellierend beschreiben. Die lonenleitfähigkeit wird dann aus dem Widerstand, der sich aus der Summe R1+R2 ergibt, und den geometrischen Parametern bestimmt. Durch Verpressen bei 510 MPa (Figur 2) und insbesondere durch Verpressen bei erhöhter Temperatur wurde eine erhebliche Steigerung der Leitfähigkeit erreicht. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Leitfähigkeitsmessungen, die auch in Figur 3 dargestellt sind. To measure the ion conduction, the filled non-woven fabric was placed between two aluminum foils and the ion conductivity was determined using electrochemical impedance spectroscopy. The complex impedance was measured on a Zennium X potentiostat from Zahner in the frequency range from 8 MHz to 100 Hz. The resulting impedance spectrum can be modeled using an equivalent circuit diagram of a series circuit made up of an ohmic resistor R1, a parallel circuit made up of an ohmic resistor R2 and a constant-phase element CPE1 and a further constant-phase element CPE2. The ionic conductivity is then determined from the resistance, which results from the sum of R1+R2, and the geometric parameters. A considerable increase in conductivity was achieved by pressing at 510 MPa (FIG. 2) and in particular by pressing at elevated temperature. Table 1 shows the results of the conductivity measurements, which are also shown in FIG.
Tabelle 1: Leitfähigkeitsmessungen
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Table 1: Conductivity measurements
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Die Werte zeigen, dass eine höhere Temperatur beim Verpressen eine erhebliche Steigerung der Leitfähigkeit ermöglicht. Ein herkömmliches LPSCI-Pellet erreicht ohne Binder eine Leitfähigkeit von ca. 5,3*10-4 S/cm und mit Binder etwa 4,0*10'4 S/cm. The values show that a higher pressing temperature enables a significant increase in conductivity. A conventional LPSCI pellet achieves a conductivity of about 5.3*10 -4 S/cm without a binder and about 4.0*10' 4 S/cm with a binder.
Durch das Verpressen bei höheren Temperaturen als der Glastemperatur des Vliesstoffes können eventuell bessere Leitfähigkeiten erreicht werden, da das Vlies „weicher“ wird. In diesem Beispiel beträgt die Glastemperatur des PBT etwa 50 °C und die des PET etwa 70 °C. Entsprechend wäre ein solcher Effekt bereits bei Temperaturen über 50 °C spürbar, und bei Temperaturen über 70 °C deutlicher ausgeprägt. Für Kunststoffe mit höheren Glastemperaturen können diese Werte höher ausfallen, z.B. 80 °C und 100 °C. By pressing at temperatures higher than the glass transition temperature of the fleece, better conductivities can be achieved because the fleece becomes "softer". In this example, the glass transition temperature of the PBT is about 50°C and that of the PET is about 70°C. Accordingly, such an effect would already be noticeable at temperatures above 50 °C, and more pronounced at temperatures above 70 °C. These values can be higher for plastics with higher glass temperatures, e.g. 80 °C and 100 °C.
Mit dem Vliesstoff „Generation 2“ (Tendenz: offenporiger als „Generation 1“) erreichte man 8,3*10-5 S/cm (bei 510 MPa, 25 °C, Dicke ca. 35 pm). Dieser Vliesstoff ist dünner (Dicke 15 pm; Gewicht 7 g/m2), weist eine höhere Luftdurchlässigkeit (635 Liter/(m2*s) gegenüber 347 Liter/(m2*s) bei Generation 1) und damit eine höheren Anteil an z-Poren auf. 8.3*10 -5 S/cm (at 510 MPa, 25 °C, thickness approx. 35 μm) was achieved with the “Generation 2” nonwoven (tendency: more porous than “Generation 1”). This non-woven fabric is thinner (thickness 15 μm; weight 7 g/m 2 ), has higher air permeability (635 liters/(m 2 *s) compared to 347 liters/(m 2 *s) for generation 1) and therefore a higher proportion at z pores.
Herstellung von Elektroden auf der Separatorlage Production of electrodes on the separator layer
Herstellung der Kathodenpaste Production of the cathode paste
Um geeignete Grenzflächen zwischen Feststoffelektrolyt und Kathodenmaterial auszubilden, wurde das Kompositmaterial LiNio,eMno,2Coo,202 (MSE Supplies, Partikelgröße D50 von 3 bis 6 pm) mit dem Feststoffelektrolyten LiePSsCI, 70:30 (Gew.%), in einer Kugelmühle vermahlen. Das NMC/LPSCI Pulver wurde mit einer 12 Gew.% NBR-Binderlösung (Lösemittel 2-Butanon), und Leitruß im Massenverhältnis von 65:27:2:6 vorgelegt und in 2-Butanon dispergiert. In order to form suitable interfaces between solid electrolyte and cathode material, the composite material LiNio,eMno,2Coo,202 (MSE Supplies, particle size D50 from 3 to 6 pm) was ground with the solid electrolyte LiePSsCI, 70:30 (wt.%) in a ball mill. The NMC/LPSCI powder was initially charged with a 12% by weight NBR binder solution (2-butanone solvent) and conductive carbon black in a mass ratio of 65:27:2:6 and dispersed in 2-butanone.
Aufbringen der Kathodenlage Application of the cathode layer
Die resultierende Kathodenpaste wurde auf die Separatorlage geräkelt. Die Nassfilmdicke wurde auf 160 pm eingestellt. Die getrockneten Kathodenschichten besaßen Dicken von ca. 65 pm. Aus dem erhaltenen Bilayer von Separatorlage und Kathodenlage wurden Scheiben mit einem Durchmesser von 10 mm ausgestanzt und mit einer Aluminiumfolie (mit einer Dicke von 15 pm und einem Durchmesser von 10 mm) als Kathodenableiter bei 520 MPa bei Raumtemperatur verpresst. Durch das Verpressen reduziert sich die Dicke der Kathodenschicht auf ca. 45 pm. The resulting cathode paste was squeegeed onto the separator layer. The wet film thickness was adjusted to 160 μm. The dried cathode layers were about 65 μm thick. Disks with a diameter of 10 mm were punched out of the obtained bilayer of separator layer and cathode layer and covered with an aluminum foil (thickness of 15 pm and a diameter of 10 mm) as a cathode conductor at 520 MPa at room temperature. The compression reduces the thickness of the cathode layer to approx. 45 μm.
Durch Heißpressen bei 100 °C wurden bessere ionische Leitfähigkeiten und niederohmigere Grenzflächen zwischen Feststoffelektrolyt und kathodischem Aktivmaterial innerhalb der Kathodenlage, als auch zwischen der Separatorlage und der Kathodenlage, als auch zwischen Aluminium und der Kathode, erzielt. Für die Separatorlage wurden Dicken von 30 bis 170 pm und für die Kathodenlage wurden Dicken von ca. 40 pm erreicht. Better ionic conductivities and lower-impedance interfaces between solid electrolyte and cathodic active material within the cathode layer and between the separator layer and the cathode layer and between aluminum and the cathode were achieved by hot pressing at 100 °C. Thicknesses of 30 to 170 μm were achieved for the separator layer and thicknesses of about 40 μm for the cathode layer.
Aufbringen der Anodenlage Application of the anode layer
Für die Charakterisierung des Bilayers wurden Indium-Anoden (HMW Hauner, Dicke von 0,1 mm, Durchmesser von 9 mm) mit einem Druck von 25 MPa aufgebracht. Diese Indium-Folien fungieren sowohl als Anodenschicht als auch als metallischer Ableiter. Der Schichtverbund wurde in Knopfzellen (CR1220 und CR2032) verbaut. Indium anodes (HMW Hauner, thickness 0.1 mm, diameter 9 mm) were applied with a pressure of 25 MPa to characterize the bilayer. These indium foils function both as an anode layer and as a metal conductor. The layered composite was installed in button cells (CR1220 and CR2032).
Zyklierung der Zellen cycling of cells
Die Zyklierung der Zellen erfolgte an einem Neware CT-4008 in einem Spannungsfenster von 2,0 bis 3,8 V. Der Formierungszyklus, welcher in den Messdaten zu sehen ist, erfolgte bei einer Lade/Entladerate von C/10. Die Zellen zeigten Entladekapazitäten von 0,57 mAh, was einer spezifischen Kapazität des NMC von ca. 140 mAh/g (bezogen auf die Masse des NMC) und einer flächenspezifischen Kapazität von 0,72 mAh cm-2 entspricht (Figur 4). The cells were cycled on a Neware CT-4008 in a voltage window of 2.0 to 3.8 V. The formation cycle, which can be seen in the measurement data, took place at a charge/discharge rate of C/10. The cells showed discharge capacities of 0.57 mAh, which corresponds to a specific capacity of the NMC of about 140 mAh/g (based on the mass of the NMC) and an area-specific capacity of 0.72 mAh cm -2 (FIG. 4).
Viskositätsmessung viscosity measurement
Für die Prozessierung der Feststoffelektrolyt-Pasten ist die Viskosität wesentlich. Figur 5 zeigt die Viskosität der in diesem Beispiel hergestellten Separatorpaste in Abhängigkeit von der Rotationsfrequenz des Rotationskörpers bzw. der Scherrate, gemessen mit einem Rotationsviskosimeter Visco QC300-L von Anton Paar. The viscosity is essential for the processing of the solid electrolyte pastes. FIG. 5 shows the viscosity of the separator paste produced in this example as a function of the rotational frequency of the rotating body or the shear rate, measured using a Visco QC300-L rotational viscometer from Anton Paar.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Herstellung einer Feststoff- Batterie, mit den Schritten 1. A method of manufacturing a solid state battery, comprising the steps
- Bereitstellen einer Separatorlage, umfassend ein Vliesmaterial und einen festen lonenleiter, wobei das Bereitstellen einer Separatorlage insbesondere das Bereitstellen eines Vliesstoffs und das Infiltrieren des Vliesstoffs mit einer Feststoffelektrolyt-Paste umfasst, - providing a separator layer, comprising a nonwoven material and a solid ion conductor, wherein the provision of a separator layer comprises in particular the provision of a nonwoven fabric and the infiltration of the nonwoven fabric with a solid electrolyte paste,
- Beschichten der Separatorlage mit einer Kathodenlage und einer Anodenlage, bevorzugt gefolgt von einem Verpressen oder Kalandrieren der beschichteten Separatorlage, insbesondere in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess, wobei das Vliesmaterial z-Durchgangsporen besitzt, d.h. Poren, die in z-Richtung keine Unterbrechungen durch Fasern aufweisen, bzw. Poren, die das Vliesmaterial im Wesentlichen senkrecht zur Separatorlage, in z-Richtung, durchdringen, wobei die Porendichte mindestens 1000 mm-2 beträgt, mehr bevorzugt mindestens 10000 mm-2 beträgt, und/oder wobei die Fasern des Vliesmaterials einen mittleren Titer von 0,06 dtex bis 3,3 dtex aufweisen. - Coating of the separator layer with a cathode layer and an anode layer, preferably followed by pressing or calendering the coated separator layer, in particular in a roll-to-roll process, the nonwoven material having z through pores, ie pores in the z direction Have interruptions by fibers, or pores that penetrate the fleece material essentially perpendicular to the separator layer, in the z-direction, the pore density being at least 1000 mm -2 , more preferably at least 10000 mm -2 , and/or the fibers of the fleece material have an average titer of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
2. Feststoff-Batterie, umfassend 2. Solid state battery, comprising
- eine Separatorlage, umfassend ein Vliesmaterial und einen festen lonenleiter, - a separator layer comprising a fleece material and a solid ion conductor,
- eine Kathodenlage und eine Anodenlage, wobei das Vliesmaterial z-Durchgangsporen besitzt, d.h. Poren, die in z-Richtung keine Unterbrechungen durch Fasern aufweisen, bzw. Poren, die das Vliesmaterial im Wesentlichen senkrecht zur Separatorlage, in z-Richtung, durchdringen, wobei die Porendichte mindestens 1000 mm-2 beträgt, mehr bevorzugt mindestens 10000 mm-2 beträgt, und/oder wobei die Fasern des Vliesmaterials einen mittleren Titer von 0,06 dtex bis 3,3 dtex aufweisen. - A cathode layer and an anode layer, wherein the fleece material has z-through pores, ie pores that have no interruptions by fibers in the z-direction, or pores that penetrate the fleece material essentially perpendicular to the separator layer, in the z-direction, wherein the pore density is at least 1000 mm -2 , more preferably at least 10000 mm -2 , and/or the fibers of the fleece material have an average titer of 0.06 dtex to 3.3 dtex.
3. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die Schritte 3. The method of claim 1, comprising the steps of
- Beschichten der Kathodenlage mit einem Kathodenableiter, und/oder Beschichten der Anodenlage mit einem Anodenableiter, wobei das Beschichten der Kathodenlage mit einem Kathodenableiter und/oder das Beschichten der Anodenlage mit einem Anodenableiter - coating the cathode layer with a cathode conductor, and/or coating the anode layer with an anode conductor, the coating of the cathode layer with a cathode conductor and/or the coating of the anode layer with an anode conductor
27 bevorzugt durch einen Dünnschichtprozess geschieht, besonders bevorzugt durch einen Aufdampfprozess, oder 27 preferably done by a thin-film process, particularly preferably by a vapor deposition process, or
Feststoff-Batterie nach Anspruch 2, umfassend einen Kathodenableiter und/oder einen Anodenableiter. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, oder Feststoff-Batterie nach Anspruch 2 oder 3, wobei der feste lonenleiter ein anorganischer lonenleiter ist, wobei der feste lonenleiter insbesondere Sulfide und/oder Thiophosphate umfasst, wobei insbesondere der feste lonenleiter in Form von Sulfid-Partikeln vorliegt, mit Partikelgrößen D50 von weniger als 2 pm, weniger als 1 pm, bevorzugt weniger als 500 nm, weniger als 200 nm, oder weniger als 100 nm, bezogen auf die Masseverteilung und den Durchmesser der Sulfid-Partikel. Verfahren nach Anspruch 1 , 3 oder 4, oder Feststoff-Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Kathodenableiter und/oder der Anodenableiter eine Schichtdicke von nicht mehr als 5,0 pm, bevorzugt nicht mehr als 3,0 pm aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, oder Feststoff-Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Vliesmaterial ausgewählt ist aus der Liste von Polyacrylnitril, Polyimid, Polyamid, insbesondere Polyamid 6 und Polyamid 6.6, Aramid, insbesondere Polyparaphenylenterephthalamid (PPTA), Polyvinylalkohol, Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat und/oder Polybutylenterephthalat, Copolyester, Polyolefine, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen und/oder deren Gemische, Viskose, Cellulose und AI2O3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, oder Feststoff-Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Vliesmaterial vor Aufbringen des festen lonenleiters bzw. der Feststoffelektrolyt-Paste eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist: Solid state battery according to claim 2, comprising a cathode conductor and/or an anode conductor. Method according to claim 1 or 3, or solid-state battery according to claim 2 or 3, wherein the solid ion conductor is an inorganic ion conductor, wherein the solid ion conductor comprises in particular sulfides and/or thiophosphates, the solid ion conductor in particular being in the form of sulfide particles , with particle sizes D50 of less than 2 pm, less than 1 pm, preferably less than 500 nm, less than 200 nm, or less than 100 nm, based on the mass distribution and the diameter of the sulfide particles. Method according to claim 1, 3 or 4, or solid-state battery according to one of claims 2 to 4, wherein the cathode conductor and/or the anode conductor has a layer thickness of not more than 5.0 μm, preferably not more than 3.0 μm. Method according to one of claims 1 and 3 to 5, or solid-state battery according to one of claims 2 to 5, wherein the fleece material is selected from the list of polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, in particular polyamide 6 and polyamide 6.6, aramide, in particular polyparaphenylene terephthalamide ( PPTA), polyvinyl alcohol, polyester, in particular polyethylene terephthalate and/or polybutylene terephthalate, copolyester, polyolefins, in particular polyethylene and/or polypropylene and/or mixtures thereof, viscose, cellulose and Al2O3. The method according to any one of claims 1 and 3 to 6, or solid-state battery according to any one of claims 2 to 6, wherein the fleece material has one or more of the following properties before application of the solid ion conductor or the solid electrolyte paste:
- eine Luftdurchlässigkeit, gemessen nach EN ISO 9237, von 300 I rrr2 s-1 bis 1000 I rrr2 s’ 1, bevorzugt von 400 I rrr2 s-1 bis 1000 I rrr2 s-1, insbesondere von 450 I rrr2 s-1 bis 850 I rrr2 s-1, - an air permeability, measured according to EN ISO 9237, from 300 l rrr 2 s -1 to 1000 l rrr 2 s'1, preferably from 400 l rrr 2 s -1 to 1000 l rrr 2 s -1 , in particular from 450 l rrr 2 s -1 to 850 I rrr 2 s -1 ,
- eine durchschnittliche Porosität von wenigstens 30%, mehr bevorzugt wenigstens 50%, noch mehr bevorzugt wenigstens 70%, am meisten bevorzugt wenigstens 85%, - an average porosity of at least 30%, more preferably at least 50%, even more preferably at least 70%, most preferably at least 85%,
- mittlere Porengrößen, gemessen nach DIN ISO 4003, von 1 pm bis 100 pm, 3 pm bis 90 pm, 5 pm bis 85 pm, 10 pm bis 80 pm, oder 20 pm bis 75 pm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 7, oder Feststoff-Batterie nach einem der- Mean pore sizes, measured according to DIN ISO 4003, from 1 pm to 100 pm, 3 pm to 90 pm, 5 pm to 85 pm, 10 pm to 80 pm, or 20 pm to 75 pm. Method according to one of claims 1 and 3 to 7, or solid-state battery according to one of
Ansprüche 2 bis 7, wobei die Separatorlage eine Dicke von nicht mehr als 50 pm, insbesondere nicht mehr als 40 pm, nicht mehr als 30 pm, nicht mehr als 20 pm, nicht mehr als 15 pm, oder nicht mehr als 10 pm, aufweist, gemessen nach Prüfvorschrift DIN EN ISO 9073-2, Claims 2 to 7, wherein the separator layer has a thickness of not more than 50 μm, in particular not more than 40 μm, not more than 30 μm, not more than 20 μm, not more than 15 μm, or not more than 10 μm, measured according to test specification DIN EN ISO 9073-2,
- die Kathodenlage eine Dicke von nicht mehr als 50 pm, nicht mehr als 40 pm, nicht mehr als 30 pm, insbesondere nicht mehr als 25 pm oder nicht mehr als 20 pm aufweist, - the cathode layer has a thickness of not more than 50 μm, not more than 40 μm, not more than 30 μm, in particular not more than 25 μm or not more than 20 μm,
- wobei die Dicke der Anodenlage in Abhängigkeit vom Material der Anodenlage und der Dicke der Kathodenlage gewählt ist, und/oder - wherein the thickness of the anode layer is selected as a function of the material of the anode layer and the thickness of the cathode layer, and/or
- der Schichtverbund aus Separatorlage, Anodenlage mit Anodenableiter und Kathodenlage mit Kathodenableiter eine Dicke von nicht mehr als 100 pm, insbesondere nicht mehr als 90 pm oder nicht mehr als 80 pm aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 8, oder Feststoff-Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Anodenlage anodisches Aktivmaterial umfasst, wobei das anodische Aktivmaterial ausgewählt ist aus der Liste von amorphem Kohlenstoff, z.B. carbon black (CB), acetylene black (AB), furnace black (FB), und ketjen black (KB), Graphen, Graphit, TiÜ2, Li4Ti50i2, Kohlenstoff-Zinn (C-Sn)-Kompositen, Zinn-Legierungen, Kohlenstoff-Silicium (C-Si)-Kompositen, SiOn-basierte Kompositen, Silicium-Legierungen, Lithium-Metall, und Lithium-Legierungen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 9, oder Feststoff-Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Kathode kathodisches Aktivmaterial umfasst, wobei das kathodische Aktivmaterial ausgewählt ist aus der Liste von Schichtoxiden auf Basis von Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNixMnyCozO2, wobei x + y + z = 1 , bevorzugt x > 0,5), z.B. LiNio,sMno,iCoo,i02), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (LiNixCoyAlzO2, wobei x + y + z = 1), z.B. LiNio,84Coo,i2Alo,o402, Lithium-reiche Schichtoxide (Lii+xMi.xO2), z.B. Lii,2Nio,2Mno,e02), Hochvoltoxide vom Spinel-Typ (LiMn2-xMxO4, wobei M ein Übergangsmetall ist), z.B. LiNio,5Mni,s02, Olivine (UMPO4, z.B. LiFePO4), TiS2, LiTiS2, U2S. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 10, oder Feststoff-Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Separatorlage eine Höchstzugkraft quer zur Maschinenrichtung, gemessen nach DIN EN 29073-3 (1992-08), von 5 N / 5 cm bis 50 N / 5 cm, bevorzugter von 5 N / 5 cm bis 40 N / 5 cm, insbesondere von 7 N / 5 cm bis 40 N / 5 cm aufweist, wobei die Separatorlage eine Dehnung in Maschinenrichtung, gemessen nach DIN EN 29073-3 (1992-08), von 5 % bis 50 %, bevorzugt von 6 % bis 30 %, insbesondere von 8 % bis 20 % aufweist, und/oder wobei die Separatorlage bei quadratischer Fläche einen Flächenschrumpf bis 200°C von 0,01 Flächen% bis 10,0 Flächen% aufweist, bevorzugt von 0,01 Flächen% bis 2,0 Flächen%, mehr bevorzugt von 0,1 Flächen% bis 2,0 Flächen%. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 11, wobei das Bereitstellen der Separatorlage die folgenden Schritte umfasst: - the layered composite of separator layer, anode layer with anode collector and cathode layer with cathode collector has a thickness of not more than 100 μm, in particular not more than 90 μm or not more than 80 μm. Method according to one of Claims 1 and 3 to 8, or solid-state battery according to one of Claims 2 to 8, in which the anode layer comprises anodic active material, in which case the anodic active material is selected from the list of amorphous carbon, e.g. carbon black (CB), acetylene black (AB), furnace black (FB), and ketjen black (KB), graphene, graphite, TiÜ2, Li4Ti50i2, carbon-tin (C-Sn) composites, tin alloys, carbon-silicon (C-Si) -Composites, SiO n -based composites, silicon alloys, lithium metal, and lithium alloys. Method according to one of claims 1 and 3 to 9, or solid state battery according to one of claims 2 to 9, wherein the cathode comprises cathodic active material, wherein the cathodic active material is selected from the list of layered oxides based on nickel-manganese-cobalt Oxide (LiNi x Mn y Co z O2, where x + y + z = 1, preferably x > 0.5), e.g. LiNio,sMno,iCoo,i02), lithium nickel cobalt aluminum oxide (LiNi x Co y Al z O2, where x + y + z = 1), e.g. LiNio,84Coo,i2Alo,o402, lithium-rich layered oxides (Lii +x Mi. x O2), e.g. Lii,2Nio,2Mno,e02), high-voltage oxides from Spinel type (LiMn2- x M x O4, where M is a transition metal), eg LiNio,5Mni,sO2, Olivine (UMPO4, eg LiFePO4), TiS2, LiTiS2, U2S. Method according to one of claims 1 and 3 to 10, or solid-state battery according to one of claims 2 to 10, wherein the separator layer has a maximum tensile force transverse to the machine direction, measured according to DIN EN 29073-3 (1992-08), of 5 N / 5 cm to 50 N/5 cm, more preferably from 5 N/5 cm to 40 N/5 cm, in particular from 7 N/5 cm to 40 N/5 cm, wherein the separator layer has an elongation in the machine direction, measured according to DIN EN 29073-3 (1992-08), from 5% to 50%, preferably from 6% to 30%, in particular from 8% to 20%, and/or wherein the With a square area, the separator layer has an area shrinkage up to 200° C. of 0.01 area% to 10.0 area%, preferably of 0.01 area% to 2.0 area%, more preferably of 0.1 area% to 2.0 Area%. The method according to any one of claims 1 and 3 to 11, wherein the provision of the separator layer comprises the following steps:
- Infiltrieren des Vliesmaterials mit dem festen lonenleiter, insbesondere in Form einer Paste, eines Schlickers oder Slurrys, enthaltend den festen lonenleiter in Partikelform, und - Infiltrating the fleece material with the solid ion conductor, in particular in the form of a paste, a slip or slurry, containing the solid ion conductor in particle form, and
- Trocknen des befüllten Vliesmaterials. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 11, wobei das Bereitstellen der Separatorlage die folgenden Schritte umfasst: - Drying of the filled fleece material. The method according to any one of claims 1 and 3 to 11, wherein the provision of the separator layer comprises the following steps:
- Infiltrieren des Vliesmaterials mit dem festen lonenleiter, insbesondere in Form einer Paste, eines Schlickers oder Slurrys, enthaltend den festen lonenleiter in Partikelform, - infiltrating the fleece material with the solid ion conductor, in particular in the form of a paste, slip or slurry, containing the solid ion conductor in particle form,
- Trocknen des befüllten Vliesmaterials, und - Drying of the filled fleece material, and
- Verpressen und/oder Kalandrieren vor der Beschichtung mit der Kathodenlage und/oder der Anodenlage. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verpressen und/oder Kalandrieren der Separatorlage vor der Beschichtung mit der Kathodenlage und/oder der Anodenlage bei einer Temperatur von mindestens 50 °C, mindestens 100 °C, mindestens 150 °C, mindestens 200 °C, oder mindestens 250 °C stattfindet. Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei nach dem Beschichten der Separatorlage mit einer Kathodenlage und einer Anodenlage ein Verpressen oder Kalandrieren der beschichteten Separatorlage erfolgt, wobei der Anpressdruck oder die Anpresskraft geringer ist als der Anpressdruck oder die Anpresskraft beim Verpressen und/oder Kalandrieren vor der Beschichtung mit der Kathodenlage und/oder der Anodenlage. Feststoff-Batterie nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 11 , wobei das Vliesmaterial eine oder mehrere Fasern umfasst, wobei die eine oder mehrere Fasern einen hochschmelzenden Kern und eine niederschmelzende Hülle umfassen. Feststoff-Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 11 und 16, herstellbar oder hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 und 3 bis 15. - pressing and/or calendering before coating with the cathode layer and/or the anode layer. The method of claim 13, wherein the pressing and / or calendering of the separator layer before coating with the cathode layer and / or the anode layer at a temperature of at least 50 ° C, at least 100 ° C, at least 150 ° C, at least 200 ° C, or at least 250 °C takes place. The method according to claim 13 or claim 14, wherein after the coating of the separator layer with a cathode layer and an anode layer, the coated separator layer is pressed or calendered, the contact pressure or the contact force being lower than the contact pressure or the contact force during the compression and/or calendering the coating with the cathode layer and/or the anode layer. Solid state battery according to at least one of claims 2 to 11, wherein the fleece material comprises one or more fibers, wherein the one or more fibers comprise a high-melting core and a low-melting shell. Solid-state battery according to one of Claims 2 to 11 and 16, which can be produced or produced by a method according to one of Claims 1 and 3 to 15.
31 31
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