DE102013224088A1 - Method for producing a metallic electrode and method for producing a cell stack or a cell coil - Google Patents

Method for producing a metallic electrode and method for producing a cell stack or a cell coil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Elektrode, mit den Schritten des zumindest bereichsweisen Aufbringens einer Elektrodenbeschichtung auf zumindest eine Seite eines Stromableiters, sowie des Aufbringens eines Inhibitormaterials auf sämtliche Kantenbereiche der Elektrodenbeschichtung mit einer vorbestimmten Breite, wobei das Inhibitormaterial elektrisch isolierend und isolierend für Metallionen der Elektrodenbeschichtung ist.The invention relates to a method for producing a metallic electrode, comprising the steps of at least partially applying an electrode coating on at least one side of a current conductor, and applying an inhibitor material to all edge regions of the electrode coating having a predetermined width, wherein the inhibitor material is electrically insulating and insulating for Metal ions of the electrode coating is.

Description

Stand der TechnikState of the art

Sekundärbatterien auf Basis von metallischen Lithium-Elektroden sind aufgrund der hohen spezifischen Kapazität (3862 mAh/g) und des stark negativen Potentials von Lithium (–3,04 V vs. Normal-Wasserstoffelektrode) erfolgversprechende Lösungen für den Einsatz in elektrisch betriebenen Systemen, insbesondere für die Anwendung in elektrischen Fahrzeugen. Allerdings verhindern die unzureichenden Sicherheitseigenschaften dieser Elektroden bislang eine weite Verwendung dieses Akkumulatortyps. Dies resultiert aus der unerwünschten Eigenschaft von Lithium, sich bei der Aufladung einer elektrischen Zelle als Metallschwamm mit einem gleichzeitigen Wachstum in die Höhe dendritisch abzuscheiden. Dadurch kann ein interner Kurzschluss durch ein Durchstoßen des Separators mit einem Lithiumdendrit erfolgen, welcher die Anode und die Kathode leitend verbindet. Als Folge davon kann eine Überhitzung bis hin zum Brand oder einer Explosion der Zelle eintreten.Secondary batteries based on metallic lithium electrodes are promising solutions for use in electrically operated systems, in particular due to the high specific capacity (3862 mAh / g) and the strongly negative potential of lithium (-3.04 V vs. normal hydrogen electrode) for use in electric vehicles. However, the inadequate safety properties of these electrodes hitherto prevent widespread use of this type of accumulator. This results from the undesirable property of lithium to dendritically precipitate upon charging an electric cell as a metal sponge with concomitant growth. This allows an internal short circuit by piercing the separator with a lithium dendrite, which conductively connects the anode and the cathode. As a result, overheating, even fire or explosion of the cell may occur.

Nach derzeitigem Stand der Technik werden zur Herstellung von Lithiumelektroden Stromableiter, wie zum Beispiel Streckmetalle, mit Lithium beschichtet und in einem Zellwickel oder als ein Zellstapel mit einem Separator und einer Kathode in der Schichtabfolge Kathode-Separator-Anode-Separator-Kathode... verbaut. Der Separator besteht für gewöhnlich aus einem Polymer, wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, kann aber auch aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Granat, beschaffen sein. Besitzt der Werkstoff des Separators an sich keine oder eine unzureichend hohe Leitfähigkeit für Li-Ionen, so wird die Leitfähigkeit durch die Verwendung eines flüssigen Elektrolyts sichergestellt. In diesem Fall muss der Separator eine ausreichend hohe Porosität besitzen, um die Durchdringung mit dem Elektrolyt zu gewährleisten. Im Kontext einer Lithium-Anode ist insbesondere Schwefel als Kathodenmaterial aufgrund seiner hohen spezifischen Kapazität (1672 mAh/g) von Interesse.According to the current state of the art, to produce lithium electrodes, current conductors, such as expanded metals, are coated with lithium and installed in a cell coil or as a cell stack with a separator and a cathode in the layer sequence cathode-separator-anode-separator-cathode , The separator is usually made of a polymer such as polyethylene or polypropylene, but may be made of a ceramic material such as garnet. If the material of the separator per se has no or insufficiently high conductivity for Li ions, the conductivity is ensured by the use of a liquid electrolyte. In this case, the separator must have a sufficiently high porosity to ensure the penetration of the electrolyte. In the context of a lithium anode, sulfur is of particular interest as a cathode material because of its high specific capacity (1672 mAh / g).

Im Gegensatz zu konventionellen Lithiumionensystemen mit Übergangsmetalloxidkathoden beinhaltet die Gesamtreaktion Li + S8 ⇌ Li2S mehrere Zwischenstufen mit unterschiedlicher Schwefel-Kettenlänge (sog. Polysulfide), welche in gängigen Elektrolytsystemen, wie beispielsweise DOL (1,3-Dioxolan)/DME (Dimethoxyethan) mit LiTFSI (Lithium bis (trifluoromethylsulfonyl-imid)), als Leitsalz gut löslich sind. Für gewöhnlich wird aufgrund der isolierenden Eigenschaften des Schwefels zur Herstellung von Elektroden neben Schwefel zusätzlich ein sogenanntes Leitadditiv, zum Beispiel Ruß oder Graphit oder andere meist mesoporöse Kohlenstoffe, zugesetzt. Zur Haftung der Partikel untereinander und auch auf dem Stromableiter werden Binder verwendet, wie beispielweise PVDF oder PTFE.In contrast to conventional lithium-ion systems with transition metal oxide cathodes, the overall reaction Li + S 8 ⇌ Li 2 S contains several intermediates with different sulfur chain lengths (so-called polysulfides), which are used in common electrolyte systems, such as DOL (1,3-dioxolane) / DME (dimethoxyethane ) with LiTFSI (lithium bis (trifluoromethylsulfonyl-imide)), as conductive salt are well soluble. Usually, due to the insulating properties of sulfur for the production of electrodes in addition to sulfur, a so-called conductive additive, for example, carbon black or graphite or other usually mesoporous carbon, added. For adhesion of the particles to one another and also to the current conductor, binders are used, such as PVDF or PTFE.

DE 39 20 129 A1 zeigt eine elektrochemische Vorrichtung, welche mindestens ein Paar Elektroden und einen dazwischen angeordneten festen oder feststoffähnlichen Verbundelektrolyten enthält. Im festen oder feststoffähnlichen Verbundelektrolyten sind im Wesentlichen gleichmäßige, kugelförmige Teilchen dispergiert, die keine oder im Wesentlichen keine Elektronenleitfähigkeit aufweisen. DE 39 20 129 A1 shows an electrochemical device containing at least a pair of electrodes and a solid or solid-like composite electrolyte interposed therebetween. In the solid or like composite electrolyte, substantially uniform spherical particles are dispersed which have no or substantially no electron conductivity.

Zusammenfassung und Vorteile der ErfindungSummary and advantages of the invention

Das in dem Patentanspruch 1 definierte Verfahren zur Herstellung einer metallischen Elektrode weist den Vorteil auf, dass nunmehr ein seitliches Aufwachsens von dem Metall der metallischen Elektrode, wobei insbesondere Lithium dieses Verhalten in einer besonders ausgeprägten Art und Weise aufweist, an den Kanten der Metallbeschichtung beim Aufladeprozess einer Zelle mit einer metallischen Elektrode effektiv verhindert wird. Gemäß dem Stand der Technik diffundieren im Verlauf der Zyklisierung beispielsweise bei Lithium-Schwefel-Zellen Polysulfide zum Teil aus dem Kathodenbereich heraus, und können nicht mehr vollständig bis zum Endprodukt, das heißt Lithiumsulfid, reduziert werden. Die Ursache liegt in der Ausfällung von gebildetem Lithiumsulfid auf der Oberfläche des Leitadditivs, wodurch die Erreichbarkeit der leitfähigen Matrix in der Kathode für gelöste Polysulfide erschwert wird. Tiefer in der Elektrodenschicht gelegene Leitadditivbereiche, beispielsweise nahe dem Stromableiter, können dann für bereits herausgelöste Polysulfide nicht mehr zugänglich werden. Nicht vollständig reduzierte Schwefel-Spezies bleiben somit am Ende der Entladung im Elektrolyten übrig, was zu einer Verminderung der Schwefelausnutzung und einem beschleunigten Kapazitätsabfall führt. Dies wird jedoch mit der vorliegenden Erfindung verhindert. Im Allgemeinen gilt, dass für das vorliegende Verfahren in bevorzugter Weise das Metall der Elektrodenbeschichtung Lithium ist. Des Weiteren kann die Elektrodenbeschichtung lediglich auf einer Seite des Stromableiters aufgebracht sein oder sowohl auf der Oberals auch der Unterseite des Stromableiters aufgebracht sein.The method for producing a metallic electrode defined in claim 1 has the advantage that now a lateral growth of the metal of the metallic electrode, in particular lithium this behavior in a particularly pronounced manner, at the edges of the metal coating in the charging process a cell with a metallic electrode is effectively prevented. According to the state of the art, in the course of cyclization, polysulfides, for example in the case of lithium-sulfur cells, partially diffuse out of the cathode region and can no longer be completely reduced to the end product, that is to say lithium sulfide. The reason lies in the precipitation of formed lithium sulfide on the surface of the conductive additive, whereby the accessibility of the conductive matrix in the cathode for dissolved polysulfides is difficult. Deeper in the electrode layer Leitadditivbereiche, for example, near the current conductor, can then no longer be accessible for already dissolved out polysulfides. Incompletely reduced sulfur species thus remain in the electrolyte at the end of the discharge, resulting in a reduction in sulfur utilization and an accelerated decrease in capacity. However, this is prevented with the present invention. In general, for the present process, the metal of the electrode coating is preferably lithium. Furthermore, the electrode coating may be applied only on one side of the current conductor or be applied to both the upper and the lower side of the current conductor.

Der Kern der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Elektrode, welches ein Aufwachsen des Metalls der Elektrodenbeschichtung an den Kanten der Elektrodenbeschichtung und an blanken Stromableiterstellen während des Aufladens der Zelle verhindert. Hierzu werden besonders bevorzugt sämtlichen Kantenbereiche, welche durch die Elektrodenbeschichtung gebildet werden, mit dem Inhibitormaterial bedeckt. An den Rändern und Ecken der metallischen Elektrode herrscht eine im Vergleich zur Ebene der Elektrodenbeschichtung erhöhte Feldstärke, die eine Abscheidung des Metalls an diesen Positionen begünstigt. Somit sind diese Bereiche bislang besonders gefährdet, insbesondere bei Verwendung von Lithium als Material der Elektrodenbeschichtung, durch Dendritenbildung und ein Durchdringen des Separators einen elektrischen Kurzschluss mit der Kathode hervorzurufen. Durch die erfindungsgemäße Herstellung der metallischen Elektroden lässt sich diese Gefahr wesentlich eindämmen.The gist of the present invention is a method of manufacturing a metallic electrode which prevents growth of the metal of the electrode coating at the edges of the electrode coating and at bare current sink locations during charging of the cell. For this purpose, all edge regions which are formed by the electrode coating are particularly preferably covered with the inhibitor material. At the edges and corners of the metallic electrode there is an increased field strength compared to the plane of the electrode coating Deposition of the metal at these positions favors. Thus, these areas have been particularly vulnerable, especially when using lithium as a material of the electrode coating, caused by dendrite formation and penetration of the separator an electrical short circuit to the cathode. The inventive production of the metallic electrodes can substantially reduce this risk.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens kann des Weiteren der Schritt des Aufbringens des Inhibitormaterials auf der Seite der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode auf diejenigen Bereiche des Stromableiters, welche nicht von der Elektrodenbeschichtung bedeckt sind, vorgesehen sein. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine unerwünschte Abscheidung des Metalls der Elektrodenbeschichtung an (bislang) blanken Stellen des Stromableiters unterbunden, wodurch das Risiko eines internen Kurzschlusses wesentlich verringert wird. Metallische Elektroden weisen bislang oft unbeschichtete Stromableiterbereiche auf, wie zum Beispiel in der Region der Stromabführung oder auch entlang einer Kante der metallischen Elektrode. Da der Stromableiter sich jedoch auf dem gleichen Potential wie das Metall der Elektrodenbeschichtung befindet und in Kontakt mit dem Elektrolyt steht, findet somit eine Abscheidung des Metalls in unerwünschter Weise auch an diesen blanken Stromableiterstellen statt. Dieses bislang mögliche Sicherheitsrisiko wird durch das vorliegende Herstellungsverfahren jedoch behoben. Des Weiteren kann das Inhibitormaterial auf der Seite der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode auch unmittelbar angrenzend an die Flächen in Dickenrichtung der Elektrodenbeschichtung aufgebracht sein.Further, according to another aspect of the present method, the step of applying the inhibitor material on the electrode coating side of the metallic electrode may be provided to those portions of the current conductor which are not covered by the electrode coating. As a result, an undesired deposition of the metal of the electrode coating at (previously) bare points of the current conductor is prevented in an advantageous manner, whereby the risk of an internal short circuit is substantially reduced. Metallic electrodes have so far often uncoated Stromableiterbereiche, such as in the region of the current dissipation or along an edge of the metallic electrode. However, since the current conductor is at the same potential as the metal of the electrode coating and is in contact with the electrolyte, deposition of the metal undesirably takes place also at these bare current discharge points. However, this hitherto possible security risk is remedied by the present production method. Further, the inhibitor material may be applied to the side of the electrode coating of the metallic electrode also immediately adjacent to the surfaces in the thickness direction of the electrode coating.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens kann des Weiteren der Schritt des zumindest bereichsweisen Aufbringens des Inhibitormaterials auf diejenige Seite des Stromableiters, welche der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode gegenüber liegt, vorgesehen sein. Hierdurch wird speziell bei einer metallischen Elektrode, welche den Abschluss eines Zellstapels bildet, eine Abscheidung des Metalls der Elektrodenbeschichtung auf derjenigen Seite des Stromableiters wirksam unterbunden, welche der Elektrodenbeschichtung gegenüber liegt.In accordance with a further embodiment of the present method, the step of at least partially applying the inhibitor material to that side of the current conductor which lies opposite the electrode coating of the metallic electrode can furthermore be provided. As a result, deposition of the metal of the electrode coating on the side of the current conductor which is opposite to the electrode coating is effectively prevented, especially in the case of a metallic electrode which forms the conclusion of a cell stack.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens kann der Stromableiter des Weiteren zumindest einen Stromableitertab aufweisen, welcher soweit mit dem Inhibitormaterial bedeckt wird, wie dieser von einem Elektrolyt benetzt wird. Dies entspricht für gewöhnlich mindestens dem Bereich bis zur Kante des (zumeist) die Beschichtung mit einem Schutzmaterial leicht überlappenden, elektrolytgetränkten Separators.According to a further embodiment of the present method, the current conductor may further comprise at least one Stromableitertab, which is as far covered with the inhibitor material, as it is wetted by an electrolyte. This usually corresponds to at least the area up to the edge of the (mostly) the coating with a protective material slightly overlapping, electrolyte-soaked separator.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens kann das Inhibitormaterial ein physikalisch abbindender Klebstoff oder ein chemisch härtender Klebstoff sein. Allgemein gilt, dass das Inhibitormaterial elektrisch und ionisch isolierend, sowie unlöslich im Elektrolytsystem und undurchlässig für eine im Elektrolyt lösliche oder flüssige Form des Aktivmaterials, wie beispielsweise im Fall des metallischen Systems, welches aus Lithium und Schwefel gebildet wird, die Polysulfide, sein muss.According to another embodiment of the present method, the inhibitor material may be a physically setting adhesive or a chemically curing adhesive. In general, the inhibitor material must be electrically and ionically insulating, insoluble in the electrolyte system, and impermeable to an electrolyte-soluble or liquid form of the active material, such as in the case of the metallic system formed of lithium and sulfur, the polysulfides.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens kann die vorbestimmte Breite für die Bedeckung des Kantenbereichs der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode mit dem Inhibitormaterial zwischen 0,1 mm und 2 mm betragen. Bevorzugt kann die vorbestimmte Breite für die Bedeckung des Kantenbereichs der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode mit dem Inhibitormaterial zwischen 0,1 mm und 1 mm betragen.According to a further embodiment of the present method, the predetermined width for the covering of the edge region of the electrode coating of the metallic electrode with the inhibitor material may be between 0.1 mm and 2 mm. Preferably, the predetermined width for covering the edge portion of the electrode coating of the metallic electrode with the inhibitor material may be between 0.1 mm and 1 mm.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens kann des Weiteren der Schritt des zumindest bereichsweisen Aufbringens eines Schutzmaterials auf der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode vorgesehen sein, wobei das Schutzmaterial impermeabel für einen Elektrolyten, jedoch leitfähig für Metallionen der Elektrodenbeschichtung ist. Hierbei kann die Bedeckung des Kantenbereichs der Elektrodenbeschichtung mit dem Schutzmaterial zwischen 0,1 mm und 2 mm betragen.In accordance with a further embodiment of the present method, the step of at least partially applying a protective material to the electrode coating of the metallic electrode may furthermore be provided, wherein the protective material is impermeable to an electrolyte but conductive to metal ions of the electrode coating. In this case, the coverage of the edge region of the electrode coating with the protective material may be between 0.1 mm and 2 mm.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens kann zwischenliegend zwischen der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode und dem Inhibitormaterial auf sämtlichen Kantenbereichen der Elektrodenbeschichtung mit der vorbestimmten Breite ein Zwischenmaterial vorgesehen sein, welches eine Beständigkeit gegenüber der Elektrodenbeschichtung aufweist. Bevorzugt ist das Zwischenmaterial eine Polymerschicht aus Polyethylen oder Polypropylen oder eine Polysiloxanschicht.According to a further embodiment of the present method, intermediate material between the electrode coating of the metallic electrode and the inhibitor material may be provided on all edge regions of the electrode coating having the predetermined width, which has a resistance to the electrode coating. Preferably, the intermediate material is a polymer layer of polyethylene or polypropylene or a polysiloxane layer.

In einem weiteren nebengeordneten Patentanspruch wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zellstapels beansprucht. Das Verfahren zur Herstellung des Zellstapels umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Stapels, welcher zumindest eine Kathode, eine Anode sowie zumindest einen Separator aufweist, in der Schichtabfolge Kathode-Separator-Anode-Separator-Kathode, wobei die Kathode oder die Anode eine Elektrodenbeschichtung auf einem Stromableiter einer metallischen Elektrode ist; sowie des Fügens des derart gebildeten Stapels zu dem Zellstapel durch das Aufbringen einer Kleberschicht auf die Randbereiche jeweils aller Bestandteile des Stapels bis zu dem Bereich der Elektrodenbeschichtung des Stapels, wobei die Kleberschicht für einen Elektrolyten und ein darin gelöstes Aktivmaterial undurchdringlich ist, und die Kleberschicht des Weiteren ein Inhibitormaterial aufweist, welches elektrisch isolierend und isolierend für Metallionen der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode ist. Zusätzlich dazu ist das Inhibitormaterial undurchlässig für Formen des Aktivmaterials (das heißt der Ausgangsstoff, eventuelle Zwischenstufe(n) und das Endprodukt), wie beispielsweise im Fall des metallischen Systems, welches aus Lithium und Schwefel gebildet wird, undurchlässig für im Wesentlichen Polysulfide und Schwefel.In a further independent claim, a method for producing a cell stack is claimed. The method for producing the cell stack comprises the steps of providing a stack, which has at least one cathode, an anode and at least one separator, in the layer sequence cathode-separator-anode-separator cathode, wherein the cathode or the anode has an electrode coating on one Stromableiter a metallic electrode is; and the joining of the thus formed stack to the cell stack by applying an adhesive layer to the edge regions respectively of all constituents of the stack up to the region of the electrode coating of the stack, wherein the adhesive layer is impenetrable to an electrolyte and an active material dissolved therein, and the adhesive layer further comprises an inhibitor material which is electrically insulating and insulating for metal ions of the electrode coating of the metallic electrode. In addition, the inhibitor material is impermeable to forms of the active material (i.e., the starting material, any intermediate (s), and the end product), such as in the case of the metallic system formed from lithium and sulfur, impermeable to substantially polysulfides and sulfur.

Mit dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung eines Zellstapels können die Herausdiffusion von Aktivmaterial aus der Kathode wesentlich eingedämmt und auf den Bereich des Zellstapels eingeschränkt werden. Somit wird die Diffusion in Totvolumina der Zelle verhindert, und damit ein wesentlicher Alterungsmechanismus von Zellen mit löslichem Aktivmaterial, insbesondere von Lithium-Schwefel-Zellen, unterbunden. Neben einer Verbesserung der Zyklenstabilität wird auf diese Weise auch eine Erhöhung der spezifischen Energie der Zelle durch eine höhere Gesamtschwefelausnutzung erreicht.With the present method for producing a cell stack, the outdiffusion of active material from the cathode can be substantially contained and limited to the area of the cell stack. Thus, the diffusion is prevented in dead volumes of the cell, and thus a significant aging mechanism of cells with soluble active material, in particular of lithium-sulfur cells prevented. In addition to improving the cycle stability, an increase in the specific energy of the cell is achieved by a higher total sulfur utilization in this way.

Das Inhibitormaterial und die Kleberschicht müssen elektronisch und ionisch isolierend, unlöslich im Elektrolytsystem, sowie undurchlässig für das Aktivmaterial, wie beispielsweise Polysulfide, sein. Als Inhibitormaterial kann beispielsweise eine Polymerschicht aus Polyethylen oder Polypropylen oder auch eine Polysiloxanschicht verwendet werden. Als Kleber für die Kleberschicht können sowohl physikalisch abbindende Klebstoffe, beispielsweise Polychloropren oder Polyurethane, als auch chemisch härtende Klebstoffe zum Einsatz kommen. In der Klasse der chemisch härtenden Klebstoffe können sowohl 2-Komponenten als auch 1-Komponenten-Systeme eingesetzt werden, also zum Beispiel Methylmethacrylat-Klebstoffe, strahlenhärtende Klebstoffe wie UV-Acrylate, Silikone, silanvernetzende Polymerklebstoffe, Epoxidharzklebstoffe, Polyurethanklebstoffe und Haftklebstoffe, welche die geforderte chemische Stabilität besitzen.The inhibitor material and the adhesive layer must be electronically and ionically insulating, insoluble in the electrolyte system, and impermeable to the active material, such as polysulfides. As inhibitor material, for example, a polymer layer of polyethylene or polypropylene or a polysiloxane can be used. As an adhesive for the adhesive layer, both physically setting adhesives, such as polychloroprene or polyurethanes, as well as chemically curing adhesives can be used. In the class of chemically curing adhesives both 2-component and 1-component systems can be used, so for example methyl methacrylate adhesives, radiation-curing adhesives such as UV acrylates, silicones, silane-crosslinking polymer adhesives, epoxy resin adhesives, polyurethane adhesives and pressure-sensitive adhesives, which required possess chemical stability.

Weiterhin ist eine Beständigkeit gegen das Metall der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode erforderlich, wenn die Beschichtung nicht mit einem Schutzmaterial bedeckt ist, welches impermeabel für einen Elektrolyten, jedoch leitfähig für Metallionen der Elektrodenbeschichtung ist. Vorzugweise bedeckt das Schutzmaterial auch die Ränder der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode. Auf das Schutzmaterial kann dann die Kleberschicht aufgebracht werden, wodurch sich eine größere Auswahl an Klebstoffen ergibt, da aufgrund des als Zwischenschicht wirkenden Schutzmaterials keine Beständigkeit des Klebers gegenüber dem Material der metallischen Elektrode gefordert werden muss. Besonders beim Einsatz von Polyolefinschichten oder -membranen kann die Anwendung eines Haftvermittlers vorteilhaft sein, wie zum Beispiel organisch funktionalisierte Silane, metallorganische Verbindungen, insbesondere Titanate und Zirkonate, sowie Polymere wie Polyester und Polyethylenimin.Furthermore, resistance to the metal of the electrode coating of the metallic electrode is required if the coating is not covered with a protective material which is impermeable to an electrolyte but conductive to metal ions of the electrode coating. Preferably, the protective material also covers the edges of the electrode coating of the metallic electrode. The adhesive layer can then be applied to the protective material, which results in a larger selection of adhesives, since, due to the protective material acting as an intermediate layer, no resistance of the adhesive to the material of the metallic electrode has to be demanded. Particularly when polyolefin layers or membranes are used, the use of an adhesion promoter may be advantageous, for example organically functionalized silanes, organometallic compounds, in particular titanates and zirconates, and also polymers such as polyester and polyethyleneimine.

Bei Verwendung eines Flüssigelektrolyten muss vor der vollständigen Versiegelung aller Kanten die Elektrolytbefüllung erfolgen. Durch die Verklebung des Zellstapels wird der Bereich, in dem sich das im Elektrolyt gelöste Aktivmaterial bewegen kann, also im Fall von Lithium-Schwefel-Zellen die Polysulfide, auf den Bereich des Zellstapels beschränkt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass sich Aktivmaterial außerhalb des Zellstapels in Totvolumina der Zelle sammelt und nicht mehr ausgenutzt werden kann. Das führt zu einer Steigerung der Schwefelausnutzung und einer Verringerung des Kapazitätsabfalls.When using a liquid electrolyte, the electrolyte must be filled before complete sealing of all edges. As a result of the bonding of the cell stack, the area in which the active material dissolved in the electrolyte can move, that is to say in the case of lithium-sulfur cells, the polysulfides, is restricted to the area of the cell stack. As a result, it is advantageously avoided that active material outside the cell stack collects in dead volumes of the cell and can no longer be utilized. This leads to an increase in sulfur utilization and a reduction in capacity drop.

In einem weiteren nebengeordneten Patentanspruch wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zellwickels beansprucht. Das Verfahren zur Herstellung des Zellwickels umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Stapels, welcher zumindest eine Kathode, eine Anode sowie einen ersten Separator und einen zweiten Separator aufweist, in der Schichtabfolge Kathode-erster Separator-Anode-zweiter Separator, wobei die Kathode oder die Anode eine Elektrodenbeschichtung auf einem Stromableiter einer metallischen Elektrode ist und die Längsenden der beiden Separatoren jeweils über die Längsenden der Kathode und der Anode überstehen; und des zumindest abschnittsweisen Aufbringens eines Inhibitormaterials auf eine Kante des Stromableiters, welche als eine Wickelachse des Zellwickels vorgesehen ist, bis zu der nächst liegenden Kante der Elektrodenbeschichtung, sowie Aufbringen des Inhibitormaterials auf die der Wickelachse des Zellwickels nächst liegende Kante der Elektrodenbeschichtung mit einer vorbestimmten Breite, wobei das Inhibitormaterial elektrisch isolierend und isolierend für Ionen der Elektrodenbeschichtung ist; und des Aufbringens des Inhibitormaterials auf der Seite der Elektrodenbeschichtung auf die der Wickelachse des Zellwickels maximal beabstandete Kante der Elektrodenbeschichtung mit einer vorbestimmten Breite, sowie des zumindest abschnittsweisen Aufbringens des Inhibitormaterials auf der Seite der Elektrodenbeschichtung auf diejenige Kante des Stromableiters, welche der Wickelachse des Zellwickels gegenüber liegt und ein freies Ende des Stromableiters bildet, bis zu der nächst liegenden Kante der Elektrodenbeschichtung. Des Weiteren umfasst das vorliegende Verfahren den Schritt des zumindest abschnittsweisen Aufbringens einer Kleberschicht auf diejenige Kante des nach dem Aufwickeln des Stapels zu dem Zellwickel außenliegenden Separators, welche der Wickelachse des Zellwickels gegenüber liegt und ein freies Ende des Separators bildet, mit einer vorbestimmten Breite, wobei die Kleberschicht für einen Elektrolyten und ein darin gelöstes Aktivmaterial undurchdringlich ist oder zumindest abschnittsweises Aufbringen einer Kleberschicht auf diejenigen Kanten der beiden Separatoren, welche der Wickelachse des Zellwickels gegenüber liegen und jeweils ein freies Ende des Separators bilden, mit einer vorbestimmten Breite, wobei die Kleberschicht für einen Elektrolyten und ein darin gelöstes Aktivmaterial undurchdringlich ist; und des Aufwickelns des derart gebildeten Stapels zu dem Zellwickel. Schließlich umfasst das Verfahren den Schritt des Aufbringens der Kleberschicht senkrecht zur Wickelachse des Zellwickels auf die Randbereiche jeweils aller Bestandteile des Stapels bis zu dem Bereich der Elektrodenbeschichtung des Stapels, wobei die Kleberschicht des Weiteren das Inhibitormaterial aufweist, welches elektrisch isolierend und isolierend für Metallionen der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode ist.In a further independent claim a method for producing a cell coil is claimed. The method for producing the cell coil comprises the steps of providing a stack, which has at least one cathode, an anode and a first separator and a second separator, in the layer sequence cathode-first separator-anode-second separator, wherein the cathode or the anode an electrode coating on a current collector of a metallic electrode and projecting the longitudinal ends of the two separators respectively over the longitudinal ends of the cathode and the anode; and at least partially applying an inhibitor material to an edge of the current collector, which is provided as a winding axis of the cell coil, to the nearest edge of the electrode coating, and applying the inhibitor material to the edge of the electrode coating having a predetermined width closest to the winding axis of the cell coil wherein the inhibitor material is electrically insulating and insulating for ions of the electrode coating; and applying the inhibitor material on the side of the electrode coating to the edge of the electrode coating of a predetermined width maximally spaced from the winding axis of the cell coil, and at least partially applying the inhibitor material on the side of the electrode coating to the edge of the current conductor facing the winding axis of the cell coil and forms a free end of the current collector, to the nearest edge of the electrode coating. Furthermore, the present method comprises the step of at least partially applying an adhesive layer to that edge of the separator which is external to the cell coil after the stack has been wound up, which lies opposite the winding axis of the cell coil and forms a free end of the separator, with a predetermined width, wherein the adhesive layer for an electrolyte and an active material dissolved therein is impermeable or at least partially applying an adhesive layer on those edges of the two separators, which lie opposite the winding axis of the cell coil and one free end of the separator having a predetermined width, the adhesive layer being impermeable to an electrolyte and an active material dissolved therein; and winding the stack thus formed into the cell coil. Finally, the method comprises the step of applying the adhesive layer perpendicular to the winding axis of the cell coil to the edge regions of all components of the stack up to the region of the electrode coating of the stack, wherein the adhesive layer further comprises the inhibitor material which is electrically insulating and insulating for metal ions of the electrode coating the metallic electrode is.

Mit dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung eines Zellwickels können die Herausdiffusion von Aktivmaterial aus der Kathode wesentlich eingedämmt und auf den Bereich des Zellwickels eingeschränkt werden. Somit wird die Diffusion in Totvolumina der Zelle verhindert, und damit ein wesentlicher Alterungsmechanismus von Zellen mit löslichem Aktivmaterial, insbesondere von Lithium-Schwefel-Zellen, unterbunden. Neben einer Verbesserung der Zyklenstabilität wird auf diese Weise auch eine Erhöhung der spezifischen Energie der Zelle durch eine höhere Gesamtschwefelausnutzung erreicht. Bei dem Zellwickel ist die Verklebung für ein Ende des Zellwickels derart auszuführen, dass zusätzlich die Versiegelung beider Enden der Beschichtung mit der Kleberschicht der gewickelten Elektrodenbeschichtung in Richtung der Wickelachse erfolgen muss.With the present method for producing a cell coil, the outdiffusion of active material from the cathode can be substantially contained and limited to the area of the cell coil. Thus, the diffusion is prevented in dead volumes of the cell, and thus a significant aging mechanism of cells with soluble active material, in particular of lithium-sulfur cells prevented. In addition to improving the cycle stability, an increase in the specific energy of the cell is achieved by a higher total sulfur utilization in this way. In the case of the cell coil, the bonding for one end of the cell coil must be carried out in such a way that in addition the sealing of both ends of the coating with the adhesive layer of the wound electrode coating must take place in the direction of the winding axis.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erklärt. Es zeigt dabeiThe present invention will be explained with reference to the accompanying drawings. It shows

1: eine Draufsicht auf eine metallische Elektrode, welche gemäß einem ersten vorliegenden Verfahren hergestellt wurde, 1 FIG. 4 is a plan view of a metallic electrode produced according to a first present method. FIG.

2: eine Schnittansicht eines Zellstapels, welcher gemäß einem weiteren vorliegenden Verfahren hergestellt wurde, und 2 FIG. 3 is a sectional view of a cell stack made according to another present method, and FIG

3: eine perspektivische Ansicht der Oberseite eines Zellwickels, welcher gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens hergestellt wurde. 3 Fig. 4 is a perspective view of the top of a cell coil made according to one embodiment of the present method.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine Draufsicht auf eine metallische Elektrode 100, welche gemäß einem ersten vorliegenden Verfahren hergestellt wurde. Gemäß dem Verfahren zur Herstellung der metallischen Elektrode 100 wird in einem ersten Schritt zumindest bereichsweise eine Elektrodenbeschichtung 110 auf zumindest eine Seite eines Stromableiters 120 aufgebracht. Dann wird in einem weiteren Schritt ein Inhibitormaterial 130 auf sämtliche Kantenbereiche der Elektrodenbeschichtung 110 mit einer vorbestimmten Breite aufgebracht, wobei das Inhibitormaterial 130 elektrisch isolierend und isolierend für Metallionen der Elektrodenbeschichtung 110 ist. Das Inhibitormaterial ist zum Beispiel ein physikalisch abbindender Klebstoff oder ein chemisch härtender Klebstoff. Allgemein gilt, dass das Inhibitormaterial elektrisch und ionisch isolierend, sowie unlöslich im Elektrolytsystem sein muss. Weiterhin kann zwischenliegend zwischen der Elektrodenbeschichtung 110 und dem Inhibitormaterial 130 auf sämtlichen Kantenbereichen der Elektrodenbeschichtung 110 mit der vorbestimmten Breite ein Zwischenmaterial (nicht dargestellt) vorgesehen sein, welches eine Beständigkeit gegenüber der Elektrodenbeschichtung 110 aufweist. Bevorzugt ist das Zwischenmaterial eine Polymerschicht aus Polyethylen oder Polypropylen oder eine Polysiloxanschicht. 1 shows a plan view of a metallic electrode 100 , which was prepared according to a first present method. According to the method of manufacturing the metallic electrode 100 In a first step, at least in regions, an electrode coating is produced 110 on at least one side of a Stromableiters 120 applied. Then in a further step an inhibitor material 130 on all edge areas of the electrode coating 110 applied with a predetermined width, wherein the inhibitor material 130 electrically insulating and insulating for metal ions of the electrode coating 110 is. The inhibitor material is, for example, a physically setting adhesive or a chemically curing adhesive. In general, the inhibitor material must be electrically and ionically insulating, as well as insoluble in the electrolyte system. Furthermore, intermediate between the electrode coating 110 and the inhibitor material 130 on all edge areas of the electrode coating 110 with the predetermined width, an intermediate material (not shown) which has a resistance to the electrode coating 110 having. Preferably, the intermediate material is a polymer layer of polyethylene or polypropylene or a polysiloxane layer.

Zusätzlich erfolgt bei dem vorliegenden Verfahren das Aufbringen des Inhibitormaterials 130 auf der Seite der Elektrodenbeschichtung 110 auf diejenigen Bereiche des Stromableiters 120, welche nicht von der Elektrodenbeschichtung 110 bedeckt sind. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine unerwünschte Abscheidung des Metalls der Elektrodenbeschichtung 110 an (bislang) blanken Stellen des Stromableiters 120 unterbunden, wodurch das Risiko eines internen Kurzschlusses wesentlich verringert wird.In addition, in the present method, the application of the inhibitor material 130 on the side of the electrode coating 110 on those areas of the current conductor 120 which does not depend on the electrode coating 110 are covered. As a result, undesired deposition of the metal of the electrode coating advantageously takes place 110 at (hitherto) bare areas of the current conductor 120 prevents the risk of an internal short circuit is significantly reduced.

Des Weiteren weist der Stromableiter 120 einen Stromableitertab 140 auf, welcher soweit mit dem Inhibitormaterial 130 bedeckt wird, wie dieser von einem Elektrolyt (nicht dargestellt) benetzt wird. Dies entspricht für gewöhnlich mindestens dem Bereich bis zur Kante des meist die Beschichtung mit einem Schutzmaterial (nicht dargestellt) leicht überlappenden, elektrolytgetränkten Separators (nicht dargestellt).Furthermore, the current collector 120 a current collector tab 140 on, which far with the inhibitor material 130 is covered as it is wetted by an electrolyte (not shown). This usually corresponds to at least the region up to the edge of the electrolyte-saturated separator (not shown), which is usually slightly overlapping with a protective material (not shown).

Die vorbestimmte Breite für die Bedeckung des Kantenbereichs der Elektrodenbeschichtung 110 mit dem Inhibitormaterial 130 beträgt zwischen 0,1 mm und 2 mm. Bevorzugt kann die vorbestimmte Breite für die Bedeckung des Kantenbereichs der Elektrodenbeschichtung 110 mit dem Inhibitormaterial 130 zwischen 0,1 mm und 1 mm betragen.The predetermined width for covering the edge area of the electrode coating 110 with the inhibitor material 130 is between 0.1 mm and 2 mm. Preferably, the predetermined width for the covering of the edge region of the electrode coating 110 with the inhibitor material 130 between 0.1 mm and 1 mm.

In einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens kann des Weiteren der Schritt des zumindest bereichsweisen Aufbringens eines Schutzmaterials auf der Elektrodenbeschichtung 110 vorgesehen sein, wobei das Schutzmaterial impermeabel für den Elektrolyten, jedoch leitfähig für Metallionen der Elektrodenbeschichtung 110 ist. In a further refinement of the present method, the step of at least partially applying a protective material to the electrode coating may also be provided 110 be provided, wherein the protective material impermeable to the electrolyte, but conductive for metal ions of the electrode coating 110 is.

2 zeigt eine Schnittansicht eines Zellstapels 200, welcher gemäß einem weiteren vorliegenden Verfahren hergestellt wurde. Das Verfahren zur Herstellung des Zellstapels 200 umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Stapels, welcher zumindest eine Kathode 210, eine Anode 220 sowie zumindest einen Separator 230 aufweist, in der Schichtabfolge Kathode-Separator-Anode-Separator-Kathode, wobei die Kathode 210 oder die Anode 220 eine metallische Elektrode bestehend aus einer Elektrodenbeschichtung auf einem Stromableiter ist; sowie den Schritt des Fügens des derart gebildeten Stapels zu dem Zellstapel 200 durch das Aufbringen einer Kleberschicht 240 auf die Randbereiche jeweils aller Bestandteile des Stapels bis zu dem Bereich der Elektrodenbeschichtung des Stapels, wobei die Kleberschicht 240 für einen Elektrolyten (nicht dargestellt) und ein darin gelöstes Aktivmaterial (nicht dargestellt) undurchdringlich ist, und die Kleberschicht 240 des Weiteren ein Inhibitormaterial (nicht dargestellt) aufweist, welches elektrisch isolierend und isolierend für Metallionen der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode ist. Zusätzlich dazu ist das Inhibitormaterial undurchlässig für Formen des Aktivmaterials (das heißt der Ausgangsstoff, eventuelle Zwischenstufe(n) und das Endprodukt), wie beispielsweise im Fall des metallischen Systems, welches aus Lithium und Schwefel gebildet wird, undurchlässig für im Wesentlichen Polysulfide und Schwefel. 2 shows a sectional view of a cell stack 200 , which was prepared according to another present method. The process for preparing the cell stack 200 comprises the steps of providing a stack which comprises at least one cathode 210 , an anode 220 and at least one separator 230 has, in the layer sequence cathode-separator-anode-separator-cathode, wherein the cathode 210 or the anode 220 a metallic electrode consisting of an electrode coating on a current collector; and the step of joining the thus formed stack to the cell stack 200 by applying an adhesive layer 240 on the edge regions of each component of the stack up to the region of the electrode coating of the stack, wherein the adhesive layer 240 is impenetrable to an electrolyte (not shown) and an active material (not shown) dissolved therein, and the adhesive layer 240 further comprises an inhibitor material (not shown) which is electrically insulating and insulating for metal ions of the electrode coating of the metallic electrode. In addition, the inhibitor material is impermeable to forms of the active material (i.e., the starting material, any intermediate (s), and the end product), such as in the case of the metallic system formed of lithium and sulfur, impermeable to substantially polysulfides and sulfur.

Speziell weist die Kathode 210 eine Kathodenbeschichtung 211 auf, welche auf beiden Seiten eines Kathodenstromableiters 212 aufgebracht ist. Die Anode 220 weist eine Anodenbeschichtung 221 auf, welche auf beiden Seiten eines Anodenstromableiters 222 aufgebracht ist. Der Separator 230 sorgt in dem Zellstapel 200 für eine physikalische Trennung einer Kathode 210 von einer Anode 220.Specifically, the cathode has 210 a cathode coating 211 on which on both sides of a Kathodenstromableiters 212 is applied. The anode 220 has an anode coating 221 on which on both sides of an anode current collector 222 is applied. The separator 230 ensures in the cell stack 200 for a physical separation of a cathode 210 from an anode 220 ,

Mit dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung eines Zellstapels wird die Herausdiffusion von Aktivmaterial aus der Kathode wesentlich eingedämmt und auf den Bereich des Zellstapels eingeschränkt. Somit wird die Diffusion in Totvolumina der Zelle verhindert, und damit ein wesentlicher Alterungsmechanismus von Zellen mit löslichem Aktivmaterial, insbesondere von Lithium-Schwefel-Zellen, unterbunden. Neben einer Verbesserung der Zyklenstabilität wird auf diese Weise auch eine Erhöhung der spezifischen Energie der Zelle durch eine höhere Gesamtschwefelausnutzung erreicht.With the present method for producing a cell stack, the outdiffusion of active material from the cathode is substantially contained and restricted to the area of the cell stack. Thus, the diffusion is prevented in dead volumes of the cell, and thus a significant aging mechanism of cells with soluble active material, in particular of lithium-sulfur cells prevented. In addition to improving the cycle stability, an increase in the specific energy of the cell is achieved by a higher total sulfur utilization in this way.

Das Inhibitormaterial und die Kleberschicht 240 müssen elektronisch und ionisch isolierend, unlöslich im Elektrolytsystem, sowie undurchlässig für das Aktivmaterial, wie beispielsweise Polysulfide, sein. Als Inhibitormaterial kann beispielsweise ein physikalisch abbindender Klebstoff oder ein chemisch härtender Klebstoff verwendet werden. Als Kleber für die Kleberschicht 240 können sowohl physikalisch abbindende Klebstoffe, beispielsweise Polychloropren oder Polyurethane, als auch chemisch härtende Klebstoffe zum Einsatz kommen. In der Klasse der chemisch härtenden Klebstoffe können sowohl 2-Komponenten als auch 1-Komponenten-Systeme eingesetzt werden, also zum Beispiel Methylmethacrylat-Klebstoffe, strahlenhärtende Klebstoffe wie UV-Acrylate, Silikone, silanvernetzende Polymerklebstoffe, Epoxidharzklebstoffe, Polyurethanklebstoffe und Haftklebstoffe, welche die geforderte chemische Stabilität besitzen.The inhibitor material and the adhesive layer 240 must be electronically and ionically insulating, insoluble in the electrolyte system, as well as impermeable to the active material, such as polysulfides. As the inhibitor material, for example, a physically-setting adhesive or a chemical-curing adhesive may be used. As an adhesive for the adhesive layer 240 For example, it is possible to use both physically setting adhesives, for example polychloroprene or polyurethanes, and chemically hardening adhesives. In the class of chemically curing adhesives both 2-component and 1-component systems can be used, so for example methyl methacrylate adhesives, radiation-curing adhesives such as UV acrylates, silicones, silane-crosslinking polymer adhesives, epoxy resin adhesives, polyurethane adhesives and pressure-sensitive adhesives, which required possess chemical stability.

Weiterhin ist eine Beständigkeit gegen das Metall der metallischen Elektrode erforderlich, wenn die Beschichtung der metallischen Elektrode nicht mit einem Schutzmaterial (nicht dargestellt) bedeckt ist, welches impermeabel für einen Elektrolyten, jedoch leitfähig für Metallionen der Elektrodenbeschichtung ist. Vorzugweise bedeckt das Schutzmaterial auch die Ränder der Beschichtung der Elektrodenbeschichtung. Auf das Schutzmaterial kann dann die Kleberschicht 240 aufgebracht werden, wodurch sich eine größere Auswahl an Klebstoffen ergibt, da aufgrund des als Zwischenschicht wirkenden Schutzmaterials keine Beständigkeit des Klebers gegenüber dem Material der metallischen Elektrode gefordert werden muss. Besonders beim Einsatz von Polyolefinschichten oder -membranen kann die Anwendung eines Haftvermittlers vorteilhaft sein, wie zum Beispiel organisch funktionalisierte Silane, metallorganische Verbindungen, insbesondere Titanate und Zirkonate, sowie Polymere wie Polyester und Polyethylenimin.Further, resistance to the metal of the metallic electrode is required when the coating of the metallic electrode is not covered with a protective material (not shown) which is impermeable to an electrolyte but conductive to metal ions of the electrode coating. Preferably, the protective material also covers the edges of the coating of the electrode coating. On the protective material then the adhesive layer 240 can be applied, resulting in a greater selection of adhesives, since due to the acting as an intermediate layer protection material no resistance of the adhesive against the material of the metallic electrode must be required. Particularly when polyolefin layers or membranes are used, the use of an adhesion promoter may be advantageous, for example organically functionalized silanes, organometallic compounds, in particular titanates and zirconates, and also polymers such as polyester and polyethyleneimine.

3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Oberseite eines Zellwickels 300, welcher gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens hergestellt wurde. Das Verfahren zur Herstellung des Zellwickels 300 umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Stapels, welcher zumindest eine Kathode, eine Anode sowie einen ersten Separator und einen zweiten Separator aufweist, in der Schichtabfolge Kathode-erster Separator-Anode-zweiter Separator, wobei die Kathode oder die Anode eine Elektrodenbeschichtung (nicht dargestellt) auf einem Stromableiter (nicht dargestellt) einer metallischen Elektrode ist und die beiden Längsenden der beiden Separatoren jeweils über die Längsenden der Kathode und der Anode überstehen; und den Schritt des zumindest abschnittsweisen Aufbringens eines Inhibitormaterials (nicht dargestellt) auf eine Kante des Stromableiters, welche als eine Wickelachse des Zellwickels 300 vorgesehen ist, bis zu der nächst liegenden Kante der Elektrodenbeschichtung, sowie des Aufbringens des Inhibitormaterials auf die der Wickelachse des Zellwickels 300 nächst liegende Kante der Elektrodenbeschichtung mit einer vorbestimmten Breite, wobei das Inhibitormaterial elektrisch isolierend und isolierend für Ionen der Elektrodenbeschichtung ist; und den Schritt des Aufbringens des Inhibitormaterials auf der Seite der Elektrodenbeschichtung auf die der Wickelachse des Zellwickels 300 maximal beabstandete Kante der Elektrodenbeschichtung mit einer vorbestimmten Breite, sowie des zumindest abschnittsweisen Aufbringens des Inhibitormaterials auf der Seite der Elektrodenbeschichtung auf diejenige Kante des Stromableiters, welche der Wickelachse des Zellwickels 300 gegenüber liegt und ein freies Ende des Stromableiters bildet, bis zu der nächst liegenden Kante der Elektrodenbeschichtung. Des Weiteren umfasst das Verfahren den Schritt des zumindest abschnittsweises Aufbringens einer Kleberschicht 310 auf diejenige Kante des nach dem Aufwickeln des Stapels zu dem Zellwickel 300 außenliegenden Separators, welche der Wickelachse des Zellwickels 300 gegenüber liegt und ein freies Ende des Stromableiters bildet, mit einer vorbestimmten Breite, wobei die Kleberschicht 310 für einen Elektrolyten und ein darin gelöstes Aktivmaterial undurchdringlich ist oder das zumindest abschnittsweise Aufbringen einer Kleberschicht 310 auf diejenigen Kanten der beiden Separatoren, welche der Wickelachse des Zellwickels 300 gegenüber liegen und jeweils ein freies Ende des Separators bilden, mit einer vorbestimmten Breite, wobei die Kleberschicht 310 für einen Elektrolyten und ein darin gelöstes Aktivmaterial undurchdringlich ist. Anschließend erfolgt der Schritt des Aufwickelns des derart gebildeten Stapels zu dem Zellwickel 300. Schließlich umfasst das Verfahren den Schritt des Aufbringens der Kleberschicht 310 senkrecht zur Wickelachse des Zellwickels 300 auf die Randbereiche jeweils aller Bestandteile des Stapels bis zu dem Bereich der Elektrodenbeschichtung des Stapels, wobei die Kleberschicht 310 für einen Elektrolyten und ein darin gelöstes Aktivmaterial undurchdringlich ist, und die Kleberschicht 310 des Weiteren das Inhibitormaterial aufweist, welches elektrisch isolierend und isolierend für Metallionen der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode ist. 3 shows a perspective view of the top of a cell coil 300 manufactured according to one embodiment of the present method. The process for producing the cell coil 300 comprises the steps of providing a stack comprising at least a cathode, an anode and a first separator and a second separator, in the layer sequence cathode-first separator-anode-second separator, the cathode or the anode having an electrode coating (not shown) on a current collector (not shown) of a metallic electrode, and projecting the two longitudinal ends of the two separators respectively over the longitudinal ends of the cathode and the anode; and the step of applying an inhibitor material (not shown) at least in portions to an edge of the current conductor which acts as a winding axis of the cell coil 300 is provided, to the nearest edge of the electrode coating, and the application of the inhibitor material on the winding axis of the cell coil 300 nearest edge of the electrode coating having a predetermined width, the inhibitor material being electrically insulating and insulating for ions of the electrode coating; and the step of applying the inhibitor material on the side of the electrode coating to the winding axis of the cell coil 300 maximum spaced edge of the electrode coating having a predetermined width, and the at least partially applying the inhibitor material on the side of the electrode coating on the edge of the current collector, which the winding axis of the cell coil 300 opposite and forms a free end of the current collector, to the nearest edge of the electrode coating. Furthermore, the method comprises the step of at least partially applying an adhesive layer 310 on the edge of the after winding of the stack to the cell winding 300 external separator, which is the winding axis of the cell coil 300 opposite and forms a free end of the Stromableiters, with a predetermined width, wherein the adhesive layer 310 is impermeable to an electrolyte and an active material dissolved therein or at least partially applying an adhesive layer 310 on those edges of the two separators, which is the winding axis of the cell coil 300 lie opposite each other and each form a free end of the separator, with a predetermined width, wherein the adhesive layer 310 is impenetrable to an electrolyte and an active material dissolved therein. Subsequently, the step of winding the thus formed stack to the cell winding takes place 300 , Finally, the method comprises the step of applying the adhesive layer 310 perpendicular to the winding axis of the cell coil 300 on the edge regions of each component of the stack up to the region of the electrode coating of the stack, wherein the adhesive layer 310 is impermeable to an electrolyte and an active material dissolved therein, and the adhesive layer 310 further comprises the inhibitor material which is electrically insulating and insulating for metal ions of the electrode coating of the metallic electrode.

Mit dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung eines Zellwickels 300 wird die Herausdiffusion von Aktivmaterial aus der Kathode wesentlich eingedämmt und auf den Bereich des Zellwickels 300 eingeschränkt. Somit wird die Diffusion in Totvolumina der Zelle verhindert, und damit ein wesentlicher Alterungsmechanismus von Zellen mit löslichem Aktivmaterial, insbesondere von Lithium-Schwefel-Zellen, unterbunden. Neben einer Verbesserung der Zyklenstabilität wird auf diese Weise auch eine Erhöhung der spezifischen Energie der Zelle durch eine höhere Gesamtschwefelausnutzung erreicht.With the present method for producing a cell wrap 300 The outdiffusion of active material from the cathode is substantially contained and on the area of the cell coil 300 limited. Thus, the diffusion is prevented in dead volumes of the cell, and thus a significant aging mechanism of cells with soluble active material, in particular of lithium-sulfur cells prevented. In addition to improving the cycle stability, an increase in the specific energy of the cell is achieved by a higher total sulfur utilization in this way.

Bei dem Zellwickel 300 ist die Verklebung für ein Ende des Zellwickels 300 derart auszuführen, dass zusätzlich die Versiegelung beider Enden der Beschichtung mit der Kleberschicht 310 der gewickelten Elektrodenbeschichtung in Richtung der Wickelachse erfolgen muss. Der Zellwickel 300 weist des Weiteren einen Stromableitertab 320 auf, welcher sich von einem freien Ende des Zellwickels 300 bis zu einer vorbestimmten Höhe von diesem wegerstreckt. Der Stromableitertab 320 des Zellwickels 300 kann soweit mit dem Inhibitormaterial bedeckt werden, wie dieser von einem Elektrolyt (nicht dargestellt) benetzt wird. Dies entspricht für gewöhnlich mindestens dem Bereich bis zur Kante des meist die Beschichtung mit einem Schutzmaterial (nicht dargestellt) leicht überlappenden, elektrolytgetränkten Separators (nicht dargestellt).In the cell winding 300 is the bond for one end of the cell wrap 300 be carried out such that in addition the sealing of both ends of the coating with the adhesive layer 310 the wound electrode coating must be in the direction of the winding axis. The cell wrap 300 also has a current collector tab 320 on which extends from a free end of the cell coil 300 extends up to a predetermined height therefrom. The current collector tab 320 of the cell coil 300 can be covered with the inhibitor material as far as it is wetted by an electrolyte (not shown). This usually corresponds to at least the region up to the edge of the electrolyte-saturated separator (not shown), which is usually slightly overlapping with a protective material (not shown).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DEq 3920129 A1 [0004] DEq 3920129 A1 [0004]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Elektrode (100), mit den folgenden Schritten: a) Zumindest bereichsweises Aufbringen einer Elektrodenbeschichtung (110) auf zumindest eine Seite eines Stromableiters (120); b) Aufbringen eines Inhibitormaterials (130) auf sämtliche Kantenbereiche der Elektrodenbeschichtung (110) mit einer vorbestimmten Breite, wobei das Inhibitormaterial (130) elektrisch isolierend und isolierend für Metallionen der Elektrodenbeschichtung (110) ist.Method for producing a metallic electrode ( 100 ), comprising the following steps: a) at least partially applying an electrode coating ( 110 ) on at least one side of a current conductor ( 120 ); b) applying an inhibitor material ( 130 ) on all edge regions of the electrode coating ( 110 ) having a predetermined width, the inhibitor material ( 130 ) electrically insulating and insulating for metal ions of the electrode coating ( 110 ). Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend den Schritt des Aufbringens des Inhibitormaterials (130) auf der Seite der Elektrodenbeschichtung (110) der metallischen Elektrode (100) auf diejenigen Bereiche des Stromableiters (120), welche nicht von der Elektrodenbeschichtung (110) der metallischen Elektrode (100) bedeckt sind.The method of claim 1, further comprising the step of applying the inhibitor material ( 130 ) on the side of the electrode coating ( 110 ) of the metallic electrode ( 100 ) to those areas of the current conductor ( 120 ), which does not depend on the electrode coating ( 110 ) of the metallic electrode ( 100 ) are covered. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren umfassend den Schritt des zumindest bereichsweisen Aufbringens des Inhibitormaterials (130) auf diejenige Seite des Stromableiters (120), welche der Elektrodenbeschichtung (110) der metallischen Elektrode (100) gegenüber liegt.The method of claim 1 or 2, further comprising the step of at least partially applying the inhibitor material ( 130 ) on the side of the current conductor ( 120 ), which of the electrode coating ( 110 ) of the metallic electrode ( 100 ) is opposite. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromableiter (120) des Weiteren zumindest einen Stromableitertab (140) aufweist, welcher soweit mit dem Inhibitormaterial (130) bedeckt wird, wie dieser von einem Elektrolyt benetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the current conductor ( 120 ) further comprises at least one current collector tab ( 140 ), which as far as the inhibitor material ( 130 ) as it is wetted by an electrolyte. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Inhibitormaterial (130) ein physikalisch abbindender Klebstoff oder ein chemisch härtender Klebstoff ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the inhibitor material ( 130 ) is a physically setting adhesive or a chemically curing adhesive. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Breite für die Bedeckung des Kantenbereichs der Elektrodenbeschichtung (110) der metallischen Elektrode (100) mit dem Inhibitormaterial (130) im Bereich von größer oder gleich 0,1 mm bis kleiner oder gleich 2 mm beträgt. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined width for the covering of the edge region of the electrode coating ( 110 ) of the metallic electrode ( 100 ) with the inhibitor material ( 130 ) in the range of greater than or equal to 0.1 mm to less than or equal to 2 mm. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, mit dem weiteren Schritt des zumindest bereichsweisen Aufbringens eines Schutzmaterials auf der Elektrodenbeschichtung (110) der metallischen Elektrode (100), wobei das Schutzmaterial impermeabel für einen Elektrolyten, jedoch leitfähig für Metallionen der Elektrodenbeschichtung (110) der metallischen Elektrode (100) ist.Method according to one of the preceding claims, with the further step of at least partially applying a protective material on the electrode coating ( 110 ) of the metallic electrode ( 100 ), the protective material being impermeable to an electrolyte but conductive to metal ions of the electrode coating ( 110 ) of the metallic electrode ( 100 ). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischenliegend zwischen der Elektrodenbeschichtung (110) und dem Inhibitormaterial (130) auf sämtlichen Kantenbereichen der Elektrodenbeschichtung (110) der metallischen Elektrode (100) mit der vorbestimmten Breite ein Zwischenmaterial vorgesehen ist, welches eine Beständigkeit gegenüber der Elektrodenbeschichtung (110) der metallischen Elektrode (100) aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that between the electrode coating ( 110 ) and the inhibitor material ( 130 ) on all edge regions of the electrode coating ( 110 ) of the metallic electrode ( 100 ) is provided with the predetermined width an intermediate material, which has a resistance to the electrode coating ( 110 ) of the metallic electrode ( 100 ) having. Verfahren zur Herstellung eines Zellstapels (200), mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Stapels, welcher zumindest zwei Kathoden (210), eine Anode (220) sowie zumindest zwei Separatoren (230) aufweist, in der Schichtabfolge Kathode-Separator-Anode-Separator-Kathode, wobei die Kathode (210) oder die Anode (220) eine Elektrodenbeschichtung auf einem Stromableiter einer metallischen Elektrode ist; b) Fügen des derart gebildeten Stapels zu dem Zellstapel (200) durch das Aufbringen einer Kleberschicht (240) auf die Randbereiche jeweils aller Bestandteile des Stapels (210, 220, 230) bis zu dem Bereich der Elektrodenbeschichtung des Stapels, wobei die Kleberschicht (240) für einen Elektrolyten und ein darin gelöstes Aktivmaterial undurchdringlich ist, und die Kleberschicht (240) des Weiteren ein Inhibitormaterial aufweist, welches elektrisch isolierend und isolierend für Metallionen der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode ist.Method for producing a cell stack ( 200 ), comprising the following steps: a) providing a stack which has at least two cathodes ( 210 ), an anode ( 220 ) as well as at least two separators ( 230 ), in the layer sequence cathode-separator-anode-separator-cathode, wherein the cathode ( 210 ) or the anode ( 220 ) is an electrode coating on a current collector of a metallic electrode; b) joining the stack thus formed to the cell stack ( 200 ) by the application of an adhesive layer ( 240 ) on the edge areas of each component of the stack ( 210 . 220 . 230 ) to the area of the electrode coating of the stack, wherein the adhesive layer ( 240 ) is impenetrable to an electrolyte and an active material dissolved therein, and the adhesive layer ( 240 ) further comprises an inhibitor material which is electrically insulating and insulating for metal ions of the electrode coating of the metallic electrode. Verfahren zur Herstellung eines Zellwickels (300), mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Stapels, welcher zumindest eine Kathode, eine Anode sowie einen ersten Separator und einen zweiten Separator aufweist, in der Schichtabfolge Kathode-erster Separator-Anode-zweiter Separator, wobei die Kathode oder die Anode eine Elektrodenbeschichtung auf einem Stromableiter einer metallischen Elektrode ist, und die Längsenden der beiden Separatoren jeweils über die Längsenden der Kathode und der Anode überstehen; b) zumindest abschnittsweises Aufbringen eines Inhibitormaterials auf eine Kante des Stromableiters, welche als eine Wickelachse des Zellwickels (300) vorgesehen ist, bis zu der nächst liegenden Kante der Elektrodenbeschichtung, sowie Aufbringen des Inhibitormaterials auf die der Wickelachse des Zellwickels (300) nächst liegende Kante der Elektrodenbeschichtung mit einer vorbestimmten Breite, wobei das Inhibitormaterial elektrisch isolierend und isolierend für Ionen der Elektrodenbeschichtung ist; c) Aufbringen des Inhibitormaterials auf der Seite der Elektrodenbeschichtung auf die der Wickelachse des Zellwickels (300) maximal beabstandete Kante der Elektrodenbeschichtung mit einer vorbestimmten Breite, sowie zumindest abschnittsweises Aufbringen des Inhibitormaterials auf der Seite der Elektrodenbeschichtung auf diejenige Kante des Stromableiters, welche der Wickelachse des Zellwickels (300) gegenüber liegt und ein freies Ende des Stromableiters bildet, bis zu der nächst liegenden Kante der Elektrodenbeschichtung; d) zumindest abschnittsweises Aufbringen einer Kleberschicht (310) auf diejenige Kante des nach dem Aufwickeln des Stapels zu dem Zellwickel (300) außenliegenden Separators, welche der Wickelachse des Zellwickels (300) gegenüber liegt und ein freies Ende des Separators bildet, mit einer vorbestimmten Breite, wobei die Kleberschicht (310) für einen Elektrolyten und ein darin gelöstes Aktivmaterial undurchdringlich ist oder zumindest abschnittsweises Aufbringen einer Kleberschicht (310) auf diejenigen Kanten der beiden Separatoren, welche der Wickelachse des Zellwickels (300) gegenüber liegen und jeweils ein freies Ende des Separators bilden, mit einer vorbestimmten Breite, wobei die Kleberschicht (310) für einen Elektrolyten und ein darin gelöstes Aktivmaterial undurchdringlich ist; e) Aufwickeln des derart gebildeten Stapels zu dem Zellwickel (300); f) Aufbringen der Kleberschicht (310) senkrecht zur Wickelachse des Zellwickels (300) auf die Randbereiche jeweils aller Bestandteile des Stapels bis zu dem Bereich der Elektrodenbeschichtung des Stapels, wobei die Kleberschicht (310) des Weiteren das Inhibitormaterial aufweist, welches elektrisch isolierend und isolierend für Metallionen der Elektrodenbeschichtung der metallischen Elektrode ist.Method for producing a cell coil ( 300 ), comprising the following steps: a) providing a stack, which has at least one cathode, an anode and a first separator and a second separator, in the layer sequence cathode-first separator-anode second separator, wherein the cathode or the anode Electrode coating on a current collector of a metallic electrode, and project the longitudinal ends of the two separators respectively over the longitudinal ends of the cathode and the anode; b) applying, at least in sections, an inhibitor material to an edge of the current conductor, which serves as a winding axis of the cell coil ( 300 ) is provided, to the nearest edge of the electrode coating, and applying the inhibitor material on the winding axis of the cell coil ( 300 nearest edge of the electrode coating having a predetermined width, the inhibitor material being electrically insulating and insulating for ions of the electrode coating; c) applying the inhibitor material on the side of the electrode coating on the winding axis of the cell coil ( 300 ) maximum spaced edge of the electrode coating with a predetermined width, and at least partially applying the inhibitor material on the side of the electrode coating on the edge of the current conductor, which the winding axis of the cell coil ( 300 ) and a free end of the current conductor forms, to the nearest edge of the electrode coating; d) at least section-wise application of an adhesive layer ( 310 ) on the edge of the after winding of the stack to the cell coil ( 300 ) external separator, which the winding axis of the cell coil ( 300 ) and forms a free end of the separator, with a predetermined width, wherein the adhesive layer ( 310 ) is impermeable to an electrolyte and an active material dissolved therein, or at least in sections applying an adhesive layer ( 310 ) on those edges of the two separators, which the winding axis of the cell coil ( 300 ) and each forming a free end of the separator, with a predetermined width, wherein the adhesive layer ( 310 ) is impenetrable to an electrolyte and an active material dissolved therein; e) winding the thus formed stack to the cell coil ( 300 ); f) application of the adhesive layer ( 310 ) perpendicular to the winding axis of the cell coil ( 300 ) on the edge regions of all components of the stack up to the region of the electrode coating of the stack, wherein the adhesive layer ( 310 ) further comprises the inhibitor material which is electrically insulating and insulating for metal ions of the electrode coating of the metallic electrode.
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