WO2024017543A1 - Method for producing an electrode of a battery cell - Google Patents

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WO2024017543A1
WO2024017543A1 PCT/EP2023/065869 EP2023065869W WO2024017543A1 WO 2024017543 A1 WO2024017543 A1 WO 2024017543A1 EP 2023065869 W EP2023065869 W EP 2023065869W WO 2024017543 A1 WO2024017543 A1 WO 2024017543A1
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WO
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coating
additive
electrode
carrier material
active material
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/065869
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German (de)
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Inventor
Gerold HÜBNER
Miriam Kunze
Jessica Maria Hüsker
Original Assignee
Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M4/00Electrodes
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    • H01M4/04Processes of manufacture in general
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electrode of a battery cell.
  • an active material that is arranged on a carrier material should still have sufficient pores even after calendering, so that continuous wetting with electrolyte is possible.
  • the carrier material includes in particular a band-shaped carrier material.
  • Batteries are increasingly being used to power motor vehicles. Batteries are typically composed of cells, with each cell having a stack of anode, cathode and separator sheets. At least some of the anode and cathode sheets are designed as current collectors to divert the current provided by the cell to a consumer arranged outside the cell.
  • a so-called carrier material in particular a band-shaped carrier material, e.g. B. a carrier film, coated on both sides with a slurry (hereinafter also referred to as active material mixture) using an application tool.
  • the slurry consists of several components, including an active material, conductive carbon black, binders, solvents and possibly other additives.
  • the coated carrier material is subjected to a drying process in order to evaporate the solvent contained and to firmly bond the remaining components to the carrier film.
  • the carrier film forms a current conductor for the battery cell.
  • the coating created in this way is porous.
  • the porosity is reduced by calendering, as the coating is compacted here. Densification is required to increase specific capacity (based on volume) and electrical conductivity.
  • the active material mixture is compressed by at least 20% (approx. 40%) during calendering.
  • the calendering process is similar to the rolling process.
  • the anode consists in particular of graphite as the active material; the anode also contains z.
  • CMS as a thinner and conductive carbon.
  • a high lithium ion transport rate requires the most intensive penetration of the electrode with electrolyte and short transport routes throughout the entire thickness of the electrode coating in order to quickly make lithium ions available even in the inner areas of the electrode.
  • Active material that is not sufficiently wetted with electrolyte is not available for the cell reaction and therefore does not contribute to the cell performance/capacity, i.e. reduces the gravimetric and volumetric energy density.
  • electrodes are calendered before cell construction. During calendering, the coating of the electrode carrier material is compressed by at least 20% and the density of the coating is correspondingly increased. This means that the calendering step significantly reduces the porosity of the electrode.
  • JP 2001 196 065 A1 is directed to an active material that has active material and polymeric additives that are connected to one another via binder material.
  • the additives should have a pore control function so that volume fluctuations between loading and unloading are reduced.
  • JP 2001 185 152 A is directed to an electrode additive that has an elastic structure. This is also intended to achieve reduced volume fluctuations between loading and unloading.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems mentioned with reference to the prior art.
  • a method is to be proposed by which the porosity of an active material can be advantageously adjusted and maintained beyond calendering.
  • a method for producing an electrode of a battery cell has at least the following steps: a) providing a (e.g. band-shaped) carrier material for an electrode; b) Coating the carrier material with
  • the electrode to be produced is intended in particular for use in a lithium-ion battery cell.
  • the electrode in particular comprises a carrier material, e.g. B. a copper or aluminum foil.
  • the carrier material used consists in particular of 4 to 12 pm thick copper for the anode and 8 to 15 pm thick aluminum for the cathode.
  • the carrier material is coated with the coating at least on one largest side surface, possibly also on the largest side surfaces opposite one another.
  • the active material mixture for a cathode comprises at least (one of) conductive carbon black (e.g. carbon black), NMC (lithium-nickel-cobalt-manganese as a lithium-storing active material), PVDF (polyvinylidene fluoride); for an anode at least (one of) graphite (as lithium-storing active material), CNT (carbon nano tubes), SBR (styrene-butadiene rubber as binder material), CMC (carboxymethyl cellulose polymer).
  • conductive carbon black e.g. carbon black
  • NMC lithium-nickel-cobalt-manganese as a lithium-storing active material
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • for an anode at least (one of) graphite (as lithium-storing active material), CNT (carbon nano tubes), SBR (styrene-butadiene rubber as binder material), CMC (carboxymethyl cellulose polymer).
  • CNT carbon nano tubes
  • a carrier material for an electrode is provided.
  • the carrier material is provided in particular as a band-shaped carrier material and possibly as an endless material.
  • the band-shaped endless material is conveyed in particular along a conveying direction, at least during steps b) and c), preferably (also) during step d).
  • the carrier material is coated with an additive that has a large number of pores and is elastically deformable.
  • the carrier material is further coated with the active material mixture.
  • the additive and the active material mixture together form the coating.
  • the coating is additionally smoothed in step b) or the thickness of the coating is adjusted.
  • the coating is additionally heated or dried in step b) so that solvents can evaporate from the coating.
  • the coated carrier material or the coating is calendered. At least the coating (the carrier material is usually solid and is therefore not further compacted) is compacted during calendering, thereby reducing the porosity of the coating.
  • the coated carrier material is guided through a roller arrangement, which may be temperature-controlled and can therefore heat the coated carrier material.
  • the coating is compacted via the rollers. There is usually an increase in density (a reduction in porosity) of the coating of at least 20%.
  • a self-induced increase in at least one thickness of the coating occurs due to an elastic springback of the additive.
  • the springback causes in particular an increase in the porosity reduced by calendering.
  • this porosity of the coating produced in step d) is influenced by the properties of the additive.
  • the active material mixture or the environmental conditions also have a (smaller) influence on the porosity produced in step d).
  • a value for the porosity produced in step d) arises in particular as a function of time.
  • B. only has a low porosity.
  • the elastic springback causes a time-dependent gradual increase in porosity.
  • a final porosity value is reached.
  • This final porosity value can (also) be adjusted by tensioning the electrode, e.g. B. by arranging the electrode in a stack with other electrodes and / or by arranging the stack in a housing of a battery cell.
  • the additive's recovery is at least 85% complete. i.e. that at this point the increase in porosity is almost complete.
  • the springback can e.g. B. can be determined in experiments.
  • the formation of the porosity in step d) tends to reach a final porosity value over time.
  • the porosity (or its course over time) can e.g. B. can be easily determined based on the change in the thickness of the coating.
  • a change in the thickness of the coating is at least 85% complete by fifteen minutes at the latest, preferably by two minutes at the latest, particularly preferably by 30 seconds at the latest, after the calendaring of an area of the coating has ended.
  • a first thickness of the coating immediately after step c) is at least 10%, preferably at least 15%, particularly preferably at least 20% smaller than a second thickness after step d).
  • the second thickness is in particular the intended thickness of the coating that occurs after a certain period of time (fifteen minutes, two minutes, 30 seconds).
  • the second thickness is the final porosity value described above.
  • the additive is at least partially, in particular predominantly, preferably completely, open-pored.
  • the active material mixture is at least partially arranged within at least some pores, preferably within all pores.
  • the additive is at least partially, in particular predominantly, preferably completely, closed-pore.
  • the active material mixture cannot penetrate into the pores, but can only accumulate on the surface of the respective pore wall.
  • the additive and the active material mixture are mixed together before step b) and applied as a mixture to the carrier material in step b).
  • step b) the additive and then the active material mixture are applied separately to the carrier material.
  • the additive comprises at least graphite or graphene.
  • the active material mixture does not include any additional electrically conductive additional material.
  • the electrical conductivity of the coating is ensured via the additive.
  • the additive includes a metal, a metal alloy, polyurethane or a binder material.
  • the additive includes a polymer material otherwise used as a binder material (e.g. CMC, SBR, PAA) or targeted modifications of these materials.
  • the active material mixture does not contain any additional binder material.
  • the additive is provided in step b) as a large number of particles, as foam or as elastic threads.
  • the additive in particular has (partially) elastic structures that are open-pored or closed-pored.
  • the additive can be applied to the carrier material in step b) before the active material mixture.
  • a thickness of 20 pm [micrometers] to 150 pm of the additive on the carrier material can be set.
  • the additive can then be coated with the active material mixture (also referred to as electrode slip).
  • the additive and active material mixture are mixed together and then applied together to the carrier material.
  • the additive Due to the high porosity (open or closed porosity) of the additive, it is filled or impregnated with the active material mixture. In particular, the coating is dried in step b).
  • the coating is calendered in step c).
  • the restoring force of the additive according to step d) causes the coating not to remain completely compressed, but to “spring back” again.
  • the compression is greater or smaller. The following applies: the larger the spring constant, the lower the resulting compression after calendering.
  • the active material mixture does not penetrate the pores of the additive.
  • additive present as a polymer is deposited on the carrier material in a foam-like manner or in elastic threads, e.g. B. by electrospinning, or by blowing in gases during the drying phase of the additive (before deposition on the carrier material or by specifically selecting the drying conditions).
  • this makes it possible to adjust the elastic deformability of the additive or the coating.
  • the additive can in particular be added as a large number of particles, with the individual particles unfolding again after calendering and thus expanding the coating or increasing its porosity or thickness.
  • the particles have a wide size distribution in order to be able to generate different pores in the electrode.
  • the additive is at least 30% formed from particles, at least 10% of which have a (non-compressed) size that differs by at least 30% from the largest or smallest particles.
  • the electrode provided as an anode has a major problem with closing or reducing the size of the pores at high calender compression or strong compaction.
  • the proposed method steps can also be carried out for electrodes intended as cathodes.
  • a battery cell is further proposed, at least comprising a battery cell housing and at least one electrode arranged therein, which is produced by the method described.
  • the battery cell in particular comprises a battery cell housing enclosing a volume and, arranged in the volume, at least a first electrode film of a first type of electrode, a second electrode film of a second type of electrode and a separator material arranged between them and a liquid electrolyte.
  • the battery cell is in particular a pouch cell (with a deformable battery cell housing consisting of a pouch film) or a prismatic cell (with a dimensionally stable battery cell housing).
  • a pouch film is a known deformable housing part that is used as a battery cell housing for so-called pouch cells. It is a composite material, e.g. B. comprising a plastic and aluminum.
  • the battery cell is in particular a lithium-ion battery cell.
  • the individual foils of the plurality of electrodes designed as electrode foils are arranged one on top of the other and in particular form a stack.
  • the electrode foils are each assigned to different types of electrodes, i.e. they are designed as an anode or a cathode. Anodes and cathodes are arranged alternately and separated from each other by the separator material.
  • a battery cell is a power storage device that, for example, B. is used in a motor vehicle to store electrical energy.
  • B. is used in a motor vehicle to store electrical energy.
  • a motor vehicle has an electric machine for driving the motor vehicle (a traction drive), the electric machine being able to be driven by the electrical energy stored in the battery cell.
  • a motor vehicle is further proposed, at least comprising a traction drive and a battery with at least one of the battery cells described, the traction drive being able to be supplied with energy by the at least one battery cell.
  • At least one system for data processing which has means which are suitably equipped, configured or programmed to carry out the method or which carry out the method.
  • the means include e.g. B. a processor and a memory in which commands to be executed by the processor are stored, as well as data lines or transmission devices that enable the transmission of commands, measured values, data or the like between the elements listed, e.g. B. a device for coating, a device for conveying the (coated) carrier material along a feed direction, a device for calendering or for compacting the coating, a device for checking or measuring individual properties of those produced with the method or with individual method steps Electrode, etc., enable.
  • a computer program comprising commands which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the described method or the steps of the described method.
  • a computer-readable storage medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause it to carry out the described method or the steps of the described method.
  • the statements on the method can be transferred in particular to the battery cell, the motor vehicle, the data processing system and/or the computer-implemented method (i.e. the computer program and the computer-readable storage medium) and vice versa.
  • step c) of the method in a view along a feed direction of a coated carrier material
  • Fig. 2 steps c) and d) of the method in a side view.
  • Fig. 1 shows a step c) of the method in a view along a feed direction 6 of a coated carrier material 2.
  • Fig. 2 shows steps c) and d) of the method in a side view. 1 and 2 are described together below.
  • a carrier material 2 of an electrode 1 is provided.
  • the carrier material 2 is provided as a band-shaped carrier material 2 and thereby as an endless material.
  • the band-shaped endless material is conveyed along a feed direction 6 (conveying direction) during steps c) and d) shown.
  • the carrier material 2 is coated with an additive that has a large number of pores and is elastically deformable. Furthermore, the carrier material 2 is coated with the active material mixture. The additive and the active material mixture together form the coating 3.
  • step c) the coated carrier material 2 or the coating 3 is calendered.
  • the coating 3 is compacted during calendering and thus the porosity of the coating 3 is reduced.
  • the endless material comprising the carrier material 2 and the coating 3 applied on both sides, is conveyed between two conveyor rollers 7 along a feed direction 6 through calendering rollers 8.
  • the conveyor rollers 7 and the calendering rollers 8 each rotate about their respective axis of rotation 9.
  • the coated carrier material 2 is guided through a roller arrangement with calendering rollers 8, which may be tempered and can therefore heat the coated carrier material 2.
  • the coating 3 is compacted via the calendering rollers 8. There is usually an increase in density (a reduction in porosity) of the coating 3 of at least 20%.
  • step d) i.e. along the feed direction 6 immediately after the calendering rollers 8
  • a self-induced increase in thickness 4, 5 of the coating 3 occurs due to an elastic springback of the additive.
  • the springback causes an increase in the porosity reduced by calendering.
  • the second thickness 5 is the intended thickness of the coating 3, which occurs after a certain period of time (five minutes, two minutes, 30 seconds), which occurs here shortly before the electrode 1 is wound on the rear conveyor roller 7.

Abstract

The invention relates to a method for producing an electrode (1) of a battery cell, the method having at least the following steps: a) providing a carrier material (2) of the electrode (1); b) coating the carrier material (2) with * an additive that has a plurality of pores and is elastically deformable and * an active material mixture, and forming a coating (3); c) calendering the coated carrier material (2), wherein at least the coating (3) is compressed during calendering and thus a porosity of the coating (3) is reduced; d) enlarging, in a self-induced manner, at least one thickness (4, 5) of the coating (3) due to an elastic spring-back of the additive and thus setting the porosity of the coating (3).

Description

Beschreibung Description
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einer Batteriezelle Method for producing an electrode of a battery cell
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einer Batteriezelle. Insbesondere soll ein Aktivmaterial, dass auf einem Trägermaterial angeordnet ist, auch nach einem Kalandrieren noch ausreichend Poren aufweisen, so dass eine durchgehende Benetzung mit Elektrolyt möglich ist. Das Trägermaterial umfasst insbesondere ein bandförmiges Trägermaterial. The invention relates to a method for producing an electrode of a battery cell. In particular, an active material that is arranged on a carrier material should still have sufficient pores even after calendering, so that continuous wetting with electrolyte is possible. The carrier material includes in particular a band-shaped carrier material.
Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen werden vermehrt Batterien, insbesondere Lithium-Ionen- Batterien eingesetzt. Batterien werden üblicherweise aus Zellen zusammengesetzt, wobei jede Zelle einen Stapel von Anoden-, Kathoden- und Separator-Blättern aufweist. Zumindest ein Teil der Anoden- und Kathodenblätter sind als Stromableiter ausgeführt, zur Ableitung des von der Zelle bereitgestellten Stroms hin zu einem außerhalb der Zelle angeordneten Verbraucher. Batteries, especially lithium-ion batteries, are increasingly being used to power motor vehicles. Batteries are typically composed of cells, with each cell having a stack of anode, cathode and separator sheets. At least some of the anode and cathode sheets are designed as current collectors to divert the current provided by the cell to a consumer arranged outside the cell.
Bei der Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle wird ein sogenanntes Trägermaterial, insbesondere ein bandförmiges Trägermaterial, z. B. eine Trägerfolie, beidseitig mit einer Slurry (im Folgenden auch als Aktivmaterialmischung bezeichnet) über ein Auftragswerkzeug beschichtet. Die Slurry besteht aus mehreren Komponenten, u.a. einem Aktivmaterial, Leitruß, Binder, Lösungsmitteln und ggf. sonstigen Additiven. Nach der jeweils einseitig durchgeführten Beschichtung wird das beschichtete Trägermaterial jeweils einem Trocknungsprozess zugeführt, um das enthaltene Lösungsmittel zu verdampfen und die restlichen Bestandteile fest mit der Trägerfolie zu verbinden. Die Trägerfolie bildet einen Stromableiter der Batteriezelle. When producing a lithium-ion battery cell, a so-called carrier material, in particular a band-shaped carrier material, e.g. B. a carrier film, coated on both sides with a slurry (hereinafter also referred to as active material mixture) using an application tool. The slurry consists of several components, including an active material, conductive carbon black, binders, solvents and possibly other additives. After the coating has been carried out on one side, the coated carrier material is subjected to a drying process in order to evaporate the solvent contained and to firmly bond the remaining components to the carrier film. The carrier film forms a current conductor for the battery cell.
Die so erzeugte Beschichtung ist porös. Die Porosität wird durch das Kalandrieren reduziert, da hier die Beschichtung verdichtet wird. Die Verdichtung ist erforderlich, um eine spezifische Kapazität (auf das Volumen bezogen) und eine elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Die Aktivmaterialmischung wird beim Kalandrieren um mindestens 20 % (ca. 40 %) komprimiert. Der Kalandriervorgang ist dem Walzvorgang ähnlich. The coating created in this way is porous. The porosity is reduced by calendering, as the coating is compacted here. Densification is required to increase specific capacity (based on volume) and electrical conductivity. The active material mixture is compressed by at least 20% (approx. 40%) during calendering. The calendering process is similar to the rolling process.
Die Anode besteht insbesondere aus Graphit als Aktivmaterial; weiter enthält die Anode z. B. als Bindermaterial SBR, als Verdünner CMS und Leitkohle. Es wird insbesondere versucht, eine Dichte des Aktivmaterials von 1 ,6 g/cm3 [Gramm/ Kubikzentimeter] zu erreichen, um die volumetrische Energiedichte der Batteriezelle zu erhöhen. Eine hohe Dichte erhöht auch die Leitfähigkeit der Batteriezelle. The anode consists in particular of graphite as the active material; the anode also contains z. B. SBR as a binder material, CMS as a thinner and conductive carbon. In particular, an attempt is made to To achieve a density of the active material of 1.6 g/cm 3 [grams/cubic centimeter] in order to increase the volumetric energy density of the battery cell. High density also increases the conductivity of the battery cell.
Zur Sicherstellung der Schnellladefähigkeit von Elektroden von Lithium-Ionen Batteriezellen ist eine Minimierung des Lithium-Ionen-Transportwiderstandes Voraussetzung. Dies lässt sich durch eine Minimierung der Elektrodendicke realisieren, was jedoch zu Lasten der Kapazität und hoher Energiedichte geht. Daher werden üblicherweise hohe Dicken der Aktivmaterialmischung angestrebt, um eine möglichst hohe Batteriereichweite zu ermöglichen. Diese großen Dicken erhöhen jedoch den Durchtrittswiderstand der Elektroden. To ensure the rapid charging capability of electrodes of lithium-ion battery cells, minimization of the lithium-ion transport resistance is a prerequisite. This can be achieved by minimizing the electrode thickness, but this comes at the expense of capacity and high energy density. Therefore, high thicknesses of the active material mixture are usually aimed for in order to enable the longest possible battery range. However, these large thicknesses increase the contact resistance of the electrodes.
Eine hohe Lithium-Ionen-Transportrate erfordert eine möglichst intensive Durchsetzung der Elektrode mit Elektrolyt und kurze Transportwege in die gesamte Dicke der Beschichtung der Elektrode, um Lithium-Ionen auch in den inneren Bereichen der Elektrode schnell zur Verfügung zu stellen. Aktivmaterial, welches nicht ausreichend mit Elektrolyt benetzt wird, steht der Zellreaktion nicht zur Verfügung und trägt daher nicht zur Zellleistung-/Kapazität zur Verfügung, d.h. miniert die gravimetrische und volumetrische Energiedichte. Zur Minimierung der inneren Kontaktwiderstände, Sicherstellung der Anhaftung des Aktivmaterials an den Stromsammler und Einstellung einer bestimmten Energiedichte, werden Elektroden vor dem Zellbau kalandriert. Bei dem Kalandrieren kommt es zu einer Komprimierung der Beschichtung des Trägermaterials der Elektrode um mindestens 20 % und zu einer entsprechenden Erhöhung der Dichte der Beschichtung. D.h. durch den Kalandrierungsschritt vermindert sich die Porosität der Elektrode erheblich. A high lithium ion transport rate requires the most intensive penetration of the electrode with electrolyte and short transport routes throughout the entire thickness of the electrode coating in order to quickly make lithium ions available even in the inner areas of the electrode. Active material that is not sufficiently wetted with electrolyte is not available for the cell reaction and therefore does not contribute to the cell performance/capacity, i.e. reduces the gravimetric and volumetric energy density. To minimize the internal contact resistance, ensure the adhesion of the active material to the current collector and set a specific energy density, electrodes are calendered before cell construction. During calendering, the coating of the electrode carrier material is compressed by at least 20% and the density of the coating is correspondingly increased. This means that the calendering step significantly reduces the porosity of the electrode.
Bekannt sind z. B. Nachbehandlungen der fertig gestellten Elektroden etwa durch feinste Nadeln auf einer Rolle, um Kanäle in der Elektrodenstruktur zu bilden. Ebenfalls bekannt ist eine Laserbehandlung von Elektroden. Weiterhin ist die Aufprägung einer Vorzugsrichtung der Aktivmaterialien durch ein externes Magnetfeld und eine damit einhergehende gezielte Minimierung der Tortuosität bekannt. Are known e.g. B. Post-treatment of the finished electrodes, for example using the finest needles on a roll, to form channels in the electrode structure. Laser treatment of electrodes is also known. Furthermore, the imprinting of a preferred direction of the active materials by an external magnetic field and the associated targeted minimization of tortuosity is known.
Die bekannten Verfahren erfordern insbesondere die Integration zusätzlicher Anlagenkomponenten in der Fertigungsanlage, was mit Kosten und Aufwand verbunden ist. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass bei einer Nachbehandlung Bereiche einer Elektrode geschädigt werden, insbesondere bei einer Laserbehandlung. Bei der Laserbehandlung wird weiterhin ein hoher Betrag an Aktivmaterial abgetragen, wobei dieses entfernte Material nicht weiter genutzt wird. Hierdurch steigen die Kosten der Elektrode. Aus der US 7 767 346 B2 ist ein Aktivmaterial für eine Elektrode bekannt, das eine hohe Porosität aufweist und damit eine nur reduzierte Volumenschwankung zwischen dem Laden und Entladen aufweist. The known methods require in particular the integration of additional system components in the production system, which is associated with costs and effort. In addition, there is a risk that areas of an electrode will be damaged during follow-up treatment, especially during laser treatment. During laser treatment, a large amount of active material is still removed, but this removed material is no longer used. This increases the costs of the electrode. From US 7 767 346 B2 an active material for an electrode is known which has a high porosity and therefore only has a reduced volume fluctuation between charging and discharging.
Die JP 2001 196 065 A1 ist auf ein Aktivmaterial gerichtet, das Aktivmaterial und polymere Zusatzstoffe aufweist, die miteinander über Bindermaterial verbunden sind. Die Zusatzstoffe sollen eine Porenkontrollfunktion aufweisen, so dass Volumenschwankungen zwischen dem Laden und Entladen reduziert sind. JP 2001 196 065 A1 is directed to an active material that has active material and polymeric additives that are connected to one another via binder material. The additives should have a pore control function so that volume fluctuations between loading and unloading are reduced.
Die JP 2001 185 152 A ist auf ein Elektrodenadditiv gerichtet, dass eine elastische Struktur aufweist. Auch damit soll eine reduzierte Volumenschwankung zwischen dem Laden und Entladen erzielt werden. JP 2001 185 152 A is directed to an electrode additive that has an elastic structure. This is also intended to achieve reduced volume fluctuations between loading and unloading.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, durch das eine Porosität eines Aktivmaterials in vorteilhafter Weise einstellbar und über das Kalandrieren hinaus aufrechterhaltbar ist. The object of the present invention is to at least partially solve the problems mentioned with reference to the prior art. In particular, a method is to be proposed by which the porosity of an active material can be advantageously adjusted and maintained beyond calendering.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. A method with the features according to claim 1 contributes to solving these tasks. Advantageous further training is the subject of the dependent patent claims. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically sensible manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and/or details from the figures, with further embodiment variants of the invention being shown.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einer Batteriezelle vorgeschlagen. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf: a) Bereitstellen eines (z. B. bandförmigen) Trägermaterials einer Elektrode; b) Beschichten des Trägermaterials mit A method for producing an electrode of a battery cell is proposed. The method has at least the following steps: a) providing a (e.g. band-shaped) carrier material for an electrode; b) Coating the carrier material with
• einem Additiv, das eine Vielzahl von Poren aufweist und elastisch verformbar ist und• an additive that has a large number of pores and is elastically deformable and
• einer Aktivmaterialmischung; und • an active material mixture; and
Bilden einer Beschichtung; c) Kalandrieren des beschichteten Trägermaterials; wobei zumindest die Beschichtung während des Kalandrierens verdichtet und damit eine Porosität der Beschichtung verringert wird; d) selbstinduziertes Vergrößern zumindest einer Dicke der Beschichtung aufgrund einer elastischen Rückfederung des Additivs und damit Einstellung der Porosität der Beschichtung. forming a coating; c) calendering the coated carrier material; wherein at least the coating is compacted during calendering and thus the porosity of the coating is reduced; d) self-induced increase in at least one thickness of the coating due to an elastic springback of the additive and thus adjustment of the porosity of the coating.
Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis d) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte kann variieren. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Bevorzugt werden die Schritte a) bis d) in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. The above (non-exhaustive) division of the process steps into a) to d) is primarily intended to serve only as a distinction and not to impose any order and/or dependency. The frequency of the process steps can also vary. It is also possible for process steps to at least partially overlap each other in time. Steps a) to d) are preferably carried out in the specified order.
Die herzustellende Elektrode ist insbesondere für den Einsatz in einer Lithium-Ionen- Batteriezelle vorgesehen. Die Elektrode umfasst insbesondere ein Trägermaterial, z. B. eine Kupfer- oder Aluminiumfolie. Das verwendete Trägermaterial besteht insbesondere aus 4 bis 12 pm dickem Kupfer für die Anode und 8 bis 15 pm dickem Aluminium für die Kathode. Das Trägermaterial wird in Schritt b) zumindest auf einer größten Seitenfläche, ggf. auch auf den einander gegenüberliegenden größten Seitenflächen mit der Beschichtung beschichtet. The electrode to be produced is intended in particular for use in a lithium-ion battery cell. The electrode in particular comprises a carrier material, e.g. B. a copper or aluminum foil. The carrier material used consists in particular of 4 to 12 pm thick copper for the anode and 8 to 15 pm thick aluminum for the cathode. In step b), the carrier material is coated with the coating at least on one largest side surface, possibly also on the largest side surfaces opposite one another.
Insbesondere umfasst die Aktivmaterialmischung für eine Kathode zumindest (eines von) Leitruß (z. B. carbon black), NMC (Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan als Lithium-speicherndes Aktivmaterial), PVDF (Polyvinylidenfluorid); für eine Anode zumindest (eines von) Graphit (als Lithium-speicherndes Aktivmaterial), CNT (carbon nano tubes), SBR (Styrene-Butadien Rubber als Bindermaterial), CMC (Carboxymethyl Zellulose Polymer). Die Komponenten des Materials, die nicht Bindermaterial sind, werden insbesondere dem Aktivmaterial zugerechnet. In particular, the active material mixture for a cathode comprises at least (one of) conductive carbon black (e.g. carbon black), NMC (lithium-nickel-cobalt-manganese as a lithium-storing active material), PVDF (polyvinylidene fluoride); for an anode at least (one of) graphite (as lithium-storing active material), CNT (carbon nano tubes), SBR (styrene-butadiene rubber as binder material), CMC (carboxymethyl cellulose polymer). The components of the material that are not binder material are, in particular, classified as active material.
Gemäß Schritt a) erfolgt insbesondere ein Bereitstellen eines Trägermaterials einer Elektrode. Das Trägermaterial wird insbesondere als bandförmiges Trägermaterial und dabei ggf. als Endlosmaterial bereitgestellt. Das bandförmige Endlosmaterial wird insbesondere entlang einer Förderrichtung gefördert, zumindest während der Schritte b) und c), bevorzugt (auch) während Schritt d). According to step a), in particular a carrier material for an electrode is provided. The carrier material is provided in particular as a band-shaped carrier material and possibly as an endless material. The band-shaped endless material is conveyed in particular along a conveying direction, at least during steps b) and c), preferably (also) during step d).
Gemäß Schritt b) erfolgt das Beschichten des Trägermaterials mit einem Additiv, das eine Vielzahl von Poren aufweist und elastisch verformbar ist. Weiter wird das Trägermaterial mit der Aktivmaterialmischung beschichtet. Das Additiv und die Aktivmaterialmischung bilden zusammen die Beschichtung. Insbesondere wird die Beschichtung in Schritt b) zusätzlich geglättet bzw. hinsichtlich einer Dicke der Beschichtung eingestellt. According to step b), the carrier material is coated with an additive that has a large number of pores and is elastically deformable. The carrier material is further coated with the active material mixture. The additive and the active material mixture together form the coating. In particular, the coating is additionally smoothed in step b) or the thickness of the coating is adjusted.
Insbesondere wird die Beschichtung in Schritt b) zusätzlich erwärmt bzw. getrocknet, so dass Lösungsmittel aus der Beschichtung ausdampfen können. In particular, the coating is additionally heated or dried in step b) so that solvents can evaporate from the coating.
Gemäß Schritt c) erfolgt ein Kalandrieren des beschichteten Trägermaterials bzw. der Beschichtung. Dabei wird zumindest die Beschichtung (das Trägermaterial ist üblicherweise massiv und wird daher nicht weiter verdichtet) während des Kalandrierens verdichtet und damit eine Porosität der Beschichtung verringert. According to step c), the coated carrier material or the coating is calendered. At least the coating (the carrier material is usually solid and is therefore not further compacted) is compacted during calendering, thereby reducing the porosity of the coating.
Bei einem Kalandrieren wird das beschichtete Trägermaterial durch eine Walzenanordnung geführt, die ggf. temperiert sind und damit das beschichtete Trägermaterial erwärmen können. Über die Walzen wird die Beschichtung verdichtet. Es erfolgt üblicherweise eine Erhöhung einer Dichte (eine Verringerung der Porosität) der Beschichtung von mindestens 20 %. During calendering, the coated carrier material is guided through a roller arrangement, which may be temperature-controlled and can therefore heat the coated carrier material. The coating is compacted via the rollers. There is usually an increase in density (a reduction in porosity) of the coating of at least 20%.
Gemäß Schritt d) erfolgt ein selbstinduziertes Vergrößern zumindest einer Dicke der Beschichtung aufgrund einer elastischen Rückfederung des Additivs. Die Rückfederung verursacht insbesondere eine Vergrößerung der durch das Kalandrieren reduzierten Porosität. According to step d), a self-induced increase in at least one thickness of the coating occurs due to an elastic springback of the additive. The springback causes in particular an increase in the porosity reduced by calendering.
Insbesondere erfolgt damit eine Einstellung der Porosität der Beschichtung. Insbesondere wird diese in Schritt d) hergestellte Porosität der Beschichtung durch die Eigenschaften des Additivs beeinflusst. Insbesondere haben auch die Aktivmaterialmischung bzw. die Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, etc.) einen (geringeren) Einfluss auf die in Schritt d) hergestellte Porosität. In particular, this results in an adjustment of the porosity of the coating. In particular, this porosity of the coating produced in step d) is influenced by the properties of the additive. In particular, the active material mixture or the environmental conditions (temperature, humidity, etc.) also have a (smaller) influence on the porosity produced in step d).
Ein Wert für die in Schritt d) hergestellte Porosität stellt sich insbesondere zeitabhängig ein. Unmittelbar nach der Kalandrierung liegt z. B. eine nur geringe Porosität vor. Die elastische Rückfederung bedingt eine zeitabhängige sukzessive Vergrößerung der Porosität. Dabei wird nach einer gewissen Zeitspanne ein Endwert der Porosität erreicht. Dieser Endwert der Porosität kann (auch) durch eine Verspannung der Elektrode eingestellt werden, z. B. durch Anordnung der Elektrode in einem Stapel mit anderen Elektroden und/oder durch Anordnung des Stapels in einem Gehäuse einer Batteriezelle. A value for the porosity produced in step d) arises in particular as a function of time. Immediately after calendering, for example: B. only has a low porosity. The elastic springback causes a time-dependent gradual increase in porosity. After a certain period of time, a final porosity value is reached. This final porosity value can (also) be adjusted by tensioning the electrode, e.g. B. by arranging the electrode in a stack with other electrodes and / or by arranging the stack in a housing of a battery cell.
Insbesondere ist bis spätestens fünfzehn Minuten, bevorzugt bis spätestens zwei Minuten, besonders bevorzugt bis spätestens 30 Sekunden, nach Beendigung der Kalandrierung eines Bereichs der Beschichtung eine Rückfederung des Additivs zumindest zu 85 % abgeschlossen. D. h. das zu diesem Zeitpunkt die Vergrößerung der Porosität nahezu abgeschlossen ist. In particular, no later than fifteen minutes, preferably no later than two minutes, particularly preferably no later than 30 seconds, after the end of the calendaring In the area of the coating, the additive's recovery is at least 85% complete. i.e. that at this point the increase in porosity is almost complete.
Die Rückfederung kann z. B. in Versuchen bestimmt werden. Die Ausbildung der Porosität in Schritt d) strebt über den Verlauf der Zeit hin zu einem Endwert der Porosität. Die Porosität (bzw. deren Verlauf über der Zeit) kann z. B. anhand der Veränderung der Dicke der Beschichtung einfach bestimmt werden. Insbesondere ist also bis spätestens fünfzehn Minuten, bevorzugt bis spätestens zwei Minuten, besonders bevorzugt bis spätestens 30 Sekunden, nach Beendigung der Kalandrierung eines Bereichs der Beschichtung eine Änderung der Dicke der Beschichtung zumindest zu 85 % abgeschlossen. The springback can e.g. B. can be determined in experiments. The formation of the porosity in step d) tends to reach a final porosity value over time. The porosity (or its course over time) can e.g. B. can be easily determined based on the change in the thickness of the coating. In particular, a change in the thickness of the coating is at least 85% complete by fifteen minutes at the latest, preferably by two minutes at the latest, particularly preferably by 30 seconds at the latest, after the calendaring of an area of the coating has ended.
Insbesondere ist eine erste Dicke der Beschichtung unmittelbar nach Schritt c) um mindestens 10 %, bevorzugt um mindestens 15 %, besonders bevorzugt um mindestens 20 %, kleiner als eine zweite Dicke nach Schritt d). Die zweite Dicke ist insbesondere die beabsichtigte, sich nach einer bestimmten Zeitspanne (fünfzehn Minuten, zwei Minuten, 30 Sekunden) einstellende Dicke der Beschichtung. Alternativ ist die zweite Dicke der vorstehend beschriebene Endwert der Porosität. In particular, a first thickness of the coating immediately after step c) is at least 10%, preferably at least 15%, particularly preferably at least 20% smaller than a second thickness after step d). The second thickness is in particular the intended thickness of the coating that occurs after a certain period of time (fifteen minutes, two minutes, 30 seconds). Alternatively, the second thickness is the final porosity value described above.
Insbesondere ist das Additiv zumindest teilweise, insbesondere überwiegend, bevorzugt vollständig, offenporig. Die Aktivmaterialmischung ist nach Schritt d) zumindest teilweise innerhalb zumindest einiger Poren, bevorzugt innerhalb aller Poren, angeordnet. In particular, the additive is at least partially, in particular predominantly, preferably completely, open-pored. After step d), the active material mixture is at least partially arranged within at least some pores, preferably within all pores.
Alternativ oder zusätzlich ist das Additiv zumindest teilweise, insbesondere überwiegend, bevorzugt vollständig, geschlossen-porig ausgeführt. In diesem Fall kann die Aktivmaterialmischung nicht in die Poren eindringen, sondern sich nur an der Oberfläche der jeweiligen Porenwandung anlagern. Alternatively or additionally, the additive is at least partially, in particular predominantly, preferably completely, closed-pore. In this case, the active material mixture cannot penetrate into the pores, but can only accumulate on the surface of the respective pore wall.
Insbesondere werden das Additiv und die Aktivmaterialmischung vor Schritt b) miteinander vermischt und in Schritt b) als Mischung auf das Trägermaterial aufgetragen. In particular, the additive and the active material mixture are mixed together before step b) and applied as a mixture to the carrier material in step b).
Alternativ oder zusätzlich werden in Schritt b) zunächst das Additiv und nachfolgend die Aktivmaterialmischung separat voneinander auf das Trägermaterial aufgetragen. Alternatively or additionally, in step b), the additive and then the active material mixture are applied separately to the carrier material.
Insbesondere umfasst das Additiv zumindest Graphit oder Graphen. Insbesondere umfasst die Aktivmaterialmischung kein zusätzliches elektrisch leitendes Zusatzmaterial. Insbesondere wird die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung dann (wenn das Additiv z. B. Graphit oder Graphen umfasst) über das Additiv sichergestellt. In particular, the additive comprises at least graphite or graphene. In particular, the active material mixture does not include any additional electrically conductive additional material. In particular, the electrical conductivity of the coating (if the additive comprises, for example, graphite or graphene) is ensured via the additive.
Insbesondere umfasst das Additiv ein Metall, eine Metalllegierung, Polyurethan oder ein Bindermaterial. In particular, the additive includes a metal, a metal alloy, polyurethane or a binder material.
Insbesondere umfasst das Additiv ein sonst als Bindermaterial eingesetztes Polymermaterial (z. B. CMC, SBR, PAA) bzw. gezielte Modifikationen dieser Materialien. Insbesondere umfasst die Aktivmaterialmischung kein zusätzliches Bindermaterial. In particular, the additive includes a polymer material otherwise used as a binder material (e.g. CMC, SBR, PAA) or targeted modifications of these materials. In particular, the active material mixture does not contain any additional binder material.
Insbesondere wird das Additiv in Schritt b) als eine Vielzahl von Partikeln, als Schaum oder als elastische Fäden bereitgestellt. In particular, the additive is provided in step b) as a large number of particles, as foam or as elastic threads.
Insbesondere wird eine Einbringung eines (teil-)elastischen Additivs bzw. mehrerer unterschiedlicher (teil-)elastischer Additive mit hoher Porosität und/ oder hoher Federkraft in eine Elektrode vorgeschlagen. In particular, it is proposed to introduce a (partially) elastic additive or several different (partially) elastic additives with high porosity and/or high spring force into an electrode.
Das Additiv weist insbesondere (teil-)elastische Strukturen auf, die offenporig oder geschlossenporig ausgeführt sind. The additive in particular has (partially) elastic structures that are open-pored or closed-pored.
Insbesondere kann das Additiv in Schritt b) vor der Aktivmaterialmischung auf das Trägermaterial aufgetragen werden. Dabei kann eine Dicke von 20 pm [Mikrometer] bis 150 pm des Additivs auf dem Trägermaterial eingestellt werden. Das Additiv kann dann mit der Aktivmaterialmischung (auch als Elektrodenschlicker bezeichnet) beschichtet werden. Alternativ werden Additiv und Aktivmaterialmischung miteinander vermischt und dann gemeinsam auf das Trägermaterial aufgetragen. In particular, the additive can be applied to the carrier material in step b) before the active material mixture. A thickness of 20 pm [micrometers] to 150 pm of the additive on the carrier material can be set. The additive can then be coated with the active material mixture (also referred to as electrode slip). Alternatively, the additive and active material mixture are mixed together and then applied together to the carrier material.
Durch die hohe Porosität (offene oder geschlossene Porosität) des Additivs wird es mit der Aktivmaterialmischung gefüllt bzw. imprägniert. Insbesondere wird die Beschichtung noch in Schritt b) getrocknet. Due to the high porosity (open or closed porosity) of the additive, it is filled or impregnated with the active material mixture. In particular, the coating is dried in step b).
Die Beschichtung wird in Schritt c) kalandriert. Dabei bewirkt die Rückstellkraft des Additivs gemäß Schritt d), dass die Beschichtung nicht vollständig komprimiert bleibt, sondern wieder "zurückfedert". Je nach Federkonstante des Additivs ist die Verdichtung größer oder kleiner. Dabei gilt: je größer die Federkonstante desto geringer ist die resultierende Verdichtung nach dem Kalandrieren. The coating is calendered in step c). The restoring force of the additive according to step d) causes the coating not to remain completely compressed, but to “spring back” again. Depending on the spring constant of the additive, the compression is greater or smaller. The following applies: the larger the spring constant, the lower the resulting compression after calendering.
Bei einem geschlossen-porigen Additiv dringt die Aktivmaterialmischung nicht in die Poren des Additivs ein. With a closed-pore additive, the active material mixture does not penetrate the pores of the additive.
Die bei der Kalandrierung entstandene und gewünschte Bindung zwischen Aktivmaterial, Bindermaterial und Trägermaterial bleibt insbesondere auch während bzw. nach Schritt d) erhalten, so dass die beabsichtigte Minimierung des ohmschen Widerstands nicht beeinträchtigt wird. The desired bond between active material, binder material and carrier material created during calendering is retained, particularly during or after step d), so that the intended minimization of the ohmic resistance is not impaired.
Insbesondere kann für das z. B. als Polymer vorliegendes Additiv eine Abscheidung auf dem Trägermaterial schaumartig oder in elastischen Fäden erfolgen, z. B. durch Elektrospinning, oder durch Einblasen von Gasen während der Trocknungsphase des Additivs (vor dem Abscheiden auf dem Trägermaterial oder durch gezielte Auswahl der Trockenbedingungen). Insbesondere kann damit eine elastische Verformbarkeit des Additivs bzw. der Beschichtung eingestellt werden. In particular, for z. B. additive present as a polymer is deposited on the carrier material in a foam-like manner or in elastic threads, e.g. B. by electrospinning, or by blowing in gases during the drying phase of the additive (before deposition on the carrier material or by specifically selecting the drying conditions). In particular, this makes it possible to adjust the elastic deformability of the additive or the coating.
Das Additiv kann insbesondere als Vielzahl von Partikeln hinzugefügt werden, wobei sich die einzelnen Partikel nach dem Kalandrieren wieder entfalten und damit die Beschichtung aufweiten bzw. deren Porosität bzw. Dicke erhöhen. The additive can in particular be added as a large number of particles, with the individual particles unfolding again after calendering and thus expanding the coating or increasing its porosity or thickness.
Die Partikel weisen insbesondere eine breite Größenverteilung auf, um damit unterschiedliche Poren in der Elektrode generieren zu können. In particular, the particles have a wide size distribution in order to be able to generate different pores in the electrode.
Insbesondere ist das Additiv zumindest zu 30 % aus Partikel gebildet, wobei mindestens 10 % davon eine (nicht komprimierte) Größe aufweisen, die sich zu mindestens 30 % von den größten oder kleinsten Partikeln unterscheidet. In particular, the additive is at least 30% formed from particles, at least 10% of which have a (non-compressed) size that differs by at least 30% from the largest or smallest particles.
Insbesondere weist die als Anode vorgesehene Elektrode ein größeres Problem mit dem Schließen bzw. Verkleinern der Poren bei hoher Kalanderkompression bzw. starker Verdichtung auf. Die vorgeschlagenen Verfahrensschritte können aber auch für als Kathode vorgesehene Elektroden durchgeführt werden. Es wird weiter eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein Batteriezellengehäuse und darin angeordnet mindestens eine Elektrode, die durch das beschriebene Verfahren hergestellt ist. In particular, the electrode provided as an anode has a major problem with closing or reducing the size of the pores at high calender compression or strong compaction. However, the proposed method steps can also be carried out for electrodes intended as cathodes. A battery cell is further proposed, at least comprising a battery cell housing and at least one electrode arranged therein, which is produced by the method described.
Die Batteriezelle umfasst insbesondere ein, ein Volumen umschließendes Batteriezellengehäuse und in dem Volumen angeordnet mindestens eine erste Elektrodenfolie einer ersten Elektrodenart, eine zweite Elektrodenfolie einer zweiten Elektrodenart und ein dazwischen angeordnetes Separatormaterial sowie einen flüssigen Elektrolyt. The battery cell in particular comprises a battery cell housing enclosing a volume and, arranged in the volume, at least a first electrode film of a first type of electrode, a second electrode film of a second type of electrode and a separator material arranged between them and a liquid electrolyte.
Die Batteriezelle ist insbesondere eine Pouchzelle (mit einem verformbaren Batteriezellengehäuse bestehend aus einer Pouchfolie) oder eine prismatische Zelle (mit einem formfesten Batteriezellengehäuse). Eine Pouchfolie ist ein bekanntes verformbares Gehäuseteil, dass als Batteriezellengehäuse für sogenannte Pouchzellen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein Kompositmaterial, z. B. umfassend einen Kunststoff und Aluminium. The battery cell is in particular a pouch cell (with a deformable battery cell housing consisting of a pouch film) or a prismatic cell (with a dimensionally stable battery cell housing). A pouch film is a known deformable housing part that is used as a battery cell housing for so-called pouch cells. It is a composite material, e.g. B. comprising a plastic and aluminum.
Die Batteriezelle ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. The battery cell is in particular a lithium-ion battery cell.
Die einzelnen Folien der Mehrzahl von als Elektrodenfolien ausgeführten Elektroden sind aufeinander angeordnet und bilden insbesondere einen Stapel. Die Elektrodenfolien sind jeweils unterschiedlichen Elektrodenarten zugeordnet, sind also als eine Anode oder eine Kathode ausgeführt. Dabei sind Anoden und Kathoden wechselweise und jeweils durch das Separatormaterial getrennt voneinander angeordnet. The individual foils of the plurality of electrodes designed as electrode foils are arranged one on top of the other and in particular form a stack. The electrode foils are each assigned to different types of electrodes, i.e. they are designed as an anode or a cathode. Anodes and cathodes are arranged alternately and separated from each other by the separator material.
Eine Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges (einen Traktionsantrieb) auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist. A battery cell is a power storage device that, for example, B. is used in a motor vehicle to store electrical energy. In particular, z. B. a motor vehicle has an electric machine for driving the motor vehicle (a traction drive), the electric machine being able to be driven by the electrical energy stored in the battery cell.
Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Traktionsantrieb und eine Batterie mit mindestens einer der beschriebenen Batteriezellen, wobei der Traktionsantrieb durch die mindestens eine Batteriezelle mit Energie versorgbar ist. A motor vehicle is further proposed, at least comprising a traction drive and a battery with at least one of the battery cells described, the traction drive being able to be supplied with energy by the at least one battery cell.
Insbesondere ist zumindest ein System zur Datenverarbeitung vorgesehen, das Mittel aufweist, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ausgestattet, konfiguriert oder programmiert sind bzw. die das Verfahren ausführen. Die Mittel umfassen z. B. einen Prozessor und einen Speicher, in dem durch den Prozessor auszuführende Befehle gespeichert sind, sowie Datenleitungen oder Übertragungseinrichtungen, die eine Übertragung von Befehlen, Messwerten, Daten oder ähnlichem zwischen den angeführten Elementen, z. B. einer Einrichtung zur Beschichtung, einer Einrichtung zur Förderung des (beschichteten) Trägermaterials entlang einer Vorschubrichtung, einer Einrichtung zum Kalandern bzw. zum Verdichten der Beschichtung, einer Einrichtung zum Überprüfen bzw. Messen einzelner Eigenschaften der mit dem Verfahren bzw. mit einzelnen Verfahrensschritten hergestellten Elektrode, etc., ermöglichen. In particular, at least one system for data processing is provided which has means which are suitably equipped, configured or programmed to carry out the method or which carry out the method. The means include e.g. B. a processor and a memory in which commands to be executed by the processor are stored, as well as data lines or transmission devices that enable the transmission of commands, measured values, data or the like between the elements listed, e.g. B. a device for coating, a device for conveying the (coated) carrier material along a feed direction, a device for calendering or for compacting the coating, a device for checking or measuring individual properties of those produced with the method or with individual method steps Electrode, etc., enable.
Es wird weiter ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren bzw. die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen. A computer program is also proposed, comprising commands which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the described method or the steps of the described method.
Es wird weiter ein computerlesbares Speichermedium vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren bzw. die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen. A computer-readable storage medium is further proposed, comprising instructions which, when executed by a computer, cause it to carry out the described method or the steps of the described method.
Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf die Batteriezelle, das Kraftfahrzeug, das System zur Datenverarbeitung und/oder das computerimplementierte Verfahren (also das Computerprogramm und das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt. The statements on the method can be transferred in particular to the battery cell, the motor vehicle, the data processing system and/or the computer-implemented method (i.e. the computer program and the computer-readable storage medium) and vice versa.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können. The use of indefinite articles (“a”, “an”, “an” and “an”), particularly in the patent claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a numeral. Terms or components introduced accordingly are to be understood as meaning that they are present at least once and, in particular, can also be present multiple times.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend. Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen: As a precaution, it should be noted that the number words used here (“first”, “second”, ...) primarily serve (only) to distinguish between several similar objects, sizes or processes, i.e. in particular no dependency and/or order of these objects, sizes or prescribe processes to each other. If a dependency and/or sequence is required, this is explicitly stated here or it will be obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment. To the extent that a component can occur multiple times (“at least one”), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory. The invention and the technical environment are explained in more detail below using the accompanying figures. It should be noted that the invention is not intended to be limited by the exemplary embodiments given. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and combine them with other components and findings from the present description. In particular, it should be noted that the figures and in particular the proportions shown are only schematic. Show it:
Fig. 1: einen Schritt c) des Verfahrens in einer Ansicht entlang einer Vorschubrichtung eines beschichteten Trägermaterials; und 1: a step c) of the method in a view along a feed direction of a coated carrier material; and
Fig. 2: die Schritte c) und d) des Verfahrens in einer Seitenansicht. Fig. 2: steps c) and d) of the method in a side view.
Die Fig. 1 zeigt einen Schritt c) des Verfahrens in einer Ansicht entlang einer Vorschubrichtung 6 eines beschichteten Trägermaterials 2. Fig. 2 zeigt die Schritte c) und d) des Verfahrens in einer Seitenansicht. Die Fig. 1 und 2 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Fig. 1 shows a step c) of the method in a view along a feed direction 6 of a coated carrier material 2. Fig. 2 shows steps c) and d) of the method in a side view. 1 and 2 are described together below.
Gemäß Schritt a) erfolgt ein Bereitstellen eines Trägermaterials 2 einer Elektrode 1. Das Trägermaterial 2 wird als bandförmiges Trägermaterial 2 und dabei als Endlosmaterial bereitgestellt. Das bandförmige Endlosmaterial wird während der dargestellten Schritte c) und d) entlang einer Vorschubrichtung 6 (Förderrichtung) gefördert. According to step a), a carrier material 2 of an electrode 1 is provided. The carrier material 2 is provided as a band-shaped carrier material 2 and thereby as an endless material. The band-shaped endless material is conveyed along a feed direction 6 (conveying direction) during steps c) and d) shown.
Gemäß Schritt b) erfolgt das Beschichten des Trägermaterials 2 mit einem Additiv, das eine Vielzahl von Poren aufweist und elastisch verformbar ist. Weiter wird das Trägermaterial 2 mit der Aktivmaterialmischung beschichtet. Das Additiv und die Aktivmaterialmischung bilden zusammen die Beschichtung 3. According to step b), the carrier material 2 is coated with an additive that has a large number of pores and is elastically deformable. Furthermore, the carrier material 2 is coated with the active material mixture. The additive and the active material mixture together form the coating 3.
Gemäß Schritt c) erfolgt ein Kalandrieren des beschichteten Trägermaterials 2 bzw. der Beschichtung 3. Dabei wird die Beschichtung 3 während des Kalandrierens verdichtet und damit eine Porosität der Beschichtung 3 verringert. According to step c), the coated carrier material 2 or the coating 3 is calendered. The coating 3 is compacted during calendering and thus the porosity of the coating 3 is reduced.
Das Endlosmaterial, umfassend das Trägermaterial 2 und die beidseitig aufgetragene Beschichtung 3 wird zwischen zwei Förderrollen 7 entlang einer Vorschubrichtung 6 durch Kalandrierwalzen 8 hindurch gefördert. Die Förderrollen 7 und die Kalandrierwalzen 8 rotieren dabei jeweils um ihre jeweilige Drehachse 9. Bei dem Kalandrieren wird das beschichtete Trägermaterial 2 durch eine Walzenanordnung mit Kalandrierwalzen 8 geführt, die ggf. temperiert sind und damit das beschichtete Trägermaterial 2 erwärmen können. Über die Kalandrierwalzen 8 wird die Beschichtung 3 verdichtet. Es erfolgt üblicherweise eine Erhöhung einer Dichte (eine Verringerung der Porosität) der Beschichtung 3 von mindestens 20 %. The endless material, comprising the carrier material 2 and the coating 3 applied on both sides, is conveyed between two conveyor rollers 7 along a feed direction 6 through calendering rollers 8. The conveyor rollers 7 and the calendering rollers 8 each rotate about their respective axis of rotation 9. During calendering, the coated carrier material 2 is guided through a roller arrangement with calendering rollers 8, which may be tempered and can therefore heat the coated carrier material 2. The coating 3 is compacted via the calendering rollers 8. There is usually an increase in density (a reduction in porosity) of the coating 3 of at least 20%.
Gemäß Schritt d) (also entlang der Vorschubrichtung 6 unmittelbar nach den Kalandrierwalzen 8) erfolgt ein selbstinduziertes Vergrößern einer Dicke 4, 5 der Beschichtung 3 aufgrund einer elastischen Rückfederung des Additivs. Die Rückfederung verursacht eine Vergrößerung der durch das Kalandrieren reduzierten Porosität. According to step d) (i.e. along the feed direction 6 immediately after the calendering rollers 8), a self-induced increase in thickness 4, 5 of the coating 3 occurs due to an elastic springback of the additive. The springback causes an increase in the porosity reduced by calendering.
Eine Dicke 4,5 der Beschichtung 3, die in Vorschubrichtung 6 vor den Kalandrierwalzen 8 vorliegt, wird durch die Kalandrierwalzen 8 auf eine erste Dicke 4 reduziert. Die erste Dicke 4, die unmittelbar nach Schritt c), also in Vorschubrichtung 6 unmittelbar nach den Kalandrierwalzen 8 vorliegt, ist geringer als eine zweite Dicke 5, die nach Schritt d) vorliegt. Die zweite Dicke 5 ist die beabsichtigte, sich nach einer bestimmten Zeitspanne (fünf Minuten, zwei Minuten, 30 Sekunden) einstellende Dicke der Beschichtung 3, die sich hier kurz vor dem Aufwickeln der Elektrode 1 auf der hinteren Förderrolle 7 einstellt. A thickness 4.5 of the coating 3, which is present in front of the calendering rollers 8 in the feed direction 6, is reduced to a first thickness 4 by the calendering rollers 8. The first thickness 4, which is present immediately after step c), i.e. immediately after the calendering rollers 8 in the feed direction 6, is less than a second thickness 5, which is present after step d). The second thickness 5 is the intended thickness of the coating 3, which occurs after a certain period of time (five minutes, two minutes, 30 seconds), which occurs here shortly before the electrode 1 is wound on the rear conveyor roller 7.
Bezugszeichenliste Elektrode Trägermaterial Beschichtung erste Dicke zweite Dicke Vorschubrichtung Förderrollen Kalandrierwalze Drehachse List of reference symbols Electrode Carrier material Coating First thickness Second thickness Feed direction Conveyor rollers Calendering roller Rotary axis

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (1) einer Batteriezelle; wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines Trägermaterials (2) der Elektrode (1); b) Beschichten des Trägermaterials (2) mit Claims Method for producing an electrode (1) of a battery cell; wherein the method has at least the following steps: a) providing a carrier material (2) for the electrode (1); b) coating the carrier material (2).
• einem Additiv, das eine Vielzahl von Poren aufweist und elastisch verformbar ist und • an additive that has a large number of pores and is elastically deformable and
• einer Aktivmaterialmischung; und • an active material mixture; and
Bilden einer Beschichtung (3); c) Kalandrieren des beschichteten Trägermaterials (2); wobei zumindest die Beschichtung (3) während des Kalandrierens verdichtet und damit eine Porosität der Beschichtung (3) verringert wird; d) Selbstinduziertes Vergrößern zumindest einer Dicke (4, 5) der Beschichtung (3) aufgrund einer elastischen Rückfederung des Additivs und damit Einstellung der Porosität der Beschichtung (3). Verfahren nach Patentanspruch 1 , wobei eine erste Dicke (4) der Beschichtung (3) unmittelbar nach Schritt c) um mindestens 5 % kleiner ist als eine zweite Dicke (5) nach Schritt d). Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Additiv zumindest teilweise offenporig und die Aktivmaterialmischung nach Schritt d) zumindest teilweise innerhalb zumindest einiger Poren angeordnet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Additiv zumindest teilweise geschlossen-porig ausgeführt ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Additiv und die Aktivmaterialmischung vor Schritt b) miteinander vermischt und in Schritt b) als Mischung auf das Trägermaterial (2) aufgetragen werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt b) zunächst das Additiv und nachfolgend die Aktivmaterialmischung separat voneinander aufgetragen werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Additiv zumindest Graphit oder Graphen umfasst. Verfahren nach Patentanspruch 7, wobei die Aktivmaterialmischung kein zusätzliches elektrisch leitendes Zusatzmaterial umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 7, wobei das Additiv ein Metall, eine Metalllegierung, Polyurethan oder ein Bindermaterial umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Additiv in Schritt b) als eine Vielzahl von Partikeln, als Schaum oder als elastische Fäden bereitgestellt wird. forming a coating (3); c) calendering the coated carrier material (2); wherein at least the coating (3) is compacted during calendering and thus a porosity of the coating (3) is reduced; d) Self-induced increase in at least one thickness (4, 5) of the coating (3) due to an elastic springback of the additive and thus adjustment of the porosity of the coating (3). Method according to claim 1, wherein a first thickness (4) of the coating (3) immediately after step c) is at least 5% smaller than a second thickness (5) after step d). Method according to one of the preceding claims, wherein the additive is at least partially open-pored and the active material mixture after step d) is at least partially arranged within at least some pores. Method according to one of the preceding patent claims, wherein the additive is at least partially closed-pore. Method according to one of the preceding claims, wherein the additive and the active material mixture are mixed together before step b) and applied as a mixture to the carrier material (2) in step b). Method according to one of the preceding patent claims 1 to 4, wherein in step b) first the additive and then the active material mixture are applied separately from one another. Method according to one of the preceding claims, wherein the additive comprises at least graphite or graphene. Method according to claim 7, wherein the active material mixture does not comprise any additional electrically conductive additional material. Method according to one of the preceding claims 1 to 7, wherein the additive comprises a metal, a metal alloy, polyurethane or a binder material. Method according to one of the preceding claims, wherein the additive in step b) is provided as a plurality of particles, as foam or as elastic threads.
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